• Pierwszym filtrem zastosowanym w samochodzie był filtr skonstruowany w 1896 roku przez Wilhelma Maybacha i Gottlieba Daimlera. 
• Najnowszym krzykiem mody są włókniny powstałe przez sprasowanie włókien uzyskanych podczas rozdmuchiwania na ciepło ciekłego polimeru.
• Filtry włókninowe są lżejsze, wolniej się starzeją i są odporniejsze na warunki atmosferyczne.
• Materiał filtra oleju zazwyczaj składa się z plisowanej maty filtracyjnej.

Pierwszym filtrem zastosowanym w samochodzie był filtr skonstruowany przez Wilhelma Maybacha i Gottlieba Daimlera. W 1896 r. zastosowano go jako element filtrujący paliwo w gaźniku. Filtr składał się ze stalowej waty i zatrzymywał tylko zgrubne zanieczyszczenia. Mimo to wpływał na poprawę pracy gaźnika, chroniąc go przez zatkaniem. Kolejnym materiałem filtrującym był wkład z bawełną, a od 1940 r. – także wkład papierowy, w różnych formach stosowany do dziś.

Najnowszym krzykiem mody są włókniny powstałe przez sprasowanie włókien „meltblown”, które uzyskuje się podczas rozdmuchiwania powietrzem ciekłej masy z tworzywa sztucznego. Otrzymane w ten sposób włókna są bardzo cienkie, a po sprasowaniu tworzą doskonałe medium filtracyjne. Aby włókna te w trakcie użytkowania nie rozwarstwiały się i nie traciły właściwości, spaja się je klejami polimerowymi. Materiał ten jest używany w filtrach powietrza po odpowiednim plisowaniu, które zwielokrotnia powierzchnię czynną filtra.

Temat czystości paliwa nie był zbytnio rozwijany w motoryzacji praktycznie do połowy XX w. Dopiero po tym czasie, kiedy zaczął się okres gwałtownego rozwoju konstrukcji motoryzacyjnych, zaczęto zwracać uwagę na to, że zanieczyszczenia w paliwie są szkodliwe. Jeszcze w 1951 r. olej napędowy był filtrowany na stacji benzynowej przed zatankowaniem do zbiornika ciężarówki czy maszyny rolniczej. Ta filtracja zapobiegała uszkodzeniom pomp i wtryskiwaczy.

Powietrze dla silnika

W samochodzie stosuje się dwa filtry powietrza. Jeden filtruje powietrze zasysane przez silnik i używane do spalania paliwa. W stosunku do tego filtra wymagana jest wysoka dokładność filtracji, aby do silnika nie dostawały się pyły ani cząstki, które mogą działać jak proszek ścierny.

Do spalenia 1 l paliwa potrzeba około 10 m³ powietrza. Jeśli przyjąć, że silnik o pojemności 1500 cm³ na godzinę pracy potrzebuje przeciętnie 250 m³ powietrza, w czasie jazdy po drodze o średnim zapyleniu może zassać w ciągu godziny 0,5 g zanieczyszczeń. To z kolei przy rocznym przebiegu 20 000 km daje ponad 200 g pyłu.

W przypadku samochodów ciężarowych sytuacja jest jeszcze trudniejsza. Przy rocznym przebiegu około 100 000 km silnik o mocy 420 KM i pojemności 12 dm³ zużywa bowiem prawie 2,5 mln m³ powietrza. W tym czasie do silnika dostają się ponad 2 kg pyłu. Są nim głównie ziarna piasku kwarcowego, czyli bardzo twarda krzemionka (SiO₂), cząstki metalu i sadza. Trafiają tam także kropelki oleju i woda.
Zanieczyszczenia te – o różnym kształcie i wielkości 0,1–2000 μm – dostając się do silnika, powodują zużycie przylgni zaworów i ich gniazd. Znaczna część zanieczyszczeń, która nie ulegnie spaleniu lub usunięciu ze spalinami, zostaje spłukana przez olej i (krążąc w układzie smarowania) powoduje zużycie pierścieni tłokowych, gładzi cylindrów, łożysk głównych, korbowych, łożysk wałka rozrządu czy łożysk turbosprężarki. Pył, który nie zostanie zatrzymany przez filtr powietrza, odkłada się na przepływomierzu, powodując zakłócenie jego wskazań i problemy z pracą silnika.

To dlatego zastosowanie właściwego filtra i jego regularna wymiana są tak ważne. Dzięki temu filtr zatrzyma co najmniej 99,5% pyłu w przypadku samochodów osobowych i 99,95% pyłu w przypadku samochodów ciężarowych.

Filtrowanie powietrza zużywanego przez silnik było przez długi czas wykonywane powierzchownie. Silnik zasysał powietrze przez kąpiel olejową, która wyłapywała większe zanieczyszczenia. Dopiero w 1954 r. zastosowano pierwsze filtry z karbowanymi wkładami papierowymi. Filtry kabinowe natomiast są o 15 lat młodsze – zastosowano je pod koniec lat 60. XX w.

Czystość absolutna

Żeby zapobiec opisywanym uszkodzeniom, stosuje się filtry powietrza zasysanego do silnika, które redukują zawartość cząstek stałych w powietrzu o 99,5%. Wartość tę osiąga prosty filtr składający się z włókien celulozowych. Dodatkowa impregnacja włókien za pomocą żywicy zabezpiecza celulozę przed wpływem wilgoci oraz wzmacnia włókna, nie pozwalając im na rozwarstwianie i separację – a w rezultacie na wchłonięcie ich do pracującego silnika.

Na zwiększenie możliwości filtracyjnych wpływa coraz większy stopień sprasowania filtrów. Generuje to jednak problemy związane ze zwiększonym oporem przepływu powietrza. Żeby różnica ciśnień nie uszkodziła filtra, do włókien celulozowych zaczęto dodawać włókna z tworzyw sztucznych. Mimo że są niewidzialne dla oka, działają jak sito w przypadku cząstek o mikrometrowych wielkościach i wyłapują je nawet w 99,9%.

Włókniny z tworzywa sztucznego

Kolejnym sposobem polepszenia właściwości filtracyjnych jest użycie włókniny z tworzywa sztucznego. Włóknina taka daje możliwość wyboru grubości włókien filtrujących, czyli dokładności filtrowania.

Ponadto ma zróżnicowaną strukturę – po stronie wejściowej jest mniej zbita, a po stronie silnika coraz gęstsza – dzięki czemu w różnych jej miejscach filtrowane są cząsteczki o różnej średnicy. Do tego im głębiej dostaną się zanieczyszczenia, tym większe jest prawdopodobieństwo, że utkną w filtrze. Dzięki swoim właściwościom filtry z włókniny zatrzymują nawet 99,8% cząsteczek stałych, które znajdują się w zasysanym powietrzu.

Dokładność filtracji przedstawia się następująco:

• cząsteczki brudu większe niż 5 μm (pył, pyłki i włosy) są odfiltrowywane niemal w 100%,
• cząsteczki o wielkości 1–3 μm są odfiltrowywane z dokładnością sięgającą 98%.

Dodatkowo włóknina ma prawie 5-krotnie większą chłonność w porównaniu z wkładami papierowymi. Może ona odfiltrować nawet 900 –1100 g pyłu na m², podczas gdy wkład papierowy tylko 190–220 g pyłu na m². Takie parametry włókniny umożliwiają zmniejszenie wielkości filtra nawet o 35% przy zachowaniu odpowiedniego poziomu filtracji.

Filtry włókninowe są lżejsze, wolniej się starzeją i są odporniejsze na warunki atmosferyczne, czyli przede wszystkim na wilgotność powietrza. Przy tej samej wielkości zabudowy filtr włókninowy ma mniejszą powierzchnię filtrującą niż analogowy filtr papierowy. Podczas testów dowiedziono, że przy tym samym przebiegu w filtrze włókninowym gromadzone było 2–2,5 razy więcej nieczystości niż w filtrze celulozowym. Poza tym w przypadku filtrów z włókniny możliwe jest wydłużenie odstępów między kolejnymi wymianami nawet do 120 tys. km.

Takie są wyniki badań, jednak zawsze należy pamiętać o zaleceniach producenta samochodu, który określa, jak często mają być wymieniane części eksploatacyjne. W przypadku filtrów zazwyczaj należy zrobić to raz w roku niezależnie od przebiegu lub po określonym przebiegu, jeśli został osiągnięty w krótszym czasie. Ze względu na starzenie się włókien nieużywany filtr po 5 latach jest całkowicie niezdatny do użytku.

Paradoksalne jest to, że im większa ilość odfiltrowanych substancji znajduje się na filtrze, tym lepsza jest dokładność filtracji, ponieważ wolne przestrzenie między włóknami stają się coraz mniejsze. W takim przypadku jednak znacznie rośnie różnica ciśnień między przewodem po stronie atmosfery a przewodem między filtrem i silnikiem, co wpływa na zwiększone zużycie paliwa. Według producentów filtrów powietrza wymiana tego elementu we właściwym momencie, czyli po przekroczeniu określonego przebiegu, pozwala zaoszczędzić 3–4% paliwa. Do tego przyczynia się redukcja oporów zasysania powietrza przez układ dolotowy.

Powietrze dla ludzi

Nie mniej ważna jest filtracja powietrza dla przedziału pasażerskiego. Dostają się do niego te same zanieczyszczenia co do silnika – pył powstający przy ścieraniu opon czy klocków hamulcowych, kurz wzbijany przez ruch pojazdów, a także związki chemiczne, które wydobywają się z rur wydechowych samochodów i smog, czyli cząstki stałe zawieszone w powietrzu.

Ponadto w powietrzu wpadającym do kabiny znajduje się wiele alergenów oraz grzyby i mikroorganizmy. Te w większości przedostają się do powietrza z parownika, na którym są idealne warunki do rozwoju kolonii drobnoustrojów. Jest tam bowiem wilgotno (ponieważ na parowniku skrapla się woda z powietrza) i ciepło (w czasie, kiedy nie używa się klimatyzacji).

Bakterie i grzyby na parowniku są źródłem nieprzyjemnych zapachów i mogą powodować reakcje alergiczne. Żeby usunąć te zapachy, konieczna jest dezynfekcja klimatyzacji. Zbyt długie zwlekanie z czyszczeniem parownika może spowodować konieczność jego wymiany, a to pociąga za sobą znaczne koszty dla klienta.

Ryzyko powstawania kolonii grzybów i drobnoustrojów minimalizuje wstępne oczyszczanie powietrza, które wpadaja do układu. Im mniej w nim mikroorganizmów, tym czyściej jest w układzie.

Wymagania stawiane filtrom kabinowym są dość wysokie. Filtr w samochodzie osobowym musi czyścić do 100 000 l powietrza na godzinę, a filtry w samochodach ciężarowych często oczyszczają nawet 5-krotnie więcej.

Nowoczesne filtry kabinowe powinny być wyposażone w wysoce aktywne media filtracyjne. Mają one z reguły wielowarstwową strukturę – między dwoma warstwami włókniny znajduje się warstwa węgla aktywnego. Zadania są jasno podzielone. Włóknina zatrzymuje pyłki, cząstki i inne substancje stałe. Natomiast węgiel aktywny filtruje szkodliwe substancje gazowe (takie jak ozon, tlenki azotu, substancje zapachowe oraz cząsteczki pary wodnej czy benzyny). Najnowsze konstrukcje filtrów są wykonywane z włókien zawierających srebro, które ma właściwości antybakteryjne.

Jak działa filtr oleju?

Jak wiadomo, podstawowym zadaniem filtra oleju jest utrzymanie odpowiedniej czystości medium (środka) smarującego silnik. W zakresie filtracji oleju silnikowego (w przeciwieństwie do procesu filtracji powietrza zasysanego przez silnik) nie ma wytycznych dotyczących obowiązującego minimalnego stopnia separacji. Producenci bardzo różnie określają w specyfikacjach dokładność filtracji oleju dla danego typu silnika.

Materiał filtra oleju zazwyczaj składa się z plisowanej maty filtracyjnej. W zależności od producenta jest ona uszlachetniana w celu uzyskania lepszego stopnia filtracji lub większej odporności materiału filtrującego na przedłużone wymiany oleju oraz czynniki chemiczne, które się w nim znajdują (kwasy).

Przykładem takiego zabiegu jest stosowanie różnych mieszanek włókien bazowych, które wchodzą w skład materiału filtracyjnego.

Dla przykładu, w filtrach niektórych producentów stosuje się celulozowo-syntetyczną mieszankę włókien oraz opatentowany sposób plisowania w harmonijkę, co pozwala na odfiltrowywanie zanieczyszczeń o wielkości nawet 4 μm. Włókno filtracyjne (papier) często jest impregnowane żywicami syntetycznymi w celu dodatkowego zwiększenia odporności na wpływ ciśnienia i odkształcenia.

Na wstępie wspomniano o filtrach paliwa, które jako pierwsze były stosowane w technice samochodowej. Przy filtrowaniu benzyny konieczne jest odseparowanie cząstek stałych zawieszonych w paliwie, podobnie jak w przypadku oleju napędowego. Olej napędowy wymaga jednak dokładniejszej filtracji ze względu na dokładność wykonania elementów układu paliwowego, takich jak pompa wysokiego ciśnienia i wtryskiwacze.

Z tego samego powodu w przypadku oleju napędowego wymaga się wyższego stopnia separacji wody przez filtr, co ma zapobiegać korozji elementów układu paliwowego i niebezpieczeństwu zatarcia elementów ruchomych.

W przypadku wtrysku bezpośredniego benzyny (Direct Injection – DI) układ paliwowy dzieli się na obieg niskiego ciśnienia z elektryczną pompą paliwa oraz obieg wysokiego ciśnienia. Elektryczna pompa paliwa w silnikach z wtryskiem bezpośrednim służy wyłącznie do zasilania obiegu wysokiego ciśnienia stałym ciśnieniem wstępnym o wartości ok. 3,5 bara. Filtr paliwa jest umieszczony za elektryczną pompą paliwa. Pompa wysokociśnieniowa tłoczy paliwo pod ciśnieniem maks. 120 barów do zasobnika ciśnienia, do którego są bezpośrednio podłączone wtryskiwacze. Wymagana dokładność filtracji jest wynikiem prób na stanowisku kontrolnym i prób terenowych przeprowadzanych przez producentów silników i układów wtryskowych we współpracy z producentami filtrów.

Filtr oleju napędowego

Zwykle w oleju napędowym obecnych jest wiele zanieczyszczeń, a każde z nich 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, które wynikają z korozji i nagromadzenia rdzy. Biodiesel dzięki właściwościom hydrofilowym (łączenia się z wodą) ma tendencję do wiązania wody.

Woda może powodować także niestabilność paliwa i 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. Oznacza to, że właściwości separacji wody maleją.

Starzenie się paliwa powoduje tworzenie się w nim złogów organicznych, takich jak woski i żywice, które powstają 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. W biodieslu, ze względu na słabe właściwości oksydacyjne, powstaje znacznie więcej osadów organicznych niż w standardowych olejach napędowych, co powoduje szybsze zapychanie się filtrów.

Drobne zanieczyszczenia, pochodzenia mineralnego z atmosfery, 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 też zanieczyszczenia metaliczne, które pochodzą z fazy produkcji układów paliwowych. Typowe zanieczyszczenia mineralne i metaliczne mają wielkość od ok. 0,1 µm do 200 µm, jednak największa ilość zanieczyszczeń jest wielkości 0,5–15 µm.

Biodiesel ma także tendencję do samoczynnego zwiększania nagromadzenia osadów mineralnych (ze względu na swoje właściwości rozpuszczające i „czyszczące”) oraz do przenoszenia tych zanieczyszczeń do filtra paliwa.

Sadza powstaje na skutek degradacji paliwa, która wiąże się ze starzeniem temperaturowym. Cząsteczki sadzy są bardzo małe (mają zwykle 30– 500 nm), jednak często gwałtownie zatykają filtr. W wyniku braku kontroli poziomu sadzy w paliwie może ona powodować dalszą jego degradację i zmniejszenie jego właściwości smarnych.

W przypadku montażu po stronie tłoczącej w zależności od konstrukcji układu filtracja paliwa odbywa się przy ciśnieniu maks. 6 barów – co jest wartością znacznie wyższą niż w przypadku montażu po stronie ssącej. Z tego względu w silnikach samochodów użytkowych, a coraz częściej także w silnikach samochodów osobowych, przeważa pozycja montażowa po stronie tłoczącej.

Przepływ paliwa w obiegu niskiego ciśnienia jest większy niż w obiegu wysokiego ciśnienia. Nadmiar paliwa odprowadzany jest z powrotem do zbiornika przez zawór regulacji ciśnienia, który może być wbudowany w głowicę filtra. W obiegu wysokiego ciśnienia sterowanie odbywa się przez znajdujący się na kolektorze zawór ograniczający ciśnienie. Powracające gorące paliwo ma temperaturę ponad 70°C i jest częściowo bezpośrednio odprowadzane do obiegu niskiego ciśnienia, aby zapobiec wytrącaniu się parafiny z zimnego paliwa. W tym przypadku przepływ zwrotny regulowany jest przez zawór termostatyczny, który może być także wbudowany w obudowę filtra paliwa.

Wraz z wprowadzeniem nowoczesnych, sterowanych zaworami elektromagnetycznymi układów wtryskowych w silnikach wysokoprężnych zaszła konieczność znacznego podniesienia dokładności filtracji. Do 1997 r. najwyższą wymaganą dokładnością filtracji oleju napędowego było 45% dla cząstek o wielkości 3–5 μm.

Separacja wody

Olej napędowy w Europie i 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 przez korozję, tworzenia osadów na skutek reakcji z określonymi dodatkami, zmniejszenia właściwości smarnych oraz w efekcie działania rozwijających się w niej 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 i wielkości przepływu.

Wydajność separacji wody mierzy się, wykorzystując metody testowania zgodne z normą ISO/TS 16332. Bieżące wymagania OEM odnośnie do wydajności separacji wody dla filtrów oleju napędowego wynoszą 95–97% w przypadku napięcia międzyfazowego dla mieszanek biodiesla B20 (80% ULSD + 20% SME B100). Taka wydajność musi być zagwarantowana dla dużych kropli (test SAE J1839) i kropli zemulgowanych (test ISO/TS 16332). Żeby 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.