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Mientras los aceites, combustibles y refrigerantes para los motores de combustión interna cada vez son desarrollados con un mayor grado de pureza o refinación, el aire de admisión se encuentra en una fase de incremento en el grado de contaminación. Polvo, hollín, humos, vapores y otros contaminantes sólidos y gaseosos en mayor grado admisionan hacia los filtros en los motores a gasolina y diesel. Indudablemente, en la carrera de la contaminación del aire en las grandes urbes, se mejora el ambiente en carretera, estas reciben la mejora estructural con más extensiones pavimentadas que redundan en un mejoramiento sustancial al eliminar el acceso de polvo de las vías destapadas.

Los vehículos, igualmente reciben nuevas tecnologías en el sistema de admisión; ciclones, pre-filtros, filtros con nanofibras, carcasas con diseños para redireccionar el contaminante grueso y minimizar el ruido; inclusión de materiales mas resistentes a la abrasión, nuevos sistemas de filtración de aire, turbo alimentadores de velocidad variable, sensores para el oxigeno, temperatura, posicionamiento de componentes, velocidades y válvulas para los gases del carter

Una labor en Pro de mejorar el ambiente en el planeta da buena cuenta de las acciones en el rediseño de los motores, el control de los contaminantes en el aceite, combustible y los refrigerantes, y la innovación en los filtros, la admisión y los sistemas de filtración en los motores diesel.

En este boletín hemos incluido temas interesantes alrededor de los filtros y la filtración del aire en los motores. Esperamos, al finalizar la lectura de este compendio afianzar el conocimiento de nuestros clientes y usuarios de los filtros en temas de importancia como lo es el sistema de admisión y filtración del aire en los motores de combustión interna Diesel.

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Res. No. 10168 de laSuperintendencia

de Industria y Comercio18 de Mayo de 2004

PRODUCCIÓN Y COMERCIALIZACIÓN DE FILTROS PARA ACEITE, COMBUSTIBLE, AIRE Y REFRIGERANTES PARA APLICACIÓN EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Res. No. 3493 del 18 deFebrero de 2003 Res.No. 10168del 18 de Mayo de 2004 de laSuperintendencia de Industria

y Comercio

1. FILTROS PARA AIRE EN MOTORES DIESEL 1.1. LA NECESIDAD DE ALIMENTAR Y FILTRAR EL AIRE EN UN MOTOR DIESEL2. CARCASAS Y PREFILTROS 2.1. CARCASAS 2.2. PREFILTROS3. FILTROS PARA AIRE 3.1 LOS FILTROS, SUS MATERIALES Y EVOLUCIÓN 3.1.1.FILTROS DE MALLA HUMECTADA Y EN BAÑO DE ACEITE 3.1.2.FILTROS DE AIRE TIPO SECO 3.1.2.1 FILTROS AXIALES 3.1.2.2. FILTRO DE PANAL 3.1.2.3. FILTROS RADIALES 3.1.2.4. FILTROS INTEGRALES CARCASA-FILTRO 3.1.2.5 FILTROS DE MULTICELDAS TIPO PANAL4. LOS MEDIOS FILTRANTES EN LOS FILTROS DE AIRE SERVICIO PESADO5. PRUEBAS Y ENSAYOS A LOS MEDIOS FILTRANTES

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1. FILTROS PARA AIRE EN MOTORES DIESEL

1.1. LA NECESIDAD DE ALIMENTAR Y FILTRAR EL AIRE EN UN MOTOR DIESEL

Un motor diesel requiere grandes cantidades de aire, mas de 8000 litros de aire por cada litro de combustible que se quema en las cámaras de combustión. El aire que toma el sistema de admisión del motor diesel es el aire del ambiente, que en ocasiones esta cargado de polvo, mosquitos, hojarasca, polen, humos, hollín, y otros contaminantes sólidos

Los modernos motores se diseñan con el mínimo de tolerancias para lograr el máximo desempeño y relación peso-potencia; entre menor sea la holgura entre los anillos y el cilindro del motor, mayor la fuerza de empuje lograda. Para mantener estas finas tolerancias un motor requiere operar con aceites, combustibles y aire en condiciones de máxima limpieza.

Lograr que el aire que ingresa las cámaras de combustión posea una especificación de limpieza que permita proteger y alimentar el motor en las condiciones exigibles para las tolerancias y rendimientos diseñados y

desarrollados para esta motorización, es función de componentes, prefiltros, carcasas y filtros dispuestos en el sistema de admisión de aire.

Los motores diesel modernos usan carcasas y filtros para aire tipo seco con unos niveles de eficiencia que llegan hasta el 99.99%, direccionando, aislando y reteniendo los contaminantes presentes en el aire antes de su ingreso a las cámaras de combustión.

Asegurar la mejor relación peso potencia, implica disponer del caudal de aire necesario para una combustión completa. La potencia disponible del motor puede brindarnos los requerimientos de flujo de aire para la combustión. El calculo:

Capacidad de aire en pies cúbicos por minuto (cfm) = Potencia en Hp X 2.5 Fig. 1 carcasa-filtro Motor diesel

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Así, un motor de 300 caballos de fuerza requiere mínimo 750 pies cúbicos de aire por minuto para asistir la combustión de manera eficiente

Cuando se ha dispuesto un filtro con una capacidad inferior a los requerimientos del motor, pueden ocurrir los siguientes eventos:

Se restringe el flujo de aire y se reduce la potenciaFrente a una succión elevada para la capacidad de admisión se potencia la entrada de aire sucio por juntas y empaquetadurasPor falta de aire en la combustión se eleva la generación de hollín y por consiguiente se taponan prematuramente los filtros de aceite y se causan desgastes prematuros en anillos, casquetes y cilindros.Se aumentan los mantenimientos a los filtros con aire comprimido con una alta probabilidad de ruptura del medio filtrante.

Las carcasas y filtros de aire se diseñan dependiendo del equipo, el servicio o el tipo de trabajo, el espacio disponible, el tiempo de operación y la durabilidad del filtro.

Las carcasas de los filtros de aire pueden ser diseñadas para filtros de sello axial (Fig. 2 a) o para filtros de sello radial (Fig. 2 b). Hoy en día, se han

incorporado un sinnúmero de referencias de sello radial en los motores diesel. Sus ventajas en la hermeticidad permiten reducir las probabilidades de daño en los sellos que generan los empaques de caucho espuma usados normalmente en los filtros de sello axial.

Las carcasas de filtros de aire para motores diesel (ver figura 3) están diseñadas para condiciones de trabajo liviano, mediano o pesado; con sistema de flujo de admisión normal, es decir, en el filtro el flujo de aire es de afuera hacia dentro o en sistema de flujo contrario, en el filtro de adentro hacia fuera.

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2. CARCASAS Y PREFILTROS

2.1. CARCASAS.

Figura 2 Filtros de sello axial y sello radial

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Así mismo, filtración de una etapa (un solo filtro) o de dos etapas (dos filtros) axiales o radiales; con carcasa metálica o plástica; con

sistema de difusor y aletas para disponer o no de expulsores o colectores de polvo; de forma cilíndrica, cónica, semi-rectangular o de

forma irregular.

En algunos casos las carcasas y los filtros vienen en una sola unidad, para el caso cuando usted cambia la unidad filtrante de igual manera cambia la carcasa. Para otros casos las tapas de los filtros vienen adaptadas para constituirse en una pieza mas de la carcasa, es decir la inferior del filtro es la tapa de la carcasa.

Cuando existen condiciones extremas de contaminantes, especialmente en equipos dispuestos fuera de carretera como equipo agrícola, de minería, construcción o de movimiento de tierras, es usual que la tierra o polvo ingrese en grandes cantidades al sistema de admisión y el filtro de aire se tapone rápidamente. En estos casos es importante considerar las siguientes opciones:

Figura. 3 Tipos de carcasas para filtros de aire tipo seco

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Uso de carcasas de trabajo pesado con sistema de caja y colector de polvoUso de pre-filtro de aire con sistema de turbina dinámica o ciclónUso de pre-filtro como elemento protector adicional al filtro de aire.

Carcasas de trabajo pesado con sistemas de caja, ciclón y colector de polvo pueden ser adaptadas o cambiadas en equipos en operación de alta contaminación. Tal elemento puede llegar a reducir en mas de un 85% la contaminación que llegue a la unidad filtrante.

2.2. PRE-FILTROS

El uso de pre-filtro con turbina dinámica puede repeler partículas contaminantes de granulometría gruesa por centrifugado hasta en un 95% lo que hace una muy buena opción. Combinar esta medida con pre-filtro en el filtro de aire o la adaptación de carcasas para condiciones de alta contaminación puede llegar a extender aun mas los periodos de mantenimiento y cambio de filtros de aire. Estas prácticas han llegado a prolongar los periodos de cambio de filtros hasta diez veces en equipos que operan o transitan en áreas altamente cargadas de polvo o contaminantes.

Los pre-filtros como elementos protectores al filtro de aire, son

bandas de medios filtrantes no tejidos que en condiciones de trabajo de alta contaminación, en áreas polvorientas o trabajos de minería o construcción de túnel resguardan al filtro de una exposición directa de tierra o material contaminante grueso.

Estas prácticas no son necesarias en vehículos de pasajeros o transporte en carretera, pues su efecto no aporta sustancialmente una mayor durabilidad del filtro, a menos que tales vehículos transiten de manera permanente en carreteras destapadas y/o polvorientas, u operen en canteras, cementeras o en construcción o mantenimiento de carreteras.

Fig. 4 Pre filtros con turbina dinámica

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3. FILTROS PARA AIRE

3.1 LOS FILTROS, SUS MATERIALES Y EVOLUCIÓN

3.1.1. Filtros de Malla Humectada y en Baño de Aceite

Los primeros motores diesel, no usaban filtros de aire, permanentes fallos se presentaban en estos motores donde las partículas contaminantes alcanzaban la cámara de combustión, generando abrasiones en pistones, anillos y paredes de los cilindros con consecuencias que iban desde la pérdida de potencia del motor hasta el temido gripado. Con el invento de los primeros filtros de aire a mediados de los años treinta, se consiguió aumentar el intervalo de servicio hasta los 4.000 km. El éxito del motor de combustión es difícil de imaginar sin los filtros de aire, desde los primeros filtros de aire de malla impregnados de aceite de los años treinta hasta los actuales módulos completos de admisión.

Estos filtros de aire de malla humectada de aceite compuestos de un material de alambre dentro de un compartimiento metálico estaba basado en flujos físicos: la malla de acero estaba impregnada con aceite del motor donde se adhería el polvo y las partículas contaminantes que en el mejor de los casos apenas llegaban a una eficiencia del 45%.

Ante la exposición a altos grados de contaminación había que desmontar estos elementos de filtro con regularidad para limpiarlos con disolventes y volver a impregnarlos de aceite.

Aparecen cambios y adaptaciones en los diseños de estas carcasas con mallas humectadas de aceite llamados “filtros de aire en baño de aceite” que logran superar las expectativas y requerimientos de los motores en su momento pasando al 75% de eficiencia hasta aquellos que combinando materiales sintéticos no tejidos han podido llegar hasta un 94% de eficiencia en años recientes.

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3.1.1. Filtros de Aire Tipo Seco

3.1.2.1 Filtros Axiales

Con mejoras a los motores de combustión interna y de manera simultánea nacen en 1953 los primeros filtros tipo seco de papel, sustituyendo a los existentes filtros en baño de aceite de malla y fibras sintéticas.

Ya para 1957, los nacientes filtros de papel toman forma de plegado a manera de acordeón convirtiendo este medio en el material ideal para la

fabricación de los filtros para aire en los sistemas de admisión de los motores, material que hasta el día de hoy se mantiene como estándar de fabricación.

Con el desarrollo de los medios filtrantes plegados aparecen diferentes clases de filtros y sistemas de admisión de aire con filtración de una y dos etapas, innovaciones tecnológicas en las carcasas de admisión e inclusión de pre filtros y ciclones.

Los filtros axiales de papel plegado de una etapa marcaron la eficiencia en los motores pesados diesel en reemplazo de los filtros en baño de aceite.

Estos filtros con una eficiencia de mas del 99% han venido incorporando cambios en su estructura como inclusión de tapas-carcasa de diferentes formas, incluyendo excéntricas con muescas de ajuste; filtros secundarios o de seguridad para una filtración de dos etapas, sistemas de entrada con aspas en la carcasa o difusores con aletas en el filtro primario.

Esta filtración en vehículos diesel pesados se acompaño de carcasas con ciclón o sombreretes, def lectores obl icuos en la admisión con compartimientos guardapolvo, extractores de polvo, ciclones con turbina dinámica, entre otros.

En la filtración de dos etapas, algunos filtros se construyeron sobre una brida con tornillos asegurados al flanche del filtro secundario. Estos tornillos se encontraban en la carcasa o en el filtro.

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El sistema el aire admisionaba a través de un sombrerete, ingresando a

unas aspas a la carcasa del filtro que fuerza al cambio de dirección y velocidad y con este

efecto las partículas gruesas caen por gravedad a un colector de polvo para ser retirados posteriormente con el mantenimiento.

En aquellos sistemas de dos etapas sin brida para montaje en filtros de sello axial, las carcasas generalmente disponen de una estructura metálica con tornillo para sujetar tanto el filtro primario como el filtro secundario. Para estos casos los filtros disponen de un orificio de montaje con empaque de sello y las carcasas vienen con tornillos tipo mariposa para la respectiva instalación.

Los filtros interiores o de seguridad han sido integrados a los filtros primarios en medios de superficie de papel plegado o en medios de profundidad con felpas, nonwomens u otros materiales no tejidos.

Estos filtros de una porosidad abierta tienen su función en proteger ante eventuales fallas de sello o rotura de los medios filtrantes primarios. Aunque su filtración es de baja eficiencia con alta capacidad de flujo permite brindar condiciones para preservar los equipos ante desgastes prematuros, efecto espejo en anillos y cilindros o el temible gripado de los motores diesel.

Algunas aplicaciones de motores diesel llevan filtros de aire tipo panal, estos filtros instalados en una caja de admisión reciben directamente el aire sobre una cara. Por su diseño estos filtros usualmente contaban con una gran cantidad de área filtrante para disponer de una alta capacidad de flujo requerida por el motor en su operación. Locomotoras y equipo marino opera con este tipo de unidades filtrantes, en diferentes anchos y formas.

3.1.2.2. Filtro de Panal

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3.1.2.3. Filtros Radiales

Con el desarrollo de materiales como el plastisol, utilizado de manera generalizada en los filtros de aire carburador para los vehículos livianos; se desarrollan resinas sintéticas y poliuretanos que reemplazan los materiales de lámina de las tapas de los filtros axiales en los filtros de trabajo liviano y pesado. Este tipo de materiales buscaba mejorar los sellos de los filtros en las carcasas y con ello mejorar la eficiencia a niveles que llegaban hasta el 99,98%.

Con el uso del poliuretano en los filtros de aire liviano y pesado, comienza la era de los filtros de sello radial interno y externo, que en algunos casos llegan a incluir sellos axiales integrados. Esta nueva era marcó un sello hermético que ha colocado al máximo de eficiencia los filtros para aire de trabajo pesado.

Estos filtros de sello radial se incorporaron en los vehículos diesel en sistemas de filtración de una y dos etapas bajo los mismos principios de la filtración de filtros axiales incluyendo accesorios como sistemas de ciclón con turbina dinámica en ambientes de alta contaminación, admisión con aspas para manejo de contaminantes gruesos al ingreso de la carcasa, instalación de sensores de restricción, colectores de polvo, válvulas de extracción de polvo, entre otros.

Gran variedad de carcasas son dispuestas en los vehículos pesados diesel para integrar gran variedad de filtros en diferentes tamaños, formas, sellos y sistemas de filtración.

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3.1.2.4. Filtros Integrales “Carcasa-Filtro”

3.1.2.5 Filtros de Multiceldas Tipo Panal.

Algunas unidades filtrantes con resina sintética o poliuretano rígido son fabricadas

en una sola unidad carcasa-filtro. Con un sistema de admisión directa del aire hacia el filtro, este tipo de carcasa-filtro recibe gran cantidad de contaminante que queda almacenado al interior de la carcasa-filtro. Es importante considerar la eficiencia de los sellos en los conectores de estos filtros a la admisión. Deficiencias en los mismos pueden llegar a inutilizar la función de retención de contaminantes del filtro.

En la carrera de mejorar los sistemas de filtración de aire para los motores de alta gama, los fabricantes de los mismos han incluido en estos vehículos nuevas unidades filtrantes, con un diseño del tipo multi celdas de panal. El flujo de aire ingresa directamente a las celdas orientadas longitudinalmente con el mínimo de restricción, aumentando la capacidad de filtración en estos filtros frente a los anteriormente descritos. En sus celdas acanaladas el aire traspasa el medio filtrante reteniendo gran cantidad de contaminantes en cada uno de sus compartimientos aumentando con ello su eficiencia al 99,999% de una manera sencilla y flexible en sus múltiples celdas y capas en una estructura ecológica. Los medios filtrantes utilizados en esta clase de filtros son medios semi sintéticos con inclusión de nano fibras que permiten retener partículas diminutas sin afectar sustancialmente la perdida de carga o flujo de aire hacia las cámaras de combustión del motor.

Estos filtros en su carcasa disponen de un filtro de seguridad, tipo platillo, ante

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posibles fallas en los sellos o estructuras de los filtros después de un mantenimiento de las mismas. Para efectos de su mantenimiento se recomienda un golpeteo con un mazo de goma o sobre una espuma de poliuretano que obligue al material acumulado en cada canal o celda a evacuarse por gravedad; luego con una pistola de aire, como la dispuesta en el vehiculo sopletear a baja presión en el sentido inverso del flujo hasta retirar al máximo el material retenido.

Diferentes formas de carcasas y filtros vienen incorporándose a este nuevo sistema de filtración en diferentes aplicaciones de equipo de transporte y maquinaria o equipo fuera de carretera, especialmente para aquellos que operan en ambientas altamente contaminados. Al igual que otros sistemas aquí descritos se incorporan equivalentes accesorios como complementos al sistema de admisión.

El papel plegado ha venido evolucionando en la composición de sus fibras y las resinas que lo conforman. La celulosa como elemento base de la fabricación del medio se mejora en sus procesos de transformación y estructura. La adición de material sintético, la disposición y procesamiento de las fibras, la inclusión de las nano fibras y el mejoramiento de la tecnología para la fabricación de la hoja del medio filtrante ha puesto a disposición de los fabricantes de filtros materiales con alta capacidad de flujo y máxima eficiencia requeridos para los modernos motores diesel que hoy alternan con la electrónica, la tecnología de inyección de combustible, los sistemas eficientes de admisión de aire y sistemas avanzados de filtración en el escape para reducir el impacto negativo al ambiente por emisiones.

Los medios filtrantes a base de celulosa con resinas del tipo vinílico ó acrílico, con resinas retardantes de flama, ó resinas AD-plus ó resinas fenólicas han sido las mas utilizadas en los filtros para aceite, combustible y aire de servicio pesado.

4. LOS MEDIOS FILTRANTES EN LOS FILTROS DE AIRE SERVICIO PESADO

FILTRO DE AIRE FILTRO DE ACEITE FILTRO DE COMBUSTIBLE

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Los medios filtrantes semi sintéticos han venido mejorando la eficiencia y durabilidad de los filtros para aire en los vehículos pesados y en los equipos estacionarios, marinos e industriales, sus características han permitido combinar la celulosa con finos hilos sintéticos que le dan una apariencia de “telaraña” que atrapa material contaminante muy fino (de 2 a 5 micras) sin perder su capacidad de flujo en la admisión del aire. Algunos equipos disponen de expulsores de aire que operan periódicamente para desincrustar el material contaminante atrapado y así mantener una capacidad de filtración activa.

Es usual que se usen resinas vinílicas y acrílicas en medios filtrantes para aire servicio pesado de color blanco (preferencia Americana) ó resinas fenólicas o AD-plus en medios filtrantes de color amarillo, beis o crema u otro color (Preferencia Europea o asiática). Para estos casos, estos medios filtrantes para aire son igualmente eficientes, durables y de la capacidad requerida bajo los requerimientos de los equipos y solo difieren en el color.

Medios filtrantes de una, dos o mas capas en medios filtrantes sintéticos no tejidos han sido aplicados en equipos diesel en vehículos de trabajo liviano y Mediano, sus características de multicapa han hecho que se pueda disponer de pequeñas áreas filtrantes con el máximo de eficiencia, durabilidad y capacidad de flujo en estos motores.

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Medios filtrantes de color azul que demarcan la utilización de medios filtrantes del tipo “Spider Web“ con inclusión de fibras sintéticas y el uso de nano fibras son exclusivos de ciertas marcas. Aunque otros medios de colores diferentes pueden llevar estos compuestos y prestar igual servicio con equivalente eficiencia, durabilidad y capacidad

acorde a los requerimientos de estos equipos.

posee uno de los más completos laboratorios en Colombia para adelantar pruebas y ensayos a papeles fieltros automotrices para comprobar y evaluar características de medios filtrantes que permitan un desarrollo acertado de los filtros para aceite, combustible, aire y refrigerantes que fabrica y comercializa.

Los filtros para motores de combustión interna poseen medios filtrantes específicos acorde al diseño tecnológico de los motores, con características de capacidad, filtrabilidad, resistencia, eficiencia y durabilidad; desarrollarlos, requieren pruebas y ensayos que permitan conocer en detalle el medio filtrante para esta aplicación y uso.

Al medir el peso base, la permeabilidad, el espesor del papel, la resistencia al estallamiento , la resistencia al corte, el corrugado, el máximo poro y el tamaño promedio de poro del medio filtrante original; el desarrollo de productos puede ser realizado con el máximo de confiabilidad en correspondencia con las variables del diseño y desarrollo del filtro.

5. PRUEBAS Y ENSAYOS A LOS MEDIOS FILTRANTES.

Filtros Partmo

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Conozcamos algunas pruebas y ensayos que realiza para asegurar la calidad de

los medios filtrantes:

: es el peso en gramos de papel por metro cuadrado, entre mayor su valor mayor su vida útil y su eficiencia, esta muy relacionado con el costo del filtro.

Es la medida de profundidad de la hoja de papel fieltro, a mayor espesor mayor su durabilidad.

: Es la medida de la profundidad total de la onda de papel menos el valor del espesor, entre mayor sea su valor mayor su resistencia y área de filtrado.

: Mide la presión requerida para la ruptura del papel, es una medida de gran importancia en la durabilidad final del papel filtro, cuanto mayor es el valor inicial, mayor tiempo en que puede ser usado como filtro.

: Mide el diámetro de los poros del papel y su distribución, entre mayores poros mayor la durabilidad del filtro. Poros menores muestran una mayor eficiencia del medio filtrante.

: Entre mayor flujo mayor vida, menor flujo mayor eficiencia. Esta medida esta estrechamente relacionada con la distribución de los poros y el poro medio.

: Mide la resistencia del medio filtrante al rasgado o corte. Es una medida de la durabilidad y resistencia de la unidad filtrante, entre mayor su valor mayores sus prestaciones.

Determinación del Peso Base

Determinación del espesor:

Determinación del grado de corrugado

Ensayo Resistencia al entallamiento

Distribución del poro y determinación del poro medio

Medida de la permeabilidad o flujo de aire a través del papel

Resistencia al corte

Industrias Partmo

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