性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

空氣濾清器過(guò)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(fā)電機提供清潔空氣，減少柴油發(fā)電機的早期磨損。另外，空氣濾清器對進(jìn)氣噪聲、柴油發(fā)電機經(jīng)濟性及動(dòng)力性都起著(zhù)至關(guān)重要的作用?？得魉构驹诒疚膹倪M(jìn)氣阻力、濾清效率、儲灰能力等幾方面說(shuō)明了空氣濾清器主要性能參數的設計計算過(guò)程。通過(guò)對空氣濾清器的各種性能進(jìn)行分析，確定了空氣濾清器的尺寸及材料。

 

一、空氣濾清器過(guò)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(zhì)顆粒的空氣而增加磨蝕和損壞的機率。在柴油發(fā)電機行業(yè)里，空氣濾清器是柴油發(fā)電機進(jìn)氣系統的一個(gè)重要組成部分，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機性能的不斷強化，研究表明發(fā)動(dòng)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(guān)系。柴油發(fā)電機空氣濾清器主要負責清除空氣中的微粒雜質(zhì)的裝置。柴油發(fā)電機是非常精密的機件，極小的雜質(zhì)都會(huì )損傷發(fā)動(dòng)機。因此，空氣在進(jìn)入氣缸之前，必須先經(jīng)過(guò)空氣濾清器的細密的過(guò)濾，才能進(jìn)入氣缸?？諝鉃V清器是發(fā)動(dòng)機的守護神，空氣濾清器狀態(tài)的好壞關(guān)系著(zhù)發(fā)動(dòng)機的壽命。如果柴油發(fā)電機行駛中使用過(guò)臟的空氣濾清器，會(huì )使發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣不足，使燃油燃燒不完全，導致發(fā)動(dòng)機工作不穩定，動(dòng)力下降、耗油量增加的現象發(fā)生。因此，柴油發(fā)電機必須保持空氣濾清器的清潔?？諝鉃V清器由濾芯和殼體兩部分組成?？諝鉃V清器的主要要求是濾清效率高、流動(dòng)阻力低、能較長(cháng)時(shí)間連續使用且無(wú)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(lái)，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(guò)濾

      氣流通過(guò)多孔介質(zhì)濾芯，超過(guò)一定尺寸的灰塵留在介質(zhì)內，類(lèi)似篩網(wǎng)原理。按介質(zhì)厚度，分為表面過(guò)濾和深度過(guò)濾。表面過(guò)濾的介質(zhì)薄，濾清僅發(fā)生在表面并在表面形成灰餅，性能降低很快。如：濾紙、無(wú)紡布、濾網(wǎng)。深度過(guò)濾在整個(gè)介質(zhì)體積內都起作用。濾芯阻力增長(cháng)慢，儲灰能力增加，壽命延長(cháng)。

3、粘性吸附

      介質(zhì)浸油后瀝干，利用油的粘性吸附粒子。如金屬絲網(wǎng)，發(fā)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(guò)大，在發(fā)電機組上不易使用。

 

二、空氣濾清器的分類(lèi)

 

     在康明斯柴油發(fā)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(shí)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(yōu)點(diǎn)。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(dòng)損失和介質(zhì)的粘性阻力，在空氣濾清器進(jìn)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(chēng)為原始阻力，設計時(shí)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(guò)程中，隨著(zhù)濾芯儲灰量的增加，阻力不斷上升，當阻力達到規定值時(shí)，空氣濾清器需要保養，這一值稱(chēng)為終了阻力。終了阻力應按空氣濾清器的儲灰量和柴油發(fā)電機允許的阻力值來(lái)確定。

      空氣濾清器的阻力受出氣口尺寸影響較大。一般來(lái)說(shuō)，空氣濾清器出氣口一定，通過(guò)加大空氣濾清器容積和進(jìn)口，對降低阻力作用并不明顯。

 

3、多管旋風(fēng)式+干紙芯復合式空氣濾清器

      含塵空氣經(jīng)由空氣進(jìn)口進(jìn)入旋風(fēng)式濾清器后，沿著(zhù)每根管中的螺旋導向前面進(jìn)，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(guò)旋風(fēng)器中心管向上流動(dòng)，再經(jīng)干紙濾芯使較細灰塵也被濾清，從濾清器出口進(jìn)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(shí)，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(fā)電機在額定轉速時(shí)，通過(guò)濾清器的空氣阻力不得超過(guò)5kPa。增壓式柴油發(fā)電機的滿(mǎn)負荷狀態(tài)下，通過(guò)濾清器的氣阻力不得超過(guò)61kPa。為了顯示干式空氣濾清器的阻力是否過(guò)大，在濾清器的出口處裝有自動(dòng)顯示灰塵指示器，外觀(guān)如圖4所示?；覊m指示為黑色塑料制成，中部有一透明的環(huán)帶，本體內有一紅色圓筒，當空氣濾清器尚未堵塞時(shí)，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(shí)，即阻力過(guò)大時(shí)，指示器窗口的紅色標記逐漸升起，此時(shí)應對濾芯進(jìn)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(dòng)指示器外。還有用真空指示器。當空氣阻力過(guò)大時(shí)，通過(guò)真空開(kāi)關(guān)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(fā)電機在工作過(guò)程中要吸入大量的空氣，如果空氣不經(jīng)過(guò)濾，空氣中懸浮的塵埃被吸進(jìn)氣缸中，就會(huì )增加活塞和氣缸的磨損。較大的顆粒進(jìn)入活塞與氣缸之間，會(huì )造成嚴重的拉缸現象，這在干燥多沙的工作環(huán)境中尤為嚴重?？諝鉃V清器必須在盡可能少降低柴油發(fā)電機功率的條件下，供給柴油發(fā)電機干凈、充足的空氣，減少進(jìn)氣噪聲，同時(shí)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(guò)專(zhuān)門(mén)的試驗臺、柴油發(fā)電機臺架試驗等作出最終結論?？諝鉃V清器原理如圖5所示，其基本性能有額定空氣流量下的進(jìn)氣阻力、濾清效率和儲灰能力3項。

1、進(jìn)氣阻力

      空氣濾清器的進(jìn)氣阻力直接影響柴油發(fā)電機的功率和經(jīng)濟效率，同時(shí)還關(guān)系到空氣濾清器的壽命。柴油發(fā)電機進(jìn)氣系統的阻力多由空氣濾清器，進(jìn)氣管道和氣缸蓋上的進(jìn)氣門(mén)組成，現在柴油發(fā)電機柴油發(fā)電機的特點(diǎn)及其發(fā)展主要表現在高速化和輕量化。實(shí)現柴油發(fā)電機高速化的主要障礙是進(jìn)氣阻力?，F在柴油發(fā)電機柴油發(fā)電機有采用3氣門(mén)、4氣門(mén)和5氣門(mén)。通過(guò)采用多氣門(mén)結構來(lái)降低進(jìn)氣阻力已被學(xué)者們認為是現代輕型柴油發(fā)電機柴油發(fā)電機發(fā)展的新方向。因此，要求與之配套的空氣濾清器和進(jìn)氣道的流動(dòng)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(guò)纖維層時(shí)纖維的迎面阻力造成的。下面介紹濾紙與阻力密切相關(guān)的幾個(gè)主要技術(shù)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(shuō)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(zhù)相反的定性關(guān)系。

（2）濾紙厚度

      濾紙的厚度能夠限制空氣濾清器的最大過(guò)濾面積，也就是說(shuō)增大濾紙的有效過(guò)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(guò)濾面積，穿過(guò)單位面積的氣流速度就降低，所以空氣濾清器的阻力就會(huì )變小。為了增大過(guò)濾面積，濾芯做成各種形狀，使用最多的是圓柱形和長(cháng)方形。

（3）原料

      如果過(guò)濾材料為非織造布，它是以化學(xué)纖維為主要原料，它的特點(diǎn)是阻力低、過(guò)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(dòng)產(chǎn)生的阻力就大，反之，纖維粗產(chǎn)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(shí)間內被空氣濾清器濾除的塵土量與隨空氣進(jìn)入空氣濾清器的塵土量比值的百分數。實(shí)質(zhì)上，進(jìn)入柴油發(fā)電機的顆粒大小與數量直接影響柴油發(fā)電機的使用壽命。小顆粒的塵粒進(jìn)入柴油發(fā)電機是不會(huì )造成柴油發(fā)電機損壞的，只有塵粒達到一定尺寸時(shí)，才會(huì )造成柴油發(fā)電機損壞。因此，須改變原來(lái)傳統的濾清效率概念，而引用一個(gè)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(fā)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(jìn)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(fā)電機的保護程度統一起來(lái)。

      根據適宜濾清效率的新概念，即對柴油發(fā)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(fā)電機造成損壞的粉塵顆粒，其效率曲線(xiàn)如圖6所示?，F在的關(guān)鍵是確定某一種空氣濾清器到底需要有多大的過(guò)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(huì )造成柴油發(fā)電機的磨損和損壞。因為一種空氣濾清器只能滿(mǎn)足某一種柴油發(fā)電機的需求，這就要求柴油發(fā)電機廠(chǎng)家和濾清器廠(chǎng)家通力合作，柴油發(fā)電機廠(chǎng)家設計耐灰塵的材料，能減小磨損，并選擇合適的進(jìn)氣口位置，使進(jìn)入柴油發(fā)電機的塵土最少。

      濾清效率是空氣濾清器最重要的技術(shù)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(chēng)量絕對濾芯法時(shí)：

η = （1-△ Mj/ Mg）X100%

② 當用稱(chēng)量試驗件法時(shí)：

 

3、儲灰能力

      空氣濾清器運行過(guò)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(shí)，對柴油發(fā)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(shí)間，空氣濾清器內儲存灰塵的多少，或者經(jīng)歷時(shí)間的長(cháng)短，或者行駛的里程間隔稱(chēng)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(shí)發(fā)電機組間的行駛里程間隔有很大差別，為了使發(fā)電機組保養同步，轎車(chē)推薦定為6000-8000km,固定式柴油發(fā)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(chǎn)品圖樣所規定的，在 標準大氣狀況下通過(guò)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(shí)（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(lái)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(zhì)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(huán)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(gè)循環(huán)，共48小時(shí)。

（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(guò)濾原理圖

圖6  干式空氣濾清器過(guò)濾效率曲線(xiàn)圖

 

總結：

      隨著(zhù)柴油發(fā)電機的不斷改進(jìn)和使用環(huán)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(kāi)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(lái)說(shuō)是：濾清效率高、過(guò)濾阻力小、儲灰能力大、結構簡(jiǎn)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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