| 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, pre filtros, 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 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:
2.1. Carcasas: 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. 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
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. |
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.
3.1.2. Filtros de aire tipo seco
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
3.1.2.1 Filtros Axiales
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, deflectores oblicuos 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
El sistema el aire admisionaba a través de un sombrerete, ingresando a unas aspas a la carcasa del filtro que obliga 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, 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.
3.1.2.2. Filtro de panal
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.
3.1.2.3. 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.
3.1.2.4. Filtros Integrales carcasa-filtro
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.
3.1.2.5 Filtros de multiceldas tipo panal.
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 multiceldas 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 su diseño de 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 nanofibras que permiten retener partículas diminutas sin afectar sustancialmente la perdida de carga o flujo de aire hacia las cámaras de combustión del motor.
