Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LVIII, NR 2, 2009 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych TADEUSZ DZIUBAK Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. Przedstawiono analizę konstrukcji filtrów powietrza samochodów sportowych. Wykazano, że ich podstawową właściwością jest znacznie mniejszy niż tradycyjnych filtrów powietrza opór przepływu. Przeanalizowano skutki zastąpienia fabrycznego filtru powietrza silnika samochodu osobowego filtrem powietrza samochodu sportowego. Pokazano wpływ tej zamiany na moc i moment obrotowy silnika. Wykazano konieczność przeprowadzenia badań właściwości filtracyjnych filtrów powietrza samochodów sportowych. Opracowano metodykę badań laboratoryjnych filtru powietrza samochodu sportowego. Przedstawiono wyniki badań charakterystyk skuteczności i dokładności filtracji oraz oporów przepływu filtru sportowego w zależności od współczynnika chłonności pyłu k m. Oceniono dokładność filtracji powietrza za pomocą licznika cząstek firmy Pamas. Słowa kluczowe: pojazd mechaniczny, silnik spalinowy, filtr powietrza, skuteczność filtracji, dokładność filtracji, opór przepływu filtru, rozmiar ziaren pyłu Symbole UKD: 621, ,5 1. Wstęp Jednym z czynników mających wpływ na długość przebiegów międzynaprawczych współczesnych silników spalinowych pojazdów mechanicznych jest czystość powietrza zasysanego do cylindrów silnika. Decyduje o tym konstrukcja filtru, skład chemiczny i granulometryczny pyłu oraz jego stężenie w zasysanym powietrzu. Przedostające się wraz z powietrzem do silników tłokowych ziarna pyłu, wnikają w skojarzenia tribologiczne silnika niszcząc strukturę współpracujących tarciowo powierzchni. Na destrukcyjne działanie ziaren pyłu narażone jest głównie skojarzenie tłok-pierścienie tłokowe-cylinder (T-P-C). Efektem jego przyśpieszonego

2 38 T. Dziubak zużycia jest spadek szczelności komory spalania, a w konsekwencji znaczne obniżenie mocy silnika. Największe zużycie elementów silnika powodują ziarna pyłu o rozmiarach 5 35 μm [1-4, 11]. Dlatego też ziarna pyłu o rozmiarach powyżej 5 μm filtry powietrza powinny zatrzymywać z maksymalnie dużą (ponad 99,9%) skutecznością [1, 3, 5]. Zadanie to spełniają filtry z papierową przegrodą filtracyjną, która cechuje się dużą gęstością upakowania oraz ograniczoną chłonnością pyłową i wynikająca stąd wartością oporu dopuszczalnego Δp fdop. W czasie eksploatacji silnika, wskutek obładowania wkładu filtracyjnego pyłem następuje przyrost oporu przepływu filtru powietrza Δp f. Z chwilą osiągnięcia przez filtr powietrza wartości Δp fdop należy wykonać wymianę wkładu filtracyjnego, w przeciwnym wypadku następuje gwałtowny wzrost jego oporów przepływu Δp f, który zmniejsza masowe natężenie przepływu powietrza doprowadzonego do wnętrza cylindrów silnika i powoduje spadek mocy i dynamiki pojazdu. Przy ustalonej wartości oporu dopuszczalnego Δp fdop wydłużenie przebiegu pojazdu można uzyskać poprzez stosowanie: wkładów filtracyjnych o większej powierzchni; materiałów o większych chłonnościach pyłu lub o mniejszych początkowych oporach przepływu. W ostatnich latach bardzo popularne stało się montowanie w samochodach osobowych filtrów powietrza stosowanych w pojazdach wyczynowych, zwanych filtrami sportowymi [6, 7]. Filtry te charakteryzują się przede wszystkim małymi oporami przepływu i długim (~ km) okresem użytkowania ze względu na możliwość kilkakrotnej regeneracji [13, 14]. Z dostępnych danych wynika, że filtry sportowe zamontowane w miejsce filtru fabrycznego powodują z reguły wzrost moment i mocy silnika oraz przyspieszenie pojazdu. Skuteczność filtracji filtrów sportowych osiąga wartość 99,5%, a więc nieznacznie mniejszą niż filtry z tradycyjną przegrodą papierową. Brakuje jednak danych o dokładności filtracji filtrów sportowych, a więc o parametrze, który obok skuteczności decyduje o zużyciu i trwałości silnika. W opracowaniu przedstawiono metodykę oraz wyniki badań rozpoznawczych filtru sportowego w zakresie skuteczności i dokładności filtracji oraz oporów przepływu. 2. Konstrukcja sportowych filtrów powietrza Filtr sportowy jest potocznym określeniem na niestandardowy filtr powietrza, wykonany w innej technologii niż klasyczne filtry papierowe. Materiałem filtracyjnym jest wielowarstwowa włóknina bawełniana lub bawełniano-syntetyczna nasączona specjalnym preparatem o konsystencji oleju silnikowego, co zwiększa skuteczność filtrowanego powietrza. Ułożona warstwowo włóknina jest zbrojona

3 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych 39 siatką metalową z obu stron, celem wzmocnienia konstrukcji (rys. 1). Tak wykonane złoże filtracyjne jest plisowane, podobnie jak papier filtracyjny, z którego następnie formowane są elementy filtracyjne filtry (rys. 2). Rys. 1. Złoże filtracyjne filtru sportowego po plisowaniu: 1 włóknina; 2 siatka ochronna a) b) c) d) Rys. 2. Filtry sportowe: a) wkład filtracyjny; b) element filtracyjny w kształcie stożka; c) element filtracyjny w kształcie cylindra z kontrstożkiem; d) panel Filtry sportowe są kształtowane głównie w stożki ścięte lub walce (rys. 2), często ze stożkiem wewnętrznym kontrstożkiem, czyli konfuzorem (rys. 2c), co zwiększa powierzchnię filtracyjną. Konstrukcja warstwy filtracyjnej pozwala na jej okresową regenerację polegającą na myciu i nasączanie jej specjalnym olejem. Filtry sportowe wykonuje się w dwóch wersjach: jako wkład pierścieniowy (rys. 2a) lub wkład panelowy (rys. 2d), pozwalający na zamontowanie go do obudowy oryginalnego filtra powietrza w miejsce fabrycznego wkładu filtracyjnego, jako elementy filtracyjne w kształcie stożka lub cylindra (rys. 2b, 2c), montowane na przedłużonym przewodzie elastycznym do układu dolotowego silnika, po uprzednim wymontowaniu oryginalnego filtra powietrza. Zamocowanie w samochodzie filtru sportowego wymaga odizolowania go od silnika specjalną osłoną celem zabezpieczenia przed zasysaniem gorącego powietrza (rys. 3). Podstawową funkcją filtrów sportowych jest zmniejszenie oporów przepływu w układzie dolotowym silnika. Znaczne obniżenie oporów przepływu uzyskuje się po zamontowaniu elementów filtracyjnych w kształcie stożka lub cylindra w miejsce oryginalnego filtra powietrza. Wyeliminowanie obudowy filtru powoduje, że napływ powietrza do elementu filtracyjnego jest wtedy bezpośrednio z otoczenia

4 40 T. Dziubak całą powierzchnią przegrody filtracyjnej, a nie wąskim króćcem jak w przypadku oryginalnych filtrów. Element filtracyjny w kształcie stożka pozwala wyeliminować zawirowania wewnątrz filtru i ukierunkować przepływ strumienia powietrza (rys. 4). Rys. 3. Montaż filtru sportowego w samochodzie Rys. 4. Schemat przepływu powietrza przez filtr sportowy : a) stożkowy; b) stożkowy z kontrstożkiem Na rysunku 5 przedstawiono wyniki pomiarów charakterystyk Δp f = f(q) filtru powietrza samochodu osobowego: z wkładem filtracyjnym fabrycznym, z wkładem filtracyjnym sportowym zamontowanym do obudowy filtru fabrycznego, filtru sportowego stożkowego zamontowanego w miejsce filtru fabrycznego. Wraz ze wzrostem strumienia powietrza Q następuje wzrost oporów przepływu Δp f badanych wariantów układów zasilania powietrzem silnika, co jest zgodne z informacjami podawanymi w literaturze. Filtr powietrza z wkładem filtracyjnym fabrycznym osiąga najwyższe opory przepływu. Dla Q max = 200 m3/h opór tego filtru ma wartość Δp f = 1,952 kpa. Ten sam filtr powietrza, lecz z wkładem sportowym dla tych samych warunków przepływu osiąga opory przepływu tylko 5% mniejsze.

5 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych 41 Natomiast filtr sportowy stożkowy ma w całym zakresie badawczego strumienia Q, opory przepływu czterokrotnie niższe niż kompletny filtr z wkładem fabrycznym. 2,5 Opór przep³ywu p f [kpa] 2 1,5 1 0,5 Filtr oryginalny Filtr z wk³adem sportowym Filtr sportowy Strumieñ powietrza Q [m 3 /h] Rys. 5. Charakterystyki Δp f = f(q) różnych filtrów powietrza wlotowego silnika samochodu osobowego 3. Analiza wpływu zastosowania w samochodzie osobowym filtru powietrza samochodu sportowego Zamontowanie filtru sportowego w miejsce filtru fabrycznego zwykle przynosi zauważalne efekty w postaci wzrostu mocy i przyspieszenia pojazdu. Potwierdzają to nieliczne badania eksperymentalne silników pojazdów osobowych. Przedstawione w tabeli 1 wyniki badań silników samochodów osobowych wskazują, że w układach zasilania, których oryginalny filtr zastąpiono filtrem sportowym BMC, przyrost procentowy mocy maksymalnej N emax oraz maksymalnego momentu obrotowego M omax jest inny w każdym z badanych pojazdów i zawiera się odpowiednio w zakresach 3,6 6,5% i 2,2 8,4% [13]. Ponadto przyrost momentu nie jest proporcjonalny do przyrostu mocy (rys. 6). Efekty zastosowania wkładu filtru sportowego JR do filtracji powietrza wlotowego silników samochodów osobowych przedstawiono w tabeli 2 [7]. Wkład filtru sportowego dopasowany kształtem do fabrycznej obudowy filtra montowano w dwóch samochodach osobowych: Skoda Octavia RS z silnikiem 1.8 T o ZI oraz Seat Leon z silnikiem 1.9 TDI o ZS. Po zamontowaniu filtru sportowego JR uzyskano w obydwu pojazdach nieznaczny (0,9 1) przyrost mocy maksymalnej N emax. Jednocześnie wartość maksymalnego momentu obrotowego M omax obniżyła się o około 1% dla silnika 1.8 T i o 2% dla silnika 1.9 TDI.

6 42 T. Dziubak Tabela 1 Procentowe przyrosty mocy i momentu obrotowego silnika przy zastosowaniu wkładu sportowego BMC [13] Lp. Marka pojazdu Przyrost mocy maksymalnej silnika ΔN emax [%] Prędkość obrotowa silnika n N [obr./min] Przyrost maksymalnego momentu obrotowego silnika ΔM omax [%] Prędkość obrotowa silnika n M [obr./min] 1 Seat Ibiza v 6, , Renault Clio v 5, , Volkswagen Polo 1.6 GTI 4, , Fiat Punto v 3, Honda Civic type R 3, , Przyrost mocy N emax [%] Przyrost momentu M omax [%] Seat Ibiza v Renault Clio v Volkswagen Polo 1.6 GTI Fiat Punto v N emax M omax Honda Civic type R Rys. 6. Procentowe przyrosty mocy maksymalnej N emax silnika i maksymalnego M omax momentu obrotowego silnika po zastąpieniu filtru fabrycznego filtrem sportowym W tabeli 3 przedstawiono wyniki badań dwóch egzemplarzy pojazdu Alfa Romeo 156 (każdy z innym silnikiem: 1.9 JTD o ZS Sportwagon oraz 2.0 TS o ZI Sportwagon), w czasie, których wkład fabryczny (oryginalny) filtru powietrza zastąpiono najpierw wkładem sportowym, a później filtr powietrza silnika 2.0 TS (o ZI) zastąpiono stożkowym filtrem sportowym BMC. Zarejestrowany wzrost mocy badanych silników 1.9 JTD (o ZS) i 2.0 TS (o ZI) jest znaczny i wynosi odpowiednio 5,1% i 1,3% mocy maksymalnej N emax tabela 3 [6].

7 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych 43 Tabela 2 Zmiany mocy N emax i momentu M omax silnika 1.8T samochodu Skoda Octavia RS oraz silnika 1.9TDI samochodu Seat Leon [7] Parametr Moc N emax [kw] Przy n = n N [obr./min] Przyrost mocy silnika ΔN emax [%] Moment obrotowy M omax [Nm] przy n = n M [obr./min] Przyrost momentu obrotowego ΔM omax [%] Seat Leon 1.9 TDI (ZS) Skoda Octavia 1.8T (ZI) filtr fabryczny filtr JR filtr fabryczny filtr JR 113,9/ / ,6/ ,8/5600 1,0 0,9 350,7/ ,5/ ,1/ ,2/3500 2,0 1,1 Tabela 3 Zmiany mocy N emax i momentu M omax silnika 1.9 JTD samochodu Alfa Romeo 156 oraz silnika 2.0 TS samochodu Sportwagon [6] Parametr Alfa Romeo JTD filtr fabryczny wkład BMC filtr fabryczny Alfa Romeo TS wkład BMC stożek BMC Moc N emax [kw] przy n = n N [obr./min] Przyrost mocy silnika ΔN emax [%] Moment M omax [Nm] przy n = n M [obr./min] Przyrost momentu silnika ΔM omax [%] 100,1/ ,2/ ,7/ / ,4/6400 5,1 1,3 3,6 364,5/ / ,8/ ,9/ ,9/3300 8,5 1,6 1,7 W obydwu silnikach po zamontowaniu wkładu BMC obniżyła się wartość momentu obrotowego. W przypadku silnika Alfa Romeo JTD aż o 8,5% momentu maksymalnego. Natomiast po zamontowaniu bezpośrednio na kolektor dolotowy silnika 2.0 TS filtra sportowego stożkowego BMC nastąpił przyrost momentu obrotowego o 1,7%. Czas osiągania określonej prędkości jazdy uległ skróceniu odpowiednio: dla silnika 1.9 JTD z wkładem BMC o 4% oraz dla silnika 2.0 TS z wkładem BMC o 2% i z filtrem stożkowym BMC o 5%.

8 44 T. Dziubak Z powyższej analizy wynika, że zastosowanie filtru powietrza o mniejszym oporze przepływu, a tym samym o większej przepustowości powoduje, że do cylindrów silnika wpływa dodatkowa masa powietrza. Zwiększenie masy powietrza doprowadzonego do cylindra silnika pociąga za sobą zwiększenie masy dostarczanego paliwa, celem utrzymania składu stechiometrycznego mieszanki. W efekcie wzrasta moc silnika. Jak wynika z przeprowadzonej analizy nie dla każdego silnika. Układ dolotowy współcześnie produkowanych silników jest skonstruowany tak, aby zapewnić osiąganie maksymalnej mocy. Średnice i długości przewodów dolotowych oraz wylotowych, a także filtr powietrza silnika, są tak dobierane, aby przy wykorzystaniu zjawisk falowych uzyskać doładowanie dynamiczne silnika. Polega ono na wywołaniu rezonansu pomiędzy wymuszającymi wahaniami ciśnienia, a częstością drgań własnych słupa gazów zawartych w przewodach. Charakterystyczną cechą tego sposobu doładowania jest to, że zjawisko rezonansu zachodzi w wąskim zakresie prędkości obrotowej, najczęściej w zakresie prędkości odpowiadającej maksymalnemu momentowi obrotowemu n M [8, 12]. Ingerencja w tak precyzyjnie dobrany układ dolotowy poprzez zmianę jego parametrów, polegająca na zmianie filtru powietrza, długości przewodu dolotowego w przypadku montowania filtru sportowego, może doprowadzić do zaniku efektu doładowania rezonansowego, a w konsekwencji do przesunięcia maksymalnego momentu obrotowego silnika w zakres innych prędkości obrotowych. W rezultacie zastąpienie filtru powietrza z fabrycznego filtrem sportowym oprócz nieznacznego wzrostu mocy silnika i momentu obrotowego nie przynosi spodziewanych korzyści w postaci wyczuwalnego przez kierowcę wzrostu przyspieszenia pojazdu. Silniki samochodów sportowych konstruowane są w taki sposób, aby maksymalną moc osiągały przy wysokich prędkościach obrotowych n N, dochodzących do obr./min [7]. Dlatego celowym jest stosowanie w układach zasilania tych silników filtrów, które charakteryzują się niskimi oporami przepływu w zakresie dużych wartości strumienia powietrza. Z kolei silniki samochodów osobowych przystosowane są do pracy przy niższych prędkościach obrotowych n N, nie przekraczających 6000 obr./min [12]. Z powyższych danych nie wynika jak zmienia się zużycie paliwa, po zmianie filtru fabrycznego na sportowy. Zwiększenie masy paliwa dostarczanego do zwiększonej masy powietrza celem utrzymania składu stechiometrycznego mieszanki w silniku powoduje wzrost godzinowego zużycia paliwa, o czym firmy produkujące filtry sportowe celowo nie wspominają ze względów marketingowych. Dostępne dane nie zawierają też wartości dokładności filtracji materiału, z którego wykonuje się filtry sportowe. Dlatego też nie można ocenić, czy zmiana filtru fabrycznego na sportowy wpłynie na zmianę trwałości silnika. Nie podaje się też wartości oporu przepływu filtru powietrza fabrycznego ani sportowego, co nie pozwala przeprowadzić pełnej analizy wpływu zastosowania filtru powietrza samochodu sportowego w samochodzie osobowym.

9 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych 45 Koniecznym jest, więc przeprowadzenie badań eksperymentalnych sportowych filtrów powietrza, w zakresie skuteczności i dokładności filtracji oraz oporów przepływu, które pozwolą ocenić czy słuszne jest ich stosowanie jako zamienników filtrów powietrza samochodów osobowych. 4. Cel i zakres badań Celem badań było rozpoznanie właściwości filtracyjnych filtru sportowego w zakresie skuteczności, dokładności i oporów przepływu poprzez wykonanie jego podstawowych charakterystyk: skuteczności filtracji φ f = f(k m ) i oporu przepływu Δp f = f(k m ) w funkcji współczynnika chłonności k m materiału filtracyjnego filtru sportowego, składu granulometrycznego ziaren pyłu w powietrzu za filtrem, dokładności filtracji d zmax = f(k m ) rozmiar maksymalnych ziaren pyłu w powietrzu za filtrem w funkcji współczynnika chłonności pyłu k m. Przedmiotem badań był filtr sportowy firmy K&N (numer serii F021D4) o kształcie ściętego stożka (rys. 7). Rys. 7. Badany filtr powietrza firmy K&N samochodu sportowego Materiałem filtracyjnym filtru jest włóknina naturalno-syntetyczna, ułożona warstwowo i wzmocniona siatką metalową od strony napływu i wypływu powietrza. Tak wykonany materiał filtracyjny jest ułożony w 34 plisy o wysokości h = 15 mm, co zapewnia pole powierzchni czynnej materiału filtracyjnego A cz = 0,0518 m 2. Górną podstawę filtru stanowi chromowana pokrywa o średnicy zewnętrznej 51 mm. W dolnej podstawie filtru o średnicy zewnętrznej równej 92 mm znajduje się króciec wylotowy oczyszczonego powietrza o średnicy wewnętrznej równej 54 mm, który służy jednocześnie do montażu filtru na przewodzie kolektora dolotowego silnika.

10 46 T. Dziubak Badany filtr powietrza stosowany jest do filtracji powietrza w silniku o pojemności skokowej V ss = 0,9 dm 3 samochodu Seicento Citymatic. Strumień powietrza przepływający przez filtr, a wynikający z zapotrzebowania powietrza przez silnik (określony według zasad i zależności podanych w [10]) przy prędkości obrotowej n min = 1000 obr./min i n max = 5700 obr./min przyjmuje odpowiednio wartości: Q min = 30 m 3 /h i Q max = 140 m 3 /h. Prędkość filtracji υ F dla badanego filtru sportowego o powierzchni materiału filtracyjnego A cz = 0,0518 m2 obliczona z poniższej zależności przyjmuje wartości w zakresie υ F = 0,16 0,75 m/s. Qmin,(max) υ F = 3600 A cz [m/s]. (1) 5. Metodyka i warunki badań Badania przeprowadzono na typowym stanowisku przepływowym (rys. 8), które umożliwia wykonywanie podstawowych charakterystyk: skuteczności i dokładności filtracji oraz oporu przepływu wkładów filtracyjnych w zakresie strumienia powietrza m 3 /h oraz dla stężenia zapylenia do 1 g/m 3. Stanowisko wyposażone jest w licznik cząstek stałych Pamas-2132 z sensorem HCB-LD-2A rejestrujący w strumieniu przepływającego powietrza Q (za filtrem) liczbę i rozmiar ziaren pyłu z zakresu 0,7 100 μm w i = 32 przedziałach pomiarowych, będących zakresami ograniczonymi średnicami (d zi min d zi max ). Pył testowy dozowany jest do komory pyłowej, gdzie następuje jego zmieszanie z powietrzem wlotowym, które zasysane jest przez znajdujący się tam badany filtr. W odpowiedniej odległości za badanym filtrem umieszczona jest centralnie w osi przewodu końcówka sondy pomiarowej, którą następuje zasysanie powietrza do sensora licznika cząstek Pamas Przewód pomiarowy zakończony jest specjalnym filtrem, który zabezpiecza przed przedostawaniem się pyłu do rotametru, a jednocześnie jest filtrem mierniczym służącym do wyznaczenia masy pyłu m ZA przepuszczonego przez filtr, a w konsekwencji do określenia skuteczności filtracji filtru φ f. Z chwilą włączenia pompy próżniowej, końcówką sondy pomiarowej następuje zasysanie aerozolu w postaci strumienia badawczego o stałej wartości Q B = 170 dm 3 /h. Na wejściu do sensora strumień Q B łączy się ze strumieniem ekranującym Q E będącym strumieniem czystego powietrza o stałej wartości 1000 dm 3 /h. W sensorze następuje analiza przepływającego strumienia przy wykorzystaniu zjawiska rozpraszania wiązki promieniowania laserowego o długości fali 680 nm. Podczas badań stosowano cykl badawczy, w którym zaprogramowano pięć zliczeń ziaren pyłu z zakresu 0,7 39,9 μm, który podzielono na 28 jednakowych przedziałów pomiarowych ograniczonych średnicami (d zi min d zi max ) ze skokiem,

11 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych V 4 m p m ZF Q B strumieñ badawczy Q E strumieñ ekranuj¹cy d e f Q E c b t H p H w H Strumieñ powietrza zanieczyszczonego py³em oczyszczonego sprê onego strumieñ py³u 6 Q B 7 m pf 8 9 ZA a Rys. 8. Schemat funkcjonalny stanowiska do badań filtrów powietrza: 1 filtr; 2 komora pyłowa; 3 stożek ochronny; 4 rotametr; 5 dozownik pyłu; 6 przewód pomiarowy; 7 manometr typu U rurka; 8 sonda pomiarowa; 9 filtr absolutny; 10 kryza pomiarowa; 11 wentylator ssawny; 12 mikromanometr; 13 licznik cząstek Pamas (a sensor, b mikroprocesor, c filtr strumienia badawczego, d pompa próżniowa, e blok kontroli przepływu, f panel odczytowy); 14 zestaw do pomiaru ciśnienia, wilgotności i temperatury powietrza otoczenia co Δd zi = 0,8 μm (0,7 1,1 μm; 1,1 1,5 μm; 1,5 1,9 μm; ; 11,1 11,5 μm), 3 jednakowe przedziały pomiaru średnic (d zi min d zi max ) ze skokiem, co Δd zi = 6 μm i jeden przedział Δd zi = 10 μm. Badania prowadzono w cyklach badawczych wynikających z czasu t pom równomiernego dozowania pyłu do filtru. W trakcie trwania cyklu badawczego, w chwili t cz = ½ t pom, uruchamiano w liczniku cząstek procedurę pomiaru liczby i rozmiarów ziaren pyłu w powietrzu za filtrem. Po każdym cyklu badawczym j określano: 1. Opór przepływu Δp f filtru jako spadek ciśnienia statycznego przed i za filtrem na podstawie zmierzonej (po zakończeniu dozowania pyłu) wysokości Δh m na manometrze wodnym typu U-rurka wykorzystując zależność: Δhm Δ pf = ( ρm ρh) g [Pa], (2) 1000 gdzie: ρ m gęstość cieczy manometrycznej (H 2 O) w temperaturze pomiaru t H ; ρ H gęstość powietrza atmosferycznego; g lokalne przyspieszenie ziemskie.

12 48 T. Dziubak 2. Skuteczność filtracji filtru (zgodnie z [10]) jako iloraz masy pyłu m ZF zatrzymanego przez filtr oraz masy pyłu m D wprowadzonego do filtru na podstawie zależności: mzf mzf ϕ f = = 100%, (3) md mzf + mza gdzie: m ZA masa pyłu zatrzymanego przez filtr absolutny przewodu głównego. 3. Współczynnik chłonności k m badanego materiału filtracyjnego: n m ZFj j= 1 2 kmj = [g/m ], (4) Acz gdzie: m ZFj masa pyłu zatrzymanego przez filtr w kolejnym cyklu badawczym. 4. Liczbę N zi ziaren pyłu w strumieniu powietrza za filtrem (przepuszczanych przez materiał filtracyjny) w przedziałach pomiarowych ograniczonych średnicami (d zi min d zi max ). 5. Dokładność filtracji jako największy rozmiar ziarna pyłu d zj = d z max w strumieniu powietrza za filtrem. 6. Udział procentowy poszczególnych frakcji ziaren pyłu w powietrzu za filtrem dla danego cyklu badawczego: gdzie: N z 32 i= 1 zi U N zi zi = = N z 32 N i= 1 zi N zi 100%, = N całkowita liczba ziaren pyłu przepuszczona przez filtr (ze wszystkich przedziałów pomiarowych) w cyklu badawczym. Badania przeprowadzono dla wartości strumienia powietrza przepływającego przez filtr Q M = 85 m 3 /h (υ F = 0,46 m/s), która odpowiada zapotrzebowaniu powietrza przez silnik samochodu Seicento Citymatic, przy prędkości obrotowej silnika n M = 3500 obr./min. Zgodnie z normą PN-ISO 5011 [10] przyjęto stężenie pyłu w powietrzu zasysanym do filtra na poziomie s = 0,25 g/m 3. Rzeczywiste stężenie pyłu określano każdorazowo po przeprowadzonym cyklu badawczym. Do badań stosowano pył testowy PTC-D, będący krajowym zamiennikiem pyłu AC Fine, którego skład chemiczny i granulometryczny podano w [5, 10]. (5)

13 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych Analiza wyników badań Wyniki badań i obliczeń skuteczności filtracji, oporu przepływu i dokładności badanego filtru sportowego przedstawiono na rysunkach Wraz ze wzrostem masy pyłu zatrzymanego na filtrze, a tym samym wraz ze wzrostem współczynnika k m skuteczność filtracji φ f i opór przepływu Δp f przyjmują coraz większe wartości (rys. 9). Pracę badanego filtru sportowego można podzielić umownie na dwa etapy (rys. 9). W pierwszym etapie pracy (I) wraz ze wzrostem masy pyłu zatrzymanej na filtrze następuje systematyczny wzrost skuteczności filtracji od wartości φ f = 92,7% do φ f = 99,6%. W tym czasie opór przepływu Δp f badanego filtru rośnie nieznacznie od wartości początkowej Δp f0 = 0,15 kpa (opór czystego filtru), do wartości Δp f = 0,82 kpa. W drugim etapie pracy (II) filtru skuteczność filtracji φ f stabilizuje się i przyjmuje wartości z zakresu φ f = 99,5 99,7%, natomiast opór przepływu Δp f gwałtownie rośnie i w końcowym etapie badań (k m = 873 g/m2) osiąga wartość Δp f = 6,7 kpa. Z danych literaturowych wynika, że wkład filtru powietrza samochodu osobowego wymienia się z chwilą, gdy osiągnie on opór przepływu Δp fdop = 3 kpa [2, 3, 5]. Z rysunku 9 wynika, że nastąpić to może, gdy filtr osiągnie wartość k m = 730 g/m2. Oznacza to, że część (ponad 75%) czasu pracy silnika przypada na okres, gdy filtr Skutecznoœæ filtracji f [%] skutecznoœæ filtracji opór przep³ywu p f = 0,82 kpa f = 99,6% Warunki badañ 3 Q=85m /h Py³ testowy PTC-D 3 Stê enie py³u s = 0,25 g/m Ietap IIetap p dop =3kPa k m = 730 g/m 2 1 Opór przep³ywu p f [kpa] Wspó³czynnik ch³onnoœci py³u materia³u filtracyjnego k m [g/m 2] Rys. 9. Charakterystyka skuteczności filtracji φ f = f(k m ) i oporu przepływu Δp f = f(k m ) w funkcji współczynnika chłonności k m badanego filtru sportowego

14 50 T. Dziubak osiąga skuteczności φ f znacznie poniżej wartości wymaganych, co nie jest bez wpływu na zużycie elementów i trwałość silnika. Liczbę ziaren pyłu znajdujących się w powietrzu za badanym filtrem (przepuszczanych przez materiał filtracyjny) zarejestrowanych w ustalonych przedziałach pomiarowych przedstawiono na rysunku 10. Liczba N ziaren py³u w przedzia³ach pomiarowych ( d d ) zi zmin zmax Warunki badañ Q =85m 3/h s = 0,26 g/m3 Py³ testowy PTC-D d zmax = 5,1 m d zmax = 17,5 m d zmax = 23,5 m Numer cyklu pomiarowego Rozmiar ziaren py³u w powietrzu oczyszczonym d z [ m] Rys. 10. Całkowita liczba ziaren przepuszczanych przez materiał filtracyjny badanego filtru sportowego d zmax = 29,5 m d zmax = 39,5 m Dla każdego cyklu badawczego (stała wartość strumienia powietrza) liczba N z ziaren pyłu, która się znajduje w powietrzu oczyszczonym (za filtrem), maleje wraz ze wzrostem rozmiaru ziaren d z aż do ich całkowitego zaniku. Znajdujące się w ostatnim przedziale wymiarowym pojedyncze ziarno ma największy rozmiar d zj = d zmax (rys. 10) i wyraża dokładność filtracji w cyklu badawczym j. Po pierwszym cyklu badawczym j = 1 największy rozmiar ziarna pyłu ma wartość d zmax = 39,5 μm. W następnych cyklach badawczych (wraz z zwiększaniem się masy pyłu zatrzymanej na filtrze) w strumieniu powietrza oczyszczonego przez filtr sportowy liczba N zi ziaren pyłu z tego samego przedziału wymiarowego (rys. 10) oraz rozmiar ziarna d zmax (rys. 11) przyjmują coraz mniejsze wartości. W ostatnim (nr 25) cyklu badawczym znajdujące się w strumieniu powietrza oczyszczonego ziarna pyłu nie przekraczają wartości d zmax = 5,1 μm. Malejąca w strumieniu powietrza oczyszczonego liczba ziaren pyłu oraz zmniejszające się rozmiary ziaren powodują, że skuteczność filtracji przyjmuje wartości coraz większe (rys. 9), co jest zgodne z ogólną teorią filtracji. Skład granulometryczny pyłu znajdującego się w powietrzu oczyszczonym przez filtr samochodu sportowego w czasie cyklu badawczego nr 1 przedstawia rysunek 12. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów ziaren pyłu ich udział liczbowy U z w ogólnej

15 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych 51 Maksymalny rozmiar ziaren py³u w powietrzu za filtrem d zmax [ m] Nr cyklu badawczego Warunki pomiaru: Q =85m 3/h s = 0,26 g/m3 10 Py³ testowy PTC-D Wspó³czynnik ch³onnoœci filtru sportowego k m [g/m] Rys. 11. Maksymalny rozmiar ziaren pyłu w powietrzu za wkładem filtracyjnym w zależności od współczynnika chłonności k m 5% 6% 8% 10% Wymiary ziaren py³u 0,7-1,1 m 3% 2% 2% 1% 1% 22% 1,1-1,5 m 1,5-1,9 m 1,9-2,3 m 2,3-2,7 m 2,7-3,1 m 3,1-3,5 m 3,5-3,9 m 3,9-4,3 m 4,3-4,7 m 12% 13% 15% 4,7-5,1 m 5,1-5,5 m 5,5-5,9 m Rys. 12. Skład granulometryczny pyłu w powietrzu za filtrem sportowym w czasie cyklu badawczego nr 1 liczbie N z ziaren jest coraz większy i dla przedziału pomiarowego ograniczonego średnicami 0,7 1,1 μm ma wartość U z = 22%. W następnych cyklach badawczych następuje wyraźny wzrost udziałów U zi ziaren pyłu z zakresu 0,7 1,1 μm i spadek udziałów U zi ziaren większych rozmiarów, co wynika ze wzrastającej efektywności filtracji materiału badanego filtru sportowego.

16 52 T. Dziubak 6,6% 1,6% 9,0% 2,5% 0,8% 1,6% Rozmiary ziaren py³u 0,7-1,1 m 1,1-1,5 m 1,5-1,9 m 1,9-2,3 m 2,3-2,7 m 2,7-3,1 m 77,9% 3,1-3,5 m Rys. 13. Skład granulometryczny pyłu w powietrzu za filtrem sportowym w czasie cyklu badawczego nr 25 W ostatnim (nr 25) cyklu badawczym udział liczbowy U i w ogólnej liczbie N ziaren z przedziału pomiarowego ograniczonego średnicami 0,7 1,1 μm ma wartość U z = 77,9%. 7. Podsumowanie Wraz ze wzrostem masy pyłu m ZF zatrzymanego na filtrze sportowym (wzrost współczynnika chłonności k m filtru) następuje wzrost oporu przepływu oraz skuteczności filtracji (od φ f = 92,7%), co jest zgodne z informacjami literaturowymi, przy czym czas pracy filtru do chwili uzyskania maksymalnej i wymaganej wartości skuteczność filtracji (φ f = 99,6%) stanowi ponad 75% całkowitego czasu pracy badanego filtru, wynikającego z chwili uzyskania wartości oporu dopuszczalnego Δp fdop = 3 kpa. Do chwili uzyskania przez filtr wartości Δp fdop = 3 kpa w powietrzu oczyszczonym znajdują się ziarna pyłu o rozmiarach z zakresu d zmax = μm, a więc bardzo niebezpiecznych dla dwóch współpracujących powierzchni, co może być przyczyną przyspieszonego zużycia i obniżenia trwałości silnika. Wynika z tego, że badany filtr sportowy nie zapewnia wymaganej, w stosunku do powietrza wlotowego silników, dokładności filtracji ziaren pyłu powyżej 5 μm i nie powinien być stosowany do filtracji powietrza silników samochodów osobowych. Maksymalną skuteczność filtracji równą φ f = 99,7%, filtr uzyskuje w ostatnim, krótkim okresie pracy przy gwałtownie wzrastających oporach przepływu Δp f, niedopuszczalnych dla prawidłowej pracy silnika pojazdu ze względu na spadek mocy. Celowe byłoby potwierdzenie przeprowadzonych badań na większej liczbie filtrów sportowych i dla innych wartości prędkości filtracji i stężenia zapylenia.

17 Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych 53 Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w sierpniu 2008 r. LITERATURA [1] K. Baczewski, M. Hebda, Filtracja płynów eksploatacyjnych, MCNEMT, Radom, [2] Diesel Engine Air Filtration, Materiały informacyjne firmy PALL Corporation, [3] M. Durst, G. Klein, N. Moser, Filtracja w pojazdach silnikowych, Die Bibliothek der Technik, Niemcy, [4] T. Dziubak, Problemy filtracji powietrza zasysanego do spalinowych silników pojazdów mechanicznych, Biul. WAT, 55, 3, 643, [5] T. Dziubak, Metodyka badań charakterystyk papierów filtracyjnych do filtru powietrza pojazdu eksploatowanego w warunkach dużego zapylenia powietrza, ZEM PAN, 4, 136, [6] GT, Tuning, car audio, samochody sportowe, nr 43, maj [7] GT, Tuning, car audio, samochody sportowe, nr 45, wrzesień [8] J. Mysłowski, J. Kołtun, Elastyczność tłokowych silników spalinowych, WNT, Warszawa, [9] J. Nagy, Filtrowanie a żywotność silnika, Silniki Spalinowe, nr 3, [10] PN-ISO 5011, Filtry powietrza do silników spalinowych i sprężarek. Badanie działania, PKNM, [11] S. Szczeciński i in., Turbinowe napędy samochodów, WKŁ, Warszawa, [12] J. A. Wajand, J. T. Wajand, Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe, WNT, Warszawa, [13] [14] T. DZIUBAK Analysis of filtration propriety air filters in a sports car engine Abstract. The analysis of construction of air filters of sports cars was introduced. It was showed that their basic propriety is considerably smaller flow drag than this of traditional air filters. The results of replacement of a factory air filter of a personal car engine by an air filter of sports car were analysed. Influence of this exchange on power and rotatory moment of an engine was showed. The necessity of investigations on propriety of filtration filters of air sports cars was showed. A methodology of laboratory tests of air filters of sports car was prepared. There are presented the research results of filtration efficiency and thoroughness characteristics and flow drag characteristics of sports filter as a function of the dust absorptiveness coefficient k m. Air filtration thoroughness was evaluated by using a particle counter of the Pamas firm. Keywords: vehicle, engine combustion, air filter, filtration efficiency, thoroughness, air filter flow drag, size of dust particles Universal Decimal Classification: 621, ,5

18