成文術(shù)

（廣西華原過(guò)濾系統(tǒng)股份有限公司， 廣西 玉林 537000）

0 引言

空氣濾清器俗稱發(fā)動(dòng)機(jī)的“肺”，是汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件。其功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中的固體顆粒、油煙顆粒以及水等有害雜質(zhì)過(guò)濾掉， 避免這些有害雜質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損壞。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的提升，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜度以及運(yùn)動(dòng)部件的配合精度也相應(yīng)提高， 這就要求空濾濾清器具有更高的過(guò)濾精度。 但隨著濾清器效率的提升，濾清器濾芯的原始進(jìn)氣阻力也相應(yīng)的提高。對(duì)于單級(jí)空氣濾清器總總成， 原始進(jìn)氣阻力不大于1.2kPa（3氣缸及以上），總成全壽命濾清效率不小于99.5%（270 目石英砂）[1]。在濾清器使用過(guò)程中，隨著濾芯使用時(shí)間的延長(zhǎng)，濾芯表面會(huì)攔截下越來(lái)越多的灰塵，濾芯的阻力也會(huì)越來(lái)越大。而濾芯阻力越大，空氣流經(jīng)濾清器的能量損耗就越大。此外，當(dāng)濾芯阻力過(guò)高時(shí)還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)因進(jìn)氣受阻導(dǎo)致燃燒不充分，燃油利用率低、排放超標(biāo)及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行無(wú)力等一些列連帶問題。

從能耗的角度考慮， 只要?dú)怏w流動(dòng)過(guò)程存在壓力損失，就會(huì)伴隨有能量的損耗。并且，壓力損失越大，相應(yīng)的能量損耗也就越大。 因此，隨著汽車對(duì)零部件能耗要求指標(biāo)的提升，如何在滿足雜質(zhì)過(guò)濾要求的前提下，盡可能降低空氣濾清器的初始阻力， 以及避免使用過(guò)程中空氣濾清器阻力的快速上升， 便可以有效的降低濾芯使用過(guò)程的能耗，實(shí)現(xiàn)更好的使用效益，這已逐漸成為發(fā)動(dòng)機(jī)濾清器行業(yè)的共識(shí)。

本文在同等應(yīng)用條件下， 對(duì)常規(guī)單級(jí)車用空氣濾清器和自潔式空氣濾清器測(cè)試過(guò)程中阻力的變化情況進(jìn)行研究， 并通過(guò)面積對(duì)比法對(duì)濾清器的能耗進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，得出影響空氣濾清器能耗的關(guān)鍵因素，并提出了如何降低空氣濾清器能耗的解決辦法。

1 空氣濾清器能耗計(jì)算模型

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的增壓器前端阻力包括高位進(jìn)氣管阻力、空氣濾清器殼體阻力、空氣濾清器濾芯阻力以及各連接管件的阻力。 除空氣濾芯阻力會(huì)隨使用時(shí)間而變化外， 其它部分的阻力在使用過(guò)程中一般是不會(huì)發(fā)生變化的。以某款流量為1900m3/h 的空濾總成為例，其總成原始阻力2.46kPa，如果按總成終了阻力6.25kPa 計(jì)算，在使用過(guò)程中濾芯阻力增量達(dá)到3.8kPa 時(shí)候， 需要對(duì)濾芯進(jìn)行清潔保養(yǎng)或更換濾芯； 在濾芯壽命終了時(shí)該濾芯的阻力增量在空氣濾清器所允許的總壓差的占比為60.8%，再結(jié)合濾清器濾芯阻力曲線一般變化趨勢(shì)， 這意味著如果可以降低濾清器濾芯使用過(guò)程中的阻力變化率， 延緩濾芯阻力的上升速度， 將會(huì)對(duì)降低空氣濾清器總成的整體能耗產(chǎn)生較大影響。因此，本模型僅從濾芯層面對(duì)能耗模型進(jìn)行推導(dǎo)（但不妨礙將此方法引申至濾清器總成上）。

假定空氣流經(jīng)濾清器的過(guò)程為等溫變化過(guò)程， 濾材入流側(cè)壓力為P1，出流側(cè)的壓力為P2；入流側(cè)的氣體紙面法向流速為v1，在單位時(shí)間△t 內(nèi)，入流側(cè)氣體運(yùn)動(dòng)的距離為△L；在濾材入流側(cè)緊貼濾材的區(qū)域內(nèi)取一個(gè)微元空氣體，這一微元空氣體的截面積為△S，長(zhǎng)度為△L，體積為△V；在流體流動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)V材前后存在壓力差，微元空氣體會(huì)受到垂直于濾紙面且大小為△F 的作用力，在這個(gè)里的作用下， 單位時(shí)間△t 內(nèi)流經(jīng)濾材單位面積△S的空氣體積為△Q，見圖1。

圖1 氣流微元模型

微元空氣在外力作用（濾材前后壓力差的作用）下流經(jīng)濾材，根據(jù)做功方程可知，微元空氣流經(jīng)單位濾材過(guò)程中的能量損耗為：

由式（5）可知，空氣流經(jīng)濾清器濾芯單位面積所產(chǎn)生的能量損耗與空氣流量和濾清器的壓力差、 流量和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。因此，空氣濾清器在使用過(guò)程中所造成能量損耗總量等于將式（5）對(duì)流量和使用時(shí)間的二重積分。 式（5）對(duì)流量的積分，可理解為將濾芯單位面積流量拓展至整個(gè)濾芯的流量。所以式（5）對(duì)流經(jīng)濾芯全部面積流量進(jìn)行積分之后可得到整個(gè)濾清器單位時(shí)間的能耗公式：

在空氣濾清器使用過(guò)程中，濾清器阻力△P 是隨時(shí)用時(shí)間而變化的，在本文的計(jì)算中，濾清器在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的阻力值是通過(guò)儀表測(cè)定得到。

2 空氣濾清器試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)

空氣濾清器容塵量（試驗(yàn)室壽命）是評(píng)價(jià)空氣濾清器性能的重要指標(biāo)， 用于衡量濾清器的納污能力及使用壽命。 一般來(lái)說(shuō)，同等條件拿下，容塵量較大的濾清器其對(duì)應(yīng)的實(shí)際使用壽命也較長(zhǎng)。 圖2 是常規(guī)單級(jí)空氣濾清器的壽命測(cè)試曲線，測(cè)試流量為1900m3/h，測(cè)試粉塵為270目石英砂，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為JB/T-9755.5-2013[2]，測(cè)試裝置為：AF3000 空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)。

圖2 常規(guī)單級(jí)空氣濾清器的壽命曲線

圖4 是自潔式空氣濾清器的壽命測(cè)試曲線[3]，測(cè)試流量為1900m3/h，測(cè)試粉塵為270 目石英砂，測(cè)試裝置為：AF3000 空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)， 反吹氣罐壓力為0.8MPa。 由于自潔式空氣濾清器尚沒有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)， 因此， 本測(cè)試是在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JB/T-9755.5-2013[2]的基礎(chǔ)上稍作調(diào)整而開展的非標(biāo)測(cè)試，旨在測(cè)試分析自潔式空氣濾清器在不斷加灰和反復(fù)吹灰的情況下，濾清器阻力的變化情況。

圖3 常規(guī)單級(jí)空氣濾清器

圖4 自潔式空氣濾清器的壽命曲線

具體測(cè)試過(guò)程是： 按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T-9755.5-2013[2]的加灰速 度（1.0g/m3），每 添加完500g 試驗(yàn)灰后記錄濾清器出進(jìn)氣口的阻力；接著關(guān)停測(cè)試臺(tái)（暫停空氣濾清器的吸氣），然后啟動(dòng)自潔式濾清器的反吹功能對(duì)濾芯進(jìn)行一次反吹清潔；完成反吹清潔之后啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，在同樣的流量下運(yùn)行至阻力穩(wěn)定并記錄反吹后的阻力值。 之后， 如此不斷循環(huán)如上操作： 加灰500g→記錄反吹前阻力→關(guān)停測(cè)試臺(tái)→反吹濾芯→運(yùn)行測(cè)試臺(tái)至阻力穩(wěn)定→記錄反吹后阻力→下一次循環(huán)。

圖5 自潔式空氣濾清器及測(cè)試過(guò)程

以每次加灰并反吹的時(shí)間點(diǎn)為橫坐標(biāo)， 每次加灰并反吹后的阻力值為縱坐標(biāo)，并將各阻力點(diǎn)連接成曲線，即為自潔式空濾在本壽命測(cè)試中的阻力曲線。

測(cè)試過(guò)程中總成阻力隨時(shí)間變化的曲線對(duì)比圖見圖6。

圖6 阻力隨測(cè)試時(shí)間變化對(duì)比

3 空氣濾清器能耗值對(duì)比計(jì)算

從圖2、圖4、圖6 的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在同等灰塵添加速度下，隨著加灰量的增多，自潔式空氣濾清器阻力上升的速度比常規(guī)單級(jí)空氣濾清器阻力上升的速度慢很多，也就是在達(dá)到同等總成阻力的情況下， 自潔式空氣濾清器具有更大的容塵能力，對(duì)應(yīng)的使用壽命也更長(zhǎng)。

由于測(cè)試過(guò)程記錄的濾清器阻力值是數(shù)量有限的采樣點(diǎn)，不可能取到連續(xù)且無(wú)限多的阻力值。因此，對(duì)空氣濾清器的能耗值做如下的近似計(jì)算：將測(cè)試過(guò)程所有采樣數(shù)據(jù)在XY 坐標(biāo)系中描繪出來(lái)，X 軸為時(shí)間，Y 軸為阻力值，然后將各點(diǎn)通過(guò)曲線擬合方式進(jìn)行擬合。根據(jù)式（7）可知，空氣濾清器在使用過(guò)程中的能耗值總量等于其總成阻力曲線與橫坐標(biāo)軸（時(shí)間軸）所包圍區(qū)域的面積，見圖7。

圖7 空濾能耗值對(duì)比

從圖中可知，由于自潔式空濾在使用過(guò)程中可以對(duì)濾芯進(jìn)行自清潔，使得其阻力在使用過(guò)程中上升的非常平緩， 可以保障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在較低阻力下運(yùn)行。因此，自潔式空濾所產(chǎn)生的能耗也比常規(guī)單級(jí)空氣濾清器低很多。 根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)， 在同等測(cè)試時(shí)間內(nèi)，自潔式空濾對(duì)應(yīng)的能耗值（能耗面積）為878，而常規(guī)單級(jí)空濾的能耗值（能耗面積）為1082，后者是前者的1.23 倍。（注：此處僅從面積大小去對(duì)比能耗，所標(biāo)面積值不等于實(shí)際能耗值）。

在使用過(guò)程中，空氣濾芯的工作阻力達(dá)到堵塞報(bào)警值6.25kPa 的時(shí)候， 車輛控制系統(tǒng)會(huì)提示進(jìn)行濾芯的更換或保養(yǎng)。如果用戶選用了壽命比較短（容塵量低）的濾芯，其阻力上升較快，即使能做到了規(guī)范保養(yǎng)并更換濾芯，也會(huì)由于進(jìn)氣系統(tǒng)較長(zhǎng)時(shí)間工作于較高阻力，產(chǎn)生的能耗也是比自潔式空氣濾清器（使用壽命長(zhǎng)）的能耗要高很多。以下做一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比，使用3 個(gè)常規(guī)空濾芯和一個(gè)自潔式濾芯的對(duì)比能耗見圖8。

圖8 空濾能耗面積對(duì)比

從以上的對(duì)比數(shù)據(jù)得出，在3 個(gè)常規(guī)濾芯使用周期的時(shí)間內(nèi)，自潔式空濾對(duì)應(yīng)的能耗值（能耗面積）為2891，而3個(gè)常規(guī)單級(jí)空濾的總能耗值（能耗面積）為3246，后者是前者的1.12倍。因此，選用使用壽命長(zhǎng)、容塵量大、阻力上升緩慢的自潔式空氣濾清器可以顯著降低空氣濾清器的能耗。

4 自潔式空濾的實(shí)施方案

自潔式空濾是在現(xiàn)有常規(guī)空氣濾清器基礎(chǔ)上增加儲(chǔ)氣罐、壓縮空氣反吹氣道、電磁閥和反吹控制器等部件及結(jié)構(gòu)[4]，其結(jié)構(gòu)及原理見圖9 所示。儲(chǔ)氣罐用于存儲(chǔ)壓縮空氣， 反吹氣道用于形成從濾芯內(nèi)部吹向外部的反吹氣流，控制器和電磁閥用于控制和執(zhí)行相應(yīng)的反吹動(dòng)作。

圖9 自潔式空濾結(jié)構(gòu)及原理示意

當(dāng)需要進(jìn)行反吹操作時(shí)，外部（如車載控制器）傳給反吹控制器一個(gè)電信號(hào)，反吹控制器接收到信號(hào)后控制電磁閥打開，此時(shí)儲(chǔ)氣罐中的壓縮氣體瞬間釋放，從濾芯內(nèi)側(cè)的反吹氣道噴出， 對(duì)主濾芯進(jìn)行一次由內(nèi)側(cè)向外側(cè)的清潔操作。

5 結(jié)論

空氣濾清器使用過(guò)程的阻力及阻力上升的速度是影響空氣濾清器能耗的關(guān)鍵因素。因此，為達(dá)到更低的空濾能耗，可從降低空氣濾清器原始阻力、降低空氣濾清器使用過(guò)程中阻力的上升速度兩個(gè)方面來(lái)考慮， 可以選用阻力更低、容塵量更大的濾材，或者選用具有濾芯反吹功能的自潔式空氣濾清器，以確保濾芯在整個(gè)使用過(guò)程中都處于比較低的阻力狀態(tài)。 同時(shí)，給出了一個(gè)可用于實(shí)現(xiàn)空氣濾清器自清潔功能的具體實(shí)施方案。