Устройство, виды и назначение топливных фильтров

Несмотря на постоянное повышение стандартов качества, в дизельном топливе или бензине практически всегда присутствуют механические примеси и загрязнения (частицы коррозийных образований, грязь), наличие которых негативно отражается на работе двигателя автомобиля. Для их устранения, а также для защиты системы от попадания воды (конденсата) в камеру сгорания используются топливные фильтры. Отсутствие последних провоцирует преждевременный износ топливного насоса, а также форсунок системы впрыска.

Конструкция и виды

В общей конструкции автомобиля топливный фильтр может располагаться:

• в топливном баке;
• под днищем автомобиля;
• в подкапотном пространстве.

Конструкция топливных фильтров грубой и тонкой очистки

Современные системы очистки топлива имеют от 2 до 4 ступеней. Сначала топливо проходит фильтр грубой очистки топлива, который удаляет крупные фракции, видимые невооруженным глазом. Далее оно попадает в фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются микрочастицы, представляющие наибольшую опасность из-за своих абразивных свойств.

Конструкция топливных фильтров следующая:

• Сетчатые элементы.
• Герметичный и термостойкий корпус. Он может быть прозрачным, что позволяет понять, когда менять топливный фильтр. Корпус может изготавливаться из стали или полимеров, что определяется уровнем давления в системе.
• Входной и выходной штуцеры. В некоторых конструкциях может быть предусмотрен дополнительный штуцер (редукционный клапан) для сброса топлива в случае повышенного давления в системе.

По количеству раз использования топливные фильтры делятся на следующие типы:

• Разборные (многоразовые) – фильтрующие элементы изготавливаются из латуни или керамики. Такие конструкции при загрязнении просто промываются.
• Неразборные (одноразовые) – фильтрующие элементы изготавливаются из ткани или крепированной бумаги. Этот тип применяется для тонкой очистки.

Особенности системы фильтрации для различных видов двигателей

Фильтры могут иметь целый ряд отличий в зависимости от используемого топлива. Так для бензиновых двигателей требуется отфильтровывать частицы размером не более 10-15 мкм. Для очистки дизельного топлива важно не только улавливание мелких частиц, но и защита от попадания воды.

Системы очистки для бензиновых двигателей

Фильтры грубой очистки бензиновых двигателей как правило разборные и представляют собой корпус с сеткой внутри, которая может иметь ячейки различного диаметра. Они устанавливаются в следующих местах:

• на горловине – самые крупные ячейки;
• в корпусе погружного топливного насоса (топливозаборника) – ячейки среднего размера.

Принцип работы топливного фильтра грубой очистки состоит в следующем:

1. Топливо из бака проходит через сетку.
2. Сетка улавливает крупные частицы, пропуская на выход только очищенный бензин.

Фильтры тонкой очистки в инжекторной системе устанавливаются в топливном баке или рядом с ним. Фильтрующий элемент располагается в корпусе и может быть уложен «звездой» или «спиралью». Спиральная укладка позволяет увеличить срок эксплуатации и обеспечивает более высокую степень очистки. Отличие от работы системы грубой очистки заключается в том, что используемые шторки удерживают более мелкие частицы.

Системы очистки для дизельных двигателей

Система фильтрации дизельного топлива, как правило, состоит из нескольких этапов:

1. Начальная очистка непосредственно в баке. Выполняется установкой сетки на выходе.
2. Отстойник (сепаратор).
3. Фильтры грубой очистки дизельного топлива.
4. Тонкая очистка.

Фильтр-отстойник

Топливный фильтр-отстойник позволяет отделить воду. Конструктивно такие системы имеют специальный клапан в нижней части корпуса, предназначенный для сброса воды. Они работают по следующему принципу:

1. Топливо подается в корпус через распределитель.
2. Дизтопливо стекает вниз в успокоитель для осаживания воды (она тяжелее) в топливном фильтре и крупных фракции примесей.
3. Топливо подается вверх, проходя через сетку, в которой также происходит очистка.
4. Топливо отводится и подается дальше в систему.

Для улучшения работы в устройство топливного фильтра дизельного двигателя может быть установлен специальный датчик воды.

Особенностью дизтоплива также является чувствительность к температурным перепадам. При пониженной температуре происходит кристаллизация парафина, который забивает всю систему. Для устранения этого явления топливный фильтр для дизельного двигателя может иметь в своей конструкции подогреватель. Он может быть установлен на топливной системе. Помимо этого подогреватель может быть заменен использованием в качестве фильтрующего элемента токопроводящей бумаги.

Чтобы определить, где находится фильтр тонкой очистки в дизельной системе, необходимо найти топливный насос и установить местоположение по выходящему от него трубопроводу. Конструктивно он не отличается от бензиновых фильтров тонкой очистки.

Когда поменять и как установить

Периодичность замены топливного фильтра указана в инструкции производителя. Этот параметр может колебаться от 10 000 км до 70 000 км пробега. Если использована укладка «звездой», фильтр заменяют не реже, чем каждые 24 000 км пробега. При «спиральной» укладке – от 40 000 км.

Установка топливного фильтра по стрелке

Существует также несколько признаков того, что фильтр забился:

• затрудняется подъем на возвышенность;
• наблюдаются спады мощности двигателя;
• увеличивается расход топлива;
• работа мотора становится неровной;
• двигатель глохнет.

Если топливный фильтр предполагает многоразовое использование, его разбирают и промывают керосином или средством для чистки заслонок карбюраторов. Предварительно его можно также продуть сжатым воздухом. Одноразовые же модели просто меняют на новые. Устанавливается фильтр по стрелке на корпусе, которая показывает направление движения топлива в системе. Оно должно идти от топливного насоса к моторному отсеку (двигателю). Если стрелка отсутствует, выход можно определить по завальцовке.

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