Pierwszym filtrem zastosowanym w samochodzie był filtr skonstruowany przez Wilhelma Maybacha oraz Gottlieba Daimlera. W 1896 r. został on użyty jako element filtrujący paliwo w gaźniku. Składał się on ze stalowej waty i filtrował tylko zgrubne zanieczyszczenia, co jednak i tak wpływało na poprawę pracy gaźnika, chroniąc go przez zatkaniem. Kolejnymi materiałami filtrującymi były wkłady z bawełną, a od 1940 r. – także wkłady papierowe, w różnych formach stosowane do dziś. Najnowszym krzykiem mody są włókniny powstałe przez sprasowanie włókien „meltblown” uzyskanych podczas rozdmuchiwania powietrzem ciekłej masy z tworzywa sztucznego. Powstałe 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, są spajane klejami polimerowymi. Materiał ten jest używany w filtrach powietrza po odpowiednim plisowaniu, które zwielokrotnia powierzchnię czynną filtra.

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 mogące działać jak proszek ścierny. Do spalenia 1 litra paliwa potrzeba około 10 m³ powietrza. Przyjmując, że silnik o pojemności 1500 cm³ potrzebuje na godzinę pracy przeciętnie 250 m³ powietrza, to jadąc po 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, a także 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. Znaczna ich część, 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. Dlatego zastosowanie właściwego filtra i jego regularna wymiana są tak ważne: sprawiają, że co najmniej 99,5% pyłu w przypadku samochodów osobowych i 99,95% pyłu w przypadku samochodów ciężarowych zostanie przez niego zatrzymane.

Filtrowanie powietrza zużywanego przez silnik było przez długi czas wykonywane w sposób zgrubny. 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

Aby zapobiec opisywanym uszkodzeniom, stosuje się właśnie filtry powietrza zasysanego do silnika, które redukują zawartość cząstek stałych w powietrzu o 99,5%. Wartość ta jest osiągana przez prosty filtr składający się z włókien celulozowych. Dodatkowa impregnacja włókien za pomocą żywicy zabezpiecza celulozę przed wpływami 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. Aby różnica ciśnień nie uszkodziła filtra, do włókien celulozowych zaczęto dodawać włókna z tworzyw sztucznych, które, choć niewidzialne dla oka, działają jak sito w przypadku cząstek o mikrometrowych wielkościach i wyłapują je nawet w 99,9%.

Plisowanie filtra powietrza nie tylko go usztywnia, ale też zwiększa powierzchnię filtracji. © PZL Sędziszów

Plisowanie filtra powietrza nie tylko go usztywnia, ale też zwiększa powierzchnię filtracji.
Źródło: PZL Sędziszów

Z włókniną lepiej

Kolejnym sposobem polepszenia właściwości filtracyjnych jest użycie włókniny z tworzywa sztucznego. Włóknina taka daje możliwość wyboru grubości włókien filtrujących, czyli dokładności filtrowania. Dodatkowo ma ona zróżnicowaną strukturę – po stronie wejściowej jest mniej zbita, a po stronie silnika coraz gęstsza, co powoduje, że w różnych jej miejscach filtrowane są cząsteczki o różnej średnicy. Ponadto 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 znajdujących 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 od 1 do 3 μm są odfiltrowywane z dokładnością sięgającą 98%.

Dodatkowo włóknina ma prawie pięciokrotnie większą chłonność w porównaniu z wkładami papierowymi. Może ona odfiltrować nawet od 900 do 1100 g pyłu na m2, gdy tymczasem dla wkładu papierowego parametry te wynoszą 190–220 g pyłu na m². Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie wielkości filtra z włókniny 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 od 2 do 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 na rok niezależnie od przebiegu lub po określonym przebiegu, jeśli został on osiągnięty w krótszym czasie. Ze względu na starzenie się włókien nieużywany filtr po 5 latach jest całkowicie niezdatny do użytku. Paradoksalny jest ponadto fakt, 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 od 3 do 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 wydobywające się z rur wydechowych samochodów oraz smog, czyli cząstki stałe zawieszone w powietrzu. Ponadto w powietrzu wpadającym do kabiny znajduje się szereg 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 wilgotno, ponieważ na parowniku skrapla się woda z powietrza, a w czasie, kiedy klimatyzacji się nie używa, jest ciepło. Bakterie i grzyby na parowniku są źródłem nieprzyjemnych zapachów i mogą powodować reakcje alergiczne. Aby zapachy te usunąć, konieczna jest dezynfekcja klimatyzacji. Zbyt długie zwlekanie z czyszczeniem parownika może spowodować konieczność jego wymiany, co pociąga za sobą znaczne koszty dla klienta.

Aby zminimalizować ryzyko powstawanie kolonii grzybów i drobnoustrojów, konieczne jest wstępne oczyszczanie powietrza wpadającego do układu. Im mniej w nim mikroorganizmów, tym w układzie jest czyściej. 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.

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.

Dzięki dokładnej filtracji zatrzymywane są włosy oraz pyłki roślin. © Mann+Hummel

Dzięki dokładnej filtracji zatrzymywane są włosy oraz pyłki roślin.
Źródło: Mann+Hummel

Filtr oleju

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

Przekrój filtra oleju napędowego z odstojnikiem wody i czujnikiem jej zawartości w filtrze. © Mann+Hummel

Przekrój filtra oleju napędowego z odstojnikiem wody i czujnikiem jej zawartości w filtrze.
Źródło: Mann+Hummel

Materiał filtra oleju zazwyczaj składa się z plisowanej maty filtracyjnej, która w zależności od producenta jest 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 wchodzących 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.

Filtr oleju. Widoczne daszkowe plisowanie zwiększa powierzchnię filtracyjną, co poprawia skuteczność filtracji i zwiększa żywotność filtra.

Filtr oleju. Widoczne daszkowe plisowanie zwiększa powierzchnię filtracyjną, co poprawia skuteczność filtracji i zwiększa żywotność filtra. Źródło: Sogefi

Filtry odśrodkowe

Innym rodzajem są filtry odśrodkowe, które zazwyczaj są filtrem bocznikowym zamontowanym w układzie smarowania. Separatory odśrodkowe strumienia swobodnego najczęściej wykonywane są z metalu lub tworzywa sztucznego. Wersja z tworzywa sztucznego charakteryzuje się niewielką masą i można ją zutylizować w sposób bezpieczny dla środowiska naturalnego. Filtry odśrodkowe (nazywane też wirówkowymi) nie są zasilane energią zewnętrzną, lecz przez siłę odśrodkową i ciśnienie oleju. Są one przyspieszane nawet do 10 000 obr./min za pomocą dysz strumienia swobodnego. Po przepłynięciu przez separator olej spływa bezciśnieniowo do miski olejowej. Na skutek działania dużych sił odśrodkowych filtry tego typu osiągają wysoki stopień separacji nawet najdrobniejszych cząsteczek, a ich masa, która tworzy się na wewnętrznej ścianie wirnika, pozostaje bardzo zwarta. Najbardziej optymalnym rozwiązaniem jest opcja, w której filtr oleju przepływu pełnego i wirnik lub filtr bocznikowy są umieszczane w jednej obudowie.

Filtr ośrodkowy w układzie bocznikowym. Jego skuteczność jest wysoka, a wkład z odseparowaną sadzą jest wymieniany na nowy. © Raven Media – Maciej Blum

Filtr ośrodkowy w układzie bocznikowym. Jego skuteczność jest wysoka, a wkład 
z odseparowaną sadzą jest wymieniany na nowy. Źródło: Raven Media – Maciej Blum

Paliwo

Na wstępnie 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 oraz wtryskiwacze. Z tego samego powodu w przypadku oleju napędowego wymaga się wyższego stopnia separacji wody przez filtr w celu zapobieżenia korozji elementów układu paliwowego i niebezpieczeństwa 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

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 jest większy w obiegu niskiego ciśnienia 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 roku najwyższą wymaganą dokładnością filtracji oleju napędowego było 45% dla cząstek o wielkości 3–5 μm.

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 przez korozję, tworzenie osadów na skutek reakcji z określonymi dodatkami, zmniejszenie 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 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 międzyfwazowego 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.