Ilustracja. Kabinowy filtr wykonany w technologii węglowej. Węgiel aktywowany skutecznie wyłapuje najdrobniejsze zanieczyszczenia ze względu na fakt, że ma bardzo dużą powierzchnię aktywną.

Według badań średnio w 1 m³ powietrza znajduje się 5 mg pyłów, co nie jest wielkością dużą, ale jednak te zanieczyszczenia odkładają się na błonie śluzowej w ustach, nosie i płucach. Ze względu na specyfikę ruchu samochodem 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.

Pyły zawieszone w powietrzu dzieli się ze względu na ich wielkość. Rozróżnieniem 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. Poziom dopuszczalny stężenia średniodobowego dla pyłu PM10 wynosi 50 µg/m³ i może być przekraczany nie więcej niż 35 razy w ciągu roku.
Pył 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.
Dopuszczalne średnioroczne stężenie tego pyłu stanowi 25 µg/m³ powietrza.
Jak pokazuje teoria – średnie zanieczyszczenie powietrza pyłami PM10 i PM2,5 wynosi maksymalnie 75 µg/m³, co stanowi wartość około 7-krotnie niższą, od zapylenia rzeczywistego występującego w powietrzu.

Konieczność filtracji

Filtracja powietrza w motoryzacji stała się więc czymś oczywistym, nie tylko ze względów zdrowotnych uczestników ruchu drogowego, ale też z uwagi na żywotność silnika. W związku z rosnącymi wymaganiami konstrukcyjnymi i wykonawczymi filtry stosowane w samochodach muszą wykazywać się coraz lepszymi właściwościami w zakresie separacji zanieczyszczeń. Dodatkowym trendem jest zwiększanie przebiegów między kolejnymi serwisami pojazdu, co wiąże się też ze zwiększaniem żywotności samego wkładu filtra. Oznacza to, że filtr musi wychwycić większą masę zanieczyszczeń i zapewniać ciągły przepływ powietrza.

Ilustracja. Porównanie oporów przepływu, czyli spadków ciśnienia w filtrach z przedfiltrowaniem (linia ciągła)
i bez niego. Wykres przerywany – wkład bez wstępnej filtracji.

Jeszcze niedawno w filtry kabinowe wyposażone były pojazdy mające klimatyzację. Filtr taki zapobiegał przedostawaniu się zanieczyszczeń do wnętrza kabiny i chronił parownik, na którym podczas pracy układu klimatyzacji kondensuje się woda z przepływającego powietrza. Dodatkowo wraz z powietrzem do kabiny nawiewane są pyłki roślin wraz z ich nasionami. Wilgotna atmosfera sprzyja w tym miejscu powstaniu wegetacji, co może doprowadzić do rozwoju pleśni, grzybów czy nawet kiełkowania roślin.

– Nową jakością na rynku są filtry kabinowe usuwające z powietrza niemal 100% bakterii i alergenów oraz zapobiegające powstawaniu alergennych pleśni i grzybów. Wprowadzony do filtrów kabinowych przez WIX-FILTRON system BIOKNIGHT opiera się na działaniu specjalnej powłoki, która przyciąga do siebie bakterie i alergeny, a następnie niszczy je i zapobiega ich reprodukcji. W rezultacie zostają one usunięte z filtrowanego powietrza niemal w 100%. Substancja tworząca antybakteryjną powłokę została zbadana laboratoryjnie i przeszła pozytywnie testy mikrobiologiczne – potwierdza Sebastian Bilicki, dyrektor techniczny w firmie WIX-FILTRON Sp. z o.o.

Materiały filtracyjne

Materiały wykorzystywane do produkcji filtrów powietrza to w większości papier filtracyjny na bazie włókien celulozowych impregnowanych żywicami fenolowymi, epoksydowymi lub akrylowymi. Impregnacja włókien celulozowych ma na celu zabezpieczenie włókien przed wpływem wody, oleju i oparów paliwa. W nowoczesnych materiałach często stosuje się domieszki włókien syntetycznych poprawiających skuteczność filtracji oraz chłonność zanieczyszczeń. Komponuje się także w pełni syntetyczne materiały filtracyjne – włókniny, które dzięki swojej specyficznej strukturze zdolne są, przy zachowaniu wysokiej skuteczności i niskich oporach przepływu, zatrzymać kilkakrotnie więcej zanieczyszczeń niż tradycyjne bibuły. Szczególnie dobre wyniki osiąga się przy zastosowaniu materiałów dwu-, a nawet trójwarstwowych, w których każda warstwa ma inną strukturę i własności filtracyjne. Powietrze w tych materiałach oczyszczane jest selektywnie z różnej wielkości zanieczyszczeń przy przepływie przez kolejne warstwy. Takie cechy powodują znaczny wzrost chłonności, przy zachowaniu wysokiej skuteczności filtrowania.

W filtrach kabinowych zanieczyszczenia znajdujące się w powietrzu zatrzymują się na trzech lub czterech warstwach umiejscowionych w obudowie filtra. Pierwsza warstwa zatrzymuje największe cząstki kurzu i brudu. Druga warstwa jest higroskopijna i naładowana elektrostatycznie, co umożliwia jej zatrzymywanie bakterii oraz drobnych pyłków. Trzecia warstwa stabilizuje filtr, czyli zapobiega jego deformacji w trakcie użytkowania. Lepszej jakości filtry wyposażone są w jeszcze jedną, specjalną warstwę z węglem aktywowanym, która izoluje szkodliwe gazy wydobywające się wraz ze spalinami. W najtańszych filtrach często stosuje się wkłady papierowe, które po zawilgoceniu zauważalnie zmniejszają skuteczność swojego działania. W konsekwencji nawet po krótkiej eksploatacji takiego filtra i tak konieczna jest jego wymiana, bo ten nie spełnia już swojej roli. Filtry droższe dysponują wkładami wykonanymi z włókien sztucznych odpornych na wchłanianie wilgoci. Filtry o złej jakości można odróżnić od tych dobrych przede wszystkim przez porównanie jakości włókniny oraz jej geometrii. W filtrach niższej jakości włóknina przepuszcza większość niepożądanych gazów, pyłów i bakterii. Jeśli chcemy, żeby filtr skutecznie pochłaniał wszystkie cząsteczki powinniśmy wybrać taki, który zawiera węgiel aktywowany, Taki filtr zatrzyma nie tylko pyły, ale również alergeny oraz szkodliwe gazy.

Silnik też choruje

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.

Ilustracja. Z testów przeprowadzonych według wymagań Fiat 9.02255 wynika, że przy zastosowaniu przedfiltra we wkładzie WA59-252 opory przepływu wzrosły o 8 mm słupa wody, ale chłonność wkładu wzrosła aż o 50%, co oznacza znaczną poprawę właściwości filtracyjnych.

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 l), w których zawieszone jest w sumie około 360 mg zanieczyszczeń (w przybliżeniu 1/3 g). 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 g 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 powierzchnię filtrującą, wydłużając czas użytkowania filtra.

– Bardziej zbita struktura materiału filtracyjnego ulega zatykaniu szybciej, niż struktura gradientowa, mniej zwarta i posiadająca bardziej rozwiniętą powierzchnię (grubość i gramaturę) – wyjaśnia Andrzej Majka, technolog konstruktor w Wytwórni Filtrów „PZL-Sędziszów” SA. Zanieczyszczenia wnikają w głąb materiału, co powoduje zwiększenie powierzchni, a tym samym zwiększenie chłonności. 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).

Rozwiązanie to pokazano na ilustracji, na przykładzie wkładów powietrza WA50-252 i WA59-252 marki WF Filter, przeznaczonych do samochodu Fiat Panda.

Ilustracja. Mimo nieznacznie większych oporów przepływu, filtr z przedfiltracją ma o około 50% zwiększoną chłonność (wykres czarny).

Stężenie szkodliwych substancji w kabinie jest nawet kilkukrotnie większe niż na poboczu drogi. Zatkany filtr kabinowy dysponuje zbyt małą powierzchnią przepływu powietrza, co wpływa na wzrost temperatury wnętrza i częstsze parowanie szyb. Taki stan rzeczy zmusza do intensywniejszego używania klimatyzacji, a to może spowodować liczne przeciążenia ze względu na wysokie opory przepływu.