Dokładna filtracja oleju silnikowego ma istotne znaczenie dla trwałości jednostki napędowej. Jaki filtr ma stosować użytkownik, skoro producenci pojazdów nie podają jednoznacznych wytycznych dotyczących filtracji?

Zdaniem producentów pojazdów użytkownik powinien stosować taki filtr oleju, jaki zastosowano na pierwszym montażu. To enigmatyczne stwierdzenie w zasadzie niewiele wyjaśnia. Wiadomo, że producenci ciężarówek nie tylko kupują filtry od wyspecjalizowanych wytwórców, lecz razem z nimi konstruują nowe jednostki napędowe. Bez informacji o parametrach przepływu oleju nie można poprawnie skonstruować filtra. I odwrotnie – nawet najlepiej zaprojektowany silnik bez odpowiedniej filtracji oleju długo nie popracuje.
We współczesnych silnikach należy tak dobrać parametry oczyszczania oleju, by częstotliwość wymiany filtra wynosiła co najmniej 100 tys. km przebiegu pojazdu. Parametr ten uzyskuje się coraz trudniej ze względu na stale pogarszające się warunki pracy filtrów oleju. Ma to związek z wprowadzeniem ... olejów syntetycznych oraz dążeniem do zmniejszania wymiarów i masy filtrów oleju.
W oleju silnikowym gromadzi się wiele zanieczyszczeń pochodzenia mechanicznego (ścier metalowy) i chemicznego, które powinny być zatrzymane w filtrach. Jeśli tak się nie stanie, cząsteczki zawarte w oleju będą działały na elementy silnika jak pasta polerska. Duży wpływ na zużycie elementów wewnętrznych silnika mają cząsteczki o wielkości od 8 do 60 μm (nanometrów), ale szczególnie niebezpieczne są mikroskopijne cząsteczki o średnicy poniżej 1 μm.

Włóknina, flizelina i plisy

Spełnienie tych sprzecznych wymagań, a więc wydłużenia częstotliwości wymiany filtra oleju przy jednoczesnym zmniejszeniu wymiarów i powierzchni filtracyjnej jest możliwe dzięki nowoczesnym mediom filtracyjnym. Filtry to urządzenia działające na zasadzie mechanicznej separacji zanieczyszczeń. Olej opływa włókno medium filtracyjnego i duże zanieczyszczenia przywierają do niego. Natomiast małe zanieczyszczenia, o średnicy około 0,5 μm (nanometrów), poruszają się we wszystkich kierunkach i jeśli nie natrafią na włókno, nie zostaną zatrzymane. Do zatrzymania zanieczyszczeń różnej wielkości stosuje się więc media filtracyjne o różnej budowie.
Przy konstruowaniu filtra musimy brać pod uwagę dwa główne parametry – czas użytkowania, a więc zdolność gromadzenia zanieczyszczeń oraz dokładność filtracji, czyli możliwość zatrzymywania zanieczyszczeń o określonych wymiarach.
W celu zwiększenia zdolności gromadzenia zanieczyszczeń stosuje się media filtracyjne o strukturze porowatej, w których odseparowane zanieczyszczenia gromadzą się w porach. Cechą takiego medium filtracyjnego jest powolny wzrost oporów przepływu oleju (różnica ciśnień przed i za filtrem) mimo zapełniania medium filtracyjnego. Gdy pory filtra zostaną całkowicie zapełnione, opór przepływu oleju gwałtownie wzrasta i trzeba wymienić medium filtracyjne (wkład lub cały filtr). Jeśli tego nie zrobimy, otwiera się zawór obejściowy i olej przepływa poza filtrem.
Na dokładność filtracji ma wpływ rodzaj medium filtracyjnego. Tradycyjne media filtracyjne wykonane z celulozy lub papieru wzmacnianego włóknami syntetycznymi są obecnie zastępowane mediami kompozytowymi złożonymi z kilku warstw celulozy czy włókniny lub w pełni syntetycznymi - z włókniny lub flizeliny. Dobór odpowiednich warstw decyduje o właściwościach medium filtracyjnego. Np. łączy się jedną warstwę materiału o dużej zdolności zatrzymywania zanieczyszczeń z drugą warstwą o dużej dokładności filtracji.
Badania wykazują, że zwiększona dokładność filtracji niekoniecznie oznacza mniejszą zdolność gromadzenia zanieczyszczeń. Niektóre w pełni syntetyczne media filtracyjne charakteryzują się dużą dokładnością filtracji przy długim okresie trwałości. Standardowe medium filtracyjne zatrzymuje cząstki o wielkości 9 μm, a kompozytowe – 4 μm i dzięki wielowarstwowej strukturze separuje 20-krotnie lepiej cząstki o średnicy 10 μm. Trzeba też zauważyć, że dokładność filtracji jest uzależniona od prędkości przepływu oleju przez medium.
Reasumując, w zależności od życzeń konstruktorów silników tworzy się media filtracyjne o różnym stopniu dokładności filtracji i czasie eksploatacji. Dobór medium filtracyjnego musi uwzględniać również rodzaj stosowanego oleju silnikowego. Jak wykazały badania, w pełni syntetyczne oleje silnikowe o wydłużonej trwałości bardziej agresywnie oddziałują na media filtracyjne od dotychczasowych olejów mineralnych lub półsyntetycznych. Źle dobrane medium filtracyjne poddane długotrwałemu działaniu oleju syntetycznego odkształca się i dochodzi do fatalnego w skutkach sklejania się plis.
Separacja zanieczyszczeń wymaga niestety dużej powierzchni medium filtracyjnego. Dlatego medium filtracyjne formowane jest w postaci plis ułożonych gwiaździście. Dzięki temu uzyskuje się dużą powierzchnię filtrującą przy stosunkowo małych wymiarach zewnętrznych. Co ciekawe, konstrukcja maszyn produkcyjnych, które tworzą plisy, stanowi jedną z największych tajemnic producenta filtrów. Każdy z nich plisy formuje nieco inaczej, chociaż z pozoru wyglądają podobnie.

Jeden filtr - to za mało

Obecny trend konstrukcyjny w filtracji oleju silnikowego zmierza ku stosowaniu dwóch rodzajów filtrów: pełnoprzepływowego o dużej trwałości, ale zatrzymującego większe zanieczyszczenia i bocznikowego - o wysokiej dokładności filtracji, przez który przepływa 5-10% pełnego strumienia oleju. Często filtry te są zamknięte we wspólnej obudowie.

Filtry pełnego przepływu to z reguły filtry wymieniane w całości, z wkładem filtracyjnym zamkniętym w blaszanej lub plastikowej obudowie przykręcanej do bloku cylindrowego. Niekiedy stosowane są też filtry z wkładem wymiennym, w których po otwarciu pokrywy wymienia się tylko wkład filtrujący. Ze względu na recykling zużytych filtrów obecnie eliminuje się części wykonane z metalu, zastępując je plastikowymi.
Stosowanie filtrów bocznikowych wynikło z konieczności usunięcia z oleju silnikowego najdrobniejszych zanieczyszczeń o średnicy poniżej 1 μm, np. sadzy. Okazało się bowiem, że w niektórych silnikach gładź cylindrowa wypolerowana jest tak bardzo, że nie przylegają do niej cząstki oleju, co prowadzi do przerwania filmu olejowego. Odkryto, że gładź cylindrową polerują zanieczyszczenia właśnie o średnicy poniżej 1 μm. Tak małe cząstki zatrzymuje filtr bocznikowy, a nie filtr pełnego przepływu. Jak pamiętają Czytelnicy z poprzedniego numeru Inter Trucka proces spalania w silniku z zapłonem samoczynnym można ukierunkować na mniejszą emisję tlenków azotu lub cząstek stałych (sadzy). Nie rozwijając tego tematu, można stwierdzić, że stosowanie filtra bocznikowego w niektórych silnikach jest szczególnie uzasadnione. Filtr ten montowany jest w miejscu najwyższego ciśnienia oleju, a więc przed filtrem pełnego przepływu. Stosuje się dwa rodzaje filtrów bocznikowych: z wkładem filtracyjnym lub jako odśrodkowe. Z badań firmy MAN+HUMMEL wynika, że w 35 litrach oleju przepływającego przez filtr odśrodkowy zatrzymywanych jest ok. 500 gramów zanieczyszczeń, które przedostały się przez filtr pełnego przepływu.
Filtry pełnoprzepływowy i bocznikowy występują w tzw. module filtracyjnym, w którym znajduje się również chłodnica oleju, filtr paliwa i czujniki. Prekursorem stosowania modułów filtracyjnych jest firma Hengst. Dzięki zastosowaniu jednej obudowy można wyeliminować przewody łączące poszczególne typy filtrów oraz szybko podgrzać lub schłodzić olej (w zależności od aktualnej potrzeby), co jest korzystne dla optymalnej pracy jednostki napędowej. Moduł filtracyjny stosują m.in. Mercedes-Benz, MAN i Deutz.

Filtry działają na zasadzie mechanicznej separacji zanieczyszczeń – zawarte w oleju zanieczyszczenia przywierają do włókien medium filtracyjnego. Zdjęcie w bardzo dużym powiększeniu.

Nie kupuj kota w worku

Na jakość filtra oleju ma wpływ nie tylko odpowiednie medium filtracyjne gwarantujące najwyższy stopień separacji zanieczyszczeń przy jak najmniejszym oporze przepływu. Ważne są również detale. W dobrych filtrach wymienianych w całości stosuje się np. uszczelkę długotrwałego użytku, która pod wpływem temperatury rozszerza się, zapewniając dobrą szczelność i uniemożliwiając odkręcenie się podczas eksploatacji. Często niedoceniana jest rola bocznikującego zaworu przelewowego filtra. Jego zadaniem jest umożliwienie smarowania silnika mimo zapełnienia wkładu filtrującego, gdyż olej kierowany jest do silnika z pomięciem filtra. Ponieważ podczas eksploatacji pojazdu zmieniają się gęstość oleju silnikowego i przepustowość filtra, trudno jest dobrać optymalną wartość ciśnienia oleju, przy którym powinno nastąpić otwarcie tego zaworu. Ciśnienie to zależy też od budowy danego silnika. Tak więc precyzja wykonania tego zaworu jest niezwykle ważna, gdyż musi się on otwierać przy określonym ciśnieniu oleju.
Niestety, podczas zakupu nabywca filtra oleju nie ma możliwości sprawdzenia jego jakości. Ponieważ koszt zakupu wszystkich filtrów potrzebnych w pojeździe nie przekracza 1% kosztów eksploatacji, na filtrach chyba nie warto oszczędzać. Podczas wyboru filtra nabywca może sugerować się wyłącznie dobrym imieniem jego wytwórcy.

Filtr bocznikowy, przez który przepływa 5-10% strumienia oleju, w postaci separatora odśrodkowego. Zanieczyszczenia gromadzą się w wirniku obracającym się z prędkością 8 – 10 tys. obr./min pod wpływem siły odśrodkowej. Filtr bocznikowy zatrzymuje najdrobniejsze zanieczyszczenia – o średnicy poniżej 1 nm (nanometr), np. sadzy. Z 35 l oleju filtr zatrzymuje ok. 500 gramów zanieczyszczeń.

 Co pływa w oleju?

- zanieczyszczenia z produkcji i montażu silnika
- organiczne i nieorganiczne cząstki pyłu przedostające się z powietrza (nie zatrzymał ich filtr powietrza)
- ścier metalowy (cząsteczki powstające podczas tarcia)
- sadza (powstała z niecałkowitego spalania paliwa)
- woda
- kwasy z procesu spalania
- niespalone paliwo
- produkty utleniania oleju i reakcji dodatków olejowych

Historia filtrów oleju

Filtry oleju zaczęto stosować w latach 20 ubiegłego wieku wraz z wprowadzeniem zamkniętego obiegu smarowania silnika. Pierwszym seryjnie produkowanym filtrem oleju był „Purolator”, którego produkcję w 1923 r. rozpoczął Amerykanin Ernest Sweetland. Jego nazwa pochodziła od skrótu „Pur oil later ( później czysty olej). Zbudowany był ze stalowego cylindra i kilku warstw tkaniny, którą należało wymieniać w miarę zabrudzenia. Ze względu na duże opory przepływu, początkowo używany był jedynie jako filtr bocznikowy. Wraz z rozwojem mediów filtracyjnych wprowadzono filtry pełnoprzepływowe. Od lat 30. w samochodach ciężarowych stosowano filtry pełnoprzepływowe z wymiennymi wkładami. W latach 50. stosowano filtry wstępnego oczyszczania zbudowane z siatki, a także typu szczelinowego – z wielu warstw cienkich, odpowiednio ukształtowanych blaszek osadzonych na pionowym trzpieniu i filtry dokładnego oczyszczania z wkładami wykonanymi przeważnie z papieru, filcu technicznego lub tkaniny. W tym czasie stosowano też filtry odśrodkowe, których wirnik napędzany był siła odśrodkową lub mechanicznie - od silnika. Filtry z wkładami wymiennymi od lat 60. zaczęły być wypierane przez nierozbieralne filtry typu spin-on.

Wymagania dla elementów typowego filtra oleju
 

Element filtra	Wymagania
Uszczelnienie	- odporne na wysokie i niskie temperatury - całkowicie szczelne - brak możliwości rozklejania się
Gwintowana pokrywa	- łatwy montaż - dokładnie wykonane miejsce na uszczelkę
Blokada przepływu zwrotnego	- natychmiastowy wzrost ciśnienia oleju po uruchomieniu silnika - duża elastyczność zapewniająca długą żywotność
Wkład filtrujący	- wysoka zdolność pochłaniania zanieczyszczeń - minimalny wzrost oporów przepływu oleju przez cały okres użytkowania - odporny na wysokie temperatury - odporny na dodatki stosowane w olejach syntetycznych
Bocznikujący zawór przelewowy	- ciśnienie otwarcia zaworu dopasowane do konkretnego silnika - całkowita szczelność dzięki zastosowaniu elastomeru
Obudowa	- antykorozyjna - odporna na odkształcenia