張文 于天

摘要：重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾紙是重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，其性能優(yōu)劣嚴(yán)重影響著發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性和使用壽命。本文首先介紹了空氣過濾紙對重載荷發(fā)動機(jī)的重要性，然后從技術(shù)發(fā)展的角度將空氣過濾紙分為了四代，并對歷代空氣過濾紙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、發(fā)展動力和關(guān)鍵性能進(jìn)行了介紹。并討論了目前重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾紙面臨的挑戰(zhàn)以及該紙種在我國的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：重載荷發(fā)動機(jī);空氣過濾紙;空氣過濾系統(tǒng)

中圖分類號：TS761.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.012

Abstract：Heavyduty air filter paper is the key material in the air filtration system of heavyduty engines， which affects engines stability and life profoundly. In this paper， the importance of air filter paper for heavyduty engines was discussed firstly. Then， from the standpoint of technological development， heavyduty air filter paper was divided into four generations and the structural characteristics， development motivation and key performance of each generation of heavyduty air filter paper were introduced. At last， this paper discussed the current technology challenges of heavyduty air filter paper and put forward expectations for its development in China.

Key words：heavyduty engines; air filter paper; air filtration system

重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾紙（以下簡稱空濾紙）是重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，其性能優(yōu)劣決定了發(fā)動機(jī)在工作過程中是否能夠得到充分保護(hù)，嚴(yán)重影響著發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性和使用壽命。在過去一個(gè)世紀(jì)里，重載荷發(fā)動機(jī)的許多進(jìn)步都與其空濾紙的升級和發(fā)展聯(lián)系在一起[1]。本文結(jié)合重載荷發(fā)動機(jī)的技術(shù)及其空氣過濾技術(shù)對重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙的發(fā)展進(jìn)行介紹和評述。

1重載荷發(fā)動機(jī)與空濾紙

重載荷發(fā)動機(jī)是用于大卡車、掛車牽引車、農(nóng)機(jī)設(shè)備、非公路用工程機(jī)械、公交大巴和鐵路機(jī)車等大型機(jī)車能源輸出的發(fā)動機(jī)，是高端發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)集成的代表。其進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的功能，在于向發(fā)動機(jī)提供清潔空氣進(jìn)行燃燒，使發(fā)動機(jī)能夠以最少的功率損耗進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)保護(hù)發(fā)動機(jī)盡可能避免空氣顆粒物的污染和磨損。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的關(guān)鍵材料是空濾紙，它處于進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的終端，即放在過濾系統(tǒng)的粗濾之后，用于對空氣中的顆粒污染物進(jìn)行過濾系統(tǒng)最高效率等級的過濾。如果進(jìn)氣過濾系統(tǒng)使用的濾紙過濾性能不良，空氣中的顆粒污染物就會成為發(fā)動機(jī)雜質(zhì)的主要來源，使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)下游的電子傳感器（如流量傳感器（MAFS）、ACT傳感器等）失效，并造成發(fā)動機(jī)磨損，甚至有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)拉缸[2]。由于重載荷發(fā)動機(jī)高度技術(shù)集成，造價(jià)昂貴，因而其空濾紙的過濾性能要求處于車用空濾紙的高端位置。

2重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙的發(fā)展

隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)向著高能量密度、小體積、低排放、超潔凈化的方向發(fā)展，以及對發(fā)動機(jī)空氣過濾技術(shù)和機(jī)理認(rèn)識的不斷深入，為了滿足新型發(fā)動機(jī)對潔凈度的苛刻要求，實(shí)現(xiàn)更高效率的過濾，重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾紙的結(jié)構(gòu)和性能也在不斷進(jìn)行優(yōu)化和革新。

從20世紀(jì)50年代開始被廣泛使用以來，隨著市場需求的不斷升級和對濾紙過濾機(jī)理認(rèn)識的不斷深入，濾紙纖維結(jié)構(gòu)的選擇和關(guān)鍵性能的要求也在不斷發(fā)生變化（不僅是關(guān)鍵性能指標(biāo)的大小，所要求的關(guān)鍵性能指標(biāo)的種類也在發(fā)生變化），具體變化如圖1所示。時(shí)至今日，按照在市場上興衰更迭的次序來分，重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙已經(jīng)發(fā)展了四代。

2.1 第一代空濾紙

20世紀(jì)50年代，第一代空濾紙作為干式空氣過濾系統(tǒng)的關(guān)鍵新材料開始出現(xiàn)。由于過濾性能提高，且日常維護(hù)清潔簡易，它的出現(xiàn)使舊式的油浴式空氣過濾系統(tǒng)逐步被淘汰。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為空濾紙的過濾形式是深度過濾，為了便于生產(chǎn)和加工，第一代空濾紙定量較高，為130 g/m2以上，完全由植物纖維構(gòu)成（空濾紙的SEM照片如圖2所示）。另一方面，受當(dāng)時(shí)流行觀點(diǎn)的影響，認(rèn)為透氣度較大的濾紙有利于延長過濾系統(tǒng)阻力增加的時(shí)間，延長濾清器的使用壽命，故第一代空濾紙透氣度較大——在200 Pa的壓差下，透氣度在350 mm/s以上。此外，在以上原因的推動下，第一代空濾紙的過濾效率不高，對標(biāo)準(zhǔn)測試塵的計(jì)重法[3]過濾效率約為98%。

2.2第二代空濾紙

隨著空濾紙的廣泛使用，空濾紙?jiān)趯?shí)際使用過程中的過濾形式和對發(fā)動機(jī)過濾系統(tǒng)性能影響的認(rèn)識得到了深化。這推動了空濾紙的性能和結(jié)構(gòu)由第一代升級到了第二代。與第一代空濾紙相比，第二代空濾紙開始使用更細(xì)的植物纖維作為原料，空濾紙的定量下降至約115 g/m2，厚度和透氣度也進(jìn)一步降低[4]。之所以出現(xiàn)這一變化，主要是因?yàn)檠芯空J(rèn)識到空濾紙的過濾形式是表面過濾，也就是空氣污染物主要被過濾在濾紙表面和表面的幾層纖維上，而不是像之前認(rèn)識的深度過濾——空氣污染物主要被過濾在濾紙深處的孔隙中。在這一認(rèn)識的推動下，空濾紙厚度可降低。同時(shí)，研究還表明，根據(jù)重載荷發(fā)動機(jī)空氣過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際使用，影響它初始進(jìn)氣阻力的主要因素是管路的設(shè)計(jì)和空濾紙的使用面積，而不是空濾紙的透氣度。這意味著在不影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)初阻的前提下，空濾紙的透氣度可以有較大的下降空間來滿足采用更細(xì)纖維原料、實(shí)現(xiàn)更高過濾效率的需要。由于使用更細(xì)的纖維原料可以提升空濾紙效率，而降低空濾紙厚度和定量又可以節(jié)省原料降低成本，這使得第二代空濾紙既提升了過濾效率（計(jì)重法過濾效率由第一代的98%提升至99%），更好地保護(hù)了發(fā)動機(jī)，又迎合了降低成本的商業(yè)需要。第二代空濾紙的出現(xiàn)，使第一代空濾紙快速遭到淘汰。圖3是典型第二代空濾紙表面和截面的SEM照片。由圖3可以看到，第二代空濾紙不僅采用了比第一代空濾紙更細(xì)的纖維，同時(shí)厚度也進(jìn)一步降低。

2.3第三代空濾紙

在制造技術(shù)水平升級和對空氣過濾過程認(rèn)識得到進(jìn)一步深入的推動下，第三代空濾紙根據(jù)使用環(huán)境的特點(diǎn)，在第二代空濾紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行了革新。革新產(chǎn)生了兩種第三代空濾紙：一種是非植物纖維化的空濾紙[5]，另一種是單面起毛的空濾紙。

在第二代空濾紙得到廣泛使用的同時(shí)，其局限性也很快暴露出來。由于第二代空濾紙的厚度較低，導(dǎo)致其挺度較低，不利于其在使用過程中保持加工形狀的穩(wěn)定。同時(shí)，由于第二代空濾紙完全由植物纖維構(gòu)成，在潮濕環(huán)境下使用時(shí)很容易因?yàn)槲冘?，從而?dǎo)致濾芯彎折、過濾系統(tǒng)阻力迅速提升，發(fā)生報(bào)警。即使重新回到干燥環(huán)境，潮濕空濾紙的性能恢復(fù)表現(xiàn)也不佳。為了克服這些局限，非植物纖維開始作為新原料被添加到空濾紙中來，從而形成了非植物纖維化的第三代空濾紙。由于非植物纖維不吸水，或吸水率較低，從而避免水的影響，使空濾紙?jiān)诔睗癍h(huán)境下可保持較好的性能。同時(shí)，非植物纖維的種類和規(guī)格可選，使得對空濾紙性能的調(diào)節(jié)獲得了廣闊的空間。如高模量的非植物纖維添加可以有效地提高空濾紙的挺度，使用比植物纖維更細(xì)的非植物纖維可以有效地提高空濾紙過濾效率（可使計(jì)重法過濾效率提升至99.5%）等。圖4是典型非植物纖維化的第三代空濾紙表面和截面SEM照片。由圖4可以看到，第三代空濾紙?jiān)诒３值诙諡V紙厚度的基礎(chǔ)上，使用了大量非植物纖維——圖中圓形截面的規(guī)則纖維。

如果說非植物纖維化的第三代空濾紙是基于環(huán)境適應(yīng)性提升的目的進(jìn)行的革新，那么單面起毛的第三代空濾紙則更多的是考慮過濾性能和成本因素。之所以稱這種空濾紙是單面起毛，主要因?yàn)樗捎脝蚊嫱坎嫉姆绞皆鰪?qiáng)制造——這種制造方法使空濾紙的一面摸起來比較毛糙。具體來說，就是對空濾紙的出流面進(jìn)行樹脂涂布，而入流面則保持原紙的狀態(tài)——總的涂布量（對原紙）由原來的20%～30%降低到15%～25%。這樣做的好處在于可以使入流面的纖維處于較蓬松的狀態(tài)、具有更好的三維Z向縱深，從而使濾紙表面在使用的過程中能夠形成更為蓬松的濾餅，大幅提高空濾紙的容塵量，減緩空濾紙阻力的提升速度，延長空濾紙的使用時(shí)間，特別適用于干燥多塵的環(huán)境。圖5是單面起毛的第三代空濾紙的SEM照片。從圖5可以看到，由于沒有樹脂，空濾紙入流面的植物纖維結(jié)構(gòu)清晰（可以看到植物纖維原纖化產(chǎn)生的細(xì)絲，這些細(xì)絲也能起到改善空濾紙過濾效率的作用），具有較好的三維特性;而出流面纖維則被樹脂包裹和黏結(jié)。

2.4第四代空濾紙

在汽車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高和超潔凈發(fā)動機(jī)研發(fā)的推動下，重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙的過濾要求開始由計(jì)重法測試標(biāo)準(zhǔn)向與計(jì)數(shù)法測試標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合邁進(jìn)。之所以形成這一變化，是因?yàn)楫?dāng)濾紙的計(jì)重法過濾效率達(dá)到99.5%以后，實(shí)驗(yàn)室的很多細(xì)微條件，包括溫度和濕度，都會對測試結(jié)果造成影響，使得計(jì)重法過濾效率測試在測試高效率空濾紙方面的準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和區(qū)分度大打折扣。為了彌補(bǔ)這一不足，標(biāo)準(zhǔn)制定者將應(yīng)用于潔凈行業(yè)的計(jì)數(shù)效率測試方法引進(jìn)到了發(fā)動機(jī)空濾紙的測試標(biāo)準(zhǔn)中，使原有標(biāo)準(zhǔn)的不足得到完善。通過計(jì)數(shù)法過濾效率的測試發(fā)現(xiàn)，原有計(jì)重法過濾效率為99.5%的第三代發(fā)動機(jī)空濾紙對0.3 μm顆粒的過濾效率最高不超過35%，而新發(fā)動機(jī)技術(shù)則希望能達(dá)到40%～55%。為了進(jìn)一步有效地提高空濾紙的過濾效率，在第三代空濾紙的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入超細(xì)纖維就成為了第四代空濾紙形成的關(guān)鍵。

為了在空濾紙中引入超細(xì)纖維，第四代空濾紙除了可以通過對原有技術(shù)體系和生產(chǎn)過程進(jìn)行改進(jìn)和升級，采用混抄的方法也可以將超細(xì)纖維引入到空濾紙中，還可以從學(xué)科交叉和現(xiàn)代技術(shù)集成的角度，將電紡纖維層或熔噴纖維層與第三代空濾紙復(fù)合[6]，從而形成新型結(jié)構(gòu)的表面復(fù)合型第四代空濾紙。圖6和圖7分別是電紡纖維層復(fù)合和熔噴纖維層復(fù)合的第四代空濾紙SEM照片。

由圖6和圖7可以看到，比植物纖維細(xì)得多的電紡纖維層（可采用尼龍材料制成，纖維直徑為90～500 nm）和熔噴纖維層（可采用PBT材料制成，纖維直徑約為400～1000 nm）被復(fù)合在了第三代空濾紙的入流面。這一結(jié)構(gòu)不僅可以有效地提升空濾紙整體的過濾效率，而且可以有利于在空濾紙表面形成濾餅，從而可以更易于通過反吹將過濾在空濾紙入流面的空氣污染物吹掉，使空濾紙阻力得到恢復(fù)，提高空濾紙的可保養(yǎng)次數(shù)，延長使用時(shí)間。通常工況下，使用時(shí)間比傳統(tǒng)濾材至少提高30%。

3重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙的挑戰(zhàn)

當(dāng)今的重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙需要更高的過濾精度、更長的使用時(shí)間、在熱、濕環(huán)境下更好的耐久性能以及對道路煙、塵更好的凈化能力。除此之外，它還面臨著其他的挑戰(zhàn)，包括安全性、環(huán)保性和成本最小化的壓力等。

安全性方面，阻燃就是一個(gè)例子。由于點(diǎn)燃的香煙或是其他可燃物質(zhì)被吸入空氣進(jìn)氣系統(tǒng)，就有可能導(dǎo)致空濾紙燃燒引發(fā)意外。如果空濾紙使用阻燃化學(xué)品，就會大幅提高制造成本，并且這些化學(xué)品常常會導(dǎo)致空濾紙的其他性能降低（如強(qiáng)度）。在巨大的成本壓力下，汽車工業(yè)對接受較高價(jià)格的阻燃空濾紙感到很勉強(qiáng)。另外，使用的阻燃劑必須是環(huán)保的。

環(huán)境方面，鑒于潛在的致癌性，不良揮發(fā)物的去除變得越來越重要，空濾紙需要改進(jìn)或擺脫使用傳統(tǒng)樹脂，使其避免在加工和使用過程中揮發(fā)酚類、醛類物質(zhì)。同時(shí)，也面臨著廢棄空濾紙帶來的環(huán)境問題，所以應(yīng)盡可能避免在空濾紙中使用難以自然降解的物質(zhì)。此外，空濾紙的使用壽命需要延長，這樣可以減少填埋或焚燒。

4我國空濾紙的技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與前景

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，通過引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備并自行自我消化，同時(shí)以高校和科研院所作為研發(fā)平臺推進(jìn)自主研發(fā)，我國已經(jīng)基本形成了從空濾紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到工業(yè)化生產(chǎn)的研發(fā)、制造體系。

從研發(fā)方面來說，我國的高校和科研院所做了大量的工作，包括對空濾紙的纖維結(jié)構(gòu)（特種纖維、非植物纖維、原纖化纖維、異型纖維等）[710]、纖維分布（比如梯度結(jié)構(gòu)）對空濾紙性能的影響[11]，以及空濾紙專用樹脂的合成及其對空濾紙性能的影響等[1213]。從“紙”的角度來說，以上研究充分覆蓋了重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙所需要覆蓋的方向，而且在超細(xì)纖維或原纖化纖維的利用、梯度結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)的影響等方向，可能還具有我國獨(dú)到的特色。但是，由于我國的研究主要圍繞“紙”這一概念來進(jìn)行，因此研究也就主要是圍繞造紙行業(yè)所涉及的技術(shù)來進(jìn)行，且特別重視應(yīng)用研究。為此，雖然我國在前三代空濾紙產(chǎn)品上取得了比較好的成就，但在第四代產(chǎn)品——涉及到造紙技術(shù)與電紡、熔噴等技術(shù)在跨學(xué)科融合方面、對過濾機(jī)理的深入理解和利用方面等，反應(yīng)速度相對較慢。雖然目前東華大學(xué)的電紡納米纖維復(fù)合濾材研究已開始步入產(chǎn)業(yè)化，但要在產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性和成本方面與國外技術(shù)競爭，可能還有一段路要走。

從制造方面來說，我國主要生產(chǎn)廠家分布在河北省、山東省、江蘇省、浙江省和廣東省幾個(gè)地區(qū)，制造設(shè)備既有國外引進(jìn)也有本土制造，以生產(chǎn)前三代空濾紙為主，個(gè)別有實(shí)力的公司正在與國內(nèi)外專家開展合作，以通過引進(jìn)或開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)并推廣國產(chǎn)的第四代空濾紙。

總的來說，我國的重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙從研發(fā)到制造應(yīng)用的體系都已形成，但目前在跨學(xué)科的高技術(shù)融合方面、過濾機(jī)理的研究方面以及客戶定制的同步研發(fā)上面，與發(fā)達(dá)國家相比仍需要奮力追趕。

5結(jié)語

目前，我國已經(jīng)成為了與北美和歐洲并重的汽車空濾紙市場。全世界最強(qiáng)的汽車空濾紙制造商都在中國展開激烈的競爭。特別是在技術(shù)和制造水平處于高端位置的重載荷發(fā)動機(jī)汽車過濾紙領(lǐng)域，技術(shù)和商業(yè)的競爭尤為激烈。由于起步較晚，慣性低成本競爭，技術(shù)積累和技術(shù)集成不足，造成在產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品性能上以及與客戶的同步研發(fā)上，民族工業(yè)處于較為被動的位置。現(xiàn)在，我國的工業(yè)水平和技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到了新的高度。如果能夠聯(lián)系各方面力量，形成從過濾機(jī)理研究、跨學(xué)科融合研究，到生產(chǎn)制造，再到技術(shù)追蹤反饋的技術(shù)鏈條，緊密聯(lián)系上下游技術(shù)領(lǐng)域，普及技術(shù)知識，強(qiáng)化企業(yè)力量，就有可能使我國的民族工業(yè)能夠制造出具有自主創(chuàng)新技術(shù)的高性能重載荷發(fā)動機(jī)空濾紙，并不斷實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)國際競爭的技術(shù)升級，適應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略的需要。

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（責(zé)任編輯：常青）