Горивни филтри за строителни машини

Стриктните екологични изисквания, движението към енергийна сигурност и устойчивост и появата на нови „зелени“ инициативи оказват значително въздействие върху индустрията за производство на горива. Премахването на сярата от традиционните дизелови горива за получаване на по-чисти горива, вкл. за строителни машини, както и внедряването на биогорива от нефосилни горивни източници, водят до нови предизвикателства за филтрирането на твърди частици, вода и органични замърсители. В допълнение, новоконструираните двигатели на строителни машини, разработени да отговарят на екологичните изисквания, се нуждаят от по-високи нива на чистота на горивото. За производителите на горивни филтри е предизвикателство да конструират системи, които да поддържат необходимото ниво на филтриране при реални работни условия.

В исторически план горивните филтри са били оценявани, използвайки стандартни лабораторни тестове, които не отразяват непременно реалните условия на работа, където цикличният поток и вибрациите са често явление. Съществува, също така, и тенденция към гъвкави горивни системи, която помага на производителите да интегрират много функции в един горивен филтърен модул. Модулният дизайн е икономически ефективен за предоставяне на разнообразни характеристики, което дава възможност за индивидуализиране на горивната филтрираща система.

Напредъкът в технологията за филтриране на горива зависи много от тяхното естество. Дизеловото гориво еволюира от такова с високо съдържание на сяра към гориво с ниско съдържание на сяра и понастоящем – към гориво със свръхниско серно съдържание (ULSD). В САЩ и Европа повишеното желание за петролна независимост и инициативите за „зелена“ енергия способстват за въвеждането на биодизелово гориво от растителни масла и животински мазнини. Последните научни изследвания са съсредоточени и върху морските водорасли и други биопроцеси за производство на биогорива. В недалечно бъдеще дизеловото гориво със свръхниско серно съдържание (ULSD) и смесите от ULSD и биодизел ще оказват голямо значение на пазара за дизелово гориво, вкл. за строителни машини. Същевременно, филтрирането на горивото трябва да отговаря на повишените изисквания за чистота, за да защитава двигателя и неговите компоненти от износване и повреди. По този начин промените както в горивата, така и в двигателите, водят до ново ниво на сложност за филтриране, включително изисквания за филтриране на по-фини частици и нуждата от редуциране или елиминиране на дребни водни капчици. Филтрирането се усложнява допълнително от повишаване съдържанието на органичните замърсители в дизеловите горива. Тенденциите са към увеличаване на използването на алтернативни горива и нуждата от интегриране на повече характеристики и функции в горивните филтриращи системи. Разбирането на ограниченията при филтрирането на горива, както и новите нужди на тази индустрия, създават възможност за посрещане на предизвикателствата посредством иновативна технология.

Емисионните изисквания предизвикват промени в горивата
Измененията в емисионните изисквания продължават да са причина за значителни промени в конструкцията на дизеловите двигатели, вкл. и за строителни машини. Развитието на филтрирането е фокусирано върху изпусканите емисии, включващи твърди частици, азотни оксиди (NOx), въглеводороди и въглероден оксид. Например, твърдите примеси в атмосферата (PM) и NOx емисиите се контролират частично чрез повишени налягания в горивните дюзи, многократни впръсквания и контролирани температури на изгаряне. Наляганията в дюзите са повишени от 1000bar през 80-те години на миналия век до 2500bar в наши дни като ще достигнат 3500bar през следващите няколко години. Тези увеличени налягания изискват редуцирани компонентни клирънси от порядъка на 2-5μm, като така се поставят повишени изисквания към чистотата на горивото. Освен това, се изисква използването на каталитични контролни системи за намаляване на NOx and PM емисиите. За да се улесни работата на тези контролни системи, серното съдържание на дизеловото гориво трябва да се намали като се използват ULSD горива.

Замърсители в горивата
Замърсителите попадат в горивата по различни начини от производството до използването им. Филтрирането на дизеловото гориво датира от най-ранните инсталации на дизелови двигатели. Въпреки че емисионните стандарти довеждат до премахване на сярата от днешните дизелови горива, твърдите частици, водата и органичните замърсители остават. Филтриращата система за дизелово гориво на строителните машини защитава двигателя и осигурява ефективната му работа за по-дълги експлоатационни периоди.

Филтриране на твърди частици
Твърдите частици в дизеловото гориво за строителни машини включват прах от пътищата, ръжда от двигателя или частици от износването му и всички други твърди частици, които могат да причинят повреда на двигателя и сериозни проблеми със системата за впръскване на гориво. Степента на повредата зависи от размера, формата, твърдостта и понякога от химичния състав на частиците. Замърсяването на горивната система с твърди частици става по няколко начина. Един от тях е самото гориво. Друг източник на замърсяване е през вентилационния отвор на резервоара като при спадане на нивото на горивото навлиза външен въздух. Освен това, остатъците, получени при износване на горивната система, са също източник на твърди частици.

При филтриране на твърди частици коефициентът Beta e количествен начин за определяне на филтърната ефективност, за да бъде предпазено горивото от тяхното вредно износващо действие. Beta коефициентите, дефинирани като отношението на броя на частиците на входа на филтъра към броя на частиците на изхода на филтъра при определен размер на частиците, са често пъти недостатъчна мярка, за да се оцени работата на горивните филтри. Beta коефициентите се получават чрез стандартизирани тестове с многократно преминаване на гориво през филтъра, докато в общия случай филтрирането на горивото от горивната система на строителната машина се извършва при едно единствено преминаване. ISO нивото на чистота на горивото при дюзата е един подобрен метод за измерване ефективната работа на филтъра.

Обикновено филтърните среди за твърди частици включват, но не се ограничават до целулоза, стъкло, смеси от целулоза и стъкло, композити, основани на целулоза, и нетъкан полиестер. В наши дни твърди частици значително по-малки от 4μm могат да доведат до нежелано износване, предизвиквайки границите на измервателните възможности. Тези фини частици-замърсители изискват както нова филтрираща технология, така и съответстващ системен подход за успешното им премахване от дизеловите горива. С наличната филтрираща технология може вече да не е практично да се разчита само на горивните филтърни системи на строителните машини, а да се извършва филтриране на фини частици и във всяка трансферна точка, от производството на горивото до бензиностанцията.

Вода в горивото
Водата в дизеловите горива може да причини корозия и механично износване на частите на двигателя, влошаване на мажещите свойства на горивото, кавитация на горивната помпа, натрупване на отлагания в горивните дюзи и задръстване на горивните филтри. Тя също допринася за нестабилност на горивото и създава среда за бактериален растеж. Водата в горивата може да бъде открита под формата на свободна вода, разтворена вода и водна емулсия. Когато повече вода попадне в горивото по време на неговото съхранение, транспортиране, изпомпване и кондензация, свободна вода може да бъде открита на дъното на резервоарите поради разликата в плътността между горивото и водата. Свободната вода и водната емулсия могат да бъдат ефективно премахнати от горивата, а значителното количество разтворена вода може да бъде потенциална заплаха за двигателите. Световната харта за горивата препоръчва максималното съдържание на вода да бъде по-малко от 200ppm. Замърсяването с вода на горивната система на строителните машини се осъществява по същите начини, както при замърсяването с твърди частици.

При горивата със свръхниско серно съдържание (ULSD), липсата на естествени лубриканти трябва да бъде компенсирана със специални присадки за защита на движещите се части на двигателите, които се смазват чрез горивото. Тези присадки с мажещи свойства увеличават повърхностноактивните свойства на горивото, които от своя страна имат нежелан ефект за увеличаване на стабилността на водните капчици в горивото. Филтрирането на тази водна емулсия е по-предизвикателно, отколкото отстраняването на по-големите капки в горивата с нискосерно съдържание (LSD). При вода в горивото междуповърхостното напрежение (IFT) е мярката за афинитета между водата и горивото. По-ниската стойност на IFT представлява по-висок афинитет като водата е по-трудно да се отдели от горивото. Размерът на водните капчици в горива с различни междуповърхностни напрежения (IFT) е във функция от водната концентрация. При по-ниски IFT средният размер на водните капчици става все по-малък и следователно се отстраняват по-трудно. При по-високи IFT размерът на капчиците се увеличава с увеличаване на водната концентрация. Обаче, тази тенденция не се запазва при стойности на IFT по-ниски от 10mN/m, при които емулсията е достатъчно стабилна, за да се предотврати по-нататъшно съединяване на водни капки. Това е вярно дори при повишени водни концентрации. Тези стабилни емулсии „вода в гориво“ правят традиционните сепарационни среди гориво/вода неефективни, такива като водоотблъскваща целулоза и целулозни композити. Тези среди се проектират за горивна и груба водна филтрация с относително висока IFT, където емулсионната стабилност не е от съществено значение.

Органични замърсители
Органичните замърсители могат да бъдат меки, лепкави или тинести по природа. Те могат да се образуват по естествен път или в резултат на влошаване качествата на горивото на строителните машини. Тези замърсители не са добре дефинирани, обаче могат да бъдат съединения, срещащи се в природата, крайни продукти на горивна оксидация чрез термично натоварване, вторични продукти от взаимодействието на горивни присадки с горивни компоненти, материали тип „ябълково желе“, имащи връзка със замърсяването на водата, или смес от всички тези явления. Лесно може да се забележи, че типът на горивото има значително влияние върху морфологията и структурата на органичните замърсители.

Органичните замърсители в ULSD горивата могат да доведат до преждевременно запушване на горивните филтри. Освен това, те могат да повредят еластомерните уплътнения на горивните филтри и следователно да съкратят техния живот. С повишаване на температурата на горивото и при контакт с метални повърхности оксидацията става все по-проблематична, образувайки органични киселини, които могат да предизвикат корозия на двигателя. При по-нататъшна оксидация могат да се образуват и органични утайки. В резултат на това горивните филтри за строителни машини могат да бъдат задръстени преждевременно и горивните дюзи могат да бъдат замърсени или запушени. За да се предотврати това, се използват стабилизатори на горивото. При условия на термично натоварване на горивото, обаче, други замърсители на горивото могат да съществуват съвместно като източник на оксидация и да редуцират ефективността на антиоксидантните присадки.

При биодизела горивната оксидация се свързва със скоростта на реакция на молекулите на горивото с кислорода посредством механизъм, иницииран от свободни радикали. Това е важно, тъй като крайните продукти на оксидацията могат да съдържат меки, лепкави частици, които могат да се прилепят към горивните филтри и двигателните компоненти. Индукционният период на оксидация се използва като стандарт за количествено изразяване на оксидационната стабилност на горивото. Колкото по-дълъг е индукционният период, толкова по-устойчиво е горивото на оксидация, когато е изложено на кислород или въздух. Когато биодизелът се смесва с ULSD гориво индукционният период намалява с увеличаване на съотношението биодизел/ULSD в сместа. Забелязано е, че оксидационната стабилност на горивото не винаги е във връзка с образуването на твърди замърсители, които предизвикват задръстване на горивните филтри, обаче, подобрената оксидационна стабилност предотвратява образуването на отлагания и увеличава надеждността и експлоатационния живот на двигателите и филтрите за строителни машини.

Горивни филтриращи системи
Горивните филтри са най-разнообразни, както и строителните машини, в които се използват. Навиващите се (Spin on) филтри се използват най-често, обаче, новите глобални изисквания променят желаните конфигурации на пазара. Ефективното филтриране на гориво за съвременните дизелови двигатели на строителни машини най-общо се състои от два филтъра, първичен и вторичен. Горивният филтър (процесор) PowerCore на Donaldson e един пример за това, което може да се очаква от бъдещето. За приложения, където се изискват два отделни филтъра – първичен на смукателната страна на трансфериращата помпа и вторичен на страната под налягане, компанията Donaldson е разработила филтърна система за гориво, която интегрира двата филтъра в един, като по този начин намалява общата цена на сменяемия елемент. В допълнение, електрическа трансферираща помпа може да се добави към системата, позволяваща по-голяма гъвкавост при монтиране на този комплект във вече препълненото двигателно отделение. Могат да бъдат добавени допълнителни характеристики, ако е необходимо, включващи сензор за вода, автоматичен или ръчен дренажен кран, сензор за налягане и индикатор за експлоатационния живот на филтъра.

Първичните филтри се използват най-често на смукателната страна на горивната трансферираща помпа. Това разположение позволява защита на помпата, като едновременно с това има по-добри условия за сепариране на водата, преди помпата да превърне в емулсия горивно-водната смес. Типичните стойности за първичните филтри на смукателната страна са в широк обхват. В зависимост от строителната машина, двигателя и работната среда първичните филтри обикновено имат класификация на ефективност от 7μm до 25μm. Това се постига чрез използване на целулозна среда или целулозна композитна среда за по-големи капацитети на замърсяване.

Водата се отстранява от горивото като се използва механизъм на разделяне. Филтърната среда, която отстранява водата, се отнася като водоразделител. Тя е обикновено или естествено водоотблъскваща или хидрофобно третирана с химични вещества. Такава среда е налична на практика като нетъкан полиестер и силиконова импрегнирана целулоза. Водният сепаратор е филтър, който отделя водата, позволявайки й да премине през филтърната среда, където капчиците се захващат и комбинират за формиране на по-големи капки, които след това се освобождават след филтъра. Водните сепаратори обикновено се състоят от малки по размер стъклени влакна с повърхностни качества, позволяващи ефикасно хващане на водните капчици, тяхното нарастване и освобождаване. Многослойните сепариращи среди са често срещани. Тъй като водните капчици в горивата с ниски междуповърхностни напрежения образуват по-устойчиви емулсии, разделителите могат да станат неефективни и да не постигат необходимото филтриране на водата.

Вторичните филтри се монтират между трансфериращата помпа и помпата за високо налягане. Тези филтри защитават помпата за високо налягане и чувствителните инжекционни компоненти от частици, които могат да предизвикат износване. Типичните стойности за вторични филтри в common rail горивни системи с високо налягане са в обхвата 4-5 μm. Ново предизвикателство за производителите на горивни филтри е конструирането на системи, които запазват филтриращите характеристики при реални работни условия. В исторически план филтрите са били оценявани, използвайки стандартни лабораторни тестове, които не отразяват непременно реалните условия, където цикличният поток и вибрациите са често срещани явления. Тези условия могат да влошат работата на горивния филтър, причинявайки проникване на твърди частици във филтъра и повторно замърсяване на горивото, преди то да бъде инжектирано. Степента на проникване на твърди частици зависи от честотата на цикличния поток, типа на филтърната среда и броя на частиците, които вече са попаднали във филтърната среда. Това проникване се увеличава значително при вибрации.

Компании-произвoдителки на горивни филтри
Един от лидерите на пазара Cummins Filtration предлага необходимите продукти за поддръжка и защита на съвременните горивни системи, вкл. и за строителни машини, като пълнопроточни и байпасни горивни филтри, горивни процесори, присадки и анализ на горивата. Горивните филтри Fleetguard имат отлични характеристики, използвайки патентованите StrataPore или NanoNet филтърни среди, които премахват вредните замърсители. Приятелски настроеният към потребителя Fleetguard филтър e конструиран от авангарден композитен материал, за да издържа на механични повреди и такива вследствие на влиянието на околната среда. Филтърната среда StrataPore осигурява дълъг експлоатационен живот и висока степен на защита. NanoNet средата представлява скок в защитата срещу най-фините частици-замърсители, които могат да повредят двигателите на строителните машини. Нейната способност за отстраняване на фините вредни замърсители и водата от горивото осигурява стабилна защита на оборудването по време на работа и намалява непланираната поддръжка, предоставяйки гориво с ниво на чистота ISO 12/9/6, предложено от производителите на горивни инжекционни системи.

Donaldson произвежда висококачествени горивни филтри с различни видове филтърни среди. Една от тях е Synteq XP™, специално разработена да посрещне новите предизвикателства на съвременните горива. Synteq XP™ е предназначена за Tier 4 двигатели, вкл. за строителни машини, и предлага цялостно ново ниво на филтриране, защитавайки по-ефективно двигателя и системните компоненти. Освен това, експлоатационният живот на горивните филтри се удължава от 2 до 3 пъти в сравнение с традиционната филтърна среда. Налични са конфигурационни опции за универсални и по-малки горивни филтри за вторично филтриране. Нанофибърната филтърна среда Synteq XP™ предлага по-добро премахване и по-добро задържане на замърсителите с по-малки размери при ежедневните динамични работни състояния на двигателите на строителни машини.