1、車輛動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）主要應用在氣動機械、內燃機械等領域，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?？諝鉃V清器的主要組成部分是濾芯和機殼，其中濾芯是主要的過濾部分，承擔著氣體的過濾工作，而機殼是為濾芯提供必要保護的外部結構?？諝鉃V清器的工作要求是能承擔高效率的空氣濾清工作，不為空氣流動增加過多阻力，并能長時間連續工作。空氣濾清器結構 發動機在工作過程中要吸進大量的空氣，如果空氣不經過濾清，空氣中懸浮的塵埃被吸入氣缸中，就會加速活塞組及氣缸的磨損。較大的顆粒進入活塞與氣缸之

2、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。空氣濾清器裝在化油器或進氣管的前方，起到濾除空氣中灰塵、砂粒的作用，保證氣缸中進入足量、清潔的空氣。 在汽車的千千萬萬個零部件中，空氣濾清器是一個極不起眼的部件，因為它不直接關系到汽車的技術性能，但在汽車的實際使用中，空氣濾清器卻對汽車（特別是發動機）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，發動機就會吸入大量含有塵埃、顆粒的空氣，導致發動機氣缸磨損嚴重；另一方面，如果在使用過程中，長時間不給維護保養，空氣濾清器的濾芯就會粘滿空氣中的灰塵，這不但使過濾能力下降，而且還會妨礙空氣的流通，導致混合氣過濃而使發動機工

3、作不正常。因此，按期維護保養空氣濾清器是至關重要的。 空氣濾清器一般有紙質和油浴式兩種。由于紙質濾清器具有濾清效率高、質量輕、成本低、維護方便等優點，已被廣泛采用。紙質濾芯的濾清效率高達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濾清器，又分為干式和濕式兩種。對干式濾芯來說，一旦浸入油液或水分，濾清阻力就會急劇增大，因此清潔時切忌接觸水分或油液，否則必須更換新件。 在發動機運轉時，進氣是斷續的，從而引起空氣濾清器殼體內的空氣振動，如果空氣壓力波動太大，有時會影響發動機的進氣。此外，這時也將加大進氣噪聲。為了抑制進氣噪聲，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小的褶皺。當濾芯輕度污損時，可以使用壓縮空氣吹凈，當濾芯污損嚴重時應當及時更換新芯。 濕式濾芯使用海棉狀的聚氨脂類材料制造，裝用時應滴加一些機油，用手揉勻，以便吸附空氣中的異物。如果濾芯污損之后，可以用清洗油進行清洗，過分污損也應該更換新濾芯。 如果濾芯阻塞嚴重，將使進氣阻力增加，發動機功率下降。同時由于空氣阻力增加，也會增加吸進的汽油量，導致混合比過濃，從而使發動機運轉狀態變壞，增加燃料消耗，也容易產生積炭。 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,空氣進出口壓力損失與氣流的動壓頭成比例,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廠家提供的數據建立,當安裝日期和氣流狀況確定后,這個模型理論 上可以得到壓力損失的精確解。然而在這些模型中都假設氣流的溫度和壓力是恒定的,而 許多通風和空調系統的實際運行狀況,空氣流速是隨時間變化的。盡管我們可以根據過濾 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 性關系,得出的結果可能與實際情況相去甚遠。 我首先找到了以下三種計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,進行壽命周期成本分析的研究。 1.壓力損失模型 對于一個選定的過濾器,壓力損失模型應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,進行以下假定: 對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 和空氣質量流速 m 的關 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 是相對獨立的; 過濾器的有效面積 A 與塵粒

7、積累度 G 有關,可表示: 式中 c-回歸因子,A0-過濾器設計有效面積; 過濾器的塵粒積累度與單個過濾器的運行時間成比例 , = cG ,無因次時間因子 為使用時間與使用壽命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。m0 為設計質量 流速。1.1 瞬時法過濾器的能耗 P 和空氣質量流速 m 與壓力損失p 的乘積成比例,也和風機的效率有關, 過濾器的功率的表達式為: 當空氣流速和過濾器的更換狀況已知,那么式(7)和(8)可以計算風機功率。由式(7) 可知,隨著過濾器塵粒積累度的增加,風機的功率呈指數形式增加,并與空

8、氣質量流速的 n+1 次方成正比。由于這些變量是非線性關系,所以不能由平均空氣流速和平均過濾器塵 粒積累度來計算平均風機功率。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機功率比 p 與空氣質量流速比 m 的關系。圖 1b 表示不同空氣流速下 p 與過濾器塵粒積累度 G 的關系;他們都不是線性關系。可以看出: 當過濾器塵粒積累度最大時,風機功率將增加到初始功率的 5.6 倍。 圖 1 風機功率隨流速和塵粒累積程度的變化1.2 區間法: 為了簡化計算,區間法把過濾器的壽命周期分成等長的區間,通過縮小時間間隔來減小風量 變化的影響,過濾

9、器的能耗通過每個區間進行計算,總能耗等于各個區間能耗的總和。當 各等距區間的使用情況比較規律時可用區間法來計算。用統計規律來考慮各區間中空氣質 量流速和過濾器塵粒積累度的變化對風機能耗的影響,如果在第 i 個時間間隔,空氣質量 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)是質量流速在時間上的分布函數,與在這個區間內質量流速 m 經歷的時間有關: 由于塵粒積累度和其他參數的改變,流速隨時間而變化。時間跨度小時,質量流速可以作為 定值來考慮。如果時間跨度很大,空氣狀況有較大變化,那么可以假定一個氣流密度分布 函數。這里引入三種模式,可以根

10、據實際應用作出適當選擇。 第一種模式假定氣流以平均流速通過過濾器,其質量流速概率密度 fi(m)表示為: 第二種模式假定空氣質量流速呈平均分布: 第三種模式假定空氣質量流速呈正態分布: 其中為平均標準方差; 把時間和空氣質量流速密度引入公式 9,則過濾器在第 i 區間的功率比Pi 分別為 過濾器的能耗即為各區間能耗之和,表示為: 式中:e-過濾器的壽命。氣流模式的選擇對風機功率的計算有巨大影 響。圖二表示風機功率比(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,在風機功率的計算中流 量模式

11、的選擇必須仔細選擇以達到最準確的計 算結果。 圖二1.3 不等距區間法 在這種模型中,區間的跨度各不相等,此種方法適于系統使用靈活的場合,時間間隔 i 各 不相等 式中:a-過濾器平均壽命 引入時間和質量密度(公式 10,11,12)到公式 6 中,過濾器能耗比 Pi (第 i 區間)表 示為 年度過濾器能耗 Ef 即為各個區間之和,表示為 在一年中使用的過濾器的壽命e 不等時,過濾器壽命期的能耗 Ef 表示為 1.4 計算實例 下表總結了一個標準狀況下等距區間法的計算結果。在這個算例中,過濾器的壽命期分為 六個區間,每個區間跨度為 1 個月?？諝獾馁|量流速由風機給出。假定過濾器是 1 月安裝

12、 的,無因次時間由每個區間的開始到壽命期的結束決定,能耗比則按每月進行計算。過濾 器的阻力隨塵粒積累度的增加而增加,及時更換過濾器能減小風機能耗,增加空氣的流速。 結果表明,選擇平均分布模式計算得到的風機能耗稍大于平均值模式。 4. 第四種模型研究的對象是某特種車輛所采用的2 級濾 清式自動抽塵空氣濾清器9其結構如圖1 所示 它 采用了多旋風筒與濾塵絲盒的結構設計9其集塵器 是利用廢氣引射器進行抽塵 進入空氣濾清器總的 空氣流量等于發動機的進氣量與抽塵用的空氣量之和抽塵用的空氣量一般為發動機進氣量的8%10% 2級濾清式自動抽塵空氣濾清器結構 假設空氣濾清器清潔9忽略空氣流經空氣濾清 器時的狀

13、態變化 發動機在某一工況穩定工作時9 其進氣質量流量為me 9且抽塵用的空氣量為發動 機進氣量的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為當發動機進氣流量為0 ( 即空氣流速為0 時9空 氣濾清器進氣阻力一定為0 ; 當發動機進氣流量增 加 ( 即空氣流速增加 時9空氣濾清器進氣阻力也隨 之增加9且無論是管道之中流動的沿程阻力還是局 部阻力9在其他條件一定的情況下9其值都與流體流動速度的2 次方成正比 因此 這里可認為空氣濾 清器進氣阻力與空氣流速之間也為2 次變化關 系即

14、進氣阻力F1 為 式中 E為常系數由圖2 可見 空氣濾清器的相對功率損失隨進 氣阻力的變化大致成直線關系 當進氣阻力為0 時 空氣濾清器的功率損失也一定為0 所以 可認為 空氣濾清器的相對功率損失J 為 式中為常系數。 空氣濾清器功率損失的絕對值 N 1 則為 式中，P e 為發動機有效功率 。若已知發動機某一工況時的進氣量和空氣濾清 器的進氣阻力 則可由式 1 至式 3 得到常系數E 若已知發動機某一工況時的Pe 和空氣濾清器的進 氣阻力和功率損失 則可由式 4 和式 5 得到常系 數在確定常系數及E 之后 通過工作過程計 算得到發動機的進氣量及Pe 聯立式 1 至式 5 即可計算該空氣濾清

15、器的阻力特性 計算實例由于專業原因，我選取第四種模型?，F知特種車輛發動機為非增壓柴油機 發動機標定轉速nB=2000r/min Pe=382kW進氣質量流量為0 .473 kg/s; 空氣濾清器使用的前阻力約為5 .390 kPa 5 .880 kPa 對應的功率損失約為 11 .03 k W。已知標定工況下的各項試驗值，現用該模型進行驗證，并且探究影響規律。 對該發動機的標定工況點進行工作過程模擬模擬結果與實驗值的對比（見表1）顯示對發動機標定工況點的模擬具有較高的精度對該發動機的 外特性進行工作過程模擬所得Pe 與實驗值之間的對比（見圖3）顯示模擬精度也較高應用以上建立的阻力特性計算模型對

16、發動機外特性上1 600 rmin2 000 rmin轉速范圍內轉速差為50 rmin的9個工況點進行模擬 分別計算空氣濾清器的進氣阻力和功率損失計算值與實驗值的對比（見圖4）結果也較令人滿意。對發動機外特性上的1200rmin2000rmin轉速范圍內轉速差為200 rmin的5個工況點進行模擬所得空氣濾清器阻力特性的計算結果見圖5 對應進氣阻力對功率損失的影響見圖6，兩者變化趨勢與實驗驗證結果相符，可見模擬結果也較令人滿意。 并可知空氣濾清器的功率損失主要受到進氣主力影響，進氣主力越大，損失越明顯。參考文獻：1ASHRAE.2000.2000 ASHRAE Handbook-Systems

17、 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 under