Wymiana wkładu filtra powietrza lub wymiana podzespołów układu dolotowego silnika wraz z kolektorem dolotowym bez odpowiedniej kalibracji z układem wtryskowym paliwa będzie skutkować nieznacznym zwieszeniem mocy silnika, co może prowadzić do zakłóceń w procesie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.

Powietrzne układy dolotowe tłokowych silników spalinowych to kombinacja różnych przewodów i komór, których zadaniem jest transport strumienia powietrza z otoczenia przez filtr powietrza i w niektórych rozwiązaniach przez komorę przepustnicy do komór spalania cylindrów silnika. W układach dolotowych w wyniku ciągłego cyklicznego dostarczania powietrza do danych cylindrów zawsze powstają zjawiska falowe, które w zależności od konstrukcji poprawiają lub pogarszają efekt napełniania cylindrów powietrzem lub mieszanką palną. W układach dynamicznych bez doładowania sprężarkowego wykorzystuje się zjawiska falowe przepływu powietrza do zwiększania gęstości świeżego ładunku w cylindrze. Efekt doładowania dynamicznego można uzyskać w okresie otwarcia zaworów dolotowych, gdy przed tymi zaworami występuje fala nadciśnienia, którego wartość zależy od odpowiedniej korelacji faz rozrządu, chwilowej prędkości obrotowej wału korbowego oraz wymiarów i kształtu układu dolotowego. W dużym stopniu o parametrach fali nadciśnienia decydują wymiary konstrukcyjne układu dolotowego i odpowiednia korelacja tego parametru z chwilową prędkością obrotową wału korbowego. Niedopasowanie tych parametrów powoduje pogorszenie napełniania cylindra.

W celu wyeliminowania niekorzystnych zjawisk falowych przepływu strug powietrza w układzie dolotowym często na etapie modyfikacji tego układu przez producenta w wersjach sportowych danych samochodów lub przez użytkowników pojazdów w ramach poprawy fabrycznej konstrukcji silnika stosuje się zmienną sterowaną elektronicznie geometrię układu dolotowego. We współczesnych silnikach niezależnie od konstrukcji układu doładowania zjawiska dynamiczne przepływu powietrza optymalizuje się z uwagi na potrzeby zasilania cylindrów powietrzem. Utrudnieniem w konstrukcji układów dolotowych – w szczególności filtrów powietrza – jest kompromis między chłonnością pyłową a wartością oporu dopuszczalnego. Współczesne filtry powietrza muszą zatrzymywać ziarna pyłu o rozmiarach 5 µm z ponad 99-proc. skutecznością. Wskutek zatkania lub częściowego przytkania filtra ziarnami pyłu dochodzi do przyrostu oporu przepływu filtra powietrza. Z chwilą osiągnięcia zbyt dużego zatkania filtra powietrza należy dokonać jego wymiany, w przeciwnym razie dojdzie do zmniejszenia masowego natężenia przepływu powietrza doprowadzanego do cylindrów silnika.

Wymiana filtra

Modyfikacje układu dolotowego w celu wzrostu mocy silnika w dużym stopniu opierają się na wymianie fabrycznego filtra powietrza na filtr charakteryzujący się małymi oporami przepływu i długim okresem użytkowania z uwagi na możliwość regeneracji. Materiałem konstrukcyjnym filtrów tego rodzaju jest wielowarstwowa włóknina bawełniana lub bawełniano-syntetyczna nasączona oleistym preparatem. Ma to zwiększyć skuteczność zatrzymywania zanieczyszczeń przy równocześnie małych oparach przepływu powietrza. Wielowarstwowa włóknina jest wzmocniona metalową siatką po obydwu stronach. Filtry sportowe formuje się głównie w walce lub ścięte stożki z wewnętrznym wyżłobieniem dostosowanym do bryły filtra. Dzięki takiej konstrukcji po odpowiednim umyciu i ponownym nasączeniu możliwa jest eksploatacja nawet do kilkudziesięciu tysięcy kilometrów. Filtry takie produkuje się w dwóch wersjach: jako pierścieniowe lub panelowe wkłady osadzane w miejscu standardowego filtra powietrza lub jako stożkowe lub walcowe elementy filtracyjne montowane w miejsce zespołu filtra powietrza wraz z jego obudową. Wymontowanie standardowej obudowy filtra sprawia, że napływ powietrza do wkładu filtracyjnego następuje bezpośrednio z otoczenia, a nie przez wąski kanał wlotu powietrza zamocowany w przedniej karoseryjnej części samochodu i komorze silnika. Wkłady stożkowe umożliwiają ukierunkowywanie przepływu strug powietrza oraz wyeliminowanie niekorzystnych zawirowań występujących wewnątrz standardowego zespołu filtracyjnego. Według danych renomowanych producentów standardowy filtr powietrza charakteryzuje się dla strumienia powietrza wynoszącego 180 m3/h oporem przepływu równym 1,657 kPa, tymczasem w sportowym wkładzie filtra dla tej samej wartości strumienia opór wynosi 1,435 kPa, natomiast w całym zespole filtra powietrza – 0,421 kPa. Jak łatwo zauważyć sportowe zespoły filtrów powietrza charakteryzują się przeciętnie czterokrotnie niższym oporem przypływu powietrza niż standardowe filtry. Zatem montaż takiego zespołu powinien przynieść efekty w postaci wzrostu mocy i momentu obrotowego silnika. Przy dobrej korelacji zwiększonej ilości doprowadzanego powietrza do cylindrów z ilością dostarczanych dawek paliwa dzięki takim zabiegom modyfikacyjnym można zwiększyć moc silnika w zakresie od 2,2 do 8,4%. Przez montaż sportowych wkładów filtra powietrza można uzyskać około 1-proc. wzrost mocy silnika i spadek momentu obrotowego od 1,2 do 2,4%, w zależności od generacji i konstrukcji układu zasilania silnika. Uzyskiwany wzrost mocy silnika w dużej mierze zależy od jego pojemności całkowej i maksymalnej prędkości obrotowej. W przypadku montażu sportowych wkładów filtrów w większości przypadków uzyskuje się spadek momentu obrotowego silnika, który w skrajnych przypadkach może wynieść około 8,5%. Dla sportowych zestawów filtracyjnych, tzw. filtrów stożkowych, najczęściej uzyskuje się wzrost momentu obrotowego nawet do 5%. Wynika to głównie z wyeliminowania w tych filtrach niekorzystnych zjawisk falowych zakłócających przebieg przepływu powietrza do cylindra. W przypadku sportowych wkładów powietrza wskutek zmniejszenia oporów przepływu i zachowania standardowego zespołu filtracyjnego może dojść do wystąpienia zakłóceń w ciągłości i stabilności dopływu powierza do cylindrów. Zastosowanie filtra o mniejszym oporze przepływu, czyli większej przepustowości, powoduje dostarczanie dodatkowych mas powietrza do cylindrów. Konsekwencją zwiększenia tej masy jest wzrost masy doprowadzanego paliwa. Jest to niezbędne do utrzymania składu stechiometrycznego mieszanki palnej. Wskutek tych działań zawsze wrasta moc silnika.

Konsekwencje

Obecnie większość produkowanych silników jest skonstruowana w taki sposób, aby bezpiecznie z uwagi na trwałość podzespołów głównych silnika uzyskać maksymalną moc silnika. Konstrukcja układu dolotowego, czyli średnice i długości przewodów dolotowych i wylotowych, geometria i materiał wkładowy filtra powietrza są tak dobrane, aby za pośrednictwem zjawisk falowych uzyskać dynamiczne doładowanie silnika. Modyfikacja tak precyzyjnie skonstruowanego układu dolotowego w przypadku montowania niestandardowych filtrów powietrza może skutkować zanikiem efektu doładowania rezonansowego, a w konsekwencji przesunięcia maksymalnego momentu obrotowego na inny zakres prędkości obrotowych silnika. Stosowanie filtrów o małych oporach przepływu powietrza jest celowe w silnikach, które osiągają maksymalny moment obrotowy silnika przy wysokich prędkościach obrotowych, dochodzących ponad 8000 obr./min.

Producenci sportowych zestawów filtrujących często nie załączają informacji o konieczności wzrostu ilości dostarczanych mas paliwa przy stosowaniu ich filtrów. Nie ma także jednoznacznych wartości oporów przepływu powietrza przez standardowy filtr powietrza i sportowy zestaw filtrujący lub sportowy wkład filtra. Informacje takie często są przedstawiane dla ogółu samochodów lub wybranych pojemności całkowitych silników. Nie ma także autentycznego porównania korzyści w formie przyrostów mocy silnika i momentu obrotowego względem standardowych filtrów powietrza. Wszystkie przedstawione informacje są danymi przybliżonymi i marketingowymi. Dlatego zawsze każda wymiana standardowego filtra powietrza na niestandardowy zestaw filtrujący powinna być odpowiednio skorygowana w sterowniku silnika w formie przyrostu mas dostarczanego paliwa. Jak wiadomo masa paliwa to nie jedyny parametr układu zasilania silnika wpływający na poprawność tworzenia mieszanki palnej. Niezachowanie stechiometrycznego składu mieszanki palnej oraz brak kalibracji mapy wtryskowo-zapłonowej może doprowadzić do ograniczenia mocy silnika i równoczesnego wzrostu zużycia paliwa. Należy pamiętać, że każda modyfikacja układu dolotowego silnika niezależnie od wymienianych podzespołów wymaga ponownej kalibracji i adaptacji podstawowych parametrów układu zasilania silnika. Do tych parametrów należą m.in. czas wtrysku paliwa, kąt wyprzedzenia wtrysku i zapłonu, dawka wtryskiwanego paliwa, stopień doładowania turbosprężarki dla danych prędkości obrotowych silnika i wiele innych indywidualnych, wynikających z danej konstrukcji silnika. Każda modyfikacja układu dolotowego silnika wymaga indywidualnego zestrojenia parametrów układu zasilania. Implementowanie gotowych sportowych map wtryskowo-zapłonowych może nie przynieść oczekiwanych rezultatów, a w efekcie końcowym może przełożyć się na nieznaczny wzrost mocy silnika przy znacznym zwiększeniu zużycia paliwa. W skrajnych przypadkach nieumiejętne zestrojenie zmodyfikowanego układu dolotowego silnika może doprowadzić do uszkodzenia mechanicznych podzespołów układu rozrządu, układu tłokowo-korbowego, wtryskiwaczy, a także układu wylotowego silnika.

Montaż filtrów sportowych lub wkładów filtracyjnych nie wymaga specjalnych zabiegów. W pierwszym przypadku należy tylko zdemontować obudowę standardowego filtra powietrza a w miejsce jego łączenia z rurą dolotową – przy przepływomierzu powietrza – montuje się za pomocą obejm sportowy filtr powietrza (ilustracja 1). Wymiana wkładów filtrów powietrza na sportowe polega wyłącznie na zamianie wkładów. Producenci wkładów sportowych tak konstruują filtr, aby pasował dokładnie w miejsce osadzenia swojego standardowego odpowiednika. W tym przypadku nie wymaga się demontażu żadnych dodatkowych podzespołów układu dolotowego silnika. Wkłady sportowe przed montażem należy spryskać z obu stron płynem do czyszczenia filtrów lub specjalnym płynem zalecanym przez producenta filtra. Czas schnięcia wkładu wynosi przeciętnie około 10 minut. Nie należy dopuszczać do całkowitego wyschnięcia płynu. Po jego zaaplikowaniu należy opłukać filtr chłodną wodą pod małym ciśnieniem i delikatnie strząsnąć nadmiar zgromadzonej wody. Dopiero teraz można pozostawić wkład do chwili całkowitego jego wyschnięcia. Po umyciu i osuszeniu wkładu należy go spryskać równomiernie specjalnym olejem do filtrów wzdłuż krawędzi każdego żeberka filtra w odległości około 10 cm od jego powierzchni. Po nałożeniu oleju należy odczekać około 20–30 minut i powtórzyć czynność kilkukrotnie do uzyskania równomiernie nałożonej powłoki. Często oleje do filtrów posiadają odpowiednią kolorystykę, która ułatwia sprawdzenie, że podłoże przygotowane jest właściwie. Jest to bardzo ważne, ponieważ nadmierne nałożenie oleju może spowodować wzrost oporów przepływu filtra i spadek skuteczności jego zastosowania względem standardowego filtra.

© Piotr Wróblewski

Ilustracja 2. Modyfikacje map wtrysku paliwa w zależności od masowego przepływu powietrza: a) mapa wtrysku paliwa przed wymianą zespołu filtra powietrza, b) mapa wtrysku paliwa po modyfikacji układu dolotowego silnika, c) dawki paliwa w zależności od masowego przepływu powietrza i prędkości obrotowej silnika – przed modyfikacją układu dolotowego, d) zwiększone dawki wtrysku paliwa dostosowane do zwiększonego przepływu masowego powietrza w zależności od prędkości obrotowej silnika – wartości przechodzące w kolor czerwony – po modyfikacji układu dolotowego silnika, tj. po wymianie filtra na stożkowy i wymianie kolektora dolotowego oraz zespołu tłumika wylotowego.

Kolektor

Dodatkowym zabiegiem poprawiającym efektywność napełniania cylindrów powietrzem są także wymiana rur i przewodów kolektora dolotowego charakteryzujących się prostymi kształtami z jak najmniejszą liczbą skręceń rur i kolanek łączących. Ważną cechą modyfikowanych elementów wyposażenia układu dolotowego są większe średnice rur dolotowych, wlot powietrza w karoserii, wydajniejsza chłodnica powietrza oraz kolektor dolotowy o prostych kształtach i większych średnicach otworów dolotowych powietrza. Przy każdej dodatkowej zmianie podzespołów układu dolotowego silnika należy pamiętać o zmianie aktualnie wgranej w sterownik mapie wtrysku paliwa. Wartości dawek paliwa zawsze należy dostosowywać do zwiększonego masowego przepływu powietrza. W celu jego określenia należy odczytać za pomocą diagnoskopu lub specjalnego programu do modyfikacji map wtrysku paliwa sygnał z masowego przepływomierza powietrza w warunkach dynamicznych, czyli podczas ruchu samochodu przy różnym obciążeniu silnika. Tylko tak skalibrowana mapa wtrysku przy wymianie podzespołów układu dolotowego silnika gwarantuje wzrost mocy silnika przy nieznacznym wzroście zużycia paliwa. Niektóre programy do korekt map wtrysku posiadają możliwość zmian funkcji ograniczających. Dotyczy to szczególnie ciśnienia doładowania, dawek wtrysku paliwa i masowych przepływów powietrza. Jest to bardzo ważne w przypadku znaczących modyfikacji układów dolotowych, np. przy wymianie kolektora dolotowego i wylotowego, zwiększaniu średnic rur dopływu i wypływu powietrza, zmianie turbosprężarki na inną o większej wydajności lub z systemem zmiennej geometrii łopatek turbiny.