Анатомия масляного фильтра: типы, принципы фильтрации, материалы, отказы и компоненты

Автор материала: Олег Тимошенко

Масляный фильтр состоит из корпуса, гофрированного фильтрующего элемента на центральной трубке, перепускного и противодренажного клапанов и уплотнения; он задерживает загрязнения преимущественно по принципу глубинной фильтрации, а его эффективность и ресурс зависят от фильтрующего материала и грязеемкости. Ниже - какие бывают масляные фильтры по способу очистки и схеме подключения, как они фильтруют, из каких материалов изготавливаются, как отказывают и из каких компонентов состоят.

Краткая история масляного фильтра

В начале автомобилестроения двигатели постоянно выходили из строя, и пробег в несколько сотен километров без ремонта считался достижением. Во многом причиной было отсутствие систем очистки топлива, воздуха и масла: пыль и продукты износа попадали в двигатель и разрушали его. Ситуация изменилась в 1920-х годах, когда начали устанавливать фильтры. По данным источника, первым масляным фильтром был Purolator, изобретенный Эрнестом Свитлендом (Ernest Sweetland) в 1922 году (сама Purolator обычно датирует изобретение 1923 годом); по распространенной версии, название происходит от Pure Oil Later. Межремонтный пробег стал исчисляться тысячами километров.

Неразборные навинчиваемые фильтры (spin-on) появились в 1950-х годах. Сегодня большинство масляных фильтров - либо навинчиваемые неразборные, либо разборные со сменным элементом (replaceable cartridge): в разборном фильтре есть стакан со съемной крышкой, в который устанавливают фильтрующий элемент, и меняют только элемент. Фильтрацию масла применяют не только в автомобилях, но и в авиакосмической отрасли, энергетике, нефтепереработке, горном деле и других отраслях, поэтому фильтр выбирают с учетом условий работы, производительности, стоимости, удобства обслуживания и температурного режима.

Типы масляных фильтров по способу очистки

Механические фильтры делятся на фильтры грубой и тонкой очистки. Фильтр грубой очистки (сетка маслоприемника) в большинстве случаев расположен в картере и, как правило, не требует замены; он задерживает крупные частицы, которые быстро забили бы фильтр тонкой очистки. Фильтр тонкой очистки задерживает более мелкие частицы грязи и нагара. Механические фильтры - самый распространенный тип.
Гравитационные фильтры (отстойники) работают за счет оседания частиц, более плотных, чем масло: объем отстойника значительно больше подводящих трубопроводов, скорость потока падает, и тяжелые примеси выпадают в осадок.
Центробежные фильтры (центрифуги) вместо силы тяжести используют центробежную силу: частицы грязи оседают на стенках корпуса, а очищенное масло поступает в магистраль.
Магнитные фильтры притягивают и собирают частицы железа с помощью магнита или электромагнита.

Полнопоточные, частичнопоточные и комбинированные фильтры

Полнопоточный фильтр самый простой по конструкции: с момента пуска двигателя через него проходит все масло, идущее к точкам смазки. Он быстрее очищает масло, но и быстрее загрязняется, поэтому важную роль в нем играет перепускной клапан. Клапан открывается при значительном перепаде давления между неочищенным и очищенным маслом - из-за загрязнения элемента или высокой вязкости холодного масла. Тогда масло поступает в двигатель неочищенным, но смазка сохраняется.

Частичнопоточный фильтр установлен параллельно основной магистрали: за один проход он очищает лишь небольшую часть масла, а остальное идет в двигатель без фильтрации. Зато эта часть проходит через фильтр многократно и очищается значительно лучше, чем в полнопоточном фильтре; постепенно очищается все масло, хотя и дольше. Преимущество такой схемы - даже при забитом фильтре поток масла к двигателю не прекращается.

Комбинированная схема сочетает полнопоточный и частичнопоточный фильтры; по данным источника, объемы масла через них соотносятся примерно как 9:1. Такая схема обеспечивает очень глубокую очистку и продлевает ресурс двигателя, масла и фильтров; чаще всего ее применяют на дизелях грузовиков и строительной техники.

В типичных навинчиваемых фильтрах масло проходит сквозь фильтрующий материал снаружи внутрь - к центральной трубке. В некоторых конструкциях направление потока противоположное, что, по данным источника, позволяет лучше управлять потоком и уменьшить размер элемента.

Как фильтр задерживает частицы

Прямой перехват и глубинное задержание - частица больше прохода в фильтрующем материале и задерживается в нем.
Адсорбция - электростатическое или молекулярное притяжение частиц к волокнам.
Инерционное столкновение - частицы по инерции ударяются о волокна при их обтекании маслом и задерживаются.
Броуновское движение - частицы меньше 1 мкм движутся независимо от потока и оседают на волокнах вблизи; в вязкой жидкости этот механизм играет незначительную роль.
Гравитационный эффект - при низкой скорости потока больше частиц оседает.

Различают два основных принципа фильтрации - поверхностный и глубинный. Поверхностный напоминает дуршлаг: чем больше частиц накапливается на поверхности, тем сильнее они перекрывают отверстия и растет сопротивление. Глубинный фильтр имеет объемную структуру - например, полотно из смеси целлюлозных волокон разных сортов древесины с добавлением синтетических волокон, пропитанное специальными смолами. Загрязнения задерживаются внутри материала, поэтому фильтр удерживает много грязи и долго сохраняет малый перепад давления. Автомобильные масляные фильтры работают по принципу глубинной фильтрации, которая эффективнее задерживает мелкие частицы.

Фильтрующие материалы и грязеемкость

От пористости материала зависит, сколько задержанных частиц фильтр может удержать, - это его грязеемкость. Чем мельче поры, тем больше их должно быть, чтобы перепад давления на элементе оставался низким. Основные фильтрующие материалы:

целлюлоза - древесная масса с волокнами разного размера и неравномерным размером пор; имеет хорошую грязеемкость, но продукты окисления масла разрушают чистую целлюлозу. По данным источника, добавление даже 25 % полиэфира повышает стойкость материала к старению в пять раз;
стекловолокно или синтетика - мелкие искусственные или стеклянные волокна с более равномерным размером пор; более тонкие волокна обеспечивают более высокую грязеемкость и долговечность;
композитный материал - сочетание целлюлозы и стекловолокна.

Самые эффективные - многослойные материалы, в которых на одном полотне расположены слои с разной плотностью и размером пор; по данным источника, это позволяет повысить грязеемкость вплоть до 100 %.

Как отказывает фильтр

Каналообразование (channeling) - при большом перепаде давления проходы в материале расширяются, неочищенное масло проходит свободно, а ранее задержанные частицы могут вымываться в магистраль.
Усталостные трещины - при циклической нагрузке потоком в элементе образуются трещины, через которые масло проходит без фильтрации.
Разрушение волокон - волокна материала разрушаются и сами становятся загрязнением. Причинами могут быть вибрации из-за неправильной установки корпуса, хрупкость из-за несовместимости с маслом или очень большие перепады давления.
Закупорка - поры полностью забиваются, когда исчерпана грязеемкость; преждевременно это может случиться из-за избытка влаги, охлаждения, большого количества продуктов окисления и шлама.

Как продлить работу фильтров

Лучший способ уберечь фильтр от преждевременного исчерпания грязеемкости - не допускать загрязнения системы: чем меньше внешних загрязнений попадет внутрь, тем меньше частиц образуется на поверхностях трения. Для этого:

следите за состоянием сапунов, которые защищают систему от пыли и влаги;
держите уплотнения и цилиндры чистыми и сухими;
выбирайте масло с соответствующим пакетом присадок по требованиям производителя.

Если фильтр вызывает подозрение, его не стоит выбрасывать: сохраните его в том состоянии, в котором он снят, для анализа производителем или лабораторией. Отработанные масляные фильтры нельзя выбрасывать вместе с бытовым мусором - их утилизируют в соответствии с экологическими требованиями: сливают масло, а фильтр измельчают или перерабатывают.

Типовые компоненты масляного фильтра

Индикатор состояния (есть не во всех фильтрах) - измеряет перепад давления и показывает остаточный ресурс или отказ фильтра.
Головка фильтра - верхняя часть корпуса с каналами для входа и выхода масла, в промышленных фильтрах - также с индикаторами байпаса и перепада давления.
Перепускной (байпасный) клапан - обеспечивает подачу масла в систему смазки, если оно не может пройти через полностью забитый элемент или слишком вязкое на морозе. По данным источника, для тяжелых условий с ежедневным пуском промерзшего двигателя лучше подходят фильтры с перепускным клапаном на входе, потому что при перепуске полость фильтра не промывается.
Основание - опорная часть, соединяющая фильтр с головкой и предотвращающая утечки и разрывы при росте перепада давления.
Корпус - удерживает все элементы фильтра и направляет поток масла через фильтрующий элемент.
Центральная трубка (внутренний каркас) - канал для выхода очищенного масла и опора фильтрующего элемента, которая не дает ему смяться при росте перепада давления.
Фильтрующий элемент (штора) - гофрированный материал из целлюлозных и синтетических микроволокон, иногда со стекловолокном или полиэстером, часто пропитанный смолой для жесткости и прочности.
Торцевые крышки - закрывают фильтрующий элемент с торцов и предотвращают протекание масла мимо него.
Дренажное отверстие (в некоторых фильтрах) - позволяет слить масло перед снятием фильтра или отобрать пробу.
Пружина - задает усилие перепускного клапана или прижимает элемент.
Противодренажный клапан - резиновая мембрана, которая не дает маслу вытечь из фильтра на неработающем двигателе; иначе при каждом пуске сначала заполнялся бы фильтр, и только потом масло поступало бы к деталям.
Уплотнительное кольцо - герметизирует соединение фильтра с двигателем и не пропускает пыль и грязь.

Масляный фильтр имеет ограниченный ресурс и подлежит замене одновременно с маслом. Повторное использование фильтра грозит масляным голоданием и поломкой двигателя, а экономия на фильтре может обернуться затратами, в разы превышающими его стоимость. Масляный фильтр по размерам, оригинальному номеру или номеру аналога TESMA подберет для вашей техники; обратиться к специалистам можно через страницу контактов.