Топливные фильтры: вызовы времени

Усиление природоохранных тенденций, приводящее к внедрению усовершенствованных составов автомобильного топлива, приводит к появлению новых технологических требований, которым они должны безоговорочно отвечать.

Вода и другие примеси могут серьезно повлиять на эффективность двигателя, а также на концепцию организации его обслуживания и ремонта. Неконтролируемые загрязнения в топливе увеличивают затраты как, собственно, на само горючее, так и на ремонтно-диагностические мероприятия, вызывают повреждение дорогих компонентов двигателя и сокращают срок службы даже самых современных транспортных средств. Не только легковых автомобилей, но и могучего коммерческого транспорта, специальной техники, автобусов и проч.

Поэтому современные топливные фильтры постоянно развиваются, обеспечивая соответствие изменяющимся и ужесточающимся требованиям. Сегодня в составах передовых топливных фильтрующих материалов используется больше синтетических и стекловолоконных композиций. Они используют многослойные структуры для достижения высокой эффективности и длительного срока службы, позволяя очень хорошо удерживать и сохранять в носителе как твердые, так и мягкие частицы.

Это ключевая область дифференциации характеристик топливных фильтров. Поскольку высокоэффективный фильтр улавливает больше мелких загрязнений, то, что могло пройти через фильтр в предыдущие годы, теперь может быть фактором, способствующим засорению более плотных современных фильтров. Наряду с более рациональным использованием моторного пространства, усовершенствованные составы сред, которые увеличивают способность удерживания загрязняющих веществ при том же размере корпуса, имеют решающее значение для обеспечения интервалов обслуживания без ущерба для требований производителей современных систем впрыска топлива к его чистоте.

Твердые частицы

Загрязнение твердыми частицами вызывает несколько проблем в топливной системе. Повреждение движущихся компонентов может привести к проблемам с запуском, ухудшению работы двигателя, трудностям с холостым ходом и потенциально полному отказу двигателя. Они также могут влиять на форму распыления, создаваемую форсункой системы впрыска высокого давления Common Rail (HPCR), которая имеет решающее значение для правильного сгорания и общей производительности топливной системы. Форсунки должны быть предельно точными с точки зрения количества, распределения и времени. Повреждения от эрозионного износа могут привести к перегрузке топлива (подача избыточного количества), что снизит топливную экономичность. Производительность насоса также может быть сокращена из-за задиров и абразивного износа.

В современных двигателях эти проблемы усугубляются более жесткими допусками и экстремальным давлением HPCR в диапазоне 2000–3000 бар. Фактически исследование техасского Юго-Западного научно-исследовательского института, проведенное с участием представителей отрасли, показало, что частицы размером от 2 до 3 микрон (для сравнения: средний диаметр человеческого волоса составляет 80 микрон) вызывают механические повреждения топливных форсунок высокого давления при давлении 1700 бар.

Причем исследование, выполненное аналогичной группой участников несколькими годами ранее, показало, что насос-форсунки испытывают абразивный износ из-за частиц размером от 6 до 7 микрон.

Эти два исследования наглядно и обоснованно подтверждают – то, что в прошлом считалось высокой эффективностью, сегодня уже не столь актуально; в прошлом эффективность очистки 95% или 98% могла считаться достаточной для частиц размером 4 микрона. Однако сегодня действительно высокими и удовлетворяющими современным требованиям КПД будут значения ближе к 99,9%. Получается удивительная вещь, прежде совершенно немыслимая, – всего какая-то ничтожная доля процентного пункта может повлиять на способность системы фильтрации соответствовать требованиям чистоты топлива для компонентов HPCR.

Способности фильтра

Резонно возникает вопрос: что представляет собой эта доля в физическом выражении?

Для оценки эффективности топливного фильтра используется такой параметр, как «рейтинг микрон» (Micron Rating). Он характеризует возможности фильтра по улавливанию загрязнений определенного размера. Например, уровень 10 микрон означает, что фильтр может удалять частицы размером 10 микрон и более, а рейтинг 5 микрон – соответственно 5 микрон и более. Рейтинг фильтра в микронах в основном говорит нам о размере пор в фильтрующем материале – чем они крупнее, тем выше указываемое значение в микронах.

Рейтинг микрон может быть номинальным или абсолютным. Номинальный рейтинг демонстрирует процентное содержание частиц определенного размера, которые может удалить фильтр. Сам по себе этот рейтинг бесполезен, так как не объясняет, насколько эффективно это делает фильтр.

Абсолютный рейтинг в микронах сообщает, насколько эффективно фильтр удаляет частицы определенного размера. Обычно формируется по результатам проведенных тестов, которые могут быть однопроходными или многопроходными. Абсолютная оценка в микронах более полезна, чем номинальная, при описании топливного фильтра.

Кроме того, анализируется уровень задержания частиц фильтром – число захваченных частиц по отношению к частицам, присутствующим в топливе. Значение КПД обычно используется вместе со значением рейтинга микрон. Например, фильтр с эффективностью 98% и рейтингом микрон 5 микрон удаляет 98% частиц размером 5 микрон и более.

Эффективность топливного фильтра обычно описывается как бета-коэффициент или в процентах. Вот диаграмма рейтинга микрон топливного фильтра, показывающая значения для бета-коэффициента и уровней эффективности.

Согласитесь, сразу становится понятно, насколько отличается эффективность очистки фильтра 90% и 99,5%. Хотя на первый взгляд кажется, что и один, и другой показатель достаточно высокие. Но на самом деле между ними с точки зрения чистоты огромная разница.

Впрочем, не стоит забывать, что загрязнение твердыми частицами – это лишь одна из двух ключевых проблем. Особенно для дизельного топлива.

Борьба с влагой

Наличие влаги в топливной системе является серьезным препятствием для достижения наилучших характеристик, а также может вызвать засорение топливного фильтра, накопление отложений в форсунках, нестабильность топливоподачи и даже рост количества бактерий в бортовых топливных баках и емкостях заправочных станций.

«Откуда столько негативных последствий и при чем тут вода?» – спросите вы. Отвечаем.

В результате стремления отрасли к экологичности, чистоте и эффективности современные виды топлива становятся все более сложными и содержат значительно повышенный уровень присадок. В частности, биодизельное топливо, изготовленное с использованием растительных масел, талловых жиров и отработанных животных масел/жиров, создает проблемы для эффективного отделения воды из-за низкого межфазного натяжения и способности этого топлива смешиваться с водой.

Да, глицерин и другие родственные глицеролы – побочные продукты, возникающие при производстве биодизеля, – входящие в состав биодизельных смесей, не вызывают немедленных проблем, пока остаются теплыми и жидкими. Однако содержание смеси, температура и содержание воды могут повлиять на количество глицерина, которое топливо способно удерживать в растворе. Проблема в том, что при низких температурах глицерин принимает твердое воскообразное состояние, в котором он может выпасть на дно резервуара, застрять в топливном фильтре и/или образовать липкие коррозионные отложения в двигателе. В конечном итоге эти отложения не только резко сокращают ожидаемый срок службы фильтра, но и обездвиживают транспортное средство.  

При этом даже высококачественное дизельное топливо может содержать частицы влаги, будь то влажный воздух, поступающий через вентиляцию топливного бака, или конденсат в больших емкостях, используемых для хранения дизельного топлива на заправочных станциях. Поэтому передовые системы впрыска дизельного топлива Common Rail с давлением впрыска до 3000 бар куда более чувствительны к чистоте топлива, нежели простые механические системы недалекого прошлого. Так же, впрочем, как и системы бензинового впрыска, давление которого и технология постоянно совершенствуются.

Кроме того, переход на дизтопливо со сверхнизким содержанием серы вызвал необходимость в использовании других добавок, способных обеспечить достойные смазывающие свойства, не уступающие по своим характеристикам соединениям на основе серы. Добавки к топливу на основе поверхностно-активных веществ с хорошими характеристиками растворимости топлива полезны, потому что они связываются с широким спектром поверхностей и помогают поддерживать чистоту топлива. Но их нужно использовать правильно.

Чтобы решить все описанные проблемы, инновационные топливные фильтры переходят на передовую технологию фильтрации, называемую коалесцирующей фильтрацией, которая включает многослойный фильтрующий материал и несколько стадий фильтрации и разделения для сбора мелких капель воды в крупные, чтобы их было легче удалить из топлива.

Передовая технология

Итак, у нас есть две головные боли. Во-первых, крошечные частицы грязи и воды могут повредить компоненты топливного контура, что в худшем случае приведет к отказу системы. Во-вторых, состав современного дизельного топлива, в котором очень мало серы и больше биотоплива и добавок. Это становится причиной образования очень маленьких и стабильных капель влаги и требует новой технологии ее отделения.

Такой технологией стала, как уже было отмечено, коалесцирующая фильтрация, подразумевающая прохождение топлива через фильтр в три этапа. Она представляет собой довольно серьезный технологический шаг вперед в очистке дизельного топлива. В отличие от обычных барьерных водоотделителей, обычно используемых в транспортных средствах, которые отделяют воду от топлива с помощью одного гидрофобного фильтрующего элемента, в новых элементах используются три отдельные ступени, чтобы гарантировать прохождение только чистого топлива к двигателю.

Продукты новой технологии разрабатываются как модернизация и замена существующих навинчиваемых фильтров водоотделителя, используемых в широком спектре автотехники самого разного предназначения. Они предлагают более длительный срок службы и значительно улучшенное влагоотделение для биодизельного топлива.

Суть сводится к следующему. Когда грязное, влажное топливо попадает в фильтрующий элемент, оно сначала сталкивается с мощным синтетическим фильтрующим материалом, который (что немаловажно – при сохранении максимального потока) удаляет крупные твердые частицы, такие как всевозможные загрязнения и примеси.

На втором этапе топливо проходит через несколько слоев коалесцирующего нетканого материала. Здесь частично отфильтрованное топливо взаимодействует с коагулятором разной плотности, эффективно увеличивая эмульгированные капли влаги размером менее 5 мкм до 200 мкм и более.

На третьем этапе гидрофобное сито (картридж) гарантирует, что увеличенные капли не попадут обратно в поток топлива и систему впрыска. Под действием силы тяжести отделенная влага собирается в камере для сбора воды в модуле фильтра. Датчик сигнализирует, что воду необходимо слить вручную или с помощью сифона.

Таким образом, новый фильтр отделяет более 95% влаги от дизельного топлива, даже в случае наличия самых крошечных капель размером до 8 мкм. Он эффективно работает до конца сервисного интервала даже при загруженном фильтрующем элементе. Для сравнения: и одноступенчатые, и двухступенчатые концепции предыдущих поколений, все еще представленные на рынке, достигают относительно низкой эффективности разделения, максимум от 35 до 40%, и поэтому не обеспечивают надежной защиты современных систем впрыска.

То есть с помощью усовершенствованной системы фильтрации топлива можно значительно снизить расходы, вызванные повреждением оборудования и техническим обслуживанием, а также исключить незапланированные простои. Будь то коррозия или кавитация в форсунках, клапанах или насосе высокого давления HPCR-системы, коалесцирующая фильтрация существенно сокращает вероятность повреждений, которые могут привести к отказу системы. Короче говоря, эта инновационная трехступенчатая технология обеспечивает в настоящий момент наиболее высокий уровень защиты современных высокоэффективных систем впрыска топлива от засорения нежелательными частицами и позволяет автомобилям работать более производительно с меньшими выбросами.

Вторая жизнь пластика

При разработке топливных фильтров появляются инновации и иного порядка. Одна из задач сегодня заключается в привлечении к их производству вторичных ресурсов. Не так давно данной задаче было предложено достаточно эффективное решение, посредством изготовления пластикового топливного фильтра из полностью переработанного полиамида.

Этот полиамид был получен из отходов подушек безопасности с помощью классического процесса впрыска пластика. Его успешно протестировали на масштабных стендовых испытаниях, подтвердив, что материал полностью совместим со стандартным процессом впрыска.

Производитель автомобилей произвел выбор тестируемых деталей (двигатель 1,6 л, соответствующий экологическим нормативам Euro 6b), одобрил марку материала и оценил весь процесс валидации. Также был проведен анализ жизненного цикла, продемонстрировавший преимущества: сокращение выбросов CO2 на 483 тонны в год, что составляет 32% экономии по сравнению с традиционным фильтром.

Тем самым было продемонстрировано, что экономика замкнутого цикла и существенные выгоды для окружающей среды могут быть реализованы и в этой сфере производства автокомпонентов без нарушения существующих требований, предъявляемых двигателями последнего поколения. Поэтому в дальнейшем планируется расширить использование переработанного пластика в ассортименте продукции как для конвейерных поставок, так и для вторичного рынка автозапчастей в тесном сотрудничестве производителей автотехники и автокомпонентов.