Płuca samochodu - wszystko o filtrach powietrza

Aby zapobiec uszkodzeniom silnika, powietrze, które do niego trafia, musi być wcześniej oczyszczone z drobnych pyłów. Z kolei powietrze kierowane do kabiny pasażerskiej oczyszczane jest zarówno z cząstek stałych, jak i szkodliwych substancji w formie gazowej. W obu przypadkach kluczową rolę odgrywa filtr powietrza.

Kluczową, ponieważ wpływ na filtrację mają także inne elementy, jak chociażby obudowa filtra czy jego umiejscowienie, ale o tym później. Ważna jest świadomość, jak wiele pracy ma do wykonania filtr powietrza w przeciętnym samochodzie osobowym.

Powietrze atmosferyczne jest bowiem zanieczyszczone głównie drobinami unoszącymi się z wierzchnich warstw dróg oraz pyłami przemysłowymi. Największe natężenie zapylenia utrzymuje się na wysokości ok. 0,5 m, czyli w miejscu gdzie znajdują się w samochodzie otwory do zasysania powietrza.

Zawartość pyłu w powietrzu może wynosić średnio od 0,2 do 50 mg/m3. Zależnie od warunków panujących na drodze może być ono oczywiście większe. Sprawdźmy, ile pyłu mogłoby przedostawać się do silnika, gdyby nie filtr powietrza.

Jeśli przyjmiemy, że na 1 kg paliwa potrzeba 14 kg powietrza (wartość ta może się różnić w zależności od stosowanego paliwa, rodzaju wtrysku itd.), czyli 10,8 m3, a samochód rocznie przejeżdża 20 tys. km, to przy średnim zużyciu paliwa równym 8 l/100 km do jednostki napędowej może przedostać się nawet 6,2 kg pyłu przez rok!

Niewłaściwa filtracja prowadzi więc do przedostania się pyłu do silnika, a w rezultacie do oleju oraz zużycia np. pierścieni tłokowych, gładzi cylindrowej, łożysk turbosprężarki itd.

Obecne systemy filtracji powietrza zbudowane są z przewodu rurowego z wlotem powietrza, który prowadzi do obudowy z elementem filtrującym. Za filtrem znajduje się przewód oczyszczonego powietrza wraz z przepływomierzem.

Skuteczność filtra może być określana na kilka sposobów. Miarą skuteczności może być więc stopień separacji, mówiący o odsetku odseparowanych cząstek. Określa się także początkowy stopień separacji, odnoszący się do nowej warstwy filtracyjnej. Filtry ocenia się, poddając je znormalizowanym testom, które mają określone metody pomiarowe.

Na ich podstawie wyznacza się krzywą separacji lub oddzielenia. Krzywa w postaci graficznej zaczyna się na wykresie dla wielkości cząstek, które w 100 proc. przedostają się przez filtr, a kończy na wielkości cząstek, które są w pełni przez niego zatrzymywane.

Filtry dobrej jakości w samochodach osobowych są w stanie odseparować 99,8 proc. zanieczyszczeń, z kolei w autach użytkowych wartość ta sięga nawet 99,95 proc. Na materiały filtracyjne stosuje się papier, papier z włókniną lub samą włókninę wykonaną z tworzywa sztucznego (np. poliester).

Czasem można spotkać włókninę nasączoną olejem, która ma dużą zdolność pochłaniania pyłów - ok. 1000 g/m3, w przypadku papieru wartość ta wynosi jedynie ok. 200 g/m3. Materiały te są scharakteryzowane poprzez grubość, przepuszczalność powietrza, grubość włókien czy odporność na przebijanie.

Istotne jest także optymalne ułożenie materiału filtracyjnego w plisy, dzięki czemu zapewniona jest duża powierzchnia filtrująca. Odpowiednio ułożone plisy podpierają się wzajemnie i są odporniejsze na zlepianie. Dla wydłużenia okresu wymiany filtra stosuje się włókninę o zróżnicowanej gęstości włókien. Gradientowa budowa filtra polega na użyciu ściślejszej włókniny po stronie oczyszczonego powietrza.

Tak zróżnicowana ścisłość pozwala na stopniową i selektywną separację cząstek w głąb medium filtracyjnego. Włókna gradientowe w porównaniu ze standardowymi papierowymi odpowiednikami na bazie celulozy separują zanieczyszczenia lepiej o ok. 50 proc.

Filtr powietrza wymieniany jest zazwyczaj podczas okresowego przeglądu samochodu, który w zależności od modelu odbywa się zazwyczaj po przejechaniu 15-30 tys. km. Zapełnienie filtra może jednak nastąpić wcześniej i zależy to nie tylko od warunków eksploatacji, ale także od jakości filtra.

W samochodach intensywnie eksploatowanych filtr powinno się wymieniać co ok. 20 tys. km. Jeśli przebiegi są stosunkowo niewielkie, zaleca się wymianę filtra co 2-3 lata. Po takim czasie zaczyna się on kruszyć.

Podstawowym zadaniem filtra jest oczywiście oczyszczanie powietrza niezależnie od warunków eksploatacji. Musi być on więc odporny na duże wahania temperatury, wilgoć, olej silnikowy czy wysoką pulsację powietrza. Konstrukcja filtra jest kompromisem między zdolnością zatrzymania zanieczyszczeń a jego przepustowością. Dobry filtr powinien także redukować hałas ssania.

Przy projektowaniu filtra istotny jest szereg czynników charakterystycznych dla konkretnego modelu samochodu, w którym będzie on używany. Inne jest bowiem zapotrzebowanie na powietrze w silniku o zapłonie iskrowym, inne w silniku wysokoprężnym, doładowanym sprężarką bądź wolnossącym.

Ważne jest również umiejscowienie filtra oraz prędkość przepływu powietrza w tym miejscu. Aby powietrze było prawidłowo oczyszczone, prędkość jego przepływu przez filtr nie może być większa niż określona dla każdego materiału filtracyjnego prędkość krytyczna.

Istotnym elementem w procesie filtracji powietrza jest także obudowa filtra powietrza. Projektowana jest ona z uwzględnieniem dostępnej przestrzeni montażowej oraz w taki sposób, aby wymiana wkładu była jak najłatwiejsza. Wymagana jest również wysoka szczelność obudowy, aby zapewnić w jej wnętrzu jednostajny przepływ powietrza.

Obudowa powinna również ograniczać możliwość zasysania wody wraz z powietrzem, ponieważ nie zostanie ona zatrzymana przez filtr i dostanie się do silnika. W tym celu stosuje się dodatkowe separatory wody umieszczane przed filtrem powietrza.