A traktorok levegőszűrő berendezései

A traktorok és önjáró mezőgazdasági gépek többféle szűrőberendezéssel rendelkeznek. A levegőszűrő mellett, hűtőfolyadék-, kenőolaj-, hidraulikaolaj- és kipufogógáz-szűrő berendezéseket is alkalmaznak a mai gépeken. A különböző szűrőberendezések népes családjából most a levegőszűrő berendezésekkel foglalkozunk.

A traktort és az önjáró mezőgazdasági gépet rendszerint póros környezetben üzemeltetik. Az erőgépek dízelmotorjának zavartalan működéséhez szűrt levegőt szükséges biztosítani. A mai korszerű klímaberendezéssel ellátott vezetőfülkés erőgépeken a vezetőtér szellőztetésére szolgáló levegő szűrése is fontos feladat a vezető egészségének megóvása érdekében.

A levegőszűrők legfontosabb jellemzői

A levegőszűrő paramétereinek ismeretére, akkor van szüksége az üzemeltetőnek, ha az eredeti, motorgyártó által előírt szűrőbetét (szűrőberendezés) helyett más terméket kíván alkalmazni és a termékek tulajdonságát össze kívánja hasonlítani.

• A szűrő áteresztőképessége: Q [m³/h], a szűrőn egy óra alatt áthaladó levegő térfogatával (a térfogatárammal) jellemezhető.
• A szűrő kapacitása: a leválasztott pormennyiség tömegével [g] adható meg, amely például a maximálisan megengedhető nyomásesés eléréséhez tartozik.
• A szűrőn létrejövő nyomásesés: (negatív nyomás érték) [bar], vagy [kPa].
• A szűrő hatásfokát (hatásosságát) minőségileg az jellemzi, hogy milyen mértékben szűri ki a szennyező anyagot. Kétféle szűrő hatásfokot különböztetünk meg, abszolút és relatív hatásfokot.

a, Az abszolút szűrő hatásfok: R, úgy definiálható, hogy ez a leválasztott szennyezőanyag és a szűrőbe belépő levegő szennyezőanyag tartalmának tömegaránya, amelyet %-ban is kifejeznek. Ha ismert a szennyezett levegőben lévő porhalmazban egy adott x [μm] nagyságú szemcsék száma az n_xo-t (darabszám) és a megszűrt levegőben lévő ugyanilyen nagyságú szemcsék száma n_xsz-t (db), akkor meghatározható a frakció hatásfok.

b, A relatív levegőszűrő hatásfok (frakció hatásfok): R_fx, megmutatja, hogy x [μm] nagyságú porszemcsék esetében a szemcsenagyság-frakció teljes mennyiségéből milyen arányban, (hány %-át) szűri ki a szűrő az x nagyságú porszemcsék darabszámát.

Szűrési küszöbök:

• Minimális szűrési küszöb: az R_fx= 0,5-höz (50%hoz) tartozó részecske mérete μm-ben. Például az 5,0 μm-res minimális szűrési küszöb azt jelenti, hogy a szűrő az 5,0 μm-es porszemcsék mennyiségének 50%-át szűri ki a levegőből és 50%-át (fele részét!) átengedi.
• Névleges szűrési küszöb: az R_fx=0.95-höz (95%hoz) tartozó részecske mérete μm-ben, ez a legkisebb méretű porszemcse, amelyet a levegőszűrő 95%-ban kiszűr.
• Abszolút szűrési küszöb: az R_fx= 0,995-höz (99,5%hoz) tartozó részecske méret μm-ben, ez a legkisebb méretű porszemcse, amelyet a levegőszűrő 99,5%-ban kiszűr.

A gyártók csak a részletes termékismertetőben adják meg a szűrőre vonatkozó paramétereket, ahol többek között a frakció hatásfok R_fx függése a porszemcse (részecske) x méretétől is elérhető.

A motor levegőszűrő-berendezésével szemben támasztott követelmények

A traktor környezetének porszennyezettsége általában 70÷80%-ban kvarcszemcsékből (SiO₂-ből), 15÷20%-ban szerves anyagokból, valamint néhány %-ban különböző oxidokból (CaO₂, MgO, Fe₂O₃, Al₂O₃) áll. A kvarcszemcsék keménységük és sok élű, csúcsos alakjuk miatt jelentős abrazív kopást okoznak, ha a motorba kerülnek. A belsőégésű motorokban a dugattyúgyűrű-hengerhüvely alkatrészpár károsodik legérzékenyebben a poros levegő hatására. A legnagyobb kopásintenzitást a 10÷15 μm-es nagyságú porszemcsék okozzák.

A levegőszűrő-berendezés áteresztőképessége olyan nagy legyen, hogy a motor maximális fordulatszámá

A traktorok levegőszűrő berendezései

A traktorok és önjáró mezőgazdasági gépek többféle szűrőberendezéssel rendelkeznek. A levegőszűrő mellett, hűtőfolyadék-, kenőolaj-, hidraulikaolaj- és kipufogógáz-szűrő berendezéseket is alkalmaznak a mai gépeken. A különböző szűrőberendezések népes családjából most a levegőszűrő berendezésekkel foglalkozunk.

nál jelentkező levegőmennyiség-igényt kiszolgálja, a levegőszűrő kapacitása pedig illeszkedjen a szokásos traktor karbantartási ciklus intervallum időtartamához, a tervezett maximális értéket ne érje el.

A levegőszűrő áramlási ellenállást fejt ki, amelyet alacsony értéken 1,0-15 kPa (10-150 mbar) célszerű tartani. A betétes szűrők áramlási ellenállása a felfogott por mennyiségének függvényében növekszik. A nagyobb áramlási ellenállás a motor fojtásához, a teljesítmény csökkenéséhez és a hajtóanyag-fogyasztás növekedéséhez vezet.

A mai nagyteljesítményű mezőgazdasági dízelmotorokhoz 5 μm-es névleges szűrési küszöbértékkel jellemezhető levegőszűrőt szokás alkalmazni, de ma már 2 μm-es névleges szűrési küszöbértékű levegőszűrő-berendezés használata is előfordul.

Az is követelmény, hogy a levegőszűrő, illetve a betét megfelelő mechanikai szilárdsággal rendelkezzen, ne horpadjon be és a betét ne szakadjon át, de tömege és mérete (térfogata) kicsi, előállítási költsége alacsony, a karbantartása pedig egyszerű legyen.

Levegőszűrű típusok

A belsőégésű motorokhoz alkalmazott sokféle levegőszűrő három csoportba sorolhatók: a ciklon, a szűrőbetétes mélységi szűrő és a szűrőbetétes mikroporózusszűrő csoportjába.

– Ciklonrendszerű levegőszűrő

A ciklonoknál a forgásba hozott levegőből a centrifugális erő választja ki a porszemcséket sűrűségük alapján, csak előszűrőnek, a durva porszemcsék leválasztására alkalmazzák (1. ábra). A névleges levegőáram esetén a célszerűen kialakított ciklon 10÷15 μm-nél nagyobb porszemcséket 80÷90%-os abszolút szűrési hatásfokkal szűri ki, és az áramlási-ellenállása alacsony, 0,5÷0,8 kPa értékű. Előnyük, hogy karbantartást alig igényelnek, hátrányuk viszont, hogy a szűrés hatásfoka az átáramló levegőmennyiség függvénye (a motor alapjárata esetén nem szűrnek).

– Szűrőbetétes mélységi levegőszűrő

A szűrőbetétes mélységi levegőszűrőnél a szűrőközegen átáramoltatott szennyezett levegő viszonylag hosszú utat (10÷40 mm-t) tesz meg, és a molekuláris erők fogják meg a porszemcséket. Az alkalmazott szűrőanyagok: száraz kivitel esetben nem szőtt textíliák, nemez, szivacs, szinterezett anyagok és nedves (olajos) kialakításnál fémszövetek, fémforgács vagy műanyag szálakból készült betétek.

1. ábra. Ciklonrendszerű levegő előszűrő 1. szennyezett levegő; 2. szűrt levegő; 3. por eltávozás nyílása Forrás: www.donaldson.com

2. ábra. Olajfürdős szűrőbetétes levegőszűrő  Forrás: www.krone-filter.de

A régebbi turbófeltöltő nélküli motor konstrukcióknál használják az olajfürdős, vagy olajtükrös szűrőbetétes mélységi szűrőket (2. ábra). Az olajtükrös légszűrő volt az első igazi, jó hatásfokú légszűrő. Az elérhető névleges szűrési küszöb értéke ennél a szűrőnél 5÷10 μm, az abszolút szűrési hatásfoka 94÷98%, és az áramlási ellenállása 0,6÷1,4 kPa névleges áteresztőképességnél. Hátránya ennek a szűrőnek, hogy csökkenő levegőáram esetén a szűrés finomsága romlik és igen gyakori (150-300 üzemóránként) karbantartást igényel, csak vertikális elhelyezésben használható. A karbantartás a piszkos olaj eltávolítását és a betét (fémszitaszövet, vagy sajtolt fémforgács) gázolajban való kimosását jelenti. Az olajtálcába jelölt nívóig SAE 20W-20, vagy SAE 10W-40 viszkozitási-fokozatú új motorolajt kell tölteni, ha a gyártó mást nem ír elő.

3. ábra.  Mikroporózus levegőszűrő Pleatloc-rendszerű betétekkel Forrás: www.donaldson.com

– Szűrőbetétes mikroporózus levegőszűrő

A járműtechnikában pillanatnyilag ez a leghatékonyabb szűrő, amelynek első változatát az amerikai Donaldson cég 85 évvel ezelőtt dolgozta ki. A szűrő kialakítását számos gyártó átvette, és jelenleg is fejlesztik.

4. ábra. Donaldson PowerCore® levegőszűrés technológia működési vázlata Forrás: www.donaldson.com

A szűrőbetétes mikroporózus levegőszűrőnél alkalmazott betétanyagok vékonyak (0,3÷1 mm) és porózusmérete a szűrendő részecskék nagyságrendjébe esik. A mikroporózus levegőszűrőnél általában „papír” betétet használnak, amelynek alapanyaga cellulóz rostokból felépített, vékony (0,3÷0,8 mm) többrétegű impregnált szűrőanyag. A szűrőanyagot hengeres vagy téglalap alakra hajtogatják úgy, hogy a betétnek nagy legyen az aktív szűrő felülete. Az összehajtogatott betétet papír, fém, vagy műanyag fedéllel és perforált oldal lemezzel, vagy műanyag hálóval fogják közre. Ezeket a betéteket fém-, vagy műanyagházba helyezve építik be a motor levegőrendszerébe. A 80as évek egyik fejlesztésének eredménye a Donaldson cégnél kialakított „Pleatloc^™” speciális hajtogatási eljárás volt (3. ábra). Ennél az eljárásnál a szűrőpapírba nyomott kereszt él távolságtartó funkciót lát el és így megakadályozza a papírredők egymáshoz tapadását, ezért a szűrő teljes felülete kihasználható. A szűrőkapacitása tovább növelhető két szűrőbetét kombinációjának alkalmazásával.

5. ábra. Donaldson PSD jelzésű kombinált levegőszűrő berendezés 1.mikrociklonos előszűrő rendszer; 2. főszűrő PowerCore® betéttel; 3. biztonsági szűrő; 4. szűrőház; 5. részecske eltávolító csőcsonk   Forrás: www.donaldson.com

A Donaldson PowerCore^® technológiánál (4. ábra) az egyik oldalon lezárt és a másik oldalon nyitott papírredők között a falon keresztül valósul meg a szűrés. Az új papírbetétes szűrési eljárásnál tangenciális a levegő áramlási iránya. Előnye, hogy az összehasonlításul szolgáló radiális áramlású betéthez képest a térfogata 1/3-a, de ennek ellenére 3 szoros szűrőkapacitással rendelkezik. A papírbetétes mikroporózusos szűrő szűrőképessége nem függ az átáramló levegő sebességétől. A 99,9%-os abszolút szűrési hatásfok mellett az 1÷2 μm-es abszolút határszemcse-nagyság is elérhető. A mikroporózusos szűrők karbantartása a betét cseréjére korlátozódik.

6. ábra. Donaldson PSD levegőszűrő részecske eltávolító rendszere Forrás: www.donaldson.com

A betét cserére akkor kerül sor, ha a kiszűrt pormennyiség felrakódása miatt a kezdeti 0,5÷1,5 kPa áramlási ellenállás megnövekszik 2÷4 kPa értékre, névleges áteresztőképességnél. A szűrőbetét áramlási ellenállásának növekedését (a nyomásesés váltózását) jelző indikátorokkal követik, a biztonságos betétcsere idejének kijelölése érdekében. A szűrő eltömködését jelző indikátorok mechanikus-, villamos-, és elektronikus kijelzésű differenciális nyomásmérő egységek.

A szűrő kapacitását akkorára méretezik, hogy szokásos körülmények mellett a traktor 500÷1000 üzemórát teljesítsen a szükséges betétcseréig.

– Kombinált levegőszűrő

A magas porkoncentrációjú helyeken üzemelő traktorok esetében kombinált levegőszűrő-berendezéseket használnak. A leggyakrabban használt új típusú kombinált szűrőberendezés kompakt kialakítású, mikrociklonos előszűrővel, mikroporózus szűrőbetéttel és egy második ultra finom porózus biztonsági betéttel rendelkezik (5. ábra). A mikrociklonokkal leválasztott por mennyiséget a kipufogógáz szívóhatásának segítségével lehet eltávolítani a szűrőházból (6. ábra).

7. ábra. Kupos szűrőbetéttel rendelkező új kialakítású levegőszűrők Forrás: www.donaldson.com

A mai korszerű kombinált levegőszűrő berendezéssel 2 μm-es abszolút határszemcse-nagyság biztosítása mellett az abszolút szűrési hatásfok 99,5÷99,9% értékű lehet. A kombinált levegőszűrő áramlási ellenállása viszonylag magas: 1÷4 kPa értékű.

Mikroporózus levegőszűrő fejlesztési irányai

A fejlesztések egy része a szennyezőanyag leválasztásának növelésére vonatkoznak. A hatékonyság növelése érdekében új szűrőanyagot, új szűrőbetét kialakítást, a szűrőházban a szennyezett levegő áramlásának folyamatos fenntartását szolgáló megoldásokat valósítanak meg.

8. ábra. K & N  kereskedelmi minőségű tisztítható légszűrőbetétek Forrás: www.knfilters.com

A fejlesztések másik része a nagyteljesítményű mezőgazdasági gépek üzemeltetése során megnövekedett porszennyezés miatt a szűrőberendezés kapacitásának növelését szolgálják, csökkentett szűrőtérfogat és rendszer súly mellett. Számos új felépítésű szűrőház és szűrőbetét kialakítására (például kúpos betét), alkalmazására kerül sor az elkövetkező években (7. ábra). A fejlesztések természetesen a szűrőberendezés előállítási és karbantartási költségeinek mérséklésére, a szűrőberendezés tartósságának növelése is vonatkoznak.

Vezetőfülke levegőszűrő berendezése

A traktorvezető egészségének megóvása érdekében ultra finom mikroporózus, általában téglalap alakra hajtogatott papírbetétes szűrőt alkalmaznak. A cellulóz rostokból felépített, vékony (0,3÷1,0 mm) többrétegű impregnált szűrőanyag közepén aktív szénréteg van. Ezeket a szűrőket gyakran a légkondicionáló berendezésbe építik be. A papírbetétes szűrő kiszűri a levegőben lévő szilárd szemcséket, polleneket és esetleg bizonyos vegyi anyagokat is. A szokásos betétcserére 1000 üzemóra után kell sort keríteni.

Tisztítható mikroporózus levegőszűrő

A mikroporózus „papírbetétes” szűrők nem tisztíthatók, porral való telítődés esetén cserélni kell. Az utóbbi időben az autótechnikában megjelentek tisztítható mikroporózus szűrőbetétek (8. ábra). Az amerikai K&N Engineering vállalat kereskedelmi minőségű légszűrőbetétei egy új hibrid szűrőközegből épülnek fel, amelyet pamut és szintetikus szálakból, nem szövött technológiával állítanak elő.

A hibrid szűrőközeget egy vastag, felületén porszórt alumíniummal kezelt „lofted” nem szövött szintetikus hordozóból álló huzal fogja össze. Az így megerősített szűrőközeget porfestett acélketrec veszi körül, amelyet öntött uretán (felső vagy alsó rész) lemezek, vagy acéllemezek közé zárnak. A nagy teherbírású szűrőbetétek a szélsőséges hőmérséklet- és nyomásváltozásoknak ellenállnak, ezért alkalmazhatók nagy lökettérfogatú, turbófeltöltős dízelmotorok levegőszűrő berendezéseinél is.

A kiszerelt szűrőbetétek tisztítását a gyári tisztítófolyadékkal való bepermetezés után, kisnyomású vizes mosással és ezt követő levegőszárítással végzik. A motor levegőszűréséhez készült szűrőbetétek kamionokban 500 ezer km út megtételig, a kabin levegő szűrőbetéteit 10 évig lehet használni. A közeljövőben mezőgazdasági gépeknél is várható a tisztítható mikroporózusszűrő betétekkel kialakított levegőszűrő berendezések alkalmazása.

Dr. Varga Vilmos

SZIE Gépészmérnöki Kar, Járműtechnika Tanszék