Чистые среды в автомобиле Часть 4. Топливные фильтры
Наш цикл статей об ассортименте MS Motorservice International продолжается. Начало в «АБС-авто» № 8/2015, № 9/2015 и № 10/2015. Автомобильные фильтры KOLBENSCHMIDT – № 12/2015, № 1/2016 и № 2/2016.
О системах питания ДВС
Возвращаемся к моторной триаде «чистое масло, чистый воздух, чистое топливо». О фильтрации моторного масла и воздуха мы уже поговорили, настала очередь топлива.
Топливные фильтры – важнейшие компоненты системы питания двигателя. Но сначала давайте вспомним, какими они бывают, эти системы. Начнем с бензинового двигателя.
Старый добрый карбюратор. Это, конечно, история. Но история живая – достаточно посмотреть на старенькие «Жигули» и «Волги» на наших дорогах. Да и карбюраторных иномарок в свое время было завезено немало. Но так или иначе, спрос на карбюраторные фильтры есть, как у нас, так и за рубежом.
Впрыск бензина во впускной коллектор. Иногда его именуют распределенным впрыском. Подача топлива осуществляется форсунками при магистральном давлении 3–4 бар. Давление в системе создается центральным топливным насосом и поддерживается редукционным клапаном. Насос располагается в топливном баке, под днищем или под капотом.
Впрыск бензина в камеру сгорания. Другое название – непосредственный впрыск. Здесь в топливопроводе задействованы два контура – низкого и высокого давления. Давление в первом достигает 3–4 бар и создается тем же центральным насосом. Но в контур низкого давления встроен еще один электрический насос, питающий второй контур. Из него топливо под давлением в 120 бар подается в гидроаккумулятор, соединенный с форсунками.
В обоих случаях топливные фильтры находятся в магистралях под давлением 3–4 бар. Но при непосредственном впрыске от фильтра требуется более тонкая очистка, и об этом мы еще поговорим.
Одноточечный впрыск можно считать переходным вариантом от карбюратора к форсункам. Требования к нему менее жесткие, чем к распределенному впрыску и, как правило, отдельно не рассматриваются.
Переходим к дизельным системам. Здесь топливо может впрыскиваться в предкамеру или непосредственно в цилиндр. Для достижения эффективного сгорания почти у всех современных дизельных двигателей топливо впрыскивается в цилиндр.
Топливные насосы высокого давления (ТНВД) – старейшая, если хотите, классическая дизельная система. Есть и более современные решения – насос-форсунки и Common Rail.
Насос-форсунки – это узел, совмещающий насос, магнитный клапан для управления впрыском и распылитель для каждого отдельного цилиндра. Такая система позволяет достигать давления впрыска до 2000 бар.
Система Common Rail имеет общий аккумулятор – трубопровод, часто называемый рампой или топливной рейкой. Из трубопровода топливо впрыскивается форсунками в цилиндры. Благодаря радиально-поршневым насосам давление в рампе может достигать 1600 бар и более. Новейшие системы развивают давление до 2500 бар.
С появлением современных систем бензинового и дизельного впрыска требования к чистоте топлива существенно возросли. Более того – они непрерывно ужесточаются. Сколько посторонних включений необходимо задерживать? Вот что сообщили автору в ведущем российском институте ФГУП «НАМИ».
Требования к фильтрации бензина:
• 5–25% – для устаревших карбюраторных систем (загрязняющие частицы 3–5 мкм);
• 25–65% – для систем распределенного впрыска (частицы 3–5 мкм);
• 48–70% – для традиционных систем непосредственного впрыска (частицы 3–5 мкм);
• 85–95% – для новейших систем непосредственного впрыска (частицы 3–5 мкм);
Требования к фильтрации дизельного топлива:
• 25–65% – для моторов старого образца (загрязняющие частицы 3–5 мкм);
• 85–95% – для новых систем Common Rail (частицы 3–5 мкм);
• 98% – для новейших систем Common Rail (частицы 2 мкм).
При этом материал должен отделять от топлива не менее 95% воды.
Для сегодняшней практики автомобилестроения некоторые цифры выглядят завышенными. На самом деле они являются перспективными, к ним следует стремиться. Но в любом случае эти данные хорошо коррелируют с инфографикой MS Motorservice International и KOLBENSCHMIDT, представленной на рисунке внизу. А перечисленные задачи успешно решаются на основе использования новейших однослойных и многослойных фильтрующих материалов.
Почему фильтруем?
К сожалению, бензин начинает загрязняться с момента своего «рождения» на НПЗ. Свою лепту вносят и перевозки топлива в цистернах – они «дышат», а значит, пропускают пыль.
Загрязняется бензин и на заправочных станциях, где пыль попадает в бак вместе со струей топлива. А если бак негерметичен, пыль будет подсасываться в него непрерывно. Да и сам бак может иметь внутри окалину и очаги коррозии. И хотя оксиды железа существенно мягче, чем, например, кварцевая пыль, сбрасывать их со счетов нельзя.
Характер загрязнений зависит и от региона. Кварцевая пыль – беда средней полосы России. В южных же районах страны и в Западной Сибири преобладает другая пыль – лёссовая. Это продукт измельчения рыхлых горных пород, содержащий помимо кварца и полевой шпат, и глинистые минералы. Лёссовая пыль более мягкая, чем кварцевая, но это достоинство компенсируется большим ее количеством, также приводящим к быстрому загрязнению топлива.
Сказанное справедливо и для дизельного топлива. В нем появляются органические и механические примеси, а также вода. Работа дизеля на таком топливе ведет к коррозии топливной аппаратуры, ускоренному износу цилиндропоршневой группы, потере мощности и другим неприятным последствиям.
В холодные времена эксплуатационников ждут дополнительные неприятности – в дизельном топливе выпадают парафины, забивающие фильтры. Для борьбы с этим явлением выпускают фильтрующие элементы с подогревом, в частности со шторой, изготовленной из токопроводящей бумаги. А теперь перейдем к фильтрации.
Типы фильтров
Если сравнивать топливный фильтр, например, с масляным, следует отметить два коренных отличия. Во-первых, более тонкую фильтрацию, поскольку зазоры в прецизионных деталях топливной системы гораздо меньше, чем в подшипниках двигателя или в цилиндропоршневой группе. Значит, фильтровальный материал здесь требуется особый. Во-вторых – отсутствие перепускного клапана, поскольку отфильтрованные частицы грязи ни при каких условиях не должны попадать в топливную магистраль.
Давайте познакомимся с классификацией топливных фильтров KOLBENSCHMIDT. В ассортименте компании есть следующие виды изделий (см. иллюстрацию внизу):
• навинчиваемые фильтры FS (fuel spin-on);
• прямоточные фильтры FP (fuel pipe inline);
• фильтрующие элементы FC (fuel cartridge).
Способ монтажа навинчиваемых фильтров понятен из названия. Прямоточные фильтры имеют штуцеры с резьбой или «под хомут» для подсоединения шлангов.
Фильтрующие элементы устанавливаются в специальных корпусах с уплотнениями. При выполнении ТО крышка корпуса отворачивается, фильтрующий элемент заменяется – все просто. В качестве шторы применяется фильтровальная бумага или войлок (нетканый материал).
По расположению на автомобиле фильтры разделяются на простые, ступенчатые и параллельные. С простыми все понятно. У ступенчатого «тандема» перед фильтром тонкой очистки встраивается фильтр грубой очистки. Хрестоматийный пример – металлическая или пластмассовая сеточка в том или ином месте топливной магистрали (см. иллюстрацию «Ступенчатый фильтр» на предыдущей странице вверху).
Параллельный фильтр состоит из двух одинаковых фильтрующих элементов. Преимущество данной компоновки в том, что она обладает большей суммарной грязеемкостью и меньшим гидравлическим сопротивлением в каждом фильтре.
Карбюраторный фильтр
Поскольку спрос есть, ведущие производители фильтров выпускают продукцию для карбюраторных моторов. Среди них и KOLBENSCHMIDT. Взгляните на заставочную фотографию – карбюраторный фильтр с прозрачным пластмассовым корпусом уютно расположился в середине.
Это классический прямоточный фильтр FP – корпус, штора, присоединительные штуцеры. Фильтровальную бумагу складывают в виде звезды, скрепляя ее концы. Самый надежный способ – термическая сварка. Она обеспечивает отменную прочность и герметичность соединения концов шторы без «свищей». Этот способ применяется и для других фильтров со «звездными» шторами, о которых мы поговорим ниже.
Карбюраторные фильтры выпускаются в прозрачном корпусе. Благодаря этому водитель может визуально оценивать загрязненность фильтра, даже если срок его замены не подошел, а динамика машины вдруг ухудшилась.
Корпус состоит из двух частей: собственно корпуса и крышки. Их сваривают токами высокой частоты или ультразвуком. Локальное расплавление кромок стыкуемых деталей превращает корпус в единое целое, этакий монолитный «кокон». Стендовые испытания показывают: если такой фильтр разрушить, он «рвется» не по сварному шву. В итоге получается хоть и устаревший, но вполне современный фильтр. Такой вот парадокс.
Напомним, что топливная магистраль карбюраторного двигателя имеет линию всасывания (бак – бензонасос) и линию нагнетания (бензонасос – карбюратор). Автопроизводители устанавливают фильтр по-разному – но чаще на линии нагнетания, т.е. между насосом и карбюратором. Благодаря избыточному давлению на этой линии фильтр имеет значительный запас по предельному сопротивлению. Если же установить его на линии всасывания, предельное сопротивление в условиях разрежения будет достигнуто раньше. Это вызовет бензиновое голодание двигателя при относительно чистом фильтре.
Поэтому никогда не переделывайте систему питания, не переставляйте фильтр. Где назначено ему производителем автомобиля – пусть там и стоит. Это, кстати, еще и пожарная безопасность.
Фильтры для впрыска бензина
Как уже говорилось, форсунки весьма требовательны к чистоте бензина. Другая особенность впрысковых двигателей – относительно высокое давление в системе питания. Естественно, что фильтр, установленный после электоробензонасоса, должен иметь запас прочности. Поэтому при испытаниях такие фильтры подвергают воздействию давления до 1,5–2 МПа (15–20 атмосфер).
Фильтр для впрыска бензина устанавливают в баке, под днищем или под капотом. Среда под капотом агрессивная. Здесь царят высокие температуры и пары эксплуатационных жидкостей. Значит, конструкторы фильтра должны заботиться о коррозионной стойкости его «тела». Если же фильтр несет службу под днищем, вопрос коррозии становится особенно актуальным. Поэтому его корпус делается из стали с гальваническим покрытием, алюминиевого сплава или же из особо прочной пластмассы.
И еще интересная подробность. Металлический корпус топливного фильтра изготовить непросто. Это не просто штамповка, а так называемая глубокая вытяжка, требующая строжайшей технологической дисциплины. И чем больше отношение длины корпуса к диаметру, тем сложнее обеспечить равномерную толщину стенок. Беря в руки фирменное изделие, об этом полезно вспомнить.
В корпусе фильтра размещается фильтрующая штора. Иногда ее укладывают звездой – в документации KOLBENSCHMIDT такие фильтры именуют радиальными (см. иллюстрацию вверху). Действительно, топливо проходит по радиусу шторы к внутренней усилительной трубке. По пути частички грязи оседают на поверхности бумаги и в глубине пор, а очищенное топливо через отверстия внутренней трубки устремляется к выходу из фильтра.
Но есть и другая укладка шторы – спирально-складчатая. Специалисты KOLBENSCHMIDT называют такие фильтры аксиальными (осевыми). Принцип фильтрации здесь несколько иной, чем в радиальных фильтрах.
Смотрим на рисунок на предыдущей странице. Фильтровальная бумага, более тонкая, чем у радиального фильтра, наматывается вокруг внутренней трубки-усилителя. Но наматывается весьма хитро – так, что вдоль оси фильтра образуются V-образные карманы, способные собирать частицы грязи. Топливо тоже подается вдоль оси, очищается в карманах и выходит из фильтра через центральную трубку.
Спирально-складчатая укладка позволяет в том же объеме разместить в 1,5–1,7 раза больше материала, чем при укладке звездой. При этом бумага для аксиальной фильтрации отличается от бумаги, используемой для звезды – она не гладкая, а крепированная, «жатая». Эксперименты показали, что креп задерживает больше плотных механических примесей.
Удивительно, но крепированная бумага дешевле обычной. Объяснение простое – ее пропитка производится на этапе приготовления «массы» в смесителе, в отличие от пропитки готового бумажного полотна. Значит, изготовители таких фильтров могут вести более гибкую ценовую политику – возможность в период кризиса немаловажная.
Фильтры для дизельного топлива
По статистике ФГУП «НАМИ», от 30 до 45% отказов дизелей происходят из-за неисправностей топливной аппаратуры. Вот уж действительно прецизионная система – недаром к ней предъявляются самые высокие требования по очистке топлива.
Классический дизельный фильтр FS марки KOLBENSCHMIDT показан на рисунке на этой странице. Многое сказанное в предыдущих разделах справедливо и для дизельной фильтрации: схемы систем питания, типы фильтров, конструкция штор. Поэтому не будем повторяться. Разве что добавим, что в дизельных фильтрах все чаще применяется спирально-складчатая укладка. Такая конструкция является последним словом в современных системах очистки топлива.
Кроме того, в конструкцию дизельных фильтров встраивают датчики наличия воды, управления давлением и температурой, системы подогрева и водоотделения, краники для слива отстоя и другие комбинации полезных устройств.
Кстати, о воде в топливе, этой головной боли дизелиста. Как осуществляется сепарация влаги? Никакого секрета. Просто мы рассказали о крепированной фильтровальной бумаге не всё. Штора, изготовленная из такого материала, помогает бороться с содержащейся в топливе водой. В ситуации, когда обычная бумага закупоривается влагой, крепированная эту влагу пропускает, но не сразу, а по мере нарастания локального давления. На выходе из пор влага крупными каплями стекает на внутреннюю стенку корпуса либо в отстойник, если таковой предусмотрен конструкцией фильтра. Водитель открывает специальный краник и дает воде стечь. Словом, простая операция, тем более что у некоторых автомобилей уровень воды определяется специальным датчиком.
Поскольку системы дизельного впрыска Common Rail являются прецизионными и высокотехнологичными, в момент первого (внимание – самого первого!) пуска двигателя в топливную аппаратуру не должна проникнуть грязь, попавшая в фильтр при сборке. Поэтому эта сборка происходит в специальном цехе Clean Room (чистая комната). Здесь же фильтры упаковываются, запечатываются и в таком виде поступают к дистрибьюторам.
Автору довелось бывать в таких цехах. В Clean Room работает специально подготовленный персонал. Для него обязательны специальная обувь, белая униформа, стерильные шапочки и перчатки. Само помещение сертифицировано в соответствии с Международным стандартом EN ISO 14644. У пыли просто нет шанса выжить в «белой зоне» чистой комнаты.
Советы производителя
Как вы знаете, вся продукция MS Motorservice International снабжается подробными инструкциями. Это относится и к фильтрам KOLBENSCHMIDT.
Безусловно, топливные фильтры надо вовремя менять. Иначе двигатель будет терять мощность, работать с перебоями и сбивать с толку блок управления. Если поставить фильтр, не соответствующий инструкции или от сомнительного производителя, можно спровоцировать серьезные поломки. Впрочем, этого легко избежать, изучив каталог KOLBENSCHMIDT – здесь есть топливные фильтры практически для всех автомобилей.
При работах с системой питания надо соблюдать особую осторожность – после остановки двигателя в топливной магистрали какое-то время сохраняется высокое давление. Кроме того, следуйте указаниям инструкции по монтажу фильтров, используйте для их замены соответствующий инструмент. А при монтаже прямоточных фильтров обращайте внимание на стрелку на корпусе – она показывает направление движения топлива от бака к двигателю.
И еще одно важное замечание. При замене топливного насоса обязательно поставьте новый фильтр. Эта недорогая операция позволит избежать затрат на ремонт двигателя.
Иллюстрации MS Motorservice International
