Według badań, w 1 m³ powietrza tuż nad powierzchnią jezdni znajduje się średnio 5 mg pyłów, co nie jest wielkością dużą, ale jednak te zanieczyszczenia odkładają się na błonie śluzowej w ustach, nosie i płucach. Osoby przebywające w autach są narażone na większą koncentrację pyłów, ponieważ znajdują się bezpośrednio w miejscu kumulacji ich emisji, czyli w pobliżu jezdni oraz układów wydechowych.

Zanieczyszczenie powietrza jest zjawiskiem szkodliwym, gdyż zawieszone w powietrzu cząsteczki w różny sposób oddziałują na człowieka oraz wszystkie inne organizmy i mechanizmy zużywające powietrze. Dla człowieka najbardziej szkodliwe są cząstki stałe, które przenikają do płuc wraz z wdychanym powietrzem oraz przenikają do układu pokarmowego wraz ze spożytym pokarmem.

Szkodliwe cząstki stałe

Pyły zawieszone w powietrzu dzieli się ze względu na ich wielkość. Podziałem podstawowym jest podział na cząsteczki o wielkości do 10 µm (PM10) oraz na cząsteczki o wielkości do 2,5 µm (PM2,5). Oznaczenie PM oznacza cząsteczkę stałą (Particulate Matter).

Pył zawieszony PM10 jest mieszaniną substancji organicznych i nieorganicznych zawierającą substancje toksyczne, takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (m.in. benzo(a)piren, metale ciężkie oraz dioksyny i furany). Węglowodory aromatyczne w dużej części pochodzą ze spalin samochodów jeżdżących po drogach oraz są efektem niedokładnego spalania w piecach domowych. Pył ten przedostaje się do organizmu przede wszystkim przez drogi oddechowe lub pośrednio przez układ pokarmowy, kiedy spożywana jest skażona żywność (szczególnie dotyczy to metali ciężkich). Pył zawieszony PM10 przenika głęboko do płuc, ale może również akumulować się w górnych odcinkach dróg oddechowych. Grupą szczególnie narażoną na negatywne oddziaływanie pyłów są osoby starsze, dzieci i osoby cierpiące na choroby dróg oddechowych i układu krwionośnego.

Drugim rodzajem cząsteczek stałych są cząsteczki PM2,5, które są drobniejsze, a co za tym idzie – trudniejsze do odfiltrowania. W pyle tym znajduje się mieszanina substancji organicznych i nieorganicznych. Do atmosfery emitowany jest jako zanieczyszczenie pierwotne oraz jako zanieczyszczenie wtórne powstające w wyniku przemian dwutlenku siarki, dwutlenku azotu, amoniaku, lotnych związków organicznych i trwałych związków organicznych. Pył z tej frakcji przenika do najgłębszych partii płuc, gdzie jest akumulowany, stanowiąc poważny czynnik chorobotwórczy. Osiada na ściankach pęcherzyków płucnych, utrudniając wymianę gazową, powodując podrażnienie naskórka i śluzówki, zapalenie górnych dróg oddechowych oraz wywołując choroby alergiczne, astmę, nowotwory płuc, gardła i krtani.

Filtrowanie powietrza wpadającego do kabiny

Aby zabezpieczyć pasażerów samochodu przed wdychaniem sadzy czy unoszącego się w powietrzu pyłu, w układach doprowadzania powietrza do kabiny stosowane są filtry wyłapujące te zanieczyszczania.

Wymagania stawiane filtrom kabinowym są dość wysokie. Filtr w samochodzie osobowym musi czyścić do 100 000 litrów powietrza na godzinę, a filtry w samochodach ciężarowych często oczyszczają nawet pięciokrotnie więcej.

Aby sprostać temu zadaniu, nowoczesne filtry kabinowe muszą być wyposażone w wysoce aktywne media filtracyjne. Mają one z reguły wielowarstwową strukturę, co oznacza, że między dwiema warstwami włókniny znajduje się warstwa węgla aktywnego. Zadania są jasno podzielone. Włóknina zatrzymuje pyłki, cząstki i inne substancje stałe, natomiast węgiel aktywny filtruje ponadto gazowe substancje szkodliwe, takie jak ozon, substancje zapachowe, tlenki azotu oraz cząsteczki pary wodnej lub benzyny.

Wydajność i pojemność filtra kabinowego są dokładnie zdefiniowane w specyfikacji wymagań dla wyposażenia fabrycznego (OEM). W zależności od producenta pojazdu trwałość filtra kabinowego wynosi do 30 000 km lub dwa lata. Ze względu na wysokie obciążenie mikrobiologiczne zalecana jest jednak jego wymiana co najmniej raz w roku.

Węgiel aktywny przeciw substancjom szkodliwym

Nadal najskuteczniejszym środkiem przeciwko zasiedleniu bakterii we wnętrzu pojazdu jest regularna wymiana filtra kabinowego. Co prawda prowadzone są próby zapewnienia filtrom kabinowym odporności na bakterie przez nanoszenie różnych powłok, jednak zarówno podczas prób, jak i w praktyce okazały się one całkowicie nieskuteczne.
Podczas filtracji i pochłaniania toksyn zachodzą procesy utleniania, powodujące stopniowe zużycie węgla w rdzeniu filtra. Jeśli wykonał on swoje zadanie, powinien zostać wymieniony.

W układzie klimatyzacji

Jeżeli z kratek nawiewu zacznie wydostawać się nieprzyjemny zapach, to jest to wyraźny sygnał mówiący o konieczności wymiany filtra. Po tej operacji należy oczyścić skażone i zanieczyszczone otoczenie – zwłaszcza parownik. Zbyt długie zwlekanie z czyszczeniem parownika może spowodować konieczność jego wymiany, co pociągnie za sobą znaczne koszty dla klienta. Na użebrowaniu parownika następuje kondensacja (skraplanie) pary wodnej z przepływającego powietrza. Skropliny same w sobie nie stanowią problemu, ponieważ odprowadzane są na zewnątrz układu. Jednak jeśli zastosowany zostanie filtr niskiej jakości (tani) lub stary i zanieczyszczony filtr nie zostanie wymieniony, dochodzi do zwiększenia zanieczyszczenia bakteriami i szybkiego rozwoju pleśni. Na wilgotnej powierzchni parownika łączą się one z różnymi innymi mikroorganizmami i tworzą żywe osady. Ta niezdrowa kolonizacja objawia się nieprzyjemnym zapachem powietrza wydobywającego się z kratek nawiewu klimatyzacji. Sygnałami alarmowymi mogą być również objawy alergiczne, takie jak swędzenie oczu i nosa.

Kiedy należy wymieniać filtr kabinowy?

Filtr kabinowy najlepiej jest wymieniać nawet dwa razy w roku:

• wiosną – aby usunąć zanieczyszczenia nagromadzone zimą; w ten sposób klimatyzacja w okresie letnim może pracować wydajnie i skutecznie „odetchnąć”,
• jesienią – aby usunąć pyłki i substancje szkodliwe, które nagromadziły się w lecie; dzięki temu zimą dostępna jest pełna moc grzewcza, a szyby będą szybko odparowywać.

Drobinki szkodliwe nie tylko dla człowieka

Powietrze z otoczenia zasysane jest przez silnik w trakcie jego pracy. Aby uzmysłowić ilość zużywanego powietrza, konieczne jest zaprezentowanie następującego przykładu.

Przeciętny samochód spala około 8 litrów paliwa, co odpowiada masie około 6 kg, na każde 100 przejechanych kilometrów. W silniku spalana jest mieszanka paliwa z powietrzem. Mieszanka ta zazwyczaj ma stosunek stechiometryczny, co oznacza, że na każdy 1 kg paliwa przypada 14,7 kg powietrza (gwarantuje to prawidłową mieszankę zasilającą silnik). Idąc dalej – 6 kg paliwa odpowiada około 90 kg powietrza, spalanym na każde 100 przejechanych kilometrów. Zakładając, że 1 m³ powietrza waży 1,25 kg, można łatwo obliczyć, że silnik na każde przejechane 100 km przepompowuje 72 m³ powietrza (72 000 litrów), w których zawieszone jest w sumie około 360 mg zanieczyszczeń (w przybliżeniu 1/3 grama). Wartość ta nie jest wysoka, ale w ciągu roku samochód przejeżdża około 20 000 km, co oznacza, że przez silnik zostaje przepompowane powietrze zawierające już 72 gramy pyłu. Ta liczba oznacza, że teoretycznie przez rok jazdy na filtrze powietrza w samochodzie zostanie odłożona taka ilość zanieczyszczeń z samego tylko powietrza.

Filtry rzadko wykonywane są jako panele z płaskim ułożeniem maty filtrującej. Aby zwiększyć powierzchnię filtrującą, stosuje się plisowanie materiału. Dzięki temu znacząco zwiększa się powierzchnia filtrująca, wydłużając czas użytkowania filtra. Często spotykanym rozwiązaniem poprawiającym chłonność i żywotność wkładów np. filtrów powietrza w samochodach osobowych jest stosowanie przedfiltrów, czyli włóknin lub pianek filtracyjnych o większej przepuszczalności powietrza, których zadaniem jest zatrzymywanie większych zanieczyszczeń (filtracja wstępna).

Gęste plisowanie skutkuje łatwością w zmianie pozycji papieru, szczególnie kiedy działa na niego dodatkowa siła związana z przepływem powietrza zasysanego przez silnik. Aby zapobiec rozerwaniu się papieru filtrującego oraz zassaniu jego szczątków z powietrzem do silnika, stosuje się np. dodatkowe klejenie załamań plis, które znacząco usztywnia element filtrujący. Dzięki takiemu usztywnianiu plis możliwe jest, że filtr będzie działał poprawnie nawet wtedy, gdy zmagazynowane w nim będą 4 kg pyłu i zanieczyszczeń (dane z badań firmy PZL Sędziszów). Tak wysoka skuteczność jest możliwa dzięki równomiernemu rozłożeniu plis i wyraźnym przetłoczeniom zapobiegającym przywieraniu do siebie sąsiednich plis, przez co filtracja odbywa się całą powierzchnią medium filtracyjnego.

Powierzchnia filtracyjna nowoczesnych filtrów wynosi nawet 14 m². Standardem w ich produkcji jest też stosowanie drugiego wkładu (tzw. bezpiecznika), który zabezpiecza układ zasilania powietrzem w przypadku uszkodzenia wkładu głównego i chroni przed dostawaniem się pyłów do układu w czasie wymiany filtra.

Drugi wkład zamontowany jest fabrycznie po wewnętrznej stronie filtra i w razie uszkodzenia materiału filtrującego zabezpiecza przed pyłem oraz większymi elementami. Zazwyczaj jest wykonany z warstwy fizelinowej rozpiętej na metalowej siatce. Wewnętrzna siatka gwarantuje sztywność szczególnie w przypadku filtrów walcowych, w których wnętrzu panuje znaczne podciśnienie powodujące zapadanie się materiału filtrującego. W przypadku filtrów płaskich usztywnienie wykonane techniką klejenia znajduje się po stronie atmosferycznej, aby w przypadku odklejenia nie zostało zassane do silnika. Po stronie podciśnieniowej stosuje się usztywnienie mechaniczne albo odpowiednio profilowane obudowy filtrów.

Problem palności filtra

W 1999 roku bardzo głośno było o wypadku w tunelu pod Mont Blanc. Po analizie wszystkich śladów okazało się, że bezpośrednią przyczyną pożaru samochodu ciężarowego było zapalenie się filtra powietrza od zassanego do filtra niedopałka wyrzuconego z poprzedzającego samochodu. Przepływ powietrza podtrzymywał żar papierosa, który rozprzestrzenił się na cały materiał filtrujący. W efekcie cały samochód ciężarowy spłonął. W związku z tym nieszczęśliwym wypadkiem zaczęto modyfikować materiały filtrujące, aby uzyskać niepalność filtra. Aktualnie stosuje się włókna:

1. całkowicie syntetyczne – nie wymagają one użycia substancji odpornych na ogień, ponieważ nie zawierają łatwopalnych naturalnych włókien i ulegają stopieniu w przypadku kontaktu z ogniem,
2. kombinowane – zbudowane z mieszaniny celulozy oraz włókien syntetycznych; tego typu materiał filtracyjny musi być dodatkowo impregnowany niepalną żywicą.

Kwestie związane z niepalnością filtra nie są uregulowane prawnie, jednak wielu producentów samochodów wymaga, by materiał filtrujący powietrze w filtrach przeznaczonych na pierwszy montaż był odporny na zapłon. Już w fazie produkcji medium filtracyjne jest impregnowane żywicą, która powoduje odporność na ogień. Efekt niepalności jest rezultatem trzech cech żywic:

• wydziela azot (N₂), który, jako gaz obojętny, tłumi ognisko zapalne,
• wydziela wodę, obniżając temperaturę poniżej temperatury zapłonu,
• uwalnia kwas powodujący utlenianie włókien celulozy, które przez to nabywają właściwości niepalnych.

Z reguły impregnowane medium filtracyjne zawiera od 25% do 30% żywicy, podczas gdy zwykłe medium najwyżej 20%. Impregnowane medium może ulec zapłonowi, jednak ognisko zapalne bardzo szybko gaśnie, powodując jedynie minimalne straty.