CC BY
2Научный обзор УДК 621.43
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗАСОРЁННОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ВОЗДУШНОГО ФИЛЬТРА НА РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Кирилл Николаевич Башев 1 Ильдар Рифатович Дасаев 2, Магомед-Шарип Магомедович Магомедов 3
1, 2, з Московский автомобильно-дорожныи государственный технический университет (МАДИ), г. Москва, Россия
Аннотация. На протяжении долгого времени инженеры разрабатывали и модернизировали различные системы двигателя внутреннего сгорания с целью продлить его срок службы. Применение новых материалов и структур, процессов создания, сборки и ввода в эксплуатацию новых технологий и приспособлений внесли свой вклад в надежность современных двигателей. В данной статье будет рассказано про один из самых важных компонентов, системы впуска ДВС автомобиля, непосредственно влияющего на надёжность его работы - воздушный фильтр. Рассмотрены конструкция и разновидности автомобильных фильтров, а также, возможные проблемы и последствия для двигателя при его эксплуатации с загрязнённым воздушным фильтром.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, автомобильный воздушный фильтр, впускная система ДВС
Для цитирования: Башев К. Н., Дасаев И. Р., Магомедов М.-Ш. М. Оценка влияния засорённого воздушного фильтра на работу двигателя внутреннего сгорания // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2024. № 2(11). С. 3-13.
Original review
ASSESSMENT OF THE EFFECT OF A CLOGGED AUTOMOBILE AIR FILTER ON ENGINE OPERATION
Kirill N. Bashev 1 Ildar R. Dasaev 2, Мagomed-Sharip М. Мagomedov 3
1 2, 3 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
Abstract. For a long time, engineers have been developing and upgrading various internal combustion engine systems in order to extend its service life. The use of new materials and
© Башев К. Н., Дасаев И. Р., Магомедов М.-Ш. М., 2024
structures, the processes of creation, assembly and commissioning of new technologies and devices have contributed to the reliability of modern engines. This article will tell you about one of the most important components of the intake system of the internal combustion engine of the automotive, which directly affects the reliability of its operation - the air filter. The design and varieties of automotive filters are considered, as well as possible problems and consequences for the engine when it is operated with a contaminated air filter
Keywords: automotive air filter, intake system of the internal combustion engine, internal combustion engine
For citation: Bashev K. N., Dasaev I. R., Magomedov М.-Sh. М. Assessment of the effect of a clogged automobile air filter on engine operation. Automotive and Road expert evaluation. 2024; (2):3-13. (in Russ.).
Введение
Двигатель автомобиля работает на топливовоздушной смеси, для полного сгорания которой необходимо, чтобы в ее составе содержалось воздуха в 14,7 раз больше, чем топлива. Воздушные фильтры автомобильных двигателей служат для предотвращения попадания частиц и иных загрязняющих элементов в поступающем в двигатель воздухе. К типичным загрязнителям воздуха относятся масляный туман, аэрозоли, сажа, газообразные промышленные отходы, растительная пыльца и пыль. Размеры этих частиц могут варьироваться в очень больших пределах (от 0,1 до 100 мкм и более) [1]. Если этот воздух не очищать, то вся находящаяся в нем твердая взвесь (частицы пыли и грязи с дороги и т.п.) попадет внутрь двигателя. Вскоре это приведет к ухудшению работы двигателя и в конечном счете - к его отказу и необходимости преждевременного ремонта.
По мере засорения воздушного фильтра его сопротивление воздушному потоку растет и, следовательно, уменьшается количество воздуха, поступающего в двигатель. В определенных режимах это ведет к обогащению смеси, а значит, к неполному ее сгоранию. Соответственно, снижаются мощностные показатели двигателя, увеличивается расход топлива и возрастает концентрация токсичных веществ в выхлопных газах [2].
Конструкция и типы воздушных фильтров
На автомобильном транспорте применяются (применялись) следующие типы воздушных фильтров:
1. Инерционные - устаревшие фильтры (известные в народе как «кастрюли»), сейчас практически не используется из-за их малоэффективности и низких фильтрационных свойств. Очищение воздуха проходило в два этапа: сначала резко менялось направление воздушных потоков, из-за чего самые крупные частицы пыли оседали на дне корпуса, а затем воздух проходил через капроновую подушку (илл. 1). Инерционные фильтры были многоразовыми, время от времени их нужно было извлекать и мыть [3].
Илл. 1. Инерционный воздушный фильтр автомобиля: 1 - лабиринт для улавливания крупных частиц пыли; 2 - капроновая подушка; 3 - корпус фильтра
2. Инерционно-масляные - появились на смену простым инерционным, были немного эффективнее, хотя сейчас тоже считаются устаревшими. Инерционно-масляный фильтр отличался тем, что на днище корпуса находилось моторное масло, которое задерживало крупную пыль и прочий песок (илл. 2). Фильтр тоже был многоразовым, его нужно было извлекать, мыть и менять масло. Инерционно-масляные типы можно встретить и в настоящее время - например, в сельскохозяйственной технике [3].
Инерционно-масляный воздушный фильтр для карбюраторного двигателя
щшш^- - атмосферный воздух
■ воздух, очищенный в фильтре
Илл. 2. Инерционо-масляный воздушный фильтр автомобиля: 1 - лабиринт для улавливания крупных частиц пыли; 2 - капроновая подушка; 3 - корпус фильтра
3. Бумажные - наиболее распространенные. Воздух прогоняется через несколько слоев обработанной смолами пористой бумаги, сложенной так, чтобы увеличить фильтрационную способность устройства (илл. 3). Волокна бумаги очищают воздух по всей поверхности и улавливают даже микроскопические частицы пыли - вплоть до 1 микрона. Бумажные воздушные фильтры достаточно дешевы, поэтому при износе их просто заменяют на новые [3].
Илл. 3. Бумажные воздушные фильтры автомобиля: а - кольцевой; б - цилиндрический;;
в - панельный
Бумажный воздушный фильтр автомобиля в свою очередь может быть следующих видов:
Кольцевой - имеет форму кольца (илл 3, а). С двух сторон на него наложен слой поролона-уплотнителя, а между уплотнителями - сам фильтрующий элемент, бумага «гармошкой». Чаще всего кольцевой тип можно встретить на легковых автомобилях с карбюратором.
Цилиндрический - имеет форму цилиндра (илл. 3, б). Конструктивно он очень похож на кольцевой, но фильтрующая поверхность у них больше, что обеспечивает лучшее очищение воздуха. Необходимость очищать больше и лучше продиктовано сферой использования: цилиндрические чаще всего ставятся на грузовые автомобили.
Панельный - имеет не круглую, а квадратную форму (илл. 3, в). Уплотнитель у него только с одной стороны, а фильтрующий элемент сложен гармошкой. Такой фильтр чаще всего используется на современных легковых автомобилях.
Нулевики - фильтры нулевого сопротивления с поролоном или хлопчатой тканью. Конструкция его такая же, что и в бумажном виде, только вместо пропитанной смолой бумаги используются ткань либо поролон, обработанные особыми составами. Эффективность очистки воздуха у нулевиков очень высока, при этом фильтрующие материалы практически не оказывают сопротивления воздушному потоку. Они обслуживаемые - периодически их нужно доставать мыть и пропитывать [4].
Принцип работы фильтрующего элемента воздушного фильтра
Принцип работы фильтрующего элемента воздушного фильтра зависит от материала, из которого он изготовлен. Раньше классические воздушные фильтры имели фильтрующую штору из гофрированной бумаги. Такая штора работала по принципу сита. Если загрязняющая частица больше поры, она задерживалась, если меньше - пропускалась. При этом бумага фильтровала не только на пористой поверхности, но ив глубине шторы. Это обеспечивало достаточный ресурс (грязе-ёмкость) до замены и создавало эффект уменьшения ячеек сита по мере загрязнения. В таких фильтрах сопротивление фильтрующей шторы напрямую зависит от степени его загрязнённости [5].
На смену данным классическим воздушным фильтрам пришли воздушные фильтры, в которых фильтрующая штора изготавливается из нетканого волокни-
стого материала. Принцип работы такой фильтрующей шторы совершенно иной, основан на разнообразных эффектах (блокировка, инерция, диффузия, адгезия, электростатическое осаждение и др.), отличающихся от принципа сита.
Адгезионный эффект основан на межмолекулярном взаимодействии частиц пыли с поверхностью волокон фильтрующей шторы. Именно благодаря адгезии на чистых волокнах появляется первый слой пыли.
Электростатическое осаждение - притяжение частиц к волокнам (силы Кулона), возникает в случае, если материал из которого сделан фильтр, обладает высокой удельной электропроводностью. Тогда волокна могут заряжаться в воздушном потоке и притягивать частицы с другим электрическим потенциалом. Этот эффект дополнительно увеличивает эффективность фильтра.
Эффект диффузии проявляется преимущественно на самых мелких частицах (с диаметром меньше 0,1 мкм), которые обладают небольшой массой и всё время находятся в хаотичном броуновском движении. Их траектория постоянно колеблется относительно линии потока воздуха. В ходе колебаний частица выходит из потока, касается волокна и осаждается (илл. 4).
линии потока
направление потока
■ отдельные волокна: ось вертикально к плоскости снимка
линии потока
Илл. 4. Эффект диффузии в фильтрующей шторе, изготовленной из нетканого
волокнистого материала [6]
Эффект инерции работает на более крупных частицах (с диаметром более 0,3 мкм), которые весят больше, поэтому их колебания относительно линии потока меньше, либо отсутствуют вообще. Такие частицы осаждаются по другому механизму. Крупные и тяжёлые частицы за счёт инерции выходят из воздушного потока, сталкиваются с волокнами и осаждаются на них (илл. 5).
Фактически диффузионный и инерционный эффекты дополняют друг друга: один отвечает за фильтрацию самых мелких частиц, другой - более крупных. Сложнее всего осадить на волокно частицы с «промежуточным» размером. Их инерция ещё недостаточно большая, а диффузия уже работает слабо, так как колебания их траектории относительно линии потока уже не такие сильные. Поэтому такие частицы с большей вероятностью остаются в потоке и огибают волокна вместе с воздухом. Их называют частицами с максимальной проникающей способностью. Для их осаждения наибольшее значение имеет другой механизм -эффект блокировки.
Илл. 5. Эффект инерции в фильтрующей шторе, изготовленной из нетканого
волокнистого материала [6]
При эффекте блокировки (зацепления) частицы из-за своего размера могут следовать по линейной траектории потока. Но если они слишком близко проходят мимо волокон и касаются их, то там они и прилипают (под действием Ван-дер-ваальсовых сил) (илл. 6). При этом это даже происходит, если частица приблизилась к поверхности волокна на расстояние своего радиуса. Такого расстояния достаточно для её осаждения и это распространяется на частицы любого размера. Пылинки могут оставаться в воздушном потоке, совершать диффузионные колебания относительно линии потока или вылетать из потока благодаря инерции - в любом случае, если частица приблизилась к волокну на достаточное расстояние, она осаждается.
линии потока
мелкая частичка, которая может следовать за линиями потока
отдельные волокна: ось вертикально к плоскости снимка
направление потока
линии потока
Илл. 6. Эффект блокировки (зацепления) в фильтрующей шторе, изготовленной из нетканого волокнистого материала [6]
Эффективность этого механизма зависит от размера частицы. Чем больше частицы, тем вероятнее она коснётся волокна. В этом эффект блокировки похож на эффект сита [6].
В результате всех вышеописанных эффектов происходит «облепление» волокон фильтрующей шторы частицами со всех сторон (илл. 7). К ним прилипают даже самые микроскопические частицы.
Поскольку каждое волокно имеет реальную площадь поверхности, а таких волокон в фильтрующей шторе очень много, грязеёмкость фильтра получается огромной. При этом он задерживает до 99,7 % частиц, начиная с долей микрона. И даже когда, частицы полностью «облепляют» волокна, никакого увеличения сопротивления фильтра не происходит. А если и происходит, то незначительно [5].
а б
Илл. 7. Волокна фильтрующей шторы, «облепленные» частицами со всех сторон [6]: а - небольшое время работы фильтра; б - работа фильтра до момента необходимости
его замены
Однако у таких фильтров из нетканого волокнистого материала есть свои особенности:
1. Чем больше загрязнение, тем хуже идёт фильтрация мелких частиц, что является прямо противоположным действию традиционных бумажных фильтров.
2. При определённых условиях возможны периодические сбросы накопленных фильтром частиц в поток фильтрующей среды и далее за фильтрующий элемент.
3. Внешне загрязнение фильтра никак не проявляется, цвет волокон почти не изменяется, что является следствием большой грязеёмкости материала и явно противоречит практике применения традиционных бумажных фильтров, у которых загрязнения хорошо видны на поверхности.
4. Фильтр из нетканого материала, предназначенный только для одного типа двигателя, не может быть произвольно установлен на другой тип двигателя, поскольку нерасчётное воздействие на нештатный фильтр с иным сопротивлением повышенного перепада давления может приводить к высвобождению («сбросу») ранее задержанных абразивных частиц и абразивному износу деталей двигателя [6].
Периодичность обслуживания и замены воздушного фильтра
Работы по обслуживанию или замене рекомендуется проводить согласно регламенту, указанному в руководстве по эксплуатации и руководстве по ремонту автомобиля. Каждый производитель в руководстве обязательно прописывает период замены воздушного фильтра. На некоторых автомобилях периодичность замены указывается непосредственно на корпусе воздушного фильтра.
Усредненный пробег для замены фильтрующего элемента воздушного фильтра составляет - 15 000 км. Однако важно помнить, что условия эксплуатации транспортных средств при этом должны быть стандартными. В случае тяжёлых условий эксплуатации срок замены фильтрующего элемента должен быть сокращён.
Существуют следующие факторы, которые независимо от конструкции воздушного фильтра снижают срок его службы:
- использование автомобиля в сельской, запыленной местности, в частых поездках по проселочным дорогам;
- плохие дорожные условия - большое количество ям, необорудованная обочина, разрушение дорожного полотна;
- поездки по песку или при сильном смоге;
- ночные поездки в весенне-летний период (из-за наличия большого количества насекомых);
- поездки в условиях, когда в воздухе содержится много строительной или дорожной пыли.
Как уже было отмечено выше по тексту, забитый фильтр из нетканого волокнистого материала сложно визуально отличить от не забитого. Даже если поверхность фильтра выглядит чистой, его фильтрующая способность может быть значительно снижена. В связи с этим необходимо в обязательном порядке соблюдать регламент замены воздушного фильтра автомобиля, не зависимо от его внешнего состояния.
Также запрещено использовать поврежденный фильтр. Он начнет разрушаться, а его фрагменты попадут во впускной тракт [7].
Признаки засоренного воздушного фильтра и его влияние на работу двигателя
К возможным признакам засоренного воздушного фильтра относят следующее:
- затрудненный запуск прогретого двигателя. Засоренный воздушный фильтр затрудняет проход воздуха во впускном тракте, что сильно обогащает топливную смесь при пуске. А для пуска прогретого двигателя желательна бедная смесь;
- нарушение работы двигателя на холостом ходу. Недостаточное количество воздуха, поступающего через воздушный фильтр, усложняет оптимальный состав топливной смеси для работы на режиме холостого хода. Двигатель неустойчиво работает, дергается и пытается заглохнуть. Если во впускной коллектор двигателя прорываются картерные газы, несущие в себе частицы моторного масла, ситуация становится совсем критической;
- снижение мощности и приемистости двигателя автомобиля. С забитым воздушным фильтром двигатель автомобиля «задыхается» от недостаточного количества воздуха. Состав топливной смеси не соответствует мощностным режимам (смесь чересчур переобогащена и не эффективно горит). Двигатель теряет мощность и приемистость;
- «провал» при нажатии на педаль газа. Без того богатая топливная смесь дополнительно обогащается при нажатии на педаль газа. Электроды свечей загряз-
няются топливом, и топливовоздушная смесь плохо горит, или даже возникают пропуски воспламенения (зажигания). Появляется «провал» в работе двигателя (либо рывки);
- повышенный расход топлива. Забитый воздушный фильтр двигателя не позволяет поддерживать оптимальный состав топливной смеси для каждого режима работы двигателя. Топливная смесь получается постоянно обогащенной. Расход топлива растет в зависимости от степени засорения воздушного фильтра. Попутно появляются хлопки и (или) выстрелы в глушителе, загрязняется его выхлопная труба и электроды свечей зажигания, двигатель дымит [7].
Возможные последствия эксплуатации автомобиля с засоренным воздушным фильтром
Так как топливная смесь, поступающая в цилиндры двигателя, состоит из бензина и воздуха, смешанных в определенной пропорции, засорение воздушного фильтра сместит баланс в сторону бензина. Доля воздуха будет снижена, а доля бензина, наоборот, увеличена. Топливная смесь получится чрезмерно обогащенной. В зависимости от степени загрязнения фильтра последствия такого обогащения могут быть разными. От практически не заметного, когда всего лишь темнеют электроды свечей, до критического, когда двигатель не будет запускаться, неустойчиво работать, дымить и увеличиться расход топлива. Под капотом, в салоне может присутствовать запах не сгоревшего и попавшего в выхлопную трубу бензина.
Также засоренный фильтр теряет свою фильтрующую способность и воздух во впускной тракт попадает грязный - с мелкими твердыми абразивными частицами.
Частицы из загрязнённого воздуха, оседая на датчиках, установленных во впускном коллекторе (датчик массового расхода воздуха, датчик абсолютного давления и температуры), могут привести к их выходу из строя.
Долгая эксплуатация автомобиля с загрязненным воздушным фильтром приведёт к абразивному износу деталей цилиндропоршневой группы ДВС (стенок цилиндров, поршневых колец) и к износу дроссельной заслонки.
В турбированных ДВС загрязнённый воздух приводит также к износу лопаток компрессорного колеса.
Испытание воздушных фильтров
Испытание воздушных фильтров производится на специальных стендах (илл. 8).
Испытания проводятся по ГОСТ Р 53837-2010 «Двигатели автомобильные. Воздухоочистители. Технические требования» [8] и ГОСТ 8002-2020 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Воздухоочистители. Методы стендовых безмоторных испытаний» [9].
В результате стендовых испытаний определяются:
1. Сопротивление воздухоочистителя в зависимости от расхода воздуха.
2. Коэффициент пропуска пыли в зависимости от расхода воздуха.
3. Средний коэффициент пропуска пыли.
4. Продолжительность работы до достижения предельного сопротивления или до технического обслуживания.
поток воздуха
Илл. 8. Схема стенда для испытания воздушных фильтров
Заключение
В статье было были рассмотрены конструкции, разновидности и принципы работы автомобильных воздушных фильтров. Показаны признаки засоренного воздушного фильтра и его влияние на работу двигателя. Описаны последствия для двигателя при его эксплуатации с загрязнённым воздушным фильтром. Эксплуатация автомобиля с загрязнённым воздушным фильтром может привести к выходу из строя датчиков, установленных во впускном коллекторе (датчик массового расхода воздуха, датчик абсолютного давления и температуры), абразивному износу деталей цилиндропоршневой группы ДВС (стенок цилиндров, поршневых колец), дроссельной заслонки и лопаток компрессорного колеса турбокомпрессора.
Список источников
1. Пыль - большая медицинская энциклопедия. - URL: https://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/%D0%9F%D0%AB%D0%9B%D0%AC (дата обращения: 10.06.2024).
2. Автомобильный справочник : пер. с англ. OOO «СтарСПб» - 3-е изд., перераб. и доп. -Москва : ООО «Книжное издательство «За рулем», 2012. - 1280 с. - ISBN 978-5-96980406-7.
3. Воздушные фильтры для автомобиля классификация. - URL: https://korallmotors.ru/vozdushnye-filtry-dlya-avtomobilya-klassifikatsiya/ (дата обращения: 15.06.2024).
4. Фильтр нулевого сопротивления: что это, плюсы и минусы. - URL: https://ufa.tts.ru/blog/filtry/kak-chasto-nuzhno-menyat-vozdushnyy-filtr/ (дата обращения: 16.06.2024).
5. Хрулев, А. Э. Гарантийный возраст дожития / А. Э. Хрулев, Ю. И. Буцкий // Журнал АБС. - 2017. - № 7. - С. 46-50.
6. Дроздовский, В. Б. Экспертиза технического состояния и причины неисправностей автомобильной техники / В. Б. Дроздовский, С. К. Лосавио, А. Э. Хрулев. - Москва : Издательство АБС, 2019. - 966 с. - ISBN 978-5-00155-048-3.
7. Забивается воздушный фильтр двигателя. - URL: https://twokarburators.ru/zabivaetsia-vozdushny-filtr-dvigatel-prichiny/?ysclid=lf8pb7r1jw133763038 (дата обращения: 25.06.2024).
8. ГОСТ Р 53837-2010. Двигатели автомобильные. Воздухоочистители. Технические требования: национальный стандарт : дата введения 15.09.2010 / Федеральное аген-ство по техническому решулированию и метрологии. - Москва : ФГУП «Стандартин-форм», 2010. - 3 с.
9. ГОСТ 8002-2020. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Воздухоочистители. Методы стендовых безмоторных испытаний : межгосударственный стандарт : дата введения 01.06.2021 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). - Москва : ФГУП «Стандартинформ», 2020. - 23 с.
Refere^es
1. Pyl - bolshaya medicinskaya enciklopediya, available at: https://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/%D0%9F%D0%AB%D0%9B%D0%AC (10.06.2024).
2. Avtomobilnyj spravochnik Bosch (Bosch Automotive Reference), Moscow, OOO «Knishnoe izdanie «Za rulem», 2012, 1280 p. ISBN 978-5-9698-0406-7.
3. Vozdushnye filtry dlya avtomobilya klassifikaciya, available at: https://korallmotors.ru/vozdushnye-filtry-dlya-avtomobilya-klassifikatsiya/ (15.06.2024).
4. Filtr nulevogo soprotivleniya: chto eto, plyusy i minusy, available at: https://ufa.tts.ru/blog/filtry/kak-chasto-nuzhno-menyat-vozdushnyy-filtr/ (16.06.2024).
5. Hrulev A. E., B^kiy Yu. I., Shurnal ABC, 2017, no. 7, pp. 46-50.
6. Drozdovskiy V. B., Losavio S. K., Hrulev A. E. Ekspertiza tekhnicheskogo sostoyaniya i prichiny neispravnostej avtomobilnoj tekhniki (Examination of the technical condition and causes of malfunctions of automotive equipment), Мoscow, ABS, 2019, 966 p.
7. Zabivaetsya vozdushnyj filtr dvigatelya, available at: https://twokarburators.ru/zabivaetsia-
vozdushny-filtr-dvigatel-prichiny/?ysclid=lf8pb7r1jw133763038 (25.06.2024).
8. Dvigateli avtomobilnye. Vozduhoochistiteli. Tekhnicheskie trebovaniya, GOST R 53837-2010 (The engines are automotive. Air purifiers. Technical requirements, State Standart R 538372010), Moscow, FGUP Standartinform, 2010, 3 p.
9. Dvigateli vnutrennego sgoraniya porshnevye. Vozduhoochistiteli. Metody stendovyh bezmo-tornyh ispytanij, GOST 8002-2020 (Internal combustion engines are reciprocating. Air purifiers. Methods of bench-mounted non-motorized tests, Interstate Standard 8002-2020), Moscow, FGUP Standartinform, 2020, 23 p.
Информация об авторах
К. Н. Башев - студент МАДИ.
И. Р. Дасаев - студент МАДИ.
М.-Ш. М. Магомедов - студент МАДИ.
Information about the authors
K. N. Bashev - студент МАДИ.
I. R. Dasaev - студент МАДИ.
М.-Ш. М. Магомедов - студент МАДИ.
Рецензент: Т. Е. Лихачева, кандидат технических наук, доцент МАДИ, директор ИНАЭ-
МАДИ.
Статья поступила в редакцию 22.08.2024; одобрена после рецензирования 02.09.2024; принята к
публикации 02.09.2024.
The article was submitted 25.08.2024; approved after reviewing 02.09.2024; accepted for publication
02.09.2024.
