КОМБИНИРОВАННЫЙ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТ В СОСТАВЕ ПОЛНОПОТОЧНОГО ФИЛЬТРА
ОЧИСТКИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

КОМБИНИРОВАННЫЙ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТ В СОСТАВЕ ПОЛНОПОТОЧНОГО ФИЛЬТРА ОЧИСТКИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Морозов Е.В.

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ФИЛЬТРАЦИИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

В настоящее время во всех странах с развитым автомобилестроением вопросам совершенствования систем очистки масла автомобильных двигателей уделяется самое пристальное внимание. Защита двигателей от абразивного износа сегодня является главным, наиболее доступным и экономически выгодным резервом в повышении долговечности пар трения агрегатов и узлов автомобилей. Около 80% двигателей требуют капитального ремонта из-за повышенного износа деталей, при этом доля абразивного износа в общем процессе, как правило, составляет более половины и достигает 90%.

Вместе с тем, непрерывное совершенствование автомобильных двигателей, повышение их удельных мощностных показателей усилили напряжённость работы пар трения и их чувствительность к абразивным частицам загрязняющих примесей.

Загрязнение моторного масла продуктами его окисления, неполного сгорания топлива, частицами износа пар трения и посторонними примесями в работающем двигателе происходит непрерывно. Этот процесс зависит от множества факторов – качества масла, вида топлива, конструкции двигателя, режимов его эксплуатации и т.д.

Современные масла содержат сбалансированный комплекс присадок и обладают хорошими моющими и диспергирующими свойствами (предотвращающими слипание частиц), поэтому основная масса загрязняющих примесей (около 80%) имеет размер частиц не превышающий нескольких микрон.

Изменение интервалов технического обслуживания масляных фильтров в легковых автомобилях в Европе.

Сфера фильтрационной техники для автомобилей в настоящее время динамично развивается. Во-первых, практически все фильтры должны иметь небольшие габариты, так как двигатели становятся всё более мощными, а это требует присутствия в моторном отделении узлов обеспечивающих комфорт и безопасность. Во-вторых, хорошо зарекомендовавшие себя фильтрующие материалы из целлюлозы плохо справляются с синтетическими маслами. Поэтому необходимы новые, более устойчивые материалы. В связи с совершенствованием технологий требуется уменьшение тонкости очистки моторных масел – и это также возможно лишь при внедрении материалов из более тонких синтетических волокон. Ещё одна тенденция - увеличение интервалов замены (рис.1), то есть повышение ресурса фильтра.

 

 
Диаграмма износа в зависимости от размера частиц.

Воздействие на износ отдельных частиц или их скоплений зависит от самого двигателя, например от допусков и размеров зазора подшипника. Технологии становятся более совершенными, одновременно с этим уменьшаются допуски на обработку и, соответственно, смазочный зазор. Поэтому критичными теперь можно считать частицы диаметром от 1мкм, особенно если их концентрация высока. Наиболее сильный износ провоцируют отдельные частицы размером от 8 до 60 мкм (рис.2).

 
Диаграмма износа (по ИСО 4402) в зависимости от концентрации частиц.

Металлические частицы из мотора были измерены с помощью металлов с помеченными атомами и результаты показали, что частицы разных размеров оказывают различное влияние на износ. На рис. 3 представлена зависимость трения/износа от концентрации для частиц трёх разных диаметров. При высокой концентрации в масле мелкие частицы могут влиять на износ и истирание столь же активно, как и крупные.

На западе в фильтрации автомобильных масел всё чаще используются синтетические волокна, так вместо чистой целлюлозы и материалов из бумаги, усиленной синтетическими волокнами, применяют композиты из нескольких слоёв целлюлозы, нетканых, а также полностью синтетических материалов. Например, двухслойный композитный материал состоит из одного слоя синтетических волокон с высокой поглощающей способностью (грязеёмкостью) и бумаги с высокой степенью тонкости фильтрации, которая придаёт этой комбинации ещё и механическую прочность. Результаты тестов показывают, что повышенная тонкость фильтрации не обязательно означает снижение грязеёмкости и уменьшение ресурса. Напротив, за счёт особенной структуры синтетических материалов даже при исключительно высокой тонкости очистки достигается длительный срок службы и увеличение интервалов технического обслуживания (замены фильтра).

Выводы из сказанного можно сделать следующие:

  • известные западные производители фильтрующих материалов сосредотачивают усилия на создании материалов с большим интервалом обслуживания, что вызвано потребностями производителей автомобилей в увеличении срока службы фильтров - некоторые зарубежные компании, работающие в высшем, дорогом сегменте рынка, предпочитают синтетические фильтровальные материалы.

  • российский рынок пока ещё не готов принять синтетику из-за ряда технологических причин, высокой стоимости и необходимости перестраивать производство, но задержки эти временные, так как само время диктует необходимость существенного увеличения ресурса и повышения уровня тонкости отсева.

ЭЛЕМЕНТЫ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ОЧИСТКИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

В современном автомобилестроении применяют в основном две схемы очистки масла: полнопоточную (рис. 5), состоящую из одного фильтра, и комбинированную (рис.4), в состав которой входит еще и частичнопоточный фильтр или центрифуга.

Схема комбинированной системы очистки масла с полнопоточным и частичнопоточным фильтрами. Схема полнопоточной системы очистки моторного масла.

Последняя более эффективна, но дорога и сложна в обслуживании.

Принцип комбинированной очистки масла нельзя назвать новинкой, он появился еще в 20-х годах. Тогда в основном применялась комбинация из фильтров грубой очистки (щелевые и сетчатые) и тонкой очистки (фильтры из плотного картона).

В настоящее время комбинированные системы очистки масла предполагают установку полнопоточного бумажного фильтра с номинальной тонкостью отсева около 45 мкм и частичнопоточного фильтра с номинальной тонкостью отсева 1-3 мкм со сливом очищенного масла в картер двигателя.

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ФИЛЬТРАЦИИ (ТОНКАЯ ОЧИСТКА МАСЛА)

Как уже говорилось, высокая концентрация мелких частиц способна спровоцировать столь же сильный износ, как и большое количество крупных частиц (рис.3). Особенно опасна так называемая «абразивная полировка». В этом случае участки рабочей поверхности цилиндров со временем становятся настолько гладкими, что масляная плёнка не удерживается на поверхности. Мелкие частицы действуют как полировальная паста в узких смазочных зазорах рабочей поверхности цилиндров. Трудности могут возникнуть также, если масло старое и содержит большое количество мельчайших частиц и, если температура слишком низкая, например, в момент пуска. При этом масло становится слишком вязким и не может полноценно выполнять смазочные функции.

Для исключения этих неприятностей автомобили, рассчитанные на большой пробег и увеличенные интервалы обслуживания целесообразно оборудовать дополнительным устройством снижения концентрации мельчайших частиц. Для этого в масляный контур устанавливают частичнопоточный масляный фильтр тонкой очистки для того, чтобы дополнить функции полнопоточного фильтра грубой очистки.

Перед фильтром грубой очистки, т.е. на месте, где наблюдается максимальное давление масла, небольшая часть потока отводится и поступает в фильтр тонкой очистки (частичнопоточный). Эта часть потока составляет не более 10% основного. Для достижения необходимой степени фильтрации частиц диаметром менее 1 мкм фильтрующий материал должен быть тоньше, а скорость фильтрации меньше, чем для фильтра грубой очистки. В зависимости от размеров фильтра тонкой очистки с его помощью в грузовых автомобилях можно отсеять порядка 500 г нагара и мелких частиц в период между заменами масла. Кроме того, также удаляются частицы, которые по причине их небольшого размера беспрепятственно проходят через фильтр грубой очистки и увеличивают износ пар трения.

В качестве зарубежного примера можно привести дизельные двигатели Mercedes серий 200 и 300, а также двигатель КАМАЗ в системе очистки масла, которого используется частичнопоточный фильтр.

Комбинированная система очистки масла увеличивает стоимость двигателя, поскольку состоит из большего числа элементов. Однако с ее применением ресурс полнопоточных фильтров возрастает примерно в два раза. Это вызвано тем, что частичнопоточный фильтр удерживает основную массу загрязняющих примесей и облегчает работу полнопоточного фильтра. Проведенные в НАМИ сравнительные испытания различных систем очистки масла показали, что износ подшипников коленчатого вала и маслосъемных колец при использовании комбинированных систем очистки примерно в 2-3 раза ниже, чем с одним традиционным полнопоточным фильтром. Кроме того, в этом случае можно увеличить периодичность смены моторного масла почти вдвое.

ПОЛНОПОТОЧНАЯ СИСТЕМА ФИЛЬТРАЦИИ (ГРУБАЯ ОЧИСТКА МАСЛА)

В полнопоточной системе фильтрации моторных масел, как уже говорилось, устанавливается один фильтр с номинальной тонкостью отсева около 38-45 мкм., что для современных высокофорсированных бензиновых и дизельных двигателей с прецизионными узлами, экстремальными условиями эксплуатации и увеличенными интервалами технического обслуживания уже не является достаточным, причём актуальность этой проблемы будет возрастать и в дальнейшем. 
На рис.2 показана диаграмма износа в зависимости от размера частиц из которой видно, что наиболее негативное воздействие на пары трения оказывают частицы менее 45 мкм. Эксплуатационные свойства самых высококачественных масел значительно ухудшаются, если в них содержится хотя бы небольшое количество абразивных механических примесей.

По имеющейся в печати информации около 75% износа двигателя приходится на первые 10 минут работы после его запуска в холодном состоянии.

Как уже говорилось обычный классический масляный фильтр способен задержать 95% частиц размером 38-45 мкм, частицы меньшего размера достаточно легко в той или иной степени проходят через поры фильтровальной перегородки в масляную магистраль двигателя.

При пуске двигателя при температуре -5 0 C прогрев масла до 70 0 С занимает в среднем 25-30 минут. Значительную часть этого времени перепускной клапан открыт, неочищенное масло циркулирует в обход шторы фильтрующего элемента, смывая потоком перепускаемого масла нафильтрованные ранее загрязнения с поверхности бумажного фильтрующего элемента в масляную магистраль.

Даже весьма прогрессивное для своего времени решение о совмещении клапанов (по типу фильтров Purolator) не гарантирует сто процентной защиты, поскольку эффективно лишь при горизонтальном расположении фильтра, однако и при этом возможно попадание в масляную магистраль загрязнений из картера двигателя.

В фильтрах с защитой перепускного клапана дополнительным фильтрующим элементом перепускаемое масло очищается только от крупных загрязняющих частиц (> 100 мкм), а более мелкие циркулируют вместе с маслом, вызывая износ двигателя.

Кроме того, при каждом открывании перепускного клапана нафильтрованные загрязнения с основного фильтрующего элемента смываются и переносятся на дополнительный фильтрующий элемент и при значительном его загрязнении, если не сменить фильтр могут вызвать масляное голодание двигателя с аварийными последствиями.

Холодный пуск с таким фильтром чреват возникновением сухого трения даже при открытом перепускном клапане: дополнительный фильтрующий элемент плохо пропускает загустевшее на морозе масло. За рубежом аналогичные фильтры применяют в жарком климате или при стоянке машины в теплом гараже, а главное - в сочетании с высококачественным маловязким маслом. В своё время ВАЗ отказался от использования фильтра подобного типа.

КОМБИНИРОВАННЫЕ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТЫ В СОСТАВЕ ПОЛНОПОТОЧНОГО МАСЛЯНОГО ФИЛЬТРА

Выводы сделанные из изложенной выше информации послужили отправной точкой для создания комбинированных фильтроэлементов входящих в состав полнопоточного масляного фильтра обладающих высокими рабочими характеристиками, простотой в эксплуатации, приемлемой стоимостью, технологичных в производстве.

Комбинированный фильтрующий элемент (1-й вариант, Рис.6) состоит из двух соединённых торцами фильтроэлементов с различными типами фильтрующих штор, расположен в корпусе полнопоточного фильтра (рис.6), может оснащаться перепускным клапаном в зависимости от конструкции фильтра, в котором он применяется как в разборном, так и в неразборном.

Комбинированный фильтрующий элемент в составе полнопоточного фильтра (1-й вариант)

1-й фильтроэлемент полнопоточный (рис.6, поз.6) выполнен из центральной перфорированной трубы, верхней и нижней торцевых крышек между которыми установлена бумажная фильтрующая штора, уложенная в виде многоконечной звезды.

2-й фильтроэлемент частичнопоточный (рис.6, поз.4) выполнен из центральной трубы с каналами на наружной стороне или центральной трубы с каналами на наружной стороне включающей в себя верхнюю крышку, как единое целое или центральной перфорированной трубы, с намотанной на неё с переменным натяжением послойно синтетической текстурированной нитью образующей объёмно-капиллярную фильтрующую штору, обладающую более высокими гидравлическим сопротивлением и грязеёмкостью и значительно более низкой тонкостью отсева по сравнению с бумажной шторой полнопоточного фильтроэлемента, крышки с центральными отверстиями соединённые с торцами сердечника и фильтрующей шторы. Элемент фильтрующий указанной конструкции в составе неразборного фильтра работает следующим образом. Масло от насоса двигателя через отверстия крышки 2, имеющей уплотнительную прокладку 1 для уплотнения соединения крышки с блоком двигателя, отжав противодренажный клапан 3 , поступает в фильтр между внутренней стенкой корпуса 5 и наружной поверхностью комбинированного фильтрующего элемента. При холодном двигателе (в момент пуска) масло, обладая высокой вязкостью, проходит частью через бумажную фильтрующую штору 6 комбинированного фильтроэлемента частью через перепускной клапан 7 и далее в главную магистраль двигателя. В этом случае объёмная фильтрующая штора 4 в работе не участвует, поскольку её высокое гидравлическое сопротивление не позволяет этого сделать. В процессе работы происходит разогрев масла, вязкость его понижается на столько, что перепускной клапан 7 закрывается, большая часть масла проходит через бумажную штору 6, оставшаяся часть (3 – 10%)проходит через объёмно-капиллярную фильтрующую штору 4 обеспечивающую существенно более низкую по сравнению с бумажной шторой тонкость отсева и высокую грязеёмкость или способность задерживать внутри шторы отфильтрованные частицы, что исключает их смывание и повторное попадание в систему, а также, облегчает работу бумажной шторе.

Комбинированный двухсекционный фильтрующий элемент (2-й вариант, Рис.7) состоит из центральной перфорированной трубы, одной разделительной крышки зафиксированной на центральной трубе и двух торцовых крышек имеющих центральные отверстия, соединённых с торцами трубы. Разделительная крышка делит фильтрующий элемент на две секции, каждая из которых имеет собственную объёмно-капиллярную фильтрующую штору с различными техническими характеристиками. Первая секция состоит из синтетической текстурированной нити намотанной с переменным усилием на участок центральной трубы ограниченный верхней торцовой и разделительной крышками, так что образует объёмно-капиллярную фильтрующую штору 6, удовлетворяющую нормативным требованиям ОСТ 37.001.417-90. Вторая секция состоит из синтетической текстурированной нити намотанной с переменным усилием на участок центральной трубы ограниченный нижней торцовой и разделительной крышками, так что образует объёмно-капиллярную фильтрующую штору 4 с повышенным гидравлическим сопротивлением и тонкостью отсева более низкой, чем у шторы первой секции.

Комбинированный двухсекционный фильтрующий элемент в составе полнопоточного фильтра (2-й вариант)

Элемент фильтрующий указанной конструкции в составе неразборного фильтра работает следующим образом. Масло от насоса двигателя через отверстия крышки 2, имеющей резиновую прокладку 1 для уплотнения соединения крышки с блоком двигателя, отжав противодренажный клапан 3 , поступает в фильтр между внутренней стенкой корпуса 5 и наружной поверхностью комбинированного двухсекционного фильтрующего элемента. При холодном двигателе (в момент пуска) масло, обладая высокой вязкостью, проходит частью через объёмно-капиллярную фильтрующую штору первой секции 6 частью через перепускной клапан 7 и далее в главную магистраль двигателя. В этом случае объёмно-капиллярная фильтрующая штора второй секции 4 в работе не участвует, поскольку её высокое гидравлическое сопротивление препятствует прохождению вязкого масла. В процессе работы происходит разогрев масла, вязкость его понижается на столько, что перепускной клапан 7 закрывается, большая часть масла проходит через фильтрующую штору первой секции 6, оставшаяся часть проходит через фильтрующую штору второй секции 4 обеспечивающую более низкую по сравнению со шторой первой секции тонкость отсева и более высокую грязеёмкость или способность задерживать внутри шторы отфильтрованные частицы, что исключает их повторное попадание в систему.

Рассматриваемые комбинированные фильтрующие элементы масляного фильтра содержат в своей конструкции фильтрующие шторы (Рис.8, Рис.9) обладающие различными техническими характеристиками, что способствует значительному уменьшению тонкости отсева, повышению грязеёмкости, а также, облегчает работу и увеличивает рабочий ресурс полнопоточной шторы и всего фильтра в целом, снижает абразивный износ трущихся деталей, увеличивает моторесурс двигателя и интервал обслуживания системы смазки.

Бумажная фильтрующая штора (снимок сделан через электронный микроскоп) Синтетическая фильтрующая штора (снимок сделан через электронный микроскоп)

Как показали сравнительные испытания, проведённые в лаборатории сертификационного центра ФГУП НАМИ, использование комбинированного фильтра увеличивает время до загрязнения в 1,6 раза, при этом концентрация загрязнителя в масле снижается до 3-х раз. При необходимости, технологически задавая различные технические параметры фильтрующих штор, можно добиться нужных показателей грязеёмкости и тонкости отсева фильтра. Кроме всего выше перечисленного, комбинированный фильтр имеет невысокую себестоимость и не требует для своего производства применения дорогостоящих технологий и материалов.

Рынок требует повышения качества очистки моторных масел и увеличение интервала обслуживания системы смазки двигателя, а вступление в ВТО обязывает нас выпускать продукцию мирового уровня.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Автор:
Морозов Е.В.
Адрес для переписки: 111395, Москва, ул. Молдагуловой, Д.10, к. 1, кв.73
Тел. Для контакта: 8(903) 122 01 43
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 01.07.2007гг


вверх