作者：胡新林
摘 要: 介绍一种适用于在恶劣环境下工作的工程机械用高效多级空气滤清器。该滤清器由两级粗过滤器和一级精滤器集合而成, 并带有废气引射抽尘装置。这种高效空滤器过滤能力强, 总成滤清效率可达99.7%以上, 具有使用寿命长, 保养方便、结构紧凑等特点。
关键词: 空气滤清器 多级 工作原理
空气滤清器的性能直接关系到发动机的动力性和经济性, 同时对发动机的进气噪声和排放烟度也有重要的影响。据统计显示, 工程机械用发动机的早期破损 70%与空气滤清器有关。空气中悬浮的颗粒即灰尘, 尺寸范围为 1~1 000 μm, 能够进入发动机中并造成磨损的灰尘颗粒的尺寸范围为 1~200μm。因此, 能够过滤 1~200μm颗粒的空气滤清器,其滤清效率对预防发动机的早期磨损, 延长使用寿命起着决定性的作用。工程机械使用的空气滤清器一般由一级粗滤器和一级精滤器集合而成。本文介绍一种高效多级空气滤清器, 是由两级粗滤器和一级精滤器集合而成, 总成滤清效率可达 99.7%。
1 高效多级空气滤清器构造及过滤原理
本文介绍的高效多级空气滤清器的构造如图 1所示, 是由第一级盆式粗滤器、多个直通式旋流管组成的带有废气引射抽尘功能的第二级粗滤器和以微孔复合滤材的星形滤芯为核心部件的精滤器 3 部分集合而。
第一级盆式粗滤器主要由粗滤器盖、叶片环和积尘盘构成( 图 2) 。发动机工作时, 外界含有灰尘颗粒的空气被吸入空滤器产生高速运动, 在沿叶片流动时, 流动方向发生旋转, 体积较大的灰尘颗粒借助旋转气流, 在离心力的作用下, 被甩向积尘盘的内壁, 当灰尘颗粒到达上端时, 随着惯性的作用被抛向积尘盘中, 并依靠自身的重力将其沉淀在积尘盘内;这时大部分体积较大的颗粒分离出来, 带有大量小颗粒和少部分大颗粒灰尘的较干净的空气沿着叶片环的中心管被吸入下一级粗滤器。该级过滤的为大颗粒灰尘( 一般过滤粒径为20 μm 以上) , 过滤效率在 80%以上。
第二级粗滤器的桶状壳体内部布置有多个直通式旋流管部件, 直通式旋流管部件如图 3 所示, 由空气中心锥管、导流筒和旋流叶片组成。经过第一级粗滤器过滤后的空气经过多个直通式旋流管部件时,旋流叶片的螺旋面使空气的流向产生扭转, 促使空气中的颗粒在离心力的作用下, 同空气分离, 并沿着径向运动到旋流管的外圆内壁, 然后抛下。其中一小部分空气( 一般设计为占总的空气流量的 10%左右) 由废气引射的抽尘管（ 参见图 1) 带出, 进入引射抽尘过程随废气排出, 大部分的空气经过仍经过空气中心锥管进入到下一级精滤器中。这一级过滤 15μm以上的颗粒粒径, 过滤效率可达 94%。
废气引射抽尘是利用发动机的产生的废气将第二级粗滤器分离出的灰尘带出, 达到排出车外的目
的, 其工作原理如图 4 所示。发动机产生的废气经过喷嘴时, 因截面逐渐收敛而加速流动, 使得混合室内
的气压低于空气室中的气体压力, 从而将空气室中含有灰尘的空气吸入混合室, 再经过扩散管, 排出车外。
经过两次分离粗滤后的空气经连接管( 见图 1)进入到精滤器。精滤器的内部由两个纸质滤芯组成,该种滤芯采用由树脂浸渍的植物纤维层和人造纤维层组成的过滤材料, 该过滤材料上有很多微孔, 当空气通过复合滤材时的微孔时, 灰尘颗粒被捕捉在滤材的微孔中。这种多孔材料通过筛分效应、扩散沉积、重力沉积、惯性沉积、静电沉积和吸附作用等过滤机理将细小的灰尘颗粒拦阻在材料表面而不能通过, 从而达到彻底过滤的目的。两个纸质滤芯的设置不仅仅起到双重保障作用, 同时也增加了对空气的过滤效率。经这一级精滤器后的空气的过滤效率可以达到 99.7%以上, 最终干净的空气进入发动机。
这种由两次利用离心力分离粗过滤、两次筛网精过滤组合而成多级空滤器, 具有结构紧凑, 过滤精度高, 保养周期长、保养方便的特点。表 1 为该种高效多级空气滤清器与 JB/T9755-1999《发动机纸质空气滤清器总成技术条件》的性能参数的对比。
2 设计高效多级空气滤清器的技术难点
设计开发高效空气滤清器的技术难点在于: 当空气通过空气滤清器时, 由于气体的高速流动会形成动压损失、摩擦损失等能量损失, 这种损失会影响发动机的经济性和动力性。滤清能力、储灰能力和能量损失是空气滤清器基本性能指标, 三者相互影响、相互制约, 设计时, 在追求高指标的滤清能力和储灰能力同时, 应尽可能减少能量损失。
当空气经过第二级粗滤器时, 其流速、以及灰尘颗粒的粒径分布产生很大的变化, 按照常规设计选择进入空气滤清器的切向速度不能够达到预期的设计目标。第一级盆式粗滤器利用离心力作用进行过滤分离空气中的颗粒, 它的进气通道面积、叶片结构直接影响气流产生的速度以及离心力的大小; 第二级粗滤器的直通式旋流管导流高度( 图 3 中的尺寸H) 和导流叶片结构会影响气流的速度、灰尘的尘降速度和沉降时间。这些参数的确定都需要试验进行调整研制, 设计难度相对较高。
目前这种结构的空气滤清器国内市场上较为少见, 具有良好综合性能的产品很少。国外知名滤清器企业如美国弗列加公司和德国曼胡默尔公司, 他们采用在进气歧管增加直通式旋流管的结构, 以达到提高滤清器使用寿命和效率的要求。国内企业蚌埠金威滤清器有限公司目前正着手开发该种结构空滤器。从发展趋势上来说, 高效多级空气滤清器具有很大的市场潜力。
3 高效多级空气滤清器的使用注意事项
由于该结构空气滤清器采用废气引射抽尘, 增加了发动机的排气阻力, 会增加发动机功率的消耗。对于增压发动机来说, 还会因排气背压过高, 造成发动机过热。
在使用过程中, 第一级粗滤器积尘盘的灰尘要及时清除。如果积尘盘中的灰尘过多, 已沉积的灰尘会被空气( 带着分离灰尘的空气) 重新卷入到进气管道中, 降低粗滤效率。
另外, 在更换滤芯备件时, 最好选择原产滤芯,该种空滤器使用的滤纸比一般空滤器用滤纸过滤精度要。
