性能特點和作用說明

空氣濾清器過濾機(jī)理、阻力、效率及儲灰能力

 

摘要：空氣濾清器的作用是向柴油發(fā)電機(jī)提供清潔空氣，減少柴油發(fā)電機(jī)的早期磨損。另外，空氣濾清器對進(jìn)氣噪聲、柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性及動力性都起著至關(guān)重要的作用。康明斯公司在本文從進(jìn)氣阻力、濾清效率、儲灰能力等幾方面說明了空氣濾清器主要性能參數(shù)的設(shè)計計算過程。通過對空氣濾清器的各種性能進(jìn)行分析，確定了空氣濾清器的尺寸及材料。

 

一、空氣濾清器過濾機(jī)理

 

      空氣濾清器主要作用是為這些機(jī)械設(shè)備提供清潔的空氣，以防這些機(jī)械設(shè)備在工作中吸入帶有雜質(zhì)顆粒的空氣而增加磨蝕和損壞的機(jī)率。在柴油發(fā)電機(jī)行業(yè)里，空氣濾清器是柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的一個重要組成部分，隨著發(fā)動機(jī)性能的不斷強(qiáng)化，研究表明發(fā)動機(jī)的性能、磨損及壽命與空濾裝置的性能和結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。柴油發(fā)電機(jī)空氣濾清器主要負(fù)責(zé)清除空氣中的微粒雜質(zhì)的裝置。柴油發(fā)電機(jī)是非常精密的機(jī)件，極小的雜質(zhì)都會損傷發(fā)動機(jī)。因此，空氣在進(jìn)入氣缸之前，必須先經(jīng)過空氣濾清器的細(xì)密的過濾，才能進(jìn)入氣缸?？諝鉃V清器是發(fā)動機(jī)的守護(hù)神，空氣濾清器狀態(tài)的好壞關(guān)系著發(fā)動機(jī)的壽命。如果柴油發(fā)電機(jī)行駛中使用過臟的空氣濾清器，會使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣不足，使燃油燃燒不完全，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定，動力下降、耗油量增加的現(xiàn)象發(fā)生。因此，柴油發(fā)電機(jī)必須保持空氣濾清器的清潔。空氣濾清器由濾芯和殼體兩部分組成?？諝鉃V清器的主要要求是濾清效率高、流動阻力低、能較長時間連續(xù)使用且無需保養(yǎng)。

1、離心分離

      借助旋轉(zhuǎn)氣流，使灰塵粒子在離心力的作用下從空氣中分離出來，達(dá)到濾清目的。離心分離是粗濾器設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

2、機(jī)械過濾

      氣流通過多孔介質(zhì)濾芯，超過一定尺寸的灰塵留在介質(zhì)內(nèi)，類似篩網(wǎng)原理。按介質(zhì)厚度，分為表面過濾和深度過濾。表面過濾的介質(zhì)薄，濾清僅發(fā)生在表面并在表面形成灰餅，性能降低很快。如：濾紙、無紡布、濾網(wǎng)。深度過濾在整個介質(zhì)體積內(nèi)都起作用。濾芯阻力增長慢，儲灰能力增加，壽命延長。

3、粘性吸附

      介質(zhì)浸油后瀝干，利用油的粘性吸附粒子。如金屬絲網(wǎng)，發(fā)泡聚氨酯等。

4、靜電沉析

      靜電沉析的濾清效率很高，可以除去小于0.01um的灰塵，但空氣濾清器的體積過大，在發(fā)電機(jī)組上不易使用。

 

二、空氣濾清器的分類

 

     在康明斯柴油發(fā)電機(jī)采用的空氣濾清器有干式空氣濾清器、重型干式空氣濾清器（單芯和雙芯）、筒式空氣濾清器及復(fù)合干式空氣濾清器等。使用時應(yīng)注意在礦上和建設(shè)工地灰塵多，空氣濾清器易堵塞，故要求空氣濾清器有較大的流量。

1、重型干式空氣濾清器

      重型干式空氣濾清器主要是指微孔纖維濾紙濾清器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。它具有重量輕、體積小、成本低、制造方便等一系列優(yōu)點。干式空氣濾清器的主要性能指標(biāo)流量——阻力特性如圖2所示。

（1）空氣濾清器的阻力：由于氣體流動損失和介質(zhì)的粘性阻力，在空氣濾清器進(jìn)出口之間形成的壓力降。

（2）原始阻力：新空氣濾清器的阻力稱為原始阻力，設(shè)計時總是希望該阻力盡可能的低。

（3）終了阻力：空氣濾清器在使用過程中，隨著濾芯儲灰量的增加，阻力不斷上升，當(dāng)阻力達(dá)到規(guī)定值時，空氣濾清器需要保養(yǎng)，這一值稱為終了阻力。終了阻力應(yīng)按空氣濾清器的儲灰量和柴油發(fā)電機(jī)允許的阻力值來確定。

      空氣濾清器的阻力受出氣口尺寸影響較大。一般來說，空氣濾清器出氣口一定，通過加大空氣濾清器容積和進(jìn)口，對降低阻力作用并不明顯。

 

3、多管旋風(fēng)式+干紙芯復(fù)合式空氣濾清器

      含塵空氣經(jīng)由空氣進(jìn)口進(jìn)入旋風(fēng)式濾清器后，沿著每根管中的螺旋導(dǎo)向前面進(jìn)，使空氣旋轉(zhuǎn)，灰塵在離心里作用下被甩向外管壁并落入集塵杯，被濾情況通過旋風(fēng)器中心管向上流動，再經(jīng)干紙濾芯使較細(xì)灰塵也被濾清，從濾清器出口進(jìn)入氣缸。安全濾芯的作用是增強(qiáng)整體可靠性和空氣清潔系統(tǒng)的效率。為了取得最大效率的系統(tǒng)的可靠性。即為了最好地保護(hù)柴油機(jī)，則當(dāng)安全濾芯堵塞時，就要換新濾芯，采取清洗后繼續(xù)使用的辦法是不可取得。

      自然吸氣式柴油發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時，通過濾清器的空氣阻力不得超過5kPa。增壓式柴油發(fā)電機(jī)的滿負(fù)荷狀態(tài)下，通過濾清器的氣阻力不得超過61kPa。為了顯示干式空氣濾清器的阻力是否過大，在濾清器的出口處裝有自動顯示灰塵指示器，外觀如圖4所示。灰塵指示為黑色塑料制成，中部有一透明的環(huán)帶，本體內(nèi)有一紅色圓筒，當(dāng)空氣濾清器尚未堵塞時，圓筒被彈簧彈向上方，紅色標(biāo)記未露出。當(dāng)濾清器濾芯被灰塵堵塞時，即阻力過大時，指示器窗口的紅色標(biāo)記逐漸升起，此時應(yīng)對濾芯進(jìn)行除塵或更換新件。處理后，按下復(fù)位按鈕，使指示器復(fù)位原。除自動指示器外。還有用真空指示器。當(dāng)空氣阻力過大時，通過真空開關(guān)通警報燈。 

圖3  筒式空氣濾清器示意圖

圖4  康明斯空氣濾清器阻力指示器

 

三、空氣濾清器的性能

 

      柴油發(fā)電機(jī)在工作過程中要吸入大量的空氣，如果空氣不經(jīng)過濾，空氣中懸浮的塵埃被吸進(jìn)氣缸中，就會增加活塞和氣缸的磨損。較大的顆粒進(jìn)入活塞與氣缸之間，會造成嚴(yán)重的拉缸現(xiàn)象，這在干燥多沙的工作環(huán)境中尤為嚴(yán)重?？諝鉃V清器必須在盡可能少降低柴油發(fā)電機(jī)功率的條件下，供給柴油發(fā)電機(jī)干凈、充足的空氣，減少進(jìn)氣噪聲，同時其壽命、耐久性也要好。這些要求是相互矛盾的，不能都達(dá)到最佳，通常通過專門的試驗臺、柴油發(fā)電機(jī)臺架試驗等作出最終結(jié)論?？諝鉃V清器原理如圖5所示，其基本性能有額定空氣流量下的進(jìn)氣阻力、濾清效率和儲灰能力3項。

1、進(jìn)氣阻力

      空氣濾清器的進(jìn)氣阻力直接影響柴油發(fā)電機(jī)的功率和經(jīng)濟(jì)效率，同時還關(guān)系到空氣濾清器的壽命。柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力多由空氣濾清器，進(jìn)氣管道和氣缸蓋上的進(jìn)氣門組成，現(xiàn)在柴油發(fā)電機(jī)柴油發(fā)電機(jī)的特點及其發(fā)展主要表現(xiàn)在高速化和輕量化。實現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)高速化的主要障礙是進(jìn)氣阻力?，F(xiàn)在柴油發(fā)電機(jī)柴油發(fā)電機(jī)有采用3氣門、4氣門和5氣門。通過采用多氣門結(jié)構(gòu)來降低進(jìn)氣阻力已被學(xué)者們認(rèn)為是現(xiàn)代輕型柴油發(fā)電機(jī)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)展的新方向。因此，要求與之配套的空氣濾清器和進(jìn)氣道的流動壓力損失應(yīng)盡可能的降低。相同型號的空氣濾清器，在相同額定空氣流量下，結(jié)構(gòu)阻力相等，但總阻力大小并不一樣，主要是由于濾材阻力不同至使其總阻力不同。濾材的阻力是由氣流通過纖維層時纖維的迎面阻力造成的。下面介紹濾紙與阻力密切相關(guān)的幾個主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）透氣度

      透氣度是濾紙首先考慮的性能指標(biāo)。濾紙的透氣度越大說明透氣性越好，原始阻力也越小，反之則相反。透氣度與原始阻力之間存在著相反的定性關(guān)系。

（2）濾紙厚度

      濾紙的厚度能夠限制空氣濾清器的最大過濾面積，也就是說增大濾紙的有效過濾面積也對空氣濾清器的阻力有重要影響，這是因為增大有效過濾面積，穿過單位面積的氣流速度就降低，所以空氣濾清器的阻力就會變小。為了增大過濾面積，濾芯做成各種形狀，使用最多的是圓柱形和長方形。

（3）原料

      如果過濾材料為非織造布，它是以化學(xué)纖維為主要原料，它的特點是阻力低、過濾效率高、儲灰能力大。但是挺度、強(qiáng)度差一些。為了彌補(bǔ)這一缺陷,將濾紙作底襯，形成濾紙和非織造布的復(fù)合材料。比較纖維直徑也能辨別阻力大小。纖維細(xì)，則單位體積內(nèi)的纖維數(shù)量就多，氣流圍繞纖維運(yùn)動產(chǎn)生的阻力就大，反之，纖維粗產(chǎn)生的阻力就小。

2、濾清效率

      目前，各國空氣濾清器的濾清效率是指單位時間內(nèi)被空氣濾清器濾除的塵土量與隨空氣進(jìn)入空氣濾清器的塵土量比值的百分?jǐn)?shù)。實質(zhì)上，進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)的顆粒大小與數(shù)量直接影響柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命。小顆粒的塵粒進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)是不會造成柴油發(fā)電機(jī)損壞的，只有塵粒達(dá)到一定尺寸時，才會造成柴油發(fā)電機(jī)損壞。因此，須改變原來傳統(tǒng)的濾清效率概念，而引用一個新的概念，即適宜濾清效率。所謂適宜濾清效率就是保證柴油發(fā)電機(jī)可靠工作的最低濾清效率。適宜濾清效率采用被空氣濾清器濾除的塵粒直徑大小和數(shù)量與隨空氣進(jìn)入空氣濾清器的塵粒直徑大小和數(shù)量之比。適宜濾清效率把空氣濾清器的濾清能力與對柴油發(fā)電機(jī)的保護(hù)程度統(tǒng)一起來。

      根據(jù)適宜濾清效率的新概念，即對柴油發(fā)電機(jī)提供可靠保護(hù)的最低濾清效率，空氣濾清器應(yīng)濾出對柴油發(fā)電機(jī)造成損壞的粉塵顆粒，其效率曲線如圖6所示?，F(xiàn)在的關(guān)鍵是確定某一種空氣濾清器到底需要有多大的過濾精度。普遍認(rèn)為，空氣濾清器應(yīng)濾除6μm以上的粉塵顆粒，就不會造成柴油發(fā)電機(jī)的磨損和損壞。因為一種空氣濾清器只能滿足某一種柴油發(fā)電機(jī)的需求，這就要求柴油發(fā)電機(jī)廠家和濾清器廠家通力合作，柴油發(fā)電機(jī)廠家設(shè)計耐灰塵的材料，能減小磨損，并選擇合適的進(jìn)氣口位置，使進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)的塵土最少。

      濾清效率是空氣濾清器最重要的技術(shù)指標(biāo)， 它是指試驗件濾除特定試驗粉塵的能力，以百分?jǐn)?shù)表示。其計算公式如下∶

① 當(dāng)用稱量絕對濾芯法時：

η = （1-△ Mj/ Mg）X100%

② 當(dāng)用稱量試驗件法時：

 

3、儲灰能力

      空氣濾清器運(yùn)行過程中，不斷地濾出灰塵，積聚在濾芯里，濾芯堵塞，阻力逐漸上升，當(dāng)灰塵達(dá)到一定值時，對柴油發(fā)電機(jī)性能造成一定下降，因此，需要對濾芯清理或更換。這段時間，空氣濾清器內(nèi)儲存灰塵的多少，或者經(jīng)歷時間的長短，或者行駛的里程間隔稱為儲灰能力或者壽命，道路灰塵濃度相差懸殊，達(dá)到同樣的儲灰量時發(fā)電機(jī)組間的行駛里程間隔有很大差別，為了使發(fā)電機(jī)組保養(yǎng)同步，轎車推薦定為6000-8000km,固定式柴油發(fā)電機(jī)定為300h，油浴式定為100h。

4、額定流量

      空氣濾清器的額定流量是指空氣濾清器產(chǎn)品圖樣所規(guī)定的，在 標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下通過空氣濾清器出氣口的空氣流量 ，它應(yīng)與柴油機(jī) 在標(biāo)定功率下所需供氣量相匹配。 單位∶立方米/ 小時（m3/ h ）。

      柴油機(jī)的額定空氣流量可根據(jù)其工作容積、 額定轉(zhuǎn)速和充氣系數(shù)等來確定，其計算方法如下∶

Q=X.N.n .e

式中∶Q——額定空氣流量 m³/ min）；

Vn——柴油機(jī)工作容積（L）；

N——柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

（2）粗濾效率

      在額定空氣流量下，粗濾器分離出粉塵的能力， 以百分?jǐn)?shù)表示。

η_e= （△ Me/ Mg）X 100%

式中∶ηe——粗濾效率%；

△ Me——粗濾器集塵裝置在加粉塵前后的質(zhì)量增量g；

Mg——加粉塵量g；

 

      粗濾器是利用慣性或離心方法在濾芯前去除一部分粉塵的裝置。粗濾器的型式有∶ 帽式粗濾器、盆式粗濾器、葉片環(huán)式等。

5、其他性能

（1）耐熱性

      判定濾芯兩端粘膠及濾紙耐高溫的性能。一般需要從-40℃~120℃兩個循環(huán)，共48小時。

（2）耐油性

      主要判定橡膠密封件與金屬殼體間的粘結(jié)性能。

 

圖5  空氣濾清器過濾原理圖

圖6  干式空氣濾清器過濾效率曲線圖

 

總結(jié)：

      隨著柴油發(fā)電機(jī)的不斷改進(jìn)和使用環(huán)境的極不相同，促使對各種濾料、各種濾清器的結(jié)構(gòu)及其組合的研究蓬勃開展，是現(xiàn)代空氣濾清器的結(jié)構(gòu)和性能達(dá)到十分完善的地步。對空氣濾清器的要求概括來說是：濾清效率高、過濾阻力小、儲灰能力大、結(jié)構(gòu)簡單、容易保養(yǎng)、體積小、重量輕。很明顯，這些要求是相互制約、相互矛盾的，必須全面考慮上述的要求，妥善處理它們之間的矛盾，才能研制出理想的空氣濾清器。

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