一種新型高效空氣濾清器的設(shè)計(jì)研究

趙金國(guó)

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

引言

汽車空氣濾清器位于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中,它是由一個(gè)或幾個(gè)清潔空氣的濾清器部件組成的總成,主要負(fù)責(zé)清除空氣中的微粒雜質(zhì)的裝置。其主要作用是濾除將要進(jìn)入汽缸的空氣中的雜質(zhì)，以便空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)參與燃燒。現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用干式紙質(zhì)空氣濾清器。干式空氣濾清器是通過(guò)一個(gè)干式濾芯，（如紙濾芯）將空氣中的雜質(zhì)分離出來(lái)的濾清器，紙質(zhì)干式空氣濾清器的濾芯采用經(jīng)過(guò)樹脂處理的微孔濾紙制成，為增加過(guò)濾面積濾紙連續(xù)做V型折疊后圍成圓筒狀。空氣留過(guò)濾紙時(shí)，濾紙將雜質(zhì)阻擋并粘附。由于我國(guó)南方和沿海地區(qū)由于季節(jié)的空氣濕度較大，濾紙容易受潮，導(dǎo)致濾清器過(guò)濾阻力增大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

本文設(shè)計(jì)了一種新型高效空氣濾清器裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)潮濕度較大環(huán)境下延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)濾清器的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣系統(tǒng)最佳工作特性，其采用靜電除塵、水霧除塵和壓縮干燥等設(shè)計(jì)，對(duì)空氣進(jìn)行了深度的過(guò)濾和干燥。由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)傳感器控制羅茨壓縮機(jī)壓縮空氣，以達(dá)到空氣冷凝并將水排出、提高進(jìn)氣效率的目的。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)適時(shí)地提供了一種高效的空氣濾清器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括外罩、濾紙和中心筒。濾芯中心筒呈圓柱管狀，中心筒的筒壁上分布有若干個(gè)通孔，濾紙沿中心筒的圓周方向連續(xù)作V型折疊后圍成濾紙圓筒。外罩由一個(gè)金屬圓柱筒構(gòu)成，在外罩上設(shè)有若干個(gè)圓柱體斜孔，任意一個(gè)圓柱體濾芯斜孔均貫穿外罩的筒壁，任意一個(gè)圓柱體斜孔的軸向均與外罩的軸向相交并呈小于90度的夾角。濾芯圓柱體斜孔底部設(shè)置有進(jìn)氣管，進(jìn)氣管上方設(shè)置有若干層靜電除塵器，每個(gè)靜電除塵器的上下表層設(shè)置有吸塵板，吸塵板通過(guò)馬達(dá)設(shè)置在滑軌上，吸塵板的表明設(shè)置有絕緣橡膠層，絕緣橡膠層上設(shè)置有吸氣孔，靜電除塵器的上方設(shè)置有過(guò)濾水槽，所過(guò)濾水槽下方設(shè)置有彎折式管路，彎折式管路上設(shè)置有補(bǔ)水管。這里所指過(guò)濾水槽上設(shè)置有U形溢流管，圓柱體斜孔外壁上設(shè)有補(bǔ)水管和U形溢流管相連接的螺紋口，過(guò)濾水槽上方設(shè)置有若干層霧化噴嘴，霧化噴嘴同心設(shè)置，各個(gè)霧化噴嘴由內(nèi)到外直徑逐漸變大，霧化噴嘴與過(guò)濾水槽之間設(shè)置有加壓泵，霧化噴嘴內(nèi)設(shè)置有網(wǎng)狀霧化板，霧化噴嘴的上方設(shè)置有羅茨壓縮機(jī)，羅茨壓縮機(jī)的出口連接有冷凝管，冷凝管的出口連接有調(diào)壓閥。濾清器裝置圓柱體斜孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 濾清器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 濾清器裝置圓柱體斜孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

當(dāng)含有水分的空氣進(jìn)入圓柱體斜孔后，通過(guò)靜電除塵器利用靜電吸附原理對(duì)空氣中的懸浮顆粒進(jìn)行吸附，吸塵板在馬達(dá)的帶動(dòng)下對(duì)靜電除塵器吸附的灰塵進(jìn)行清理，通過(guò)水槽的設(shè)置，進(jìn)一步除去了粉塵。彎折管路可以延長(zhǎng)空氣在水中的過(guò)濾時(shí)間，通過(guò)加壓泵的抽取，水槽中的水通過(guò)網(wǎng)狀霧化板的霧化，以多層水霧向下噴灑，進(jìn)一步對(duì)空氣進(jìn)行過(guò)濾凈化。經(jīng)過(guò)水霧凈化的空氣濕度增加，通過(guò)羅茨壓縮機(jī)壓縮后水汽的露點(diǎn)降低，在冷凝器管中凝結(jié)分離，沿斜孔流出，過(guò)濾后的空氣得到了干燥，到達(dá)濾紙圓筒的外圓周，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾后進(jìn)入中心筒，避免了濾紙受潮，過(guò)濾水槽通過(guò)補(bǔ)水管路不間斷補(bǔ)水，U形溢流管進(jìn)行溢流排水，保持過(guò)濾水槽的水潔凈度，通過(guò)調(diào)壓閥，可以控制出口氣流的壓力。

2 實(shí)驗(yàn)仿真研究

空氣濾清器研究紙褶在水的作用下將如何變形和由此引起的濾芯壓降變化，我們進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，即在進(jìn)氣中噴水來(lái)模擬雨天，在為分別裝有浸漬處理紙質(zhì)濾芯和合成纖維濾芯的空氣濾清器的壓差變化的比較，水能使紙質(zhì)空氣濾芯的壓差迅速提高，而對(duì)合成纖維濾芯而言影響不大。盡管浸漬保護(hù)處理但紙質(zhì)濾芯會(huì)老化和變脆，所以即使車輛的行駛里程數(shù)很低濾芯的使用壽命必須限制在五年以內(nèi)，因?yàn)榇藭r(shí)在高溫和較高機(jī)械負(fù)荷作用下，不能排除空氣濾芯損傷的可能。不同粒徑粉塵的坍塌角隨環(huán)境濕度變化，如圖3所示。相對(duì)濕度小于 100%的直線部分求斜率，即可得到坍塌角隨環(huán)境濕度的增加速率[1]，如圖4所示。

圖3 不同粒徑粉塵的坍塌角隨環(huán)境濕度變化

圖4 坍塌角隨環(huán)境濕度變化速率與粒徑的關(guān)系

由圖4說(shuō)明環(huán)境濕度對(duì)顆粒間作用力的影響與顆粒粒徑有關(guān)。當(dāng)環(huán)境濕度越大，吸附粉塵顆粒越強(qiáng)，但同時(shí)也容易造成空氣濾紙?jiān)饺菀渍掣蕉氯?，且?dāng)濾紙?jiān)诟稍锖蠓蹓m顆粒物不易脫落。

空氣濾清器改進(jìn)前、后進(jìn)氣阻力與流量的關(guān)系，如圖 5所示。由此可以看出，空氣過(guò)濾器本身引起的空氣阻力是主要原因[2]。

改進(jìn)前濾清器與改進(jìn)后濾清器部分的壓力均值對(duì)比，如圖6所示。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后效果顯著，空氣濾清器的壓力范圍大幅度降低，空濾中空氣旋渦流動(dòng)順暢，且空氣流動(dòng)性能增強(qiáng)[3]。

圖5 改進(jìn)前與改進(jìn)后濾清器進(jìn)氣阻力與流量的關(guān)系圖

圖6 改進(jìn)前與改進(jìn)后濾清器部分的壓力對(duì)比圖

3 結(jié)論

文章利用靜電除塵、水霧除塵和壓縮干燥等設(shè)計(jì)，解決了部分地區(qū)季節(jié)的空氣濕度較大地區(qū)對(duì)濾清器效用低的問(wèn)題。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)空氣進(jìn)行深度過(guò)濾和干燥等措施效果明顯，在一定程度上，提高了空氣濾清器的使用壽命和應(yīng)用程序的可行性。