性能特點和作用說明

空氣濾清器過濾機理、阻力、效率及儲灰能力

 

摘要：空氣濾清器的作用是向柴油發電機提供清潔空氣，減少柴油發電機的早期磨損。另外，空氣濾清器對進氣噪聲、柴油發電機經濟性及動力性都起著至關重要的作用。康明斯公司在本文從進氣阻力、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的設計計算過程。通過對空氣濾清器的各種性能進行分析，確定了空氣濾清器的尺寸及材料。

 

一、空氣濾清器過濾機理

 

      空氣濾清器主要作用是為這些機械設備提供清潔的空氣，以防這些機械設備在工作中吸入帶有雜質顆粒的空氣而增加磨蝕和損壞的機率。在柴油發電機行業里，空氣濾清器是柴油發電機進氣系統的一個重要組成部分，隨著發動機性能的不斷強化，研究表明發動機的性能、磨損及壽命與空濾裝置的性能和結構有很大的關系。柴油發電機空氣濾清器主要負責清除空氣中的微粒雜質的裝置。柴油發電機是非常精密的機件，極小的雜質都會損傷發動機。因此，空氣在進入氣缸之前，必須先經過空氣濾清器的細密的過濾，才能進入氣缸。空氣濾清器是發動機的守護神，空氣濾清器狀態的好壞關系著發動機的壽命。如果柴油發電機行駛中使用過臟的空氣濾清器，會使發動機進氣不足，使燃油燃燒不完全，導致發動機工作不穩定，動力下降、耗油量增加的現象發生。因此，柴油發電機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。空氣濾清器的主要要求是濾清效率高、流動阻力低、能較長時間連續使用且無需保養。

1、離心分離

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

2、機械過濾

      氣流通過多孔介質濾芯，超過一定尺寸的灰塵留在介質內，類似篩網原理。按介質厚度，分為表面過濾和深度過濾。表面過濾的介質薄，濾清僅發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。深度過濾在整個介質體積內都起作用。濾芯阻力增長慢，儲灰能力增加，壽命延長。

3、粘性吸附

      介質浸油后瀝干，利用油的粘性吸附粒子。如金屬絲網，發泡聚氨酯等。

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，在發電機組上不易使用。

 

二、空氣濾清器的分類

 

     在康明斯柴油發電機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合干式空氣濾清器等。使用時應注意在礦上和建設工地灰塵多，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，結構如圖1所示。它具有重量輕、體積小、成本低、制造方便等一系列優點。干式空氣濾清器的主要性能指標流量——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的粘性阻力，在空氣濾清器進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，當阻力達到規定值時，空氣濾清器需要保養，這一值稱為終了阻力。終了阻力應按空氣濾清器的儲灰量和柴油發電機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口，對降低阻力作用并不明顯。

 

3、多管旋風式+干紙芯復合式空氣濾清器

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

      自然吸氣式柴油發電機在額定轉速時，通過濾清器的空氣阻力不得超過5kPa。增壓式柴油發電機的滿負荷狀態下，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，中部有一透明的環帶，本體內有一紅色圓筒，當空氣濾清器尚未堵塞時，圓筒被彈簧彈向上方，紅色標記未露出。當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記逐漸升起，此時應對濾芯進行除塵或更換新件。處理后，按下復位按鈕，使指示器復位原。除自動指示器外。還有用真空指示器。當空氣阻力過大時，通過真空開關通警報燈。 

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

 

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

1、進氣阻力

      空氣濾清器的進氣阻力直接影響柴油發電機的功率和經濟效率，同時還關系到空氣濾清器的壽命。柴油發電機進氣系統的阻力多由空氣濾清器，進氣管道和氣缸蓋上的進氣門組成，現在柴油發電機柴油發電機的特點及其發展主要表現在高速化和輕量化。實現柴油發電機高速化的主要障礙是進氣阻力。現在柴油發電機柴油發電機有采用3氣門、4氣門和5氣門。通過采用多氣門結構來降低進氣阻力已被學者們認為是現代輕型柴油發電機柴油發電機發展的新方向。因此，要求與之配套的空氣濾清器和進氣道的流動壓力損失應盡可能的降低。相同型號的空氣濾清器，在相同額定空氣流量下，結構阻力相等，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的幾個主要技術指標：

（1）透氣度

      透氣度是濾紙首先考慮的性能指標。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、強度差一些。為了彌補這一缺陷,將濾紙作底襯，形成濾紙和非織造布的復合材料。比較纖維直徑也能辨別阻力大小。纖維細，則單位體積內的纖維數量就多，氣流圍繞纖維運動產生的阻力就大，反之，纖維粗產生的阻力就小。

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被空氣濾清器濾除的塵土量與隨空氣進入空氣濾清器的塵土量比值的百分數。實質上，進入柴油發電機的顆粒大小與數量直接影響柴油發電機的使用壽命。小顆粒的塵粒進入柴油發電機是不會造成柴油發電機損壞的，只有塵粒達到一定尺寸時，才會造成柴油發電機損壞。因此，須改變原來傳統的濾清效率概念，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電機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量與隨空氣進入空氣濾清器的塵粒直徑大小和數量之比。適宜濾清效率把空氣濾清器的濾清能力與對柴油發電機的保護程度統一起來。

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

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

① 當用稱量絕對濾芯法時：

η = （1-△ Mj/ Mg）X100%

② 當用稱量試驗件法時：

 

3、儲灰能力

      空氣濾清器運行過程中，不斷地濾出灰塵，積聚在濾芯里，濾芯堵塞，阻力逐漸上升，當灰塵達到一定值時，對柴油發電機性能造成一定下降，因此，需要對濾芯清理或更換。這段時間，空氣濾清器內儲存灰塵的多少，或者經歷時間的長短，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，達到同樣的儲灰量時發電機組間的行駛里程間隔有很大差別，為了使發電機組保養同步，轎車推薦定為6000-8000km,固定式柴油發電機定為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品圖樣所規定的，在 標準大氣狀況下通過空氣濾清器出氣口的空氣流量 ，它應與柴油機 在標定功率下所需供氣量相匹配。 單位∶立方米/ 小時（m3/ h ）。

      柴油機的額定空氣流量可根據其工作容積、 額定轉速和充氣系數等來確定，其計算方法如下∶

Q=X.N.n .e

式中∶Q——額定空氣流量 m³/ min）；

Vn——柴油機工作容積（L）；

N——柴油機額定轉速（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， 以百分數表示。

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，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：

      隨著柴油發電機的不斷改進和使用環境的極不相同，促使對各種濾料、各種濾清器的結構及其組合的研究蓬勃開展，是現代空氣濾清器的結構和性能達到十分完善的地步。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、結構簡單、容易保養、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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