В середине 2000-х годов мне довелось заниматься задачей, которая на первый взгляд выглядела достаточно простой: как улучшить очистку моторного масла без ухудшения пропускной способности масляного фильтра.
На практике оказалось, что за этим вопросом скрывается одно из фундаментальных противоречий двигателестроения.
Чем тоньше фильтрация, тем быстрее загрязняется фильтрующий элемент и тем выше его гидравлическое сопротивление. Чем меньше сопротивление — тем хуже очистка масла.
Именно попытка выйти из этого тупика привела к созданию серии фильтрующих элементов, впоследствии защищённых тремя патентами Российской Федерации и прошедших сравнительные испытания в испытательном центре НАМИ.
Спустя почти двадцать лет эта история представляет интерес уже не только как инженерная разработка, но и как пример того, как рождаются и исчезают технические решения.
Почему масляный фильтр важнее, чем кажется
Любой двигатель внутреннего сгорания в процессе работы производит загрязнения.
В масло попадают продукты износа деталей, частицы сажи, продукты окисления масла, технологические загрязнения и абразивные частицы.
Особенно опасны частицы размером, сопоставимым с рабочими зазорами в парах трения. Именно они наиболее активно участвуют в абразивном износе подшипников, шеек коленчатого вала, цилиндропоршневой группы и других деталей двигателя.
Поэтому эффективность системы очистки масла напрямую влияет на ресурс двигателя.
Однако традиционный полнопоточный фильтр всегда вынужден искать компромисс между тремя требованиями:
-
высокой пропускной способностью;
-
низким гидравлическим сопротивлением;
-
тонкой очисткой масла.
Получить максимум по всем трём параметрам одновременно крайне сложно.
Откуда появилась идея комбинированной фильтрации
К началу работы существовали два принципиально разных подхода.
Первый — традиционный бумажный полнопоточный фильтр.
Его достоинства очевидны: низкое сопротивление и возможность пропускать весь поток масла.
Недостатки тоже известны:
-
ограниченная грязеёмкость;
-
постепенное засорение фильтрующей шторы;
-
сравнительно ограниченный срок службы.
Второй подход — объёмно-капиллярная фильтрация.
Такие элементы способны обеспечивать более тонкую очистку и удерживать значительное количество загрязнений внутри объёма фильтрующего материала.
Но при этом они обладают существенно более высоким гидравлическим сопротивлением и плохо подходят для работы в режиме полного потока.
Возникла идея не выбирать между двумя технологиями, а объединить их преимущества.
Первый этап: комбинированный фильтрующий элемент
Первый патент предусматривал объединение в одном узле двух различных фильтрующих секций.
Первая секция представляла собой классический бумажный полнопоточный фильтроэлемент.
Вторая секция выполнялась на основе объёмно-капиллярной фильтрующей шторы сформированной из синтетической текстурированной нити посредством намотки с изменяющимся усилием на сердечник.
Смысл решения был достаточно прост.
Основная масса масла проходила через бумажную секцию, обеспечивающую минимальное сопротивление потоку.
Одновременно часть масла проходила через объёмно-капиллярную секцию, где происходила более тонкая очистка.
В результате бумажный элемент работал в более благоприятном режиме, а наиболее мелкие загрязнения постепенно удалялись из системы смазки и больше никогда в неё не попадали.
Кроме того, объёмная структура фильтрующего материала позволяла надёжно удерживать накопленные загрязнения распределяя их в глубинных соях шторы, исключая вероятность их смыва и повторного попадания в систему.
Второй этап: двухсекционный фильтр без бумаги
Следующий шаг оказался ещё интереснее.
В процессе работы возник вопрос: а нужна ли бумага вообще?
Так появился двухсекционный фильтрующий элемент, в котором обе секции выполнялись из одного и того же синтетического материала.
Различие заключалось в настройке структуры фильтрующих штор.
Первая секция имела меньшее гидравлическое сопротивление достигающееся всё той же намоткой синтетической текстурированной нити с изменяющимся в процессе намотки усилием, и работала с основным потоком масла.
Вторая секция обеспечивала более тонкую очистку, но обладала более высоким сопротивлением.
Фактически фильтр автоматически изменял режим работы в зависимости от температуры и вязкости масла.
Во время холодного запуска работала преимущественно первая секция.
После прогрева двигателя, когда вязкость масла уменьшалась, подключалась и вторая секция, обеспечивая более тонкую очистку.
Никакой электроники, никаких датчиков и исполнительных механизмов.
Только гидравлика и свойства самого фильтрующего материала.
Испытания
Любая инженерная идея стоит ровно столько, сколько стоят результаты её испытаний.
Поэтому наиболее важным этапом стали сравнительные испытания, проведённые в испытательном центре НАМИ.
Для проверки использовались:
-
стандартный бумажный фильтроэлемент;
-
несколько вариантов комбинированных фильтрующих элементов аналогичного типоразмера.
Испытания проводились на специальном стенде с использованием загрязнённого масла и кварцевой пыли в качестве искусственного загрязнителя.
Полученные результаты оказались весьма показательными.
По показателям полноты и тонкости отсева опытные образцы находились примерно на уровне серийного фильтра.
Однако наиболее интересные различия проявились по другим параметрам.
Время работы до достижения предельного перепада давления увеличилось:
-
с 67 минут для серийного фильтра;
-
до 78–110 минут для различных вариантов комбинированных элементов.
Таким образом, ресурс фильтра увеличивался до 1,6 раза.
Не менее интересными оказались результаты по загрязнённости масла.
Через час испытаний концентрация загрязнений в масле для серийного фильтра составляла около 330 ppm.
Для опытных образцов этот показатель снижался до 200, 165 и даже 110 ppm.
Иными словами, загрязнённость масла уменьшалась в 1,5–3 раза.
В официальном заключении испытательного центра было отмечено увеличение времени работы фильтра до загрязнения в 1,2–1,6 раза и снижение концентрации загрязнений в масле в 1,5–3 раза.
Для разработчика такие формулировки значат очень многое.
Это уже не расчёты и не предположения, а результаты стендовых испытаний.
Публикации и профессиональная реакция
Работа не ограничилась патентованием.
Результаты были опубликованы в нескольких изданиях.
Для широкой технической аудитории вышла статья «Долгоиграющий масляный фильтр» в журнале «Наука и жизнь».
Инженерные аспекты конструкции были подробно рассмотрены в журнале «Автомобильная промышленность».
Дополнительно материалы были опубликованы в журнале «Тракторы и сельскохозяйственные машины».
Таким образом, разработка прошла все основные стадии инженерного цикла:
-
идея;
-
проектирование;
-
патентование;
-
изготовление опытных образцов;
-
испытания;
-
публикация результатов.
Почему технология не стала массовой
Этот вопрос мне задают чаще всего.
К сожалению, наличие патента и положительных результатов испытаний ещё не гарантирует появления серийного продукта.
Для внедрения необходимы:
-
производственные мощности;
-
инвестиции;
-
заинтересованный промышленный партнёр;
-
рынок сбыта.
Кроме того, рынок фильтров традиционно достаточно консервативен. Производители неохотно меняют технологии, особенно если существующие решения уже обеспечивают более менее приемлемые показатели. В результате проект остался на стадии опытных образцов и инженерных исследований.
Что осталось сегодня
Спустя годы сохранились патенты, публикации, чертежи и материалы испытаний.
С одной стороны, это архив завершённого проекта.
С другой — напоминание о том, что многие инженерные идеи не исчезают окончательно.
Технологии меняются, появляются новые материалы и новые производственные возможности.
Иногда решения, которые не получили развития в своё время, оказываются востребованы спустя десятилетия.
История комбинированного масляного фильтра — именно такой случай.
Она показывает, что даже в такой, казалось бы, давно изученной области, как очистка моторного масла, ещё остаётся место для инженерного поиска и нестандартных решений.
Архив проекта
В рамках подготовки статьи были оцифрованы и собраны материалы разработки:
· статья «Долгоиграющий масляный фильтр» («Наука и жизнь», 2008);
· публикация в журнале «Тракторы и сельскохозяйственные машины» (2008);
· протоколы сравнительных испытаний НАМИ;
Автор статьи является автором описываемой разработки. Материал подготовлен на основе патентной документации, публикаций и архивных материалов 2005–2008 гг. Проект не получил промышленного продолжения, однако вся техническая документация, результаты испытаний и архив материалов сохранились. Если среди читателей есть специалисты в области фильтрации, двигателестроения, производства фильтрующих элементов или представители профильных компаний, которым интересна тема возможного развития технологии, буду рад профессиональному диалогу
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1046946/