Dynamiczny rozwój każdej technologii to - niestety - często czasy wojen. Nie inaczej było z filtrami powietrza. W samochodach pojawiły się one już w czasie I wojny światowej. Były montowane w ciągnikach artyleryjskich. W latach 30. XX wieku filtry powietrza trafiały do dużych, 5-tonowych ciężarówek wojskowych, a z początkiem II wojny światowej pojawiły się w czołgach. W końcu znalazły zastosowanie w samochodach. Mają różne kształty –okrągłe, prostokątne (tzw. filtry panelowe) – powiązane z kształtem gaźnika albo komory na filtr przed kolektorem dolotowym.

Podejście naukowe
W 2009 roku grupa badaczy z Oak Bridge National Laboratory postanowiła naukowo sprawdzić realny wpływ filtra powietrza na pracę silnika i zachowanie samochodu przy zapchanym filtrze oraz wpływ zużycia, a raczej zapchania filtra powietrza, na spalanie paliwa. Badania objęły 4 samochody:

• Buick Lucerne z roku 2007,
• Dodge Charger,
• Toyota Camry z roku 2003,
• Pontiac z roku 1972.

Badacze nie czekali aż filtry zatkają się w sposób naturalny. Obłożyli je ręcznikami warsztatowymi i umieścili ponownie w przeznaczonych na filtry komorach. Efekt badania był zaskakujący. Niedrożny filtr miał zabójczy wpływ na samochód z silnikiem gaźnikowym. Nie dość, że spalanie wzrosło o blisko 15%, to moc silnika spadła do bardzo niskiego poziomu.
W samochodach z elektronicznie sterowanym wtryskiem paliwa ilość paliwa jest dopasowywana do ilości zasysanego powietrza, więc z pozoru nie czuć spadku mocy silnika, ale mimo zatkanego filtra powietrza drastycznie rośnie podciśnienie w kolektorze ssącym powodując wyrwanie niedrożnego wkładu filtrującego i zassanie go do kolektora.

Niszczycielskie pyły
Andrzej Majka z PZL Sędziszów wylicza, że do spalenia 1 litra paliwa potrzeba około 10 m³ powietrza. Przyjmując, że silnik o pojemności 1500 cm³ potrzebuje na godzinę pracy przeciętnie 250 m³, to jadąc na drodze o średnim zapyleniu potrafi zassać w ciągu godziny 0,5 g zanieczyszczeń, a to z kolei przy rocznym przebiegu 20 000 km daje ponad 200 g pyłu. W przypadku samochodów ciężarowych sytuacja jest jeszcze trudniejsza, ponieważ przy rocznym przebiegu ok. 100 000 km, silnik o mocy 420 KM i pojemności 12 dm³ zużywa prawie 2,5 mln m³ powietrza, a w tym czasie do silnika dostają się ponad 2 kg pyłu. Pył ten to głównie ziarna piasku kwarcowego, czyli bardzo twarda krzemionka (SiO₂), cząstki metalu, sadza, kropelki oleju i woda.
Zanieczyszczenia te o wielkości od 0,1 do 2000 μm i różnym kształcie dostając się do silnika powodują zużycie przylgni zaworów i ich gniazd, a znaczna ich część, która nie ulegnie spaleniu lub usunięciu ze spalinami, zostaje spłukana przez olej i krążąc teraz w układzie smarowania powoduje zużycie pierścieni tłokowych, gładzi cylindrów, łożysk głównych, korbowych, łożysk wałka rozrządu, łożysk turbosprężarki itp. Pył, który nie zostanie zatrzymany przez filtr powietrza odkłada się na przepływomierzu, powodując zakłócenie jego wskazań i problemy z pracą silnika. Dlatego zastosowanie właściwego filtra i jego regularna wymiana zapewnia, że co najmniej 99,5 % pyłu w przypadku samochodów osobowych i 99,95% pyłu dla samochodów ciężarowych zostanie przez niego zatrzymana.

Stopień pochłaniania zanieczyszczeń
Obecnie najczęściej filtry powietrza produkowane są z materiałów filtracyjnych na bazie włókien celulozowych. Jednak wysokie wymagania dotyczące wydłużonego czasu eksploatacji powodują, że stopniowo materiały te zastępowane są syntetycznymi materiałami filtracyjnymi na bazie włókien poliestrowych, ponieważ syntetyczne media filtracyjne mają wyższą zdolność pochłaniania zanieczyszczeń na jednostkę powierzchni, jak i większą grubość i tzw. krytyczną prędkość przepływu co pozwala znaczne wydłużenie żywotności filtra i zmniejszenie jego gabarytów. Wartości liczbowe pokazuje zestawienie.
Znaczną poprawę chłonności filtra powietrza - nie pogarszając innych jego parametrów - można osiągnąć stosując tzw. przedfiltr wykonany z pianki poliuretanowej lub włókniny trwale połączony z filtrem głównym. Ten element filtra zatrzymuje większe zanieczyszczenia, zostawiając drobniejsze frakcje pyłu dla głównej przegrody filtracyjnej. Przeprowadzone testy wykazały wzrost chłonności tego typu filtra o ok. 30%.

Filtracja dwustopniowa
W przypadku filtrów do samochodów ciężarowych stosuje się filtrację dwustopniową. Na wlocie filtra powietrze zostaje zawirowane, a zmiana kierunku przepływu powoduje usunięcie większych frakcji zanieczyszczeń. Na skutek siły odśrodkowej na głównym wkładzie filtra zatrzymywane są pozostałe drobne frakcje. Skuteczność pierwszego stopnia filtracji jest wysoka - jak wykazują liczne testy wynosi ponad 50%.
Coraz częściej wkłady filtracji powietrza wykonywane są z materiałów dwu i wielowarstwowych o strukturze gradientowej, polegającej na tym, że w głąb jej mikropory filtracyjne są coraz mniejsze powodując tym samym osiadanie grubszych frakcji na powierzchni a mniejszych na dalszych warstwach.
Włókniny te wykonywane są technologią „meltblown” nazywanej inaczej pneumotermiczną poprzez rozdmuch stopionego polimeru lub „spunbond” polegającą na wykonaniu z granulatu polimeru długiej nici i następnie klejenie z tych włókien regularnej płaskiej struktury włókniny.

Jak często wymieniać
Bartosz Sieradzki z firmy Sogefi zwraca uwagę na fakt, że wraz z trendami rozwoju silników (downsizing) coraz bardziej rosną wymagania dotyczące czystości zasysanego powietrza, co oznacza, że coraz mniejsze zanieczyszczenia mogą mieć ujemny wpływ na pracę silnika. Ale wraz z rozwojem silników i wymagań stawianych filtrom same materiały filtracyjne także się rozwijają. Z tego powodu stosuje się coraz nowocześniejsze włókna i materiały filtracyjne mogące odfiltrować z powietrza cząsteczki sadzy i wilgoci. Sadza ma doskonałe właściwości zatykające filtr, w związku z czym konieczne jest zwiększenie jego powierzchni czynnej mogącej związać większą jej ilość. Wilgoć z kolei działa niszcząco na materiał filtrujący, powodując zmniejszenie jego sztywności oraz ryzyko odkształcenia. Przy zastosowaniu odpowiednich mieszanek tworzyw sztucznych do materiału filtrującego możliwe jest wydłużenie interwałów między wymianami filtra nawet do 90 tysięcy kilometrów. Należy jednak pamiętać, że nie jest to możliwe dla każdego filtra dostępnego na rynku.

 Opracowano na podstawie materiałów dostarczonych przez firmy PZL Sędziszów, Sogefi oraz WIX-FILTRON.

fot. Alan Hood D_R_F