杜丹豐，于 淼，劉紅玉，李 亮

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾性能分析

杜丹豐，于 淼，劉紅玉，李 亮

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

空氣濾芯作為空氣濾清器的關(guān)鍵組成部分，分析其穩(wěn)態(tài)過濾性能對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾清器的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。介紹了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯——圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯，并針對(duì)圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯的過濾阻力及過濾效率進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析。計(jì)算了在穩(wěn)態(tài)過濾階段不同纖維直徑及纖維填充率下的空氣濾芯的總捕集效率及過濾阻力，并分析得出最佳的纖維直徑及纖維填充率的值，這對(duì)于圓筒形木纖維空氣濾芯的研制和生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)；木纖維；空氣濾芯；穩(wěn)態(tài)過濾

空氣濾清器作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要部件[1]，其質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命與可靠性[2]?？諝鉃V清器對(duì)進(jìn)氣消聲的控制有很大作用[3]。分析空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾性能對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾清器的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。常用的空氣濾芯主要有微孔濾紙濾芯、無紡布濾芯、纖維濾芯等幾類，其中紙質(zhì)干式空氣濾芯應(yīng)用最廣泛。目前在纖維濾芯研究領(lǐng)域，有學(xué)者提出了一種以木纖維為原材料的空氣濾芯[4]。木纖維作為一種有機(jī)材料，具有吸附效果好、易加工制造、成本低、環(huán)境污染小并且易于回收等優(yōu)點(diǎn)，因此它是研制纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯理想的材料之一。本文對(duì)圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)性能研究。

1 纖維空氣過濾特性參數(shù)的理論計(jì)算與分析

1.1 木纖維空氣濾芯的結(jié)構(gòu)

以木纖維制備的空氣濾芯結(jié)構(gòu)如圖1所示?？諝鉃V芯的形狀為圓筒形，一端開口，一端封閉。在木纖維空氣濾芯過濾過程中，空氣從木纖維空氣濾芯表面進(jìn)入濾芯，氣流經(jīng)過圓筒形空氣濾芯內(nèi)部進(jìn)行過濾，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)壓的作用下從木纖維空氣濾芯中流出進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)。

圖1 圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯結(jié)構(gòu)

1.2 過濾機(jī)理

目前過濾理論研究主要將過濾過程分為穩(wěn)態(tài)過濾階段和非穩(wěn)態(tài)過濾階段[5]。穩(wěn)態(tài)過濾階段假設(shè)微粒與捕集表面的碰撞效率為100%，即微粒一旦觸及木纖維表面就被捕集，并且沉積的微粒對(duì)于過濾過程沒有進(jìn)一步影響。在這種情況下，過濾效率和過濾阻力都與時(shí)間無關(guān)，因此過濾過程是穩(wěn)態(tài)的。在非穩(wěn)態(tài)過濾階段，由于微粒沉積于過濾介質(zhì)，使得木纖維空氣濾芯的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致過濾效率、過濾阻力等參數(shù)隨沉積微粒的增加而發(fā)生相應(yīng)變化，不再保持恒定，因此過濾過程是非穩(wěn)態(tài)的。穩(wěn)態(tài)過濾過程對(duì)于研究空氣濾芯的過濾性能以及木纖維空氣濾芯制作過程中的參數(shù)選擇具有重要意義。

木纖維過濾材料對(duì)空氣中微粒的捕集機(jī)理十分復(fù)雜。根據(jù)某些學(xué)者的研究，穩(wěn)態(tài)過濾階段的過濾機(jī)理至少有7種[6]：擴(kuò)散作用、慣性作用、攔截作用、重力作用、靜電作用、熱升力作用和范德瓦爾斯力。一般情況下，攔截作用、慣性作用和擴(kuò)散作用是最基本的機(jī)理。

1.3 過濾效率的理論分析：

在經(jīng)典過濾理論中，孤立圓柱法[7]是研究纖維濾紙過濾效率的理論基礎(chǔ)，由I.Langmuir[8]提出。在孤立圓柱法的基礎(chǔ)上，付克斯等從純理論角度加以發(fā)展。而在高效濾紙過濾器方面，木村·井伊谷等從實(shí)驗(yàn)方面做了補(bǔ)充研究[9]。

根據(jù)以上理論得出孤立單纖維的捕集效率。由于微米木纖維的直徑大多數(shù)是在5～20 μm，因此重力作用可忽略[10]，所以過濾機(jī)理主要考慮3個(gè)作用：慣性作用、攔截作用和擴(kuò)散作用。

實(shí)際上這幾種機(jī)理是相互作用、共同影響的，因此許多研究者把慣性捕集和攔截捕集綜合在一起給出慣性和攔截的綜合捕集效率。纖維附近的流場(chǎng)可以認(rèn)為是平行流繞圓柱體的流動(dòng)，由于纖維過濾時(shí)氣流的速度很小，在小雷諾數(shù)下空氣流動(dòng)屬于黏滯流動(dòng)。當(dāng)雷諾數(shù)Re<1時(shí)， Davies[11-12]給出了近似的計(jì)算公式：

ηI,R=0.16[R+(0.25+0.4R)St-

0.026 3RSt2]

(1)

同理，在擴(kuò)散作用下微粒軌跡沒有達(dá)到纖維表面，而是達(dá)到距纖維表面為微粒半徑的范圍，也將由于攔截作用而被捕集，這就是擴(kuò)散攔截效應(yīng)。

W.H.Mcadams以及R.Dobry和R.K.Finn[13]根據(jù)氣流擴(kuò)散系數(shù)和溫度傳導(dǎo)率導(dǎo)出了擴(kuò)散攔截效率：

(2)

η∑=ηI,R+ηD,R

(3)

2 木纖維空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾過程的過濾效率

付海明、沈恒根[14-15]的研究結(jié)果表明：當(dāng)過濾速度較小(U<<1.5 m/s)時(shí)，過濾過程為層流過濾，不考慮湍流擴(kuò)散，此時(shí)可忽略湍流擴(kuò)散項(xiàng)的影響。當(dāng)粉塵入口濃度較低時(shí)，在過濾粉塵層形成之前的初始階段，過濾可視為穩(wěn)態(tài)過濾，由此得出圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾過程的捕集效率為

(4)

式中：α為纖維填充率；df為纖維直徑(m)；ηs為單纖維捕集效率(%)；Lf為濾芯總長(zhǎng)度(m)。

根據(jù)已有木纖維過濾理論的研究成果[16]，濾芯總長(zhǎng)度與纖維直徑及濾芯厚度之間的關(guān)系為

(5)

式中H為濾芯厚度(m)。

根據(jù)式(4)和(5)可得出穩(wěn)態(tài)過濾過程的捕集效率與纖維填充密度的關(guān)系：

(6)

同理根據(jù)式(4)和式(5)可得出穩(wěn)態(tài)過濾過程的捕集效率與纖維直徑的關(guān)系：

(7)

當(dāng)被過濾的空氣流過圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯時(shí)，產(chǎn)生的進(jìn)氣阻力可以按氣體Darcy流動(dòng)進(jìn)行流動(dòng)分析：

Δp=μv0LfF

(8)

式中：μ為空氣的動(dòng)力黏度(kg·s/m2)；v0為過濾速度(m/s)；F為流場(chǎng)阻力系數(shù)，

當(dāng)分別分析穩(wěn)態(tài)過濾過程的過濾阻力與纖維直徑以及穩(wěn)態(tài)過濾過程的過濾阻力與纖維填充密度的關(guān)系時(shí)，整合式(5)和式(8)得出

(9)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的采樣，分別選擇實(shí)驗(yàn)用木纖維空氣濾芯的纖維直徑df為4，8，12，16，20 μm，濾芯厚度H為10 mm，纖維填充率α為0.02，0.03，0.04，0.05，0.06。

將木纖維空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾階段過濾阻力Δp的計(jì)算式(9)編程輸入Matlab軟件中，分別得出過濾阻力與纖維直徑df和過濾阻力與纖維填充率的關(guān)系，見圖2和圖3。

從圖2可以看出：在過濾速度一定、纖維填充率不變的前提下，圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾階段過濾阻力隨著纖維直徑的增大而減少。當(dāng)纖維直徑在0～4 μm變化時(shí)，過濾阻力隨著纖維直徑的變化較為明顯；當(dāng)纖維直徑在4～8 μm變化時(shí)，過濾阻力隨著纖維直徑的變化不太明顯；當(dāng)纖維直徑在8～20 μm變化時(shí)，過濾阻力隨著纖維直徑的變化較為平緩。

圖2 過濾阻力Δp與纖維直徑df之間的關(guān)系

圖3 過濾阻力Δp與纖維填充率α之間的關(guān)系

從圖3可以看出：在過濾速度一定、木纖維直徑不變的前提下，圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾階段過濾阻力隨著纖維填充率的增大而增大。當(dāng)纖維填充率在0.02～0.06之間變化時(shí)，過濾阻力隨著纖維填充率的變化較為平緩。

由圖2、圖3分析可得出：過濾阻力在α=0.02，df=20 μm時(shí)最小。

將木纖維空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾階段過濾效率η的計(jì)算式(7)和式(8)編程輸入Matlab軟件中，分別得出過濾效率與纖維直徑df和過濾效率與纖維填充率α的關(guān)系，見圖4和圖5。

從圖4可以看出：在過濾速度一定、纖維填充率不變的前提下，圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾階段過濾效率隨著纖維直徑的增大而減少。當(dāng)纖維直徑在0～4 μm變化時(shí)，過濾效率隨著纖維直徑的變化較為明顯；當(dāng)纖維直徑在4～8 μm變化時(shí)，過濾效率隨著纖維直徑的變化不太明顯；當(dāng)纖維直徑在8～20 μm變化時(shí)，過濾效率隨著纖維直徑的變化較為平緩。

圖4 過濾效率η與纖維直徑df與之間的關(guān)系

圖5 過濾效率η與纖維填充率α之間的關(guān)系

從圖5可以看出：在過濾速度一定、木纖維直徑不變的前提下，圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾階段過濾效率隨著纖維填充率的增大而增大。當(dāng)纖維填充率在0.02～0.06變化時(shí)，過濾效率 隨著纖維填充率的變化較為平緩。

由圖4、圖5分析可得出：過濾效率在α=0.06，df=4 μm時(shí)最大。

仿真結(jié)果表明：筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯的過濾效率與過濾阻力能滿足中華人民共和國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 32—2006《汽車用空氣濾清器性能試驗(yàn)方法》，和中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9747—2005《內(nèi)燃機(jī)空氣濾清器性能試驗(yàn)方法》。

此穩(wěn)態(tài)過濾狀態(tài)過濾效率及過濾阻力與經(jīng)典過濾理論推導(dǎo)結(jié)果相同，但它僅適用于穩(wěn)態(tài)過濾過程或過濾的初始階段。本文提出的數(shù)學(xué)模型可深刻地描述過濾介質(zhì)過濾效率及過濾介質(zhì)過濾阻力的計(jì)算過程，對(duì)圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾清器具有較廣泛的適用性，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究具有理論指導(dǎo)性。

3 結(jié)論

本文對(duì)圓筒形木纖維空氣濾芯在穩(wěn)態(tài)過濾性能進(jìn)行了分析，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算了在風(fēng)速一定的情況下纖維直徑、纖維填充率與木纖維空氣濾芯總捕集效率及過濾阻力的關(guān)系。結(jié)果表明：在α=0.06，df=4 μm時(shí)，木纖維空氣濾芯過濾效率最大；在α=0.02，df=20 μm時(shí)，木纖維空氣濾芯過濾阻力最小。得到的結(jié)論對(duì)于圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯的過濾性能實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義，為圓筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯的加工尺寸選擇提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Analysis on Performance of Cylindrical Wood Fiber Engine Air Filter at Stationary Filtration Stage

DU Dan-feng，YU Miao，LIU Hong-yu，LI Liang

(School of Traffic, Northeast Forestry University，Harbin 150040, China)

Air filter is a key part of air cleaner, the analysis on performance of air filter at stationary filtration stage has guiding significance to the research and development of air cleaner. A new kind of air filter, cylindrical wood fiber engine air filter, was introduced. After that we calculated and analyzed the filtration resistance and filtration efficiency of cylindrical wood fiber engine air filter. At stationary filtration stage, we calculated the total collection efficiency and the resistance of air filter under the condition of different fibre diameter and fibre filling ratio respectively, and then we analyzed and found the best result of fibre diameter and fibre filling ratio, and this result has guiding significance to the research and manufacture of cylindrical wood fiber engine air filter.

engine；wood fiber；air filter；stationary filtration

2016-11-11 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31470611)；黑龍江省科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015055)；哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(2015RAQXJ035)

杜丹豐(1972—)，男，黑龍江人，博士，副教授，主要從事汽車節(jié)能減排方面的研究，E-mail:ddf72@163.com;于淼(1993—)，男，黑龍江人，碩士研究生，主要從事汽車節(jié)能減排方面的研究。

杜丹豐，于淼，劉紅玉，等.筒形木纖維發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯穩(wěn)態(tài)過濾性能分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(2):62-66.

format：DU Dan-feng，YU Miao，LIU Hong-yu，et al.Analysis on Performance of Cylindrical Wood Fiber Engine Air Filter at Stationary Filtration Stage[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):62-66.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.011

U464.134+.4

A

1674-8425(2017)02-0062-05