Wysoka zawartość biodiesla wymaga wysokiej dokładności filtracji oraz wysokiego stopnia usuwania wody z paliwa. Aby sprostać tym wyzwaniom, filtry diesla przechodzą znaczące zmiany w zakresie budowy i właściwości filtracyjnych.
Kluczowymi atrybutami współczesnych filtrów oraz systemów wtrysku są:
1.    wysokie ciśnienia wtrysku paliwa,
2.    podwyższona wrażliwość na coraz drobniejsze zanieczyszczenia,
3.    wydłużone okresy między wymianami filtra,
4.    wyższe moce silników,
5.    downsizing,
6.    ostrzejsze normy emisji,
7.    wyższa zawartość biodiesla w paliwie.

Szczególnie jeśli chodzi o domieszkę biodiesla, układ filtracji paliwa staje przed następującymi wyzwaniami:
1.    zwiększona korozja przez mikroorganizmy – stosuje się mniej elementów metalowych,
2.    wysoki odczyn kwasowy – brak elementów wykonanych ze stopów z domieszką cynku (Zn) lub ołowiu (Pb),
3.    stabilna zawartość wody w emulsji – niższa wydajność separacji wody,
4.    niska stabilność oksydacyjna powoduje tworzenie makrocząstek – przyspieszone zatykanie filtrów,
5.    nagromadzenie kryształów parafin w niskich temperaturach – trudne warunki „zimnego rozruchu”,
6.    lepsze właściwości rozpuszczające – szybsze zapychanie się filtrów złogami z układów paliwowych.

Zanieczyszczenia oleju napędowego

Istnieje szereg zanieczyszczeń obecnych zwykle w paliwie diesla, z których każde stanowi wyzwanie filtracyjne. Są to zanieczyszczenia:
1. płynne (np. emulsje),
2. organiczne:
woski i parafiny,
mikroorganizmy,
3. ścier metalowy,
4. wióry metalowe,
5. sadza.

Woda obecna w paliwie może spowodować poważne uszkodzenia silnika wynikające z korozji i nagromadzenia rdzy. Biodiesel dzięki swym właściwościom hydrofilowym (łączenia się z wodą) ma tendencję do wiązania wody.

Woda może również powodować niestabilność paliwa oraz zmniejszenie jego właściwości smarnych, co prowadzi do uszkodzenia wtryskiwaczy. Co więcej, w przypadku wody nierozpuszczonej w paliwie, wraz ze spadkiem napięcia międzyfazowego emulsja staje się bardziej stabilna, a krople wody w niej zawarte mniejsze, co oznacza, że właściwości separacji wody maleją.
Starzenie się paliwa powoduje tworzenie się w nim złogów organicznych, takich jak woski i żywice powstające na skutek utleniania.

Wyżej wymienione osady, które stanowią główne zanieczyszczenia paliwa diesla, mogą osadzać się na powierzchni materiału filtracyjnego i zapychać go w bardzo krótkim czasie. Ze względu na słabe właściwości oksydacyjne, w biodieslu powstaje znacznie więcej osadów organicznych niż w standardowych olejach napędowych, co powoduje szybsze zapychanie się filtrów.

Drobne zanieczyszczenia pochodzenia mineralnego pochodzą z atmosfery i z biegiem czasu osadzają się zarówno w zbiornikach paliwa, jak i zbiornikach stacji paliw. Cząstki te krystalizują się na włóknach filtracyjnych.
W paliwie obecne są również zanieczyszczenia metaliczne pochodzące z fazy produkcji układów paliwowych. Typowe zanieczyszczenia mineralne i metaliczne są wielkości od ok. 0,1 do 200 µm, jednak największa ilość zanieczyszczeń waha się w przedziale od 0,5 do 15 µm.

Biodiesel ma tendencję do samoczynnego zwiększania nagromadzenia osadów mineralnych ze względu na swe właściwości rozpuszczające i „czyszczące” oraz do przenoszenia tych zanieczyszczeń do filtra paliwa. W większości przypadków producent OEM dyktuje określony poziom czystości podczas wytwarzania i montażu filtrów i modułów filtracyjnych paliwa.

Sadza powstaje na skutek degradacji paliwa związanej ze starzeniem temperaturowym. Cząsteczki sadzy są bardzo małe i mają zwykle od 30 do 500 Nm, jednak mają tendencję do gwałtownego zatykania filtra. W przypadku braku kontroli poziomu sadzy w paliwie, może ona powodować dalszą jego degradację oraz zmniejszenie jego właściwości smarnych.

Zrozumienie właściwości diesla w niskich temperaturach jest niezwykle istotne dla ustalenia odpowiedniego przepływu i związanego z nim momentu zatykania filtra. W niskich temperaturach kluczowe są dwie cechy oleju napędowego: punkt mętnienia i punkt krzepnięcia.

Punkt mętnienia oznacza temperaturę paliwa, przy której stałe cząstki parafin zaczynają zagęszczać paliwo, powodując jego mętnienie. W przypadku dłuższego utrzymywania się wystarczająco niskiej temperatury parafiny zatykają system i uniemożliwiają uruchomienie silnika. Wzrost kryształów parafin zależy od ośrodka, w którym tworzą się ziarna. Dowolny dodatek do paliwa powoduje powstanie większej ilości ośrodków, a co za tym idzie – szybsze mętnienie.
Punkt krzepnięcia oznacza temperaturę paliwa diesla, przy której gęstnieje ono na tyle, że przestaje być płynne. Punkt krzepnięcia to także najniższa temperatura, przy której paliwo będzie przepływać. Punkt krzepnięcia ma wartość od ok. 5 do 10°C niższą od punktu mętnienia. Większość silników z reguły przestaje pracować, jeśli paliwo osiągnie punkt krzepnięcia.

Mikroorganizmy to zwykle grzyby i bakterie odżywiające się węglowodanami. Uważa się, że ich rozwój w cysternach, zbiornikach paliwa i przewodach paliwowych jest związany z samymi technikami przechowywania i nie jest dokładnie opisany w specyfikacjach paliw. Mikroorganizmy tworzą zawiesiste i gumowate powłoki na powierzchni materiału filtracyjnego, które prowadzą do jego zatykania. Jednak nie tylko. Jednym z innych symptomów ich obecności jest korozja elementów metalowych, która może doprowadzić do nieszczelności. Dlatego obecnie maksymalizuje się użycie tworzyw sztucznych w elementach mających kontakt z paliwem diesla.
Cząstki stałe stanowią zwykle ok. 15% wszystkich zanieczyszczeń, w porównaniu do 85%, za które odpowiadają cząstki organiczne. Niezwykle trudno jest określić rozmiary cząstek organicznych.

Główne założenia projektowe filtracji oleju napędowego

Wysokowydajny system filtracji oleju napędowego (DFFS – Diesel Fuel Filtration System) musi spełniać następujące zadania:

1. oczyszczanie paliwa – usuwanie stałych i organicznych zanieczyszczeń oraz wody,
2. zagwarantowanie odpowiedniego przepływ paliwa do układu wysokiego ciśnienia – w każdych warunkach,
3. odporność na temperaturę, nacisk i wibracje,
4. zapewnienie wstępnego oczyszczania paliwa,
5. zapewnienie łatwego dostępu podczas wymiany i naprawy,
6. trwałość – zapewnienie odpowiedniego czasu pracy,
7. obsługa układu paliwowego (np. obwód bocznikowy, recyrkulacja, regulacja ciś-
nienia itp.).

Najnowsze przepisy oraz downsizing doprowadziły do powstania systemów wtrysku paliwa pracujących pod bardzo wysokimi ciśnieniami. Gdy ciśnienie wtrysku przekracza 2000 barów, pompa wysokiego ciśnienia nie jest w stanie „samodzielnie” zasysać paliwa bezpośrednio ze zbiornika. W tym celu w zbiorniku instaluje się pompę pomocniczą (podnoszącą).

Aby sprostać wymaganiom układów HPCR (High Pressure Common Rail), coraz większym wymaganiom w stosunku do czystości paliwa oraz biopaliw, firma Sogefi – jeden z liderów w produkcji systemów filtracyjnych – opracowała systemy filtracji o wysokiej wydajności. Są to nowoczesne układy doskonale chroniące osprzęt wytryskowy przez usuwanie z paliwa wody i zanieczyszczeń, a jednocześnie zapobiegające zapowietrzaniu się układu wtryskowego.

Staranny projekt systemu filtracyjnego nowego typu jest bardzo istotny i musi brać pod uwagę między innymi:

1. rodzaj materiału filtracyjnego – pojemnościowy oraz dokładny,
2. kalibrację materiału filtracyjnego,
3. charakterystykę zatykania filtrów (ciałami stałymi i substancjami organicznymi),
4. usuwanie wody,
5. zarządzanie ciśnieniem po stronie niskociśnieniowej układu wtrysku.

Dokładność filtracji i materiały filtracyjne

Aby połączyć dokładność filtracji, długie okresy między wymianami, małe opory przepływu oraz wysoką skuteczność separacji wody, producenci filtrów oraz materiałów filtracyjnych opracowali nowe rodzaje materiałów stosowanych w filtracji.

Materiały te łączą wydajne bazy celulozowe z mikrowłóknami poliestru (ilustracja 1) uzyskiwanymi w procesach melt blown (spajanie dwóch warstw), które umożliwiają jeszcze dokładniejszą filtrację (wyłapywanie zanieczyszczeń) bez zwiększania oporów przepływu.

Separacja wody

Olej napędowy w Europie oraz Ameryce Północnej zawiera ≤200 ppm wody. Jednak w niektórych przypadkach zmierzona zawartość wody w zbiornikach paliwa dochodziła do 0,5% objętości.
Woda w takiej ilości może z łatwością doprowadzić do uszkodzenia układu wtrysku paliwa poprzez korozję, tworzenie osadów na skutek reakcji z określonymi dodatkami, zmniejszenie właściwości smarnych oraz jako siedlisko drobnoustrojów. W układzie zasilania paliwem woda jest zwykle obecna w postaci emulsji. Właściwości emulsji (wielkość kropel wody i ich rozkład) zależą od stopnia złożoności układu wtryskowego, rodzaju pompy oraz wielkości przepływu.

Wydajność separacji wody mierzy się, wykorzystując metody testowania zgodne z normą ISO/TS16332. Bieżące wymagania OEM odnośnie wydajności separacji wody dla filtrów oleju napędowego to od ponad 95 do 97% w przypadku napięcia międzyfazowego dla mieszanek biodiesla B20 (80% ULSD + 20% SME-B100). Wydajność taka musi być zagwarantowana dla dużych kropli (test SAE J1839) oraz dla kropli zemulgowanych (test ISO/TS 16332).
Aby uzyskać takie wyniki, łączy się zwykle mechanizm koalescencji i hydrofobowości. Celem koalescencji, przy określonej prędkości przepływu paliwa, jest uzyskanie stałego rozkładu wielkości kropli wody przed przejściem przez materiał hydrofobowy.

Na ilustracji 2 pokazano proces separacji wody opracowany przez Grupę Sogefi stosowany obecnie w samochodach osobowych zasilanych olejem napędowym. Technologia ta łączy materiał koalescencyjny z separującym i gwarantuje wysoki stopień usuwania wody podczas całego okresu użytkowania filtra.
Materiał koalescencyjny stanowi połączenie włókien syntetycznych z impregnowanymi żywicą włóknami celulozy o określonym rozkładzie i wielkości porów. Materiałem odpychającym wodę jest z kolei kalibrowana siatka wykonana z odpowiednio dobranego tworzywa sztucznego. Ta kombinacja nowoczesnych materiałów i technologii nosi nazwę Diesel3Tech™.

Na ilustracji 3 pokazano siatkę z materiału o właściwościach odpychających wodę wykorzystywaną w filtrze wstępnym Sogefi. Technologia ta spełnia wymagania współczesnych olejów napędowych bazujących na paliwie ULSD (o bardzo niskiej zawartości siarki) oraz pierwszej generacji biopaliw na bazie estrów metylowych roślinnych i zwierzęcych kwasów tłuszczowych – tzw. paliw FAME. Nowe paliwa zawierają większą ilość emulsji wodnej. Mniejsze krople wody i zwiększona trwałość emulsji powodują, że tradycyjne separatory wody nie dają sobie z nimi rady, co zwiększa ryzyko uszkodzeń nowoczesnych, wysokociśnieniowych układów wtryskowych.

Materiał filtracyjny w tych filtrach jest nie tylko odpowiedni do wszystkich europejskich mieszanek olejów napędowych zawierających do 30% biodiesla, ale spełnia również wymagania czołowych producentów samochodów z całego świata, zapewniając najlepszą na rynku wydajność filtracyjną.

Technologia ta została stworzona dla efektywnej ochrony systemów wtrysku paliwa spełniających normy emisji spalin Euro 5 oraz US Tier 2b. Należy jednak zwrócić uwagę, że dzięki stosowanej strukturze materiału filtracyjnego możliwe jest spełnienie wymogów normy Euro 6b dla pojazdów lekkich oraz Euro 6 dla pojazdów ciężarowych.
Wymagania co do separacji wody z paliwa zawarte w normie Euro 6c (od 2017) są bardzo wysokie, co wymaga nowego podejścia do metodologii usuwania wody z paliwa. Stąd już dziś inżynierowie Sogefi opracowali rozwinięcie technologii Diesel3Tech™ o nazwie Diesel3Tech+™, która umożliwia usuwanie wody na poziomie do 99% przy wymiarach kropli 10 µm (dla porównania: 60 µm w technologii Diesel3Tech™).

Schemat technologii separacji wody Diesel3Tech+™. © Sogefi

Technologia ta łączy zalety swojej wcześniejszej wersji i została wzbogacona o dodatkową warstwę koalescencyjną umiejscowioną pomiędzy materiałem filtracyjnym i siatką hydrofobową. Jej zadaniem jest zintensyfikowanie efektu koalescencyjnego przez formowanie większych kropli wody i wreszcie wspomożenie wyłapywania wody przez siatkę niezależnie od wielkości kropel.