1、車輛動(dòng)力裝置空氣濾清器的功率損失及其效率研究 空氣濾清器（Air Cleaner）主要應(yīng)用在氣動(dòng)機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)械等領(lǐng)域，作用是為這些機(jī)械設(shè)備提供清潔的空氣，以防這些機(jī)械設(shè)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(jī)率。空氣濾清器的主要組成部分是濾芯和機(jī)殼，其中濾芯是主要的過濾部分，承擔(dān)著氣體的過濾工作，而機(jī)殼是為濾芯提供必要保護(hù)的外部結(jié)構(gòu)。空氣濾清器的工作要求是能承擔(dān)高效率的空氣濾清工作，不為空氣流動(dòng)增加過多阻力，并能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。空氣濾清器結(jié)構(gòu) 發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中要吸進(jìn)大量的空氣，如果空氣不經(jīng)過濾清，空氣中懸浮的塵埃被吸入氣缸中，就會(huì)加速活塞組及氣缸的磨損。較大的顆粒進(jìn)入活塞與氣缸之

2、間，會(huì)造成嚴(yán)重的“拉缸”現(xiàn)象，這在干燥多沙的工作環(huán)境中尤為嚴(yán)重。空氣濾清器裝在化油器或進(jìn)氣管的前方，起到濾除空氣中灰塵、砂粒的作用，保證氣缸中進(jìn)入足量、清潔的空氣。 在汽車的千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)零部件中，空氣濾清器是一個(gè)極不起眼的部件，因?yàn)樗恢苯雨P(guān)系到汽車的技術(shù)性能，但在汽車的實(shí)際使用中，空氣濾清器卻對(duì)汽車（特別是發(fā)動(dòng)機(jī)）的使用壽命有極大的影響。一方面，如果沒有空氣濾清器的過濾作用，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)吸入大量含有塵埃、顆粒的空氣，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸磨損嚴(yán)重；另一方面，如果在使用過程中，長(zhǎng)時(shí)間不給維護(hù)保養(yǎng)，空氣濾清器的濾芯就會(huì)粘滿空氣中的灰塵，這不但使過濾能力下降，而且還會(huì)妨礙空氣的流通，導(dǎo)致混合氣過濃而使發(fā)動(dòng)機(jī)工

3、作不正常。因此，按期維護(hù)保養(yǎng)空氣濾清器是至關(guān)重要的。 空氣濾清器一般有紙質(zhì)和油浴式兩種。由于紙質(zhì)濾清器具有濾清效率高、質(zhì)量輕、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛采用。紙質(zhì)濾芯的濾清效率高達(dá)99.5%以上，油浴式濾清器的濾清效率在正常的情況下濾清效率為9596%。轎車上廣泛使用的空氣濾清器是紙質(zhì)濾清器，又分為干式和濕式兩種。對(duì)干式濾芯來說，一旦浸入油液或水分，濾清阻力就會(huì)急劇增大，因此清潔時(shí)切忌接觸水分或油液，否則必須更換新件。 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣是斷續(xù)的，從而引起空氣濾清器殼體內(nèi)的空氣振動(dòng)，如果空氣壓力波動(dòng)太大，有時(shí)會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。此外，這時(shí)也將加大進(jìn)氣噪聲。為了抑制進(jìn)氣噪聲，可以加大空氣

4、濾清器殼體的容積，有的還在其中布置了隔板，以減小諧振。 空氣濾清器的濾芯分為干式濾芯和濕式濾芯兩種。干式濾芯材料為濾紙或無紡布。為了增加空氣通過面積，濾芯大都加工出許多細(xì)小的褶皺。當(dāng)濾芯輕度污損時(shí)，可以使用壓縮空氣吹凈，當(dāng)濾芯污損嚴(yán)重時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換新芯。 濕式濾芯使用海棉狀的聚氨脂類材料制造，裝用時(shí)應(yīng)滴加一些機(jī)油，用手揉勻，以便吸附空氣中的異物。如果濾芯污損之后，可以用清洗油進(jìn)行清洗，過分污損也應(yīng)該更換新濾芯。 如果濾芯阻塞嚴(yán)重，將使進(jìn)氣阻力增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。同時(shí)由于空氣阻力增加，也會(huì)增加吸進(jìn)的汽油量，導(dǎo)致混合比過濃，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變壞，增加燃料消耗，也容易產(chǎn)生積炭。 River(1

5、996)提出了過濾器壓力損失模型,即過濾器總壓力損失為空氣進(jìn)出口壓力損失和通過過濾器壓力損失之和。該模型假定通過過濾器的氣流形式為層流,空氣進(jìn)出口壓力損失與氣流的動(dòng)壓頭成比例,通過過濾媒介的壓力損失與空氣流速成比例。River 和 Murphy 在 2000 年的研究中又進(jìn)一步考慮到空氣通過過濾媒介被壓縮的因素。過濾器的壓力損 失模型可以利用生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)建立,當(dāng)安裝日期和氣流狀況確定后,這個(gè)模型理論 上可以得到壓力損失的精確解。然而在這些模型中都假設(shè)氣流的溫度和壓力是恒定的,而 許多通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況,空氣流速是隨時(shí)間變化的。盡管我們可以根據(jù)過濾 器壽命期空氣的平均流速和平均壓

6、力來大致估算過濾器的能耗,但是由于變量之間的非線 性關(guān)系,得出的結(jié)果可能與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。 我首先找到了以下三種計(jì)算空氣過濾器能耗的方法,這些方法可以克服以前的壓力損失模型存在的不足,后兩種方法還可用來估算過濾器壽命周期和能耗,進(jìn)行壽命周期成本分析的研究。 1.壓力損失模型 對(duì)于一個(gè)選定的過濾器,壓力損失模型應(yīng)該反映空氣流速和過濾器塵粒積累程度的影響。 為了建立壓力損失模型,進(jìn)行以下假定: 對(duì)于固定的過濾器塵粒積累度,過濾器的有效面積 A,壓力損失p 和空氣質(zhì)量流速 m 的關(guān) 系為: 式中 b 為回歸因子;壓力損失因子 n 與過濾器塵粒積累度 G 是相對(duì)獨(dú)立的; 過濾器的有效面積 A 與塵粒

7、積累度 G 有關(guān),可表示: 式中 c-回歸因子,A0-過濾器設(shè)計(jì)有效面積; 過濾器的塵粒積累度與單個(gè)過濾器的運(yùn)行時(shí)間成比例 , = cG ,無因次時(shí)間因子 為使用時(shí)間與使用壽命l 的比值; 基于以上假定,壓力損失p 可表示為: 過濾器的壓力損失特性與壓力損失因子 n,初阻力p0,終阻力pe 有關(guān)。m0 為設(shè)計(jì)質(zhì)量 流速。1.1 瞬時(shí)法過濾器的能耗 P 和空氣質(zhì)量流速 m 與壓力損失p 的乘積成比例,也和風(fēng)機(jī)的效率有關(guān), 過濾器的功率的表達(dá)式為: 當(dāng)空氣流速和過濾器的更換狀況已知,那么式(7)和(8)可以計(jì)算風(fēng)機(jī)功率。由式(7) 可知,隨著過濾器塵粒積累度的增加,風(fēng)機(jī)的功率呈指數(shù)形式增加,并與空

8、氣質(zhì)量流速的 n+1 次方成正比。由于這些變量是非線性關(guān)系,所以不能由平均空氣流速和平均過濾器塵 粒積累度來計(jì)算平均風(fēng)機(jī)功率。圖 1a 表示在典型過濾器( n=1.52,p0=83Pa, pe=470Pa)中不同過濾器塵粒積累度下風(fēng)機(jī)功率比 p 與空氣質(zhì)量流速比 m 的關(guān)系。圖 1b 表示不同空氣流速下 p 與過濾器塵粒積累度 G 的關(guān)系;他們都不是線性關(guān)系。可以看出: 當(dāng)過濾器塵粒積累度最大時(shí),風(fēng)機(jī)功率將增加到初始功率的 5.6 倍。 圖 1 風(fēng)機(jī)功率隨流速和塵粒累積程度的變化1.2 區(qū)間法: 為了簡(jiǎn)化計(jì)算,區(qū)間法把過濾器的壽命周期分成等長(zhǎng)的區(qū)間,通過縮小時(shí)間間隔來減小風(fēng)量 變化的影響,過濾

9、器的能耗通過每個(gè)區(qū)間進(jìn)行計(jì)算,總能耗等于各個(gè)區(qū)間能耗的總和。當(dāng) 各等距區(qū)間的使用情況比較規(guī)律時(shí)可用區(qū)間法來計(jì)算。用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來考慮各區(qū)間中空氣質(zhì) 量流速和過濾器塵粒積累度的變化對(duì)風(fēng)機(jī)能耗的影響,如果在第 i 個(gè)時(shí)間間隔,空氣質(zhì)量 流速最大為 mmini,最小為 mmaxi,平均流速為 mai,則平均過濾器的功率可表示為: fi(m)是質(zhì)量流速在時(shí)間上的分布函數(shù),與在這個(gè)區(qū)間內(nèi)質(zhì)量流速 m 經(jīng)歷的時(shí)間有關(guān): 由于塵粒積累度和其他參數(shù)的改變,流速隨時(shí)間而變化。時(shí)間跨度小時(shí),質(zhì)量流速可以作為 定值來考慮。如果時(shí)間跨度很大,空氣狀況有較大變化,那么可以假定一個(gè)氣流密度分布 函數(shù)。這里引入三種模式,可以根

10、據(jù)實(shí)際應(yīng)用作出適當(dāng)選擇。 第一種模式假定氣流以平均流速通過過濾器,其質(zhì)量流速概率密度 fi(m)表示為: 第二種模式假定空氣質(zhì)量流速呈平均分布: 第三種模式假定空氣質(zhì)量流速呈正態(tài)分布: 其中為平均標(biāo)準(zhǔn)方差; 把時(shí)間和空氣質(zhì)量流速密度引入公式 9,則過濾器在第 i 區(qū)間的功率比Pi 分別為 過濾器的能耗即為各區(qū)間能耗之和,表示為: 式中:e-過濾器的壽命。氣流模式的選擇對(duì)風(fēng)機(jī)功率的計(jì)算有巨大影 響。圖二表示風(fēng)機(jī)功率比(piu/pic),即平均分 1.3 布模式的功率 piu 與平均值模式的功率 pic 之 比。正態(tài)分布模式的功率比與平均分布模式具 有相同的特征。因此,在風(fēng)機(jī)功率的計(jì)算中流 量模式

11、的選擇必須仔細(xì)選擇以達(dá)到最準(zhǔn)確的計(jì) 算結(jié)果。 圖二1.3 不等距區(qū)間法 在這種模型中,區(qū)間的跨度各不相等,此種方法適于系統(tǒng)使用靈活的場(chǎng)合,時(shí)間間隔 i 各 不相等 式中:a-過濾器平均壽命 引入時(shí)間和質(zhì)量密度(公式 10,11,12)到公式 6 中,過濾器能耗比 Pi (第 i 區(qū)間)表 示為 年度過濾器能耗 Ef 即為各個(gè)區(qū)間之和,表示為 在一年中使用的過濾器的壽命e 不等時(shí),過濾器壽命期的能耗 Ef 表示為 1.4 計(jì)算實(shí)例 下表總結(jié)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀況下等距區(qū)間法的計(jì)算結(jié)果。在這個(gè)算例中,過濾器的壽命期分為 六個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間跨度為 1 個(gè)月。空氣的質(zhì)量流速由風(fēng)機(jī)給出。假定過濾器是 1 月安裝

12、 的,無因次時(shí)間由每個(gè)區(qū)間的開始到壽命期的結(jié)束決定,能耗比則按每月進(jìn)行計(jì)算。過濾 器的阻力隨塵粒積累度的增加而增加,及時(shí)更換過濾器能減小風(fēng)機(jī)能耗,增加空氣的流速。 結(jié)果表明,選擇平均分布模式計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)能耗稍大于平均值模式。 4. 第四種模型研究的對(duì)象是某特種車輛所采用的2 級(jí)濾 清式自動(dòng)抽塵空氣濾清器9其結(jié)構(gòu)如圖1 所示 它 采用了多旋風(fēng)筒與濾塵絲盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9其集塵器 是利用廢氣引射器進(jìn)行抽塵 進(jìn)入空氣濾清器總的 空氣流量等于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量與抽塵用的空氣量之和抽塵用的空氣量一般為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的8%10% 2級(jí)濾清式自動(dòng)抽塵空氣濾清器結(jié)構(gòu) 假設(shè)空氣濾清器清潔9忽略空氣流經(jīng)空氣濾清 器時(shí)的狀

13、態(tài)變化 發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況穩(wěn)定工作時(shí)9 其進(jìn)氣質(zhì)量流量為me 9且抽塵用的空氣量為發(fā)動(dòng) 機(jī)進(jìn)氣量的8 % 9則該工況下空氣濾清器的空氣流 量m1 為 若空氣濾清器出氣口的面積為A1 (m2 >9空氣密度為!1 (kg/ m3 > ; 則空氣濾清器出氣口的空氣流速U1為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量為0 ( 即空氣流速為0 > 時(shí)9空 氣濾清器進(jìn)氣阻力一定為0 ; 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量增 加 ( 即空氣流速增加> 時(shí)9空氣濾清器進(jìn)氣阻力也隨 之增加9且無論是管道之中流動(dòng)的沿程阻力還是局 部阻力9在其他條件一定的情況下9其值都與流體流動(dòng)速度的2 次方成正比 因此 這里可認(rèn)為空氣濾 清器進(jìn)氣阻力

14、與空氣流速之間也為2 次變化關(guān) 系即進(jìn)氣阻力F1 為 式中 E為常系數(shù)由圖2 可見 空氣濾清器的相對(duì)功率損失隨進(jìn) 氣阻力的變化大致成直線關(guān)系 當(dāng)進(jìn)氣阻力為0 時(shí) 空氣濾清器的功率損失也一定為0 所以 可認(rèn)為 空氣濾清器的相對(duì)功率損失J 為 式中為常系數(shù)。 空氣濾清器功率損失的絕對(duì)值 N 1 則為 式中，P e 為發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率 。若已知發(fā)動(dòng)機(jī)某一工況時(shí)的進(jìn)氣量和空氣濾清 器的進(jìn)氣阻力 則可由式 1 至式 3 得到常系數(shù)E 若已知發(fā)動(dòng)機(jī)某一工況時(shí)的Pe 和空氣濾清器的進(jìn) 氣阻力和功率損失 則可由式 4 和式 5 得到常系 數(shù)在確定常系數(shù)及E 之后 通過工作過程計(jì) 算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量及Pe 聯(lián)立

15、式 1 至式 5 即可計(jì)算該空氣濾清器的阻力特性 計(jì)算實(shí)例由于專業(yè)原因，我選取第四種模型。現(xiàn)知特種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)為非增壓柴油機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速nB=2000r/min Pe=382kW進(jìn)氣質(zhì)量流量為0 .473 kg/s; 空氣濾清器使用的前阻力約為5 .390 kPa 5 .880 kPa 對(duì)應(yīng)的功率損失約為 11 .03 k W。已知標(biāo)定工況下的各項(xiàng)試驗(yàn)值，現(xiàn)用該模型進(jìn)行驗(yàn)證，并且探究影響規(guī)律。 對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定工況點(diǎn)進(jìn)行工作過程模擬模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比（見表1）顯示對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)的模擬具有較高的精度對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的 外特性進(jìn)行工作過程模擬所得Pe 與實(shí)驗(yàn)值之間的對(duì)比（見圖3）顯示模擬精度也

16、較高應(yīng)用以上建立的阻力特性計(jì)算模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上1 600 rmin2 000 rmin轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速差為50 rmin的9個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬 分別計(jì)算空氣濾清器的進(jìn)氣阻力和功率損失計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比（見圖4）結(jié)果也較令人滿意。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上的1200rmin2000rmin轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速差為200 rmin的5個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬所得空氣濾清器阻力特性的計(jì)算結(jié)果見圖5 對(duì)應(yīng)進(jìn)氣阻力對(duì)功率損失的影響見圖6，兩者變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果相符，可見模擬結(jié)果也較令人滿意。 并可知空氣濾清器的功率損失主要受到進(jìn)氣主力影響，進(jìn)氣主力越大，損失越明顯。參考文獻(xiàn)：1ASHRAE.2000.2000 ASHRA

17、E Handbook-Systems and Equipment.Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,inc. 2Rivers,R.D. and D.J.Murphy.1996.Determination of air filter performance under variable air volume (VAV) conditions.Final Report of ASHRAE Research Project 675.Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,inc.3Rivers,R.D.and D.J.Murphy.2000 Air filter performance unde