Техническое руководство для инженеров-разработчиков, специалистов по закупкам и производителей фильтров для рынка послепродажного обслуживания, занимающихся оценкой оборудования для очистки всасываемого воздуха.
Набор стандартов и области их фактического применения
Большинство инженеров по умолчанию ориентируются на стандарт ISO 5011. В отношении воздушных фильтров двигателя это верно. Однако общая система стандартов, регулирующая автомобильную фильтрацию, гораздо обширнее, и путаница в том, какой стандарт регулирует тот или иной компонент, становится причиной недопонимания с поставщиками, которое выявляется уже на поздних этапах цикла квалификации.
Вот как этот стек соотносится с приложениями:
- ISO 5011:2020: Международный эталон для систем воздухозабора двигателей. Он устанавливает стандарты в отношении характеристик испытательной пыли и протоколов измерения расхода воздуха, уделяя особое внимание трем ключевым показателям эффективности: эффективности фильтрации, перепаду давления и пылеулавливающей способности.
- SAE J726: Хотя с процедурной точки зрения данный стандарт аналогичен стандарту ISO 5011, он относится конкретно к Североамериканский рынок. Важно отметить, что предельные давления ограничения и допуски на партии пыли в этих двух стандартах различаются; поэтому утверждение о том, что результаты, полученные по стандарту J726, являются прямыми эквивалентами результатов по стандарту ISO 5011, с технической точки зрения неверно.
ISO 11155-1 и 11155-2:
- Часть 1: Устанавливает стандарты фильтрации твердых частиц, в частности, определяет эффективность фильтрации частиц размером до 0,3 мкм.
- Часть 2: Посвящена фильтрации в газовой фазе и измерению адсорбционной способности активированного угля с использованием толуола в качестве стандартного модельного соединения.
SAE J1691
Этот стандарт, на который часто ссылаются в запросах предложений, определяет минимальные допустимые эксплуатационные характеристики фильтров для двигателей, выпускаемых на рынок запасных частей. Он служит скорее нормативным “минимальным порогом”, чем ориентиром для высококлассных характеристик; при оценке новых поставщиков запасных частей для оригинального оборудования стандарт J1691 следует рассматривать как требование начального уровня, а не как целевой показатель премиального качества.
Стандарт ISO 16890 и мост для салонных фильтров
В отношении салонных воздушных фильтров на рынках, где защита от PM2,5 является одним из рекламных преимуществ продукта, классификация по стандарту ISO 16890 (ePM1, ePM2,5 и ePM10) всё чаще дополняет результаты испытаний по стандарту ISO 11155-1. Эти два стандарта не являются взаимозаменяемыми: стандарт ISO 16890 был разработан для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), а не для автомобильной промышленности, однако его методология оценки эффективности улавливания субмикронных частиц восполняет пробел, который не охватывает стандарт ISO 11155-1.
Почему гравиметрическое число — это не вся картина
В соответствии со стандартом ISO 5011 эффективность фильтрации измеряется гравиметрическим методом: общая масса уловленной пыли делится на общую массу поступающего воздуха и выражается в процентах. Высокоэффективный воздушный фильтр двигателя рассчитан на эффективность ≥99,51 TP4T при номинальном расходе воздуха с использованием испытательной пыли ISO 12103-1 A2 — состава на основе кремнезема с задокументированным распределением частиц по размерам, пик которого приходится на 5 мкм.
Встроенное ограничение: на гравиметрическую эффективность в основном влияют крупные и тяжелые частицы. Влияние субмикронных частиц в результатах практически не прослеживается.
| Диапазон частиц | Первоисточник | Инженерный концерн | Стандартное покрытие |
|---|---|---|---|
| >10 мкм | Дорожная пыль, песок | Износ двигателя под действием абразивных частиц | ISO 5011 ✓ |
| 1–10 мкм | Осадки, образовавшиеся в результате сгорания | Износ форсунок и подшипников | ISO 5011 (неполная версия) |
| <1 мкм | Городская взвесь, сажа | Деградация катализатора, загрязнение форсунок DISI | ISO 16890 / ISO 11155-1 |
Для двигателей с турбонаддувом и прямым впрыском, в которых допуска на форсунки установлены в узких пределах, а также для впускных систем систем терморегулирования электромобилей, где накопление мелких твердых частиц негативно сказывается на долгосрочной работоспособности, показатель гравиметрической эффективности является неполным исходным параметром для проектирования. В настоящее время в некоторых технических требованиях производителей оригинального оборудования (OEM) предписывается предоставлять как показатель эффективности по стандарту ISO 5011, так и значения ePM1 по стандарту ISO 16890, полученные для одного и того же элемента.
Перепад давления: начальное сужение против конечного сужения
Каждый фильтрующий элемент представляет собой компромисс между эффективностью фильтрации и степенью ограничения воздушного потока. Увеличение площади поверхности фильтрующего материала и более плотная структура волокон улучшают эффективность улавливания, но приводят к увеличению перепада давления.
В протоколах испытаний указываются два числа. Однако общепринятое значение имеет только одно из них.
Начальное ограничение — это показатель, по которому инженеры сверяют параметры с расчетными пределами системы впуска двигателя. Все просто.
Терминальное ограничение — это максимальное противодавление, при котором необходимо заменить фильтрующий элемент. Стандарт ISO 5011 устанавливает это значение на уровне 6,0 кПа (≈24,1 дюйма H₂O) для большинства коммерческих транспортных средств. Технические условия производителей легковых автомобилей часто предусматривают более ранние сроки замены — как правило, при давлении 3,5–4,5 кПа — для обеспечения эффективности работы турбокомпрессора и экономии топлива.
Разница между начальным и конечным степенью стеснения, деленная на накопленную пылевую нагрузку, является вашей рабочей моделью срока службы в реальных условиях эксплуатации. Элемент, достигающий предельного сопротивления до наступления планового интервала технического обслуживания, указывает на одну из трёх основных причин: DHC не соответствует требованиям рабочего цикла, условия эксплуатации более запылённые, чем предполагалось при проектировании, либо отсутствует или неэффективна предварительная очистка на входе.
Вместимость по удержанию пыли
Емкость удержания пыли — это общая масса испытательной пыли A2, уловленной до того, как элемент достигнет предельного сопротивления, измеряемая в граммах. Это основной показатель, определяющий срок службы.
Масштаб DHC зависит от трёх переменных:
- Эффективная площадь поверхности носителя: Определяется количеством складок, высотой складок и диаметром элемента
- Пористость носителя и диаметр волокон: Более плотная структура повышает эффективность, но снижает показатель DHC на единицу площади — здесь нет места для бесплатной оптимизации
- Предварительное разделение на входе: Циклонные предфильтры, используемые в условиях интенсивной эксплуатации, способны удалять 80–90% крупной пыли до того, как она достигнет фильтрующего элемента, что в разы повышает эффективность DHC
Справочная информация по линейкам DHC в разбивке по областям применения:
- Фильтр двигателя легкового автомобиля: 60–180 г
- Легкие коммерческие автомобили / фургоны: 150–400 г
- Внедорожная версия с циклонным предфильтром: >800 г
Одно уточнение: при определении показателей DHC по стандарту ISO 5011 используется испытательная пыль класса A2 в условиях контролируемой лабораторной влажности. В реальных условиях проницаемость пылевого слоя значительно меняется при высокой влажности — слой становится более плотным и препятствует прохождению воздуха. Если фильтрующие элементы эксплуатируются в различных географических регионах, рекомендуется запрашивать данные о сопоставлении результатов полевых испытаний с лабораторными отчетами.
Конструкция фильтрующих материалов: что не отражено в протоколах испытаний
Стандартные отчеты по ISO 5011 отражают результаты испытаний. В них не указывается конструкция носителя, на котором были получены эти результаты. Именно этот пробел является причиной различий в эксплуатационных характеристиках между оригинальным оборудованием (OEM) и запчастями вторичного рынка.
Материалы на основе смеси целлюлозы и синтетических волокон по-прежнему остаются эталоном стоимости для стандартных дорожных условий эксплуатации — как правило, это 80–85% целлюлозного волокна с 15–20% синтетического армирующего волокна. Подходит для эксплуатации в умеренном климате на дорогах. Поглощение влаги является ограничивающим фактором при эксплуатации в условиях высокой влажности.
Полностью синтетический фильтрующий материал обеспечивает более высокий минимальный КПД, меньшую чувствительность к влажности и термическую стабильность при температурах выше 120 °C. Является предпочтительным выбором для систем с принудительным наддувом, в которых температура на входе резко повышается в режиме наддува.
Электростатически заряженные фильтрующие материалы дополняют механическую фильтрацию электростатическим притяжением волокон, улавливая субмикронные частицы без соразмерного увеличения перепада давления, которое потребовалось бы при использовании более плотных механических фильтрующих материалов. Документированное ограничение: снижение заряда при повышенной влажности. Стандарт ISO 16890 требует 24-часовой предварительной подготовки при относительной влажности 70% перед испытанием электретных фильтрующих материалов. Показатели эффективности после подготовки позволяют прогнозировать эксплуатационные характеристики в условиях влажного климата. Начальные показатели эффективности выглядят лучше, но имеют меньшее значение.
Для салонные воздушные фильтры, слои активированного угля обеспечивают адсорбцию газообразных загрязнителей. В стандарте ISO 11155-2 в качестве модельного соединения для испытаний на адсорбционную способность используется толуол. Результаты испытаний с толуолом не позволяют напрямую оценить эффективность в условиях смешанных городских загрязнений, включающих NO₂, озон или смеси летучих органических соединений (ЛОС). При выборе углецевых слоев следует уточнять следующие параметры: источник углерода, площадь поверхности по методу БЭТ и йодное число. Эти показатели позволяют более надежно прогнозировать реальную адсорбцию газов, чем результаты одного лишь стандартного испытания.
Многослойные фильтры для систем кондиционирования воздуха HIFINE сочетают в себе синтетический фильтрующий материал с электростатической адсорбцией и слой активированного угля, соответствующий стандартам ISO 11155-1 и -2. Посмотреть технические характеристики фильтров для кондиционеров →
Геометрия складок: пространство оптимизации в пределах габаритов корпуса
Размеры корпуса, заданные производителем оригинального оборудования (OEM), ограничивают геометрию элемента. В рамках этих ограничений основным инженерным инструментом является оптимизация складок.
Шаг складок определяет соотношение между площадью поверхности и риском образования мостиков. По мере накопления пылевой нагрузки пылевой слой может перекидываться через соседние складки, преждевременно перекрывая проходное сечение. Уменьшение шага складок увеличивает площадь фильтрующего материала на один элемент, но снижает пороговое значение пылевой нагрузки, при котором начинается образование мостиков.
Высота складки определяет площадь наполнителя на единицу окружности. Непосредственно ограничивается глубиной корпуса. Увеличение высоты является предпочтительным способом увеличения площади наполнителя, когда шаг уже оптимизирован.
Герметизация торцевой заглушки именно здесь возникает утечка в байпасе. Стандарт ISO 5011 предписывает, чтобы утечка в байпасе при номинальном расходе воздуха не превышала 0,11 TP4T. В качестве промышленного стандарта для соединений торцевых заглушек с рабочей средой пластизол был заменен склеиванием полиуретановой пеной, обеспечивающим стабильность размеров при термических циклах в диапазоне от -40 °C до +120 °C. В крайних точках этого диапазона соединения, выполненные с использованием пластизола, демонстрируют заметную усадку или растрескивание, что приводит к образованию путей утечки, которые выявляются при лабораторных испытаниях, но упускаются при периодических полевых испытаниях.
Что следует запросить у поставщика фильтров
Стандартные комплекты для квалификационных испытаний включают результаты испытаний. Следующие дополнительные элементы позволяют восполнить пробелы:
- Полный отчет об испытаниях в соответствии с ISO 5011 — КПД, начальное сужение, конечное сужение, DHC при номинальном расходе воздуха
- ISO 11155-1 и -2 — эффективность улавливания частиц размером 0,4, 1,0 и 4,0 мкм; адсорбционная способность по толуолу
- Сертификация утечек в обходном контуре — ≤0,11 TP4T в соответствии с ISO 5011, с указанием технических характеристик соединения торцевых заглушек
- Эффективность последующей обработки для электростатических носителей — 70% RH / 24 ч в соответствии с протоколом ISO 16890
- Данные полевой корреляции — соотношение «от лаборатории к производству» у поставщика DHC для целевых регионов деятельности
- Документация, подтверждающая соответствие требованиям RoHS / REACH — необходимо для цепочки поставок в ЕС и, во все большей степени, для внутренних программ производителей электромобилей
Компания HIFINE предоставляет документацию о результатах независимых испытаний по стандарту ISO для всех автомобильных фильтров. Свяжитесь с нами, чтобы запросить технические характеристики.
Стандарты определяют минимальные требования
Стандарты ISO 5011, SAE J726, ISO 11155 и SAE J1691 преследуют одну и ту же цель: обеспечить производителям оригинального оборудования (OEM) и поставщикам единый язык испытаний. В них определены минимальные допустимые эксплуатационные характеристики в контролируемых лабораторных условиях — а не в реальных условиях эксплуатации, с которыми столкнётся ваш фильтр в запылённом климате на высокогорье, при цикле холодного запуска и работе впускной системы при температурах, превышающих расчётные значения.
Характеристики, позволяющие избежать обращений по гарантии, выходят за рамки указанных в технических характеристиках значений. Этот запас прочности заложен на уровне носителя, складок и геометрии — инженерами, которые рассматривают стандарт как исходное ограничение, а не как конечную цель.
