Φίλτρα PART II

Πόσο βρόμικος είναι ο εισερχόμενος αέρας..;;;

Κατά τη λειτουργία του, ένας κινητήρας π.χ. 80 ίππων εισπνέει περίπου 6 κυβικά μέτρα αέρα ανά λεπτό. Ανάλογα με τον τύπο και τον τόπο χρήσης του εν λόγω κινητήρα, η περιεκτικότητα σε σωματίδια στον αέρα μπορεί να κυμαίνεται από λιγότερο από 0,2 έως και 50 mg ανά κυβικό.

Ο συνολικός τώρα όγκος «βρομιάς» με τη μορφή σωματιδίων που κατευθύνονται στο όχημα κατά τη διάρκεια της ζωής του μπορεί να εκτιμηθεί ως εξής: για την πλήρη καύση 1 kg καυσίμου, ο κινητήρας απαιτεί 14kg ή 10,8 κυβικά μέτρα αέρα. Υποθέτοντας ότι κάνει μία μέση ετήσια χιλιομετρική απόσταση της τάξεως των 20.000 χλμ. κι ότι η μέση κατανάλωση καυσίμου είναι περίπου 7,8λίτρα/100km, ο κινητήρας εισπνέει 12.400 κυβικά μέτρα αέρα ετησίως. Αυτό σημαίνει ότι ανάλογα με το περιβάλλον λειτουργίας, τότε μεταξύ 24g και 6,2kg σκόνης κατευθύνονται στην εισαγωγή του κινητήρα αυτού σε μια περίοδο δέκα ετών. Αυτό δηλαδή σημαίνει ότι ανάλογα και με το πού κυκλοφορούμε γενικώς, ΣΟΒΑΡΗ μάζα βρόμας φτάνει μέχρι το φίλτρο αέρα μας…

Από πλευράς μεγέθους και συνεχίζοντας την πιο αναλυτική κουβέντα από την προηγούμενη συνέχειά μας, τα σωματίδια σκόνης που περιέχονται στον αέρα που εισάγεται από τον κινητήρα έχουν διάμετρο μεταξύ 0,01 και 2000 μm/2 mm, ενώ περίπου το 75% των σωματιδίων βρίσκονται εντός του εύρους μεγεθών από 5 έως 100 μm. Κρατήστε τα αυτά και προχωράμε!

Ποιες θα ήταν όμως οι συνέπειες ενός ανεπαρκούς φιλτραρίσματος στην είσοδο του μοτέρ..; Εάν ο αέρας φιλτράρεται ελάχιστα ή έστω ανεπαρκώς, τα σωματίδια σκόνης θα διεισδύσουν στον κινητήρα και σε κάποιο βαθμό και στο σύστημα λίπανσης. Με αυτόν τον τρόπο, στη συνέχεια διεισδύουν σε κρίσιμες περιοχές, όπως τα διάκενα μεταξύ χιτωνίων και εμβόλων, μεταξύ των ελατηρίων των εμβόλων, μεταξύ του πείρου των εμβόλων και των μπιελών κτλ., όπου σε κάθε περίπτωση δύναται να προκαλέσουν φθορά στα επιμέρους εξαρτήματα.

Τα σωματίδια που αιωρούνται στον αέρα όχι μόνο συμβάλλουν στη φθορά του κινητήρα, αλλά μπορεί επίσης να σχηματίσουν εναποθέσεις νωρίτερα στο σύστημα εισαγωγής, όπως είναι τα σχετικά ευαίσθητα MAF/AFM, τα οποία βρίσκονται στην πλευρά καθαρού αέρα, δηλαδή μετά το φίλτρο εισαγωγής. Εάν το σήμα τους αποκλίνει από την επιθυμητή τιμή, θα προκύψουν απώλειες απόδοσης και κατά συνέπεια κι αυξημένη κατανάλωση καυσίμου και εκπομπές ρύπων. Τα σύγχρονα φίλτρα αέρα επιτυγχάνουν απόδοση φιλτραρίσματος (βλ. Part I) έως και 99,8% για τα επιβατικά αυτοκίνητα και 99,95% για τα επαγγελματικά οχήματα.

Ποιες είναι οι απαιτήσεις από ένα φίλτρο αέρα

Τα σύγχρονα μέσα/υλικά φιλτραρίσματος αέρα οφείλουν να συμμορφώνονται με τις τιμές φιλτραρίσματος που ορίζονται στις σχετικές προδιαγραφές για π.χ. ικανότητα συγκράτησης σκόνης και συνολικό βαθμό απόδοσης φιλτραρίσματος κάτω από όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Τα φίλτρα πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή σταθερότητα υπό ταλαντώσεις/παλμικές δυνάμεις και να μην αφήνουν τη σκόνη να τα διαπεράσει ακόμη και υπό πολύ δυναμικές συνθήκες, δηλαδή υπό ισχυρή μετατόπιση του κινητήρα και του συστήματος εισαγωγής του στο μηχανοστάσιο και πάνω στις βάσεις του. Επιπλέον, η τυπική δομή των πτυχών ενός φίλτρου (όπου κατά κανόνα έχουμε υψηλή πυκνότητα επιφάνειας που καταλαμβάνει τον ελάχιστο δυνατό χώρο) δεν θα πρέπει να αλλάξει εάν εισχωρήσει νερό στο φίλτρο, όπως μπορεί να συμβεί όταν το όχημα οδηγείται μέσα από ψιλόβροχο ή ακόμα και πολύ δυνατή βροχή. Επιπλέον, ένα καλής ποιότητας φίλτρο αέρα πρέπει να είναι ανθεκτικό σε επιμόλυνση από λάδια κινητήρα, αναθυμιάσεις καυσίμου και αέρια του στροφαλοθαλάμου που φτάνουν στο φίλτρο είτε από τον αέρα εισαγωγής, όσο ο κινητήρας λειτουργεί, είτε ως αποτέλεσμα διάχυσης στον περιβάλλοντα αέρα όταν ο κινητήρας είναι σταματημένος. Τέλος, τα υλικά του φίλτρου πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή θερμική σταθερότητα, καθώς οι θερμοκρασίες στην περιοχή γύρω από το φίλτρο του αέρα μπορεί να αυξηθούν μέχρι και στους 90°C κατά την οδήγηση.

Από πλευράς υλικών του μέσου φιλτραρίσματος του φίλτρου αέρα, σήμερα θα επικεντρωθούμε περισσότερο στα εργοστασιακά φίλτρα, αφήνοντας τα aftermarket με γάζες, βαμβάκια κτλ. για την επόμενη φορά.

Τα εργοστασιακά τυπικά φίλτρα αέρα λοιπόν αποτελούνται από μία «ακανόνιστη» δομή φυσικών (από κυτταρίνη, δηλαδή από φυτική προέλευση, αυτό που λέμε «χάρτινο» φίλτρο) ή συνθετικών (π.χ. πολυεστέρα) ινών. Τα χαρακτηριστικά των μέσων φιλτραρίσματος καθορίζονται από δεδομένα που σχετίζονται με την πυκνότητα του «χαρτιού», δηλαδή τη μάζα του ανά μονάδα επιφάνειας, το πάχος του, τη διαπερατότητα στον αέρα (κατά DIN 53 887) ή το μέγεθος των πόρων του. Άλλα χαρακτηριστικά είναι η αντοχή σε σκίσιμο (κατά DIN 53 113), η κάμψη (κατά DIN 53 864), η κατηγορία επιβράδυνσης επέκτασης φλόγας (κατά DIN 53 438) και η διάμετρος και το μήκος των ινών. Η διάμετρος της κυτταρίνης και των κύριων συνθετικών ινών κυμαίνεται μεταξύ 10 και 50 μm, ενώ οι συνθετικές ίνες είναι ακόμα λεπτότερες. Στην περίπτωση χάρτινου φίλτρου με πάχος στρώσης χαρτιού των 0,45 mm, τα αντίστοιχα φίλτρα αέρα με βάση την κυτταρίνη έχουν πυκνότητα περίπου 100g ανά τετραγωνικό μέτρο επιφανείας.

Ικανότητα συγκράτησης σκόνης: στόχος τα μεγαλύτερα διαστήματα σέρβις

Στην ανάπτυξη νέων υλικών για τα εργοστασιακά φίλτρα αέρα, προτεραιότητα φυσικά έχει η απαίτηση για παρατεταμένα διαστήματα σέρβις, δηλαδή κύριος στόχος είναι οι υψηλές δυνατότητες συγκράτησης σκόνης κι όχι το -παραμικρό- 0,2 χαμένο άλογο από την εισαγωγή. Για παράδειγμα, γίνονται ανά καιρούς προσπάθειες να επεκταθούν τα διαστήματα σέρβις για τα μαμά φίλτρα αέρα αυτοκινήτων στα 120.000 χλμ., χωρίς καμία αύξηση του μεγέθους του φιλτροκουτιού-παπά και του φίλτρου αυτού καθαυτού. Μπορεί αυτά τα διαστήματα να ακούγονται τρελά για ΙΧ επιβατικά, όμως στην περίπτωση των επαγγελματικών οχημάτων αυτές οι τιμές έχουν ήδη επιτευχθεί ή έχουν βελτιωθεί σημαντικά, ως αποτέλεσμα του σχεδιασμού φίλτρων με …γενναιόδωρες αναλογίες μεγέθους. Η υφή/σχήμα μικροδομής των σύγχρονων φίλτρων που ικανοποιούν αυτές τις πολύ «μακροχρόνιες» απαιτήσεις διακρίνεται από συγκεκριμένες δομές, οι οποίες με γυμνό μάτι δεν είναι ορατές: μιλάμε για μη υφασμένο υλικό (χωρίς αυστηρή ύφανση δηλαδή) το οποίο είναι σημαντικά πιο πυκνό στην πλευρά του καθαρού αέρα παρά στην πλευρά του εισερχόμενου αέρα. Ως αποτέλεσμα αυτής της σταδιακή-προοδευτικής πυκνότητας στη μικροδομή του φίλτρου, επιτυγχάνεται διαβαθμισμένος-μεταβλητός βαθμός απόδοσης φιλτραρίσματος (βλ. Part I) εντός του ίδιου του φίλτρου καθώς πάμε από την μια πλευρά του στην άλλη. Αυτό οδηγεί σε εξαιρετική ικανότητα συγκράτησης σκόνης, σε σχέση με ένα τυπικό χάρτινο φίλτρο που είναι ίδιο παντού κατά πάχος.

Συνολικά, τα τυπικά υλικά χάρτινων φίλτρων με βάση την φυσική κυτταρίνη επιτυγχάνουν ειδική ικανότητα συγκράτησης σκόνης έως και 220g ανά τετραγωνικό μέτρο. Συγκριτικά, τα μη υφασμένα φίλτρα με σταδιακή-προοδευτική πυκνότητα στη δομή και για ίδια απόδοση φιλτραρίσματος επιτυγχάνουν ειδική ικανότητα συγκράτησης σκόνης από 900 έως 1100g ανά τετραγωνικό μέτρο. Το συνολικό εμβαδόν υλικού φιλτραρίσματος που μπορεί να περιέχεται σε ένα φίλτρο -δεδομένου συνολικού μεγέθους- είναι μικρότερο στην περίπτωση ενός συνθετικού μη υφασμένου από αυτό ενός κλασικού χάρτινου από κυτταρίνη: σύμφωνα με το πρότυπο ISO 5011, η ικανότητα συγκράτησης σκόνης ενός φίλτρου που βασίζεται σε συνθετικές μη υφασμένες ίνες είναι από 50% έως και 150% μεγαλύτερη από αυτό ενός κλασικού χάρτινου από κυτταρίνη.

Σχέδια πτυχώσεων φίλτρου και ο εμποτισμός τους

Τα σχέδια των πτυχώσεων του φίλτρου (οι διαδοχικές πάνω-κάτω αυλακώσεις/κυματισμοί που βλέπουμε σε ένα φίλτρο, επίπεδο ή μη) και ανεξαρτήτως του υλικού του φίλτρου είναι ιδιαίτερα σημαντικά για τη λειτουργική απόδοση του φίλτρου. Μόνο εάν η διάταξη των πτυχώσεων παραμένει αμετάβλητη (δηλαδή δεν έχει υποστεί μηχανική καταπόνηση-κοπάνημα το φίλτρο μας), είναι δυνατόν να επιτευχθεί η θεωρητική ικανότητα συγκράτησης σκόνης που μετρήθηκε κάποτε στο εργαστήριο εξέλιξης του φίλτρου για όλη τη διάρκεια ζωής του.

Πολύ σημαντική λοιπόν είναι η σταθερότητα και προστασία από διάφορες περιβαλλοντικές επιρροές. Στην περίπτωση των χάρτινων φίλτρων, αυτή η σταθερότητα επιτυγχάνεται εν μέρει με τον λεγόμενο «προστατευτικό εμποτισμό» με ειδικές ουσίες, ο οποίος βελτιώνει σημαντικά την αντοχή σε κάμψη του χάρτινου μέσου/στρώσεων και προστατεύει τις ίνες από τις περιβαλλοντικές επιδράσεις. Επιπλέον, οι στρώσεις των χάρτινων φίλτρων αέρα είναι ανάγλυφες, με αποτέλεσμα οι πτυχώσεις να υποστηρίζουν η μία την άλλη και έτσι να σταθεροποιούν το φίλτρο συνολικά. Στην περίπτωση εξ’ ολοκλήρου συνθετικών ινών φίλτρων που δεν είναι εμποτισμένες, το ανάγλυφο παίζει ακόμα πιο σημαντικό ρόλο. Για παράδειγμα, τα σχέδια με κυματοειδή-αυλακωτή δομή έχουν αποδειχθεί ιδιαιτέρα επιτυχημένα εδώ.

Προκειμένου να διερευνηθεί πώς η παραμόρφωση των πτυχώσεων επηρεάζεται από το νερό και πώς η επακόλουθη αλλαγή στην πτώση πίεσης (βλ. Part I) επηρεάζει το φίλτρο, πραγματοποιούνται συγκεκριμένα πειράματα κατά την εξέλιξη των φίλτρων όπου εφαρμόζεται ποσότητα νερού να εισέρχεται για την προσομοίωση της βροχής. Σε αυτά τα τεστ μετά γίνεται σύγκριση μεταξύ των προοδευτικών απωλειών πίεσης σε ένα εμποτισμένο χάρτινο φίλτρο αέρα και ένα συνθετικό. Παρόλο που μια υψηλή πτώση πίεσης αναπτύσσεται αμέσως στο χάρτινο φίλτρο, το συνθετικό φίλτρο δείχνει πολύ καλύτερη συμπεριφορά, με πολύ μικρότερη πτώση πίεσης λόγω του νερού. Δεδομένου ότι τα κλασικά χάρτινα φίλτρα φυσικής κυτταρίνης παλαιώνουν ή γίνονται εύθραυστα παρά τον προστατευτικό εμποτισμό που προαναφέραμε, η χρήση τους στην πράξη περιορίζεται σε όχι περισσότερο από πέντε χρόνια (άρα και αντίστοιχη αντικατάστασή τους πριν το ανάλογο ετήσιο σέρβις), ακόμη και σε επιβατικά με σχετικά λίγα χιλιόμετρα ανά έτος, αφού δεν μπορεί να αποκλειστεί ζημιά στις ίνες του λόγω υψηλών θερμικών και μηχανικών καταπονήσεων.

Πώς τεστάρουν οι κατασκευαστές τα φίλτρα αέρα

Η αποτελεσματικότητα των φίλτρων αέρα προσδιορίζεται υπό τυποποιημένες συνθήκες που ορίζονται στο πρότυπο ISO 5011, δηλαδή σε θερμοκρασία 23±5°C και σχετική ατμοσφαιρική υγρασία 55±15%. Η αποτελεσματικότητα του φιλτραρίσματος μπορεί να προσδιοριστεί με δύο συμπληρωματικές μεθόδους.

Πρώτον, ο βαθμός απόδοσης φιλτραρίσματος «η» (βλ. Part I) υπολογίζεται από τη σχέση μεταξύ της αύξησης του βάρους του φίλτρου και του βάρους της σκόνης που κατευθύνεται ελεγχόμενα σε αυτό κατά τη δοκιμή. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί τυποποιημένη σκόνη (PTI χονδροειδής/λεπτή) προκειμένου να ληφθούν αξιόπιστες και συγκρίσιμες πληροφορίες σχετικά με την ικανότητα συγκράτησης των διαφορετικών υπό εξέταση φίλτρων. Λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την απόδοση φιλτραρίσματος των μέσων φίλτρου λαμβάνονται από τη μέτρηση της απόδοσης διήθησης (φιλτραρίσματος) ως συνάρτηση του μεγέθους των σωματιδίων.

Το ποσοστό επιμόλυνσης που σχετίζεται άμεσα με τον κινητήρα (δηλαδή το ποσοστό της σκόνης που περνάει τελικά προς τους κυλίνδρους) μπορεί να συναχθεί από έναν συμπληρωματικό ορισμό του βαθμού απόδοσης φιλτραρίσματος «η», δηλαδή τον «βαθμό διαπερατότητας D». Εάν ληφθούν υπόψη δύο υπό δοκιμή φίλτρα, ένα με βαθμό απόδοσης φιλτραρίσματος 99,5% και ένα με 99,9%, οι προκύπτοντες βαθμοί διαπερατότητας D είναι 0,5% και 0,1% αντίστοιχα (100 – βαθμός απόδοσης δηλαδή). Αυτό το αποτέλεσμα αποκαλύπτει αμέσως ότι ο όγκος των σωματιδίων που επηρεάζουν τον κινητήρα είναι κατά τέσσερα πέμπτα χαμηλότερος στην περίπτωση του δεύτερου φίλτρου. Αν και ο συνολικός βαθμός φιλτραρίσματος «η» είναι μόνο 0,4% υψηλότερος, το δεύτερο φίλτρο είναι πέντε φορές πιο αποτελεσματικό από το πρώτο.

Για τον προσδιορισμό της ικανότητας συγκράτησης σκόνης «G» (βλ. Part I), η σκόνη κατευθύνεται πάνω στο φίλτρο μέχρι να αυξηθεί η αντίστασή του στη διαπερατότητα κατά μια προκαθορισμένη τιμή Δp (π.χ. κατά 20 mbar στα επιβατικά αυτοκίνητα και 40 mbar στα επαγγελματικά οχήματα στους ονομαστικούς ρυθμούς ροής σε κάθε περίπτωση). Αυτό διασφαλίζει ότι το φίλτρο αέρα που βρίσκεται στον αγωγό εισαγωγής δεν επηρεάζει την απόδοση του κινητήρα σε σημαντικό βαθμό.

Η ικανότητα συγκράτησης σκόνης G που μετρήθηκε στο εργαστήριο συσχετίζεται με τα αποτελέσματα δοκιμών στο δρόμο για τον υπολογισμό της επιτρεπόμενης περιόδου χρήσης του φίλτρου στο όχημα. Οι εργαστηριακές έρευνες ενισχύονται από τακτικές πρακτικές δοκιμές που χρησιμοποιούν μεγάλους στόλους οχημάτων και σταθερές εγκαταστάσεις δοκιμών με τυπικό αέρα περιβάλλοντος για τον προσδιορισμό αυτής της σημαντικής πληροφορίας. Αυτές οι δοκιμές δείχνουν τελικά την εξέλιξη της διαφορικής πίεσης με σταθερό ρυθμό ροής αέρα ως συνάρτηση του χρόνου (βλ. και συνοδευτικό σχήμα), βάζοντας τα δύο υπό δοκιμή φίλτρα αντίπαλα στο ίδιο «ρινγκ».

Απαιτήσεις σύγχρονων συστημάτων φίλτρων αέρα

Βου και Α μας κάνει Βα: ένα σύστημα φίλτρου αέρα αποτελείται από έναν αγωγό εισερχόμενου αέρα με εισαγωγή αέρα από την μία του πλευρά και ένα κέλυφος από την άλλη, το λεγόμενο φιλτροκούτι ή παπάς, με το φίλτρο μέσα του. Υπό ορισμένες συνθήκες, αυτά συνοδεύονται από ρευστομηχανικούς αποσβεστήρες (τα λεγόμενα «αντηχεία») για τη μείωση του θορύβου από την εισαγωγή (ου απεταξάμην). Το κομμάτι του συστήματος που μεταφέρει τον καθαρό αέρα μετά το φίλτρο και προς τον κινητήρα περιέχει κατά τα γνωστά διάφορους αισθητήρες (μάζας αέρα, θερμοκρασία, πίεση κτλ.) και καταλήγει στον κινητήρα μέσω της πολλαπλής εισαγωγής του. Το σύστημα επιστροφής καυσαερίων (EGR, επίσης απεταξάμην) και ο σωλήνας εκτόνωσης των αερίων του στροφαλοθαλάμου (PCV, αυτό κι αν είναι απεταξάμην) βρίσκονται μεταξύ αυτών στην όλη διάταξη. Τα επιμέρους εξαρτήματα είναι προσαρμοσμένα σε λειτουργία και σχεδιασμό για να χωρούν στον περιορισμένο χώρο του μηχανοστασίου κάτω από το καπό. Αποτέλεσμα όλου αυτού χωροταξικά είναι οι σύγχρονοι κινητήρες να «επιβάλλουν» όλο και αυστηρότερους περιορισμούς όσον αφορά τον διαθέσιμο χώρο για το φιλτροκούτι και επομένως το μέγεθος του φίλτρου αέρα.

Ακόμα χειρότερη γίνεται η εξίσωση για το φιλτροκούτι αν σε αυτή μπει και το σύστημα κλιματισμού. Αυτό, μαζί με την αντλία υδραυλικού τιμονιού, το intercooler για τα turbo, τον εναλλάκτη-ψύχτρα του EGR και το ίδιο το turbo που πλέον σχεδόν ποτέ δεν λείπει, μειώνουν τον διαθέσιμο χώρο στο μηχανοστάσιο για το φίλτρο αέρος. Αυτό οδήγησε μεταξύ άλλων τα τελευταία χρόνια στην ανάπτυξη νέων φίλτρων που επιτυγχάνουν την ίδια απόδοση με τα παραδοσιακά φίλτρα, αλλά που καταλαμβάνουν έως και 35% λιγότερο χώρο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί ο υψηλός βαθμός πυκνότητας συστήματος που απαιτείται για τα συστήματα φίλτρων αέρα.

Η θέση των εισαγωγών αέρα στη μετόπη πριν το φιλτροκούτι επιλέγεται κατά τον σχεδιασμό του συστήματος από τους κατασκευαστές έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η έκθεση σε σκόνη και νερό. Θα πρέπει κατά προτίμηση να βρίσκονται σε περιοχές του οχήματος που δεν επηρεάζονται από το κύριο εισερχόμενο ρεύμα/ροή αέρα, π.χ. κοντά στους θόλους των τροχών ή σε άλλα ανεπηρέαστα σημεία γύρω από τον χώρο του κινητήρα. Στην περίπτωση των φορτηγών για να πάμε και στα πιο βαρβάτα, η εισαγωγή τοποθετείται συνήθως πάνω από την οροφή της καμπίνας του οδηγού ή στο πλάι της καμπίνας για να ελαχιστοποιηθούν οι όγκοι της επαγόμενης σκόνης και να επιτευχθούν ακόμα μεγαλύτερα διαστήματα σέρβις σε σχέση με τα επιβατικά μας τουτού. Με τα φιλτροκούτια να είναι βελτιστοποιημένα για την εισερχόμενη ροή αέρα, είναι δυνατή η πλήρης αξιοποίηση της δυναμικής των φίλτρων όσον αφορά την ικανότητα συγκράτησης σκόνης και την αποτελεσματικότητα φιλτραρίσματος στο μέγιστο βαθμό. Η ομοιόμορφη ροή αέρα προς το φιλτροκούτι παρέχει σταθερά υψηλό βαθμό φιλτραρίσματος από την αρχή εκκίνησης του κινητήρα, ενώ το φιλτροκούτι αυτό καθαυτό είναι συχνά μεγαλύτερο από αυτό που θα ήταν απαραίτητο μόνο για το φιλτράρισμα εξαιτίας της ανάγκης για βελτίωση των ακουστικών του χαρακτηριστικών που μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά με αυξημένο όγκο φιλτροκουτιού.

Αυτός ο τύπος φιλτροκουτιών (με όγκο μεγαλύτερο από αυτόν που θα απαιτούσε το φίλτρο αέρα δηλαδή) ονομάζεται και φίλτρο-σιλανσιέ (σιγαστήρας), επειδή η ακουστική μόνωση και η διαδικασία φιλτραρίσματος του αέρα συνδυάζονται σε ένα μόνο εξάρτημα. Εναλλακτικά, αντί για τεράστιο φιλτροκούτι μπορεί να έχουμε ξεχωριστούς επιπλέον αγωγούς-αντηχεία για την απομόνωση των θορύβων στην εισαγωγή. Το πλεονέκτημα του διαχωρισμού των δύο λειτουργιών (φιλτράρισμα/μείωση θορύβου) είναι ότι κάθε υποεξάρτημα μπορεί να βελτιστοποιηθεί για τον συγκεκριμένο σκοπό του. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το φιλτροκούτι, το οποίο φυσικά σε κάθε περίπτωση πρέπει να είναι προσβάσιμο άμεσα και εύκολα για τα σέρβις, μπορεί να κατασκευαστεί σε όσο πιο συμπαγή μορφή γίνεται.

Μια άλλη πιο high-tech μέθοδος ηχομόνωσης της εισαγωγής, ενεργή αυτή τη φορά, ονομάζεται στην αυτοκινητοβιομηχανία «Active Noise Control System» και τέτοια συστήματα διαθέτουν κατά βάση οι κορυφαίες σειρές κυριλέ μοντέλων που ζήτημά τους δεν είναι ο μηχανικός ήχος αλλά η σιγή στην καμπίνα (απεταξάμην, απεταξάμην ναι). Αυτό απορροφά τους χαρακτηριστικούς θορύβους εισαγωγής του κινητήρα σε συγκεκριμένο φάσμα συχνοτήτων και τους αναστρέφει ηλεκτρονικά, δηλαδή η γωνία φάσης μετατοπίζεται από το αρχικό σήμα κατά μισό μήκος κύματος. Στις κατάλληλες στροφές κινητήρα, το ανεστραμμένο σήμα εκπέμπεται εκ νέου μέσω ενός μεγάφωνου και ο αρχικός θόρυβος αποσιωπάται ενεργά (noise cancelation). Με αυτά τα συστήματα μπορεί να επιτευχθεί σημαντικά μειωμένη βαβούρα από την εισαγωγή, σε σύγκριση με τα παθητικά συστήματα που προαναφέραμε.

Τα κριτήρια σχεδιασμού για το φίλτρο αέρα

Στο σχεδιασμό των φίλτρων αέρα κινητήρα στην αυτοκινητοβιομηχανία γίνεται πολύ συγκεκριμένη διάκριση όσον αφορά την απόδοση φιλτραρίσματος μεταξύ των φίλτρων για αυτοκίνητα με βενζινοκινητήρες ή πετρελαιοκινητήρες και των φίλτρων για επαγγελματικά οχήματα. Το συνολικό απαιτούμενο εμβαδό του φίλτρου αέρα υπολογίζεται από τον όγκο του αέρα που απαιτείται από τον κινητήρα. Η μέση ογκομετρική παροχή για έναν τετράχρονο βενζινοκινητήρα είναι 0,07 κυβικά μέτρα ανά λεπτό ανά kW ισχύος (=1,36 αλόγατα) και για έναν τετράχρονο κινητήρα ντίζελ 0,08 κυβικά μέτρα ανά λεπτό ανά kW. O ρυθμός ροής αέρα είναι φυσικά αντίστοιχα υψηλότερος (βάσει απόλυτης πίεσης εισαγωγής) στην περίπτωση των υπερτροφοδοτούμενων κινητήρων.

Για την απομάκρυνση σωματιδίων από τον εισερχόμενο αέρα, το φίλτρο αέρα πρέπει να έχει επαρκή επιφάνεια ώστε η ταχύτητα ροής αέρα να μην υπερβαίνει μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, την «Vcrit» (όσο η επιφάνεια διατομής του φίλτρου μειώνεται, αυξάνεται – κατά Venturi - η ταχύτητα). Η απόδοση φιλτραρίσματος του φίλτρου εξαρτάται από την ταχύτητα ροής αέρα: οι υπερβολικές ταχύτητες μειώνουν δραματικά την απόδοση φιλτραρίσματος και, με τη σειρά τους, την αποτελεσματικότητα φιλτραρίσματος. Εάν η ταχύτητα ροής αέρα είναι πολύ υψηλή, τα σωματίδια δεν προσκολλώνται πλέον στις ίνες του φίλτρου αλλά αναπηδούν. Επιπλέον, τα παγιδευμένα σωματίδια απελευθερώνονται εκ νέου από το φίλτρο αντί να μείνουν μέσα του (φαινόμενο επανεγκλωβισμού). Η απόδοση φιλτραρίσματος μειώνεται ανάλογα και ο κινητήρας υπόκειται σε μεγαλύτερη φθορά και καταπόνηση. Αυτά όλα μπορούν να αποφευχθούν εάν επιλεγεί η σωστή ταχύτητα φιλτραρίσματος, επειδή τα σωματίδια μπορούν στη συνέχεια να σχηματίσουν εναποθέσεις στις ίνες. Κάθε φίλτρο έχει διαφορετική χαρακτηριστική ταχύτητα ροής αέρα Vcrit, με ειδικούς πίνακες να δείχνουν τις κρίσιμες ταχύτητες για διαφορετικά φίλτρα με ειδική πρόβλεψη για τις αποδόσεις φιλτραρίσματος που απαιτούνται από τους κινητήρες βενζίνης και ντίζελ.

Για να δώσουμε ένα παράδειγμα σχεδίασης φίλτρου: δεδομένης μιας συγκεκριμένης ογκομετρικής ροής αέρα (V = 5 κυβικά μέτρα ανά λεπτό) και του τύπου οχήματος (αυτοκίνητο με κινητήρα ντίζελ), υπολογίζεται το εμβαδόν του φίλτρου που απαιτείται για τη διατήρηση του βαθμού απόδοσης φιλτραρίσματος «η». Σε αυτό το παράδειγμα, το «η» ισούται με 99,8%, με αποτέλεσμα να απαιτείται επιφάνεια φίλτρου A = 1,25 τετραγωνικά μέτρα. Η επιλογή του φίλτρου καθορίζεται από την απαιτούμενη χωρητικότητα συγκράτησης σκόνης (π.χ. 200g) ή το στοχευόμενο διάστημα σέρβις (50.000 km). Από σχετικούς πίνακες, οι καθορισμένες απαιτήσεις πληρούνται από χάρτινο φίλτρο με εμβαδόν ένα τετραγωνικό μέτρο τυπικού διηθητικού χαρτιού. Η χρήση ενός χάρτινου φίλτρου αυτού του μεγέθους, ωστόσο, θα υπερέβαινε τον κρίσιμο ρυθμό φιλτραρίσματος του Vcrit = 10 cm ανά δευτερόλεπτο. Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη απόδοση φιλτραρίσματος, θα χρειαζόταν η μεγαλύτερη επιφάνεια 1,25 τετραγωνικών μέτρων: σας ακούγεται τεράστιο νούμερο..; Μην ξεχνάτε τις πτυχώσεις: μιλάμε για συνολικό εμβαδόν, δηλαδή αφού ένας γίγαντας πιάσει το φίλτρο και το ανοίξει σαν ακορντεόν μέχρι να τεντώσει όσο δεν πάει άλλο…

Σε επαγγελματικά οχήματα τοποθετούνται φίλτρα αέρα μονού και δύο σταδίων. Η επιλογή του συστήματος εξαρτάται από το εάν τα οχήματα χρησιμοποιούνται σε αυτοκινητόδρομους μεγάλων αποστάσεων ή σε έδαφος γεμάτο σκόνη (π.χ. εργοτάξια, γεωργικές εκτάσεις). Τα φίλτρα αέρα ενός σταδίου συνήθως περιέχουν στρογγυλά αστεροειδή φίλτρα, ενώ σε εξαιρετικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται και τετράγωνα φίλτρα. Η απόδοση φιλτραρίσματος 99,9% που ορίζεται στις προδιαγραφές για τα φίλτρα των φορτηγών είναι υψηλότερη από αυτή των αυτοκινήτων, μειώνοντας τη διαπερατότητα σκόνης κατά 50% (από 0,2 σε 0,1%). Ο βαθύτερος λόγος γι’ αυτό είναι οι ουσιαστικά μεγαλύτερες ώρες λειτουργίας των κινητήρων φορτηγών, που ισοδυναμούν με περισσότερα από 100.000 χλμ. το χρόνο.

Τα ασφαλιστικά/οι ασφαλιστικές διατάξεις των φίλτρων αέρα συχνά ενσωματώνονται στα φίλτρα αέρα των επαγγελματικών οχημάτων. Όταν αλλάζει το κυρίως φίλτρο, αυτά αποτρέπουν τη μόλυνση της πλευράς καθαρού αέρα. Αποτελούνται συνήθως από κυλινδρικά μη υφασμένα φίλτρα και αντικαθίστανται μόνο μετά από περίπου τρεις αντικαταστάσεις κύριων φίλτρων, ανάλογα με τα επίπεδα σκόνης.

Στην περίπτωση φίλτρων αέρα δύο σταδίων στα επαγγελματικά, ο αέρας προ-φιλτράρεται από την είσοδο εφαπτομενικά πριν φτάσει στο φίλτρο. Τα χονδροειδή σωματίδια, ειδικότερα, διαχωρίζονται μέσω φυγοκεντρισμού.

Καλό καλοκαίρι από Μάιο φέτος, τα καλά του νέου μας κλίματος!