康明斯动力（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

空气滤清器过滤机理、阻力、效率及储灰能力

 

摘要：空气滤清器的作用是向柴油发电机提供清洁空气，减少柴油发电机的早期磨损。另外，空气滤清器对进气噪声、柴油发电机经济性及动力性都起着至关重要的作用。康明斯公司在本文从进气阻力、滤清效率、储灰能力等几方面说明了空气滤清器主要性能参数的设计计算过程。通过对空气滤清器的各种性能进行分析，确定了空气滤清器的尺寸及材料。

 

一、空气滤清器过滤机理

 

      空气滤清器主要作用是为这些机械设备提供清洁的空气，以防这些机械设备在工作中吸入带有杂质颗粒的空气而增加磨蚀和损坏的机率。在柴油发电机行业里，空气滤清器是柴油发电机进气系统的一个重要组成部分，随着发动机性能的不断强化，研究表明发动机的性能、磨损及寿命与空滤装置的性能和结构有很大的关系。柴油发电机空气滤清器主要负责清除空气中的微粒杂质的装置。柴油发电机是非常精密的机件，极小的杂质都会损伤发动机。因此，空气在进入气缸之前，必须先经过空气滤清器的细密的过滤，才能进入气缸。空气滤清器是发动机的守护神，空气滤清器状态的好坏关系着发动机的寿命。如果柴油发电机行驶中使用过脏的空气滤清器，会使发动机进气不足，使燃油燃烧不完全，导致发动机工作不稳定，动力下降、耗油量增加的现象发生。因此，柴油发电机必须保持空气滤清器的清洁。空气滤清器由滤芯和壳体两部分组成。空气滤清器的主要要求是滤清效率高、流动阻力低、能较长时间连续使用且无需保养。

1、离心分离

      借助旋转气流，使灰尘粒子在离心力的作用下从空气中分离出来，达到滤清目的。离心分离是粗滤器设计的理论基础。

2、机械过滤

      气流通过多孔介质滤芯，超过一定尺寸的灰尘留在介质内，类似筛网原理。按介质厚度，分为表面过滤和深度过滤。表面过滤的介质薄，滤清仅发生在表面并在表面形成灰饼，性能降低很快。如：滤纸、无纺布、滤网。深度过滤在整个介质体积内都起作用。滤芯阻力增长慢，储灰能力增加，寿命延长。

3、粘性吸附

      介质浸油后沥干，利用油的粘性吸附粒子。如金属丝网，发泡聚氨酯等。

4、静电沉析

      静电沉析的滤清效率很高，可以除去小于0.01um的灰尘，但空气滤清器的体积过大，在发电机组上不易使用。

 

二、空气滤清器的分类

 

     在康明斯柴油发电机采用的空气滤清器有干式空气滤清器、重型干式空气滤清器（单芯和双芯）、筒式空气滤清器及复合干式空气滤清器等。使用时应注意在矿上和建设工地灰尘多，空气滤清器易堵塞，故要求空气滤清器有较大的流量。

1、重型干式空气滤清器

      重型干式空气滤清器主要是指微孔纤维滤纸滤清器，结构如图1所示。它具有重量轻、体积小、成本低、制造方便等一系列优点。干式空气滤清器的主要性能指标流量——阻力特性如图2所示。

（1）空气滤清器的阻力：由于气体流动损失和介质的粘性阻力，在空气滤清器进出口之间形成的压力降。

（2）原始阻力：新空气滤清器的阻力称为原始阻力，设计时总是希望该阻力尽可能的低。

（3）终了阻力：空气滤清器在使用过程中，随着滤芯储灰量的增加，阻力不断上升，当阻力达到规定值时，空气滤清器需要保养，这一值称为终了阻力。终了阻力应按空气滤清器的储灰量和柴油发电机允许的阻力值来确定。

      空气滤清器的阻力受出气口尺寸影响较大。一般来说，空气滤清器出气口一定，通过加大空气滤清器容积和进口，对降低阻力作用并不明显。

 

3、多管旋风式+干纸芯复合式空气滤清器

      含尘空气经由空气进口进入旋风式滤清器后，沿着每根管中的螺旋导向前面进，使空气旋转，灰尘在离心里作用下被甩向外管壁并落入集尘杯，被滤情况通过旋风器中心管向上流动，再经干纸滤芯使较细灰尘也被滤清，从滤清器出口进入气缸。安全滤芯的作用是增强整体可靠性和空气清洁系统的效率。为了取得最大效率的系统的可靠性。即为了最好地保护柴油机，则当安全滤芯堵塞时，就要换新滤芯，采取清洗后继续使用的办法是不可取得。

      自然吸气式柴油发电机在额定转速时，通过滤清器的空气阻力不得超过5kPa。增压式柴油发电机的满负荷状态下，通过滤清器的气阻力不得超过61kPa。为了显示干式空气滤清器的阻力是否过大，在滤清器的出口处装有自动显示灰尘指示器，外观如图4所示。灰尘指示为黑色塑料制成，中部有一透明的环带，本体内有一红色圆筒，当空气滤清器尚未堵塞时，圆筒被弹簧弹向上方，红色标记未露出。当滤清器滤芯被灰尘堵塞时，即阻力过大时，指示器窗口的红色标记逐渐升起，此时应对滤芯进行除尘或更换新件。处理后，按下复位按钮，使指示器复位原。除自动指示器外。还有用真空指示器。当空气阻力过大时，通过真空开关通警报灯。 

图3  筒式空气滤清器示意图

图4  康明斯空气滤清器阻力指示器

 

三、空气滤清器的性能

 

      柴油发电机在工作过程中要吸入大量的空气，如果空气不经过滤，空气中悬浮的尘埃被吸进气缸中，就会增加活塞和气缸的磨损。较大的颗粒进入活塞与气缸之间，会造成严重的拉缸现象，这在干燥多沙的工作环境中尤为严重。空气滤清器必须在尽可能少降低柴油发电机功率的条件下，供给柴油发电机干净、充足的空气，减少进气噪声，同时其寿命、耐久性也要好。这些要求是相互矛盾的，不能都达到最佳，通常通过专门的试验台、柴油发电机台架试验等作出最终结论。空气滤清器原理如图5所示，其基本性能有额定空气流量下的进气阻力、滤清效率和储灰能力3项。

1、进气阻力

      空气滤清器的进气阻力直接影响柴油发电机的功率和经济效率，同时还关系到空气滤清器的寿命。柴油发电机进气系统的阻力多由空气滤清器，进气管道和气缸盖上的进气门组成，现在柴油发电机柴油发电机的特点及其发展主要表现在高速化和轻量化。实现柴油发电机高速化的主要障碍是进气阻力。现在柴油发电机柴油发电机有采用3气门、4气门和5气门。通过采用多气门结构来降低进气阻力已被学者们认为是现代轻型柴油发电机柴油发电机发展的新方向。因此，要求与之配套的空气滤清器和进气道的流动压力损失应尽可能的降低。相同型号的空气滤清器，在相同额定空气流量下，结构阻力相等，但总阻力大小并不一样，主要是由于滤材阻力不同至使其总阻力不同。滤材的阻力是由气流通过纤维层时纤维的迎面阻力造成的。下面介绍滤纸与阻力密切相关的几个主要技术指标：

（1）透气度

      透气度是滤纸首先考虑的性能指标。滤纸的透气度越大说明透气性越好，原始阻力也越小，反之则相反。透气度与原始阻力之间存在着相反的定性关系。

（2）滤纸厚度

      滤纸的厚度能够限制空气滤清器的最大过滤面积，也就是说增大滤纸的有效过滤面积也对空气滤清器的阻力有重要影响，这是因为增大有效过滤面积，穿过单位面积的气流速度就降低，所以空气滤清器的阻力就会变小。为了增大过滤面积，滤芯做成各种形状，使用最多的是圆柱形和长方形。

（3）原料

      如果过滤材料为非织造布，它是以化学纤维为主要原料，它的特点是阻力低、过滤效率高、储灰能力大。但是挺度、强度差一些。为了弥补这一缺陷,将滤纸作底衬，形成滤纸和非织造布的复合材料。比较纤维直径也能辨别阻力大小。纤维细，则单位体积内的纤维数量就多，气流围绕纤维运动产生的阻力就大，反之，纤维粗产生的阻力就小。

2、滤清效率

      目前，各国空气滤清器的滤清效率是指单位时间内被空气滤清器滤除的尘土量与随空气进入空气滤清器的尘土量比值的百分数。实质上，进入柴油发电机的颗粒大小与数量直接影响柴油发电机的使用寿命。小颗粒的尘粒进入柴油发电机是不会造成柴油发电机损坏的，只有尘粒达到一定尺寸时，才会造成柴油发电机损坏。因此，须改变原来传统的滤清效率概念，而引用一个新的概念，即适宜滤清效率。所谓适宜滤清效率就是保证柴油发电机可靠工作的最低滤清效率。适宜滤清效率采用被空气滤清器滤除的尘粒直径大小和数量与随空气进入空气滤清器的尘粒直径大小和数量之比。适宜滤清效率把空气滤清器的滤清能力与对柴油发电机的保护程度统一起来。

      根据适宜滤清效率的新概念，即对柴油发电机提供可靠保护的最低滤清效率，空气滤清器应滤出对柴油发电机造成损坏的粉尘颗粒，其效率曲线如图6所示。现在的关键是确定某一种空气滤清器到底需要有多大的过滤精度。普遍认为，空气滤清器应滤除6μm以上的粉尘颗粒，就不会造成柴油发电机的磨损和损坏。因为一种空气滤清器只能满足某一种柴油发电机的需求，这就要求柴油发电机厂家和滤清器厂家通力合作，柴油发电机厂家设计耐灰尘的材料，能减小磨损，并选择合适的进气口位置，使进入柴油发电机的尘土最少。

      滤清效率是空气滤清器最重要的技术指标， 它是指试验件滤除特定试验粉尘的能力，以百分数表示。其计算公式如下∶

① 当用称量绝对滤芯法时：

η = （1-△ Mj/ Mg）X100%

② 当用称量试验件法时：

 

3、储灰能力

      空气滤清器运行过程中，不断地滤出灰尘，积聚在滤芯里，滤芯堵塞，阻力逐渐上升，当灰尘达到一定值时，对柴油发电机性能造成一定下降，因此，需要对滤芯清理或更换。这段时间，空气滤清器内储存灰尘的多少，或者经历时间的长短，或者行驶的里程间隔称为储灰能力或者寿命，道路灰尘浓度相差悬殊，达到同样的储灰量时发电机组间的行驶里程间隔有很大差别，为了使发电机组保养同步，轿车推荐定为6000-8000km,固定式柴油发电机定为300h，油浴式定为100h。

4、额定流量

      空气滤清器的额定流量是指空气滤清器产品图样所规定的，在 标准大气状况下通过空气滤清器出气口的空气流量 ，它应与柴油机 在标定功率下所需供气量相匹配。 单位∶立方米/ 小时（m3/ h ）。

      柴油机的额定空气流量可根据其工作容积、 额定转速和充气系数等来确定，其计算方法如下∶

Q=X.N.n .e

式中∶Q——额定空气流量 m³/ min）；

Vn——柴油机工作容积（L）；

N——柴油机额定转速（r/min）。

（2）粗滤效率

      在额定空气流量下，粗滤器分离出粉尘的能力， 以百分数表示。

η_e= （△ Me/ Mg）X 100%

式中∶ηe——粗滤效率%；

△ Me——粗滤器集尘装置在加粉尘前后的质量增量g；

Mg——加粉尘量g；

 

      粗滤器是利用惯性或离心方法在滤芯前去除一部分粉尘的装置。粗滤器的型式有∶ 帽式粗滤器、盆式粗滤器、叶片环式等。

5、其他性能

（1）耐热性

      判定滤芯两端粘胶及滤纸耐高温的性能。一般需要从-40℃~120℃两个循环，共48小时。

（2）耐油性

      主要判定橡胶密封件与金属壳体间的粘结性能。

 

图5  空气滤清器过滤原理图

图6  干式空气滤清器过滤效率曲线图

 

总结：

      随着柴油发电机的不断改进和使用环境的极不相同，促使对各种滤料、各种滤清器的结构及其组合的研究蓬勃开展，是现代空气滤清器的结构和性能达到十分完善的地步。对空气滤清器的要求概括来说是：滤清效率高、过滤阻力小、储灰能力大、结构简单、容易保养、体积小、重量轻。很明显，这些要求是相互制约、相互矛盾的，必须全面考虑上述的要求，妥善处理它们之间的矛盾，才能研制出理想的空气滤清器。

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