重載荷發(fā)動機空氣過濾紙的發(fā)展

張文 于天

摘要：重載荷發(fā)動機空氣過濾紙是重載荷發(fā)動機空氣過濾系統(tǒng)的關鍵材料，其性能優(yōu)劣嚴重影響著發(fā)動機的工作穩(wěn)定性和使用壽命。本文首先介紹了空氣過濾紙對重載荷發(fā)動機的重要性，然后從技術發(fā)展的角度將空氣過濾紙分為了四代，并對歷代空氣過濾紙的結構特點、發(fā)展動力和關鍵性能進行了介紹。并討論了目前重載荷發(fā)動機空氣過濾紙面臨的挑戰(zhàn)以及該紙種在我國的發(fā)展前景。

關鍵詞：重載荷發(fā)動機;空氣過濾紙;空氣過濾系統(tǒng)

中圖分類號：TS761.2

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.012

Abstract：Heavyduty air filter paper is the key material in the air filtration system of heavyduty engines， which affects engines stability and life profoundly. In this paper， the importance of air filter paper for heavyduty engines was discussed firstly. Then， from the standpoint of technological development， heavyduty air filter paper was divided into four generations and the structural characteristics， development motivation and key performance of each generation of heavyduty air filter paper were introduced. At last， this paper discussed the current technology challenges of heavyduty air filter paper and put forward expectations for its development in China.

Key words：heavyduty engines; air filter paper; air filtration system

重載荷發(fā)動機空氣過濾紙（以下簡稱空濾紙）是重載荷發(fā)動機空氣過濾系統(tǒng)的關鍵材料，其性能優(yōu)劣決定了發(fā)動機在工作過程中是否能夠得到充分保護，嚴重影響著發(fā)動機的工作穩(wěn)定性和使用壽命。在過去一個世紀里，重載荷發(fā)動機的許多進步都與其空濾紙的升級和發(fā)展聯(lián)系在一起[1]。本文結合重載荷發(fā)動機的技術及其空氣過濾技術對重載荷發(fā)動機空濾紙的發(fā)展進行介紹和評述。

1重載荷發(fā)動機與空濾紙

重載荷發(fā)動機是用于大卡車、掛車牽引車、農機設備、非公路用工程機械、公交大巴和鐵路機車等大型機車能源輸出的發(fā)動機，是高端發(fā)動機先進技術集成的代表。其進氣過濾系統(tǒng)的功能，在于向發(fā)動機提供清潔空氣進行燃燒，使發(fā)動機能夠以最少的功率損耗進行正常運轉，同時保護發(fā)動機盡可能避免空氣顆粒物的污染和磨損。發(fā)動機進氣過濾系統(tǒng)的關鍵材料是空濾紙，它處于進氣過濾系統(tǒng)的終端，即放在過濾系統(tǒng)的粗濾之后，用于對空氣中的顆粒污染物進行過濾系統(tǒng)最高效率等級的過濾。如果進氣過濾系統(tǒng)使用的濾紙過濾性能不良，空氣中的顆粒污染物就會成為發(fā)動機雜質的主要來源，使發(fā)動機進氣系統(tǒng)下游的電子傳感器（如流量傳感器（MAFS）、ACT傳感器等）失效，并造成發(fā)動機磨損，甚至有可能導致發(fā)動機拉缸[2]。由于重載荷發(fā)動機高度技術集成，造價昂貴，因而其空濾紙的過濾性能要求處于車用空濾紙的高端位置。

2重載荷發(fā)動機空濾紙的發(fā)展

隨著發(fā)動機技術向著高能量密度、小體積、低排放、超潔凈化的方向發(fā)展，以及對發(fā)動機空氣過濾技術和機理認識的不斷深入，為了滿足新型發(fā)動機對潔凈度的苛刻要求，實現(xiàn)更高效率的過濾，重載荷發(fā)動機空氣過濾紙的結構和性能也在不斷進行優(yōu)化和革新。

從20世紀50年代開始被廣泛使用以來，隨著市場需求的不斷升級和對濾紙過濾機理認識的不斷深入，濾紙纖維結構的選擇和關鍵性能的要求也在不斷發(fā)生變化（不僅是關鍵性能指標的大小，所要求的關鍵性能指標的種類也在發(fā)生變化），具體變化如圖1所示。時至今日，按照在市場上興衰更迭的次序來分，重載荷發(fā)動機空濾紙已經發(fā)展了四代。

2.1 第一代空濾紙

20世紀50年代，第一代空濾紙作為干式空氣過濾系統(tǒng)的關鍵新材料開始出現(xiàn)。由于過濾性能提高，且日常維護清潔簡易，它的出現(xiàn)使舊式的油浴式空氣過濾系統(tǒng)逐步被淘汰。當時普遍認為空濾紙的過濾形式是深度過濾，為了便于生產和加工，第一代空濾紙定量較高，為130 g/m2以上，完全由植物纖維構成（空濾紙的SEM照片如圖2所示）。另一方面，受當時流行觀點的影響，認為透氣度較大的濾紙有利于延長過濾系統(tǒng)阻力增加的時間，延長濾清器的使用壽命，故第一代空濾紙透氣度較大——在200 Pa的壓差下，透氣度在350 mm/s以上。此外，在以上原因的推動下，第一代空濾紙的過濾效率不高，對標準測試塵的計重法[3]過濾效率約為98%。

2.2第二代空濾紙

隨著空濾紙的廣泛使用，空濾紙在實際使用過程中的過濾形式和對發(fā)動機過濾系統(tǒng)性能影響的認識得到了深化。這推動了空濾紙的性能和結構由第一代升級到了第二代。與第一代空濾紙相比，第二代空濾紙開始使用更細的植物纖維作為原料，空濾紙的定量下降至約115 g/m2，厚度和透氣度也進一步降低[4]。之所以出現(xiàn)這一變化，主要是因為研究認識到空濾紙的過濾形式是表面過濾，也就是空氣污染物主要被過濾在濾紙表面和表面的幾層纖維上，而不是像之前認識的深度過濾——空氣污染物主要被過濾在濾紙深處的孔隙中。在這一認識的推動下，空濾紙厚度可降低。同時，研究還表明，根據(jù)重載荷發(fā)動機空氣過濾系統(tǒng)的設計和實際使用，影響它初始進氣阻力的主要因素是管路的設計和空濾紙的使用面積，而不是空濾紙的透氣度。這意味著在不影響發(fā)動機進氣系統(tǒng)初阻的前提下，空濾紙的透氣度可以有較大的下降空間來滿足采用更細纖維原料、實現(xiàn)更高過濾效率的需要。由于使用更細的纖維原料可以提升空濾紙效率，而降低空濾紙厚度和定量又可以節(jié)省原料降低成本，這使得第二代空濾紙既提升了過濾效率（計重法過濾效率由第一代的98%提升至99%），更好地保護了發(fā)動機，又迎合了降低成本的商業(yè)需要。第二代空濾紙的出現(xiàn)，使第一代空濾紙快速遭到淘汰。圖3是典型第二代空濾紙表面和截面的SEM照片。由圖3可以看到，第二代空濾紙不僅采用了比第一代空濾紙更細的纖維，同時厚度也進一步降低。

2.3第三代空濾紙

在制造技術水平升級和對空氣過濾過程認識得到進一步深入的推動下，第三代空濾紙根據(jù)使用環(huán)境的特點，在第二代空濾紙的基礎上進行了革新。革新產生了兩種第三代空濾紙：一種是非植物纖維化的空濾紙[5]，另一種是單面起毛的空濾紙。

在第二代空濾紙得到廣泛使用的同時，其局限性也很快暴露出來。由于第二代空濾紙的厚度較低，導致其挺度較低，不利于其在使用過程中保持加工形狀的穩(wěn)定。同時，由于第二代空濾紙完全由植物纖維構成，在潮濕環(huán)境下使用時很容易因為吸水而變軟，從而導致濾芯彎折、過濾系統(tǒng)阻力迅速提升，發(fā)生報警。即使重新回到干燥環(huán)境，潮濕空濾紙的性能恢復表現(xiàn)也不佳。為了克服這些局限，非植物纖維開始作為新原料被添加到空濾紙中來，從而形成了非植物纖維化的第三代空濾紙。由于非植物纖維不吸水，或吸水率較低，從而避免水的影響，使空濾紙在潮濕環(huán)境下可保持較好的性能。同時，非植物纖維的種類和規(guī)格可選，使得對空濾紙性能的調節(jié)獲得了廣闊的空間。如高模量的非植物纖維添加可以有效地提高空濾紙的挺度，使用比植物纖維更細的非植物纖維可以有效地提高空濾紙過濾效率（可使計重法過濾效率提升至99.5%）等。圖4是典型非植物纖維化的第三代空濾紙表面和截面SEM照片。由圖4可以看到，第三代空濾紙在保持第二代空濾紙厚度的基礎上，使用了大量非植物纖維——圖中圓形截面的規(guī)則纖維。

如果說非植物纖維化的第三代空濾紙是基于環(huán)境適應性提升的目的進行的革新，那么單面起毛的第三代空濾紙則更多的是考慮過濾性能和成本因素。之所以稱這種空濾紙是單面起毛，主要因為它采用單面涂布的方式增強制造——這種制造方法使空濾紙的一面摸起來比較毛糙。具體來說，就是對空濾紙的出流面進行樹脂涂布，而入流面則保持原紙的狀態(tài)——總的涂布量（對原紙）由原來的20%～30%降低到15%～25%。這樣做的好處在于可以使入流面的纖維處于較蓬松的狀態(tài)、具有更好的三維Z向縱深，從而使濾紙表面在使用的過程中能夠形成更為蓬松的濾餅，大幅提高空濾紙的容塵量，減緩空濾紙阻力的提升速度，延長空濾紙的使用時間，特別適用于干燥多塵的環(huán)境。圖5是單面起毛的第三代空濾紙的SEM照片。從圖5可以看到，由于沒有樹脂，空濾紙入流面的植物纖維結構清晰（可以看到植物纖維原纖化產生的細絲，這些細絲也能起到改善空濾紙過濾效率的作用），具有較好的三維特性;而出流面纖維則被樹脂包裹和黏結。

2.4第四代空濾紙

在汽車排放標準不斷提高和超潔凈發(fā)動機研發(fā)的推動下，重載荷發(fā)動機空濾紙的過濾要求開始由計重法測試標準向與計數(shù)法測試標準結合邁進。之所以形成這一變化，是因為當濾紙的計重法過濾效率達到99.5%以后，實驗室的很多細微條件，包括溫度和濕度，都會對測試結果造成影響，使得計重法過濾效率測試在測試高效率空濾紙方面的準度、穩(wěn)定性和區(qū)分度大打折扣。為了彌補這一不足，標準制定者將應用于潔凈行業(yè)的計數(shù)效率測試方法引進到了發(fā)動機空濾紙的測試標準中，使原有標準的不足得到完善。通過計數(shù)法過濾效率的測試發(fā)現(xiàn)，原有計重法過濾效率為99.5%的第三代發(fā)動機空濾紙對0.3 μm顆粒的過濾效率最高不超過35%，而新發(fā)動機技術則希望能達到40%～55%。為了進一步有效地提高空濾紙的過濾效率，在第三代空濾紙的結構基礎上引入超細纖維就成為了第四代空濾紙形成的關鍵。

為了在空濾紙中引入超細纖維，第四代空濾紙除了可以通過對原有技術體系和生產過程進行改進和升級，采用混抄的方法也可以將超細纖維引入到空濾紙中，還可以從學科交叉和現(xiàn)代技術集成的角度，將電紡纖維層或熔噴纖維層與第三代空濾紙復合[6]，從而形成新型結構的表面復合型第四代空濾紙。圖6和圖7分別是電紡纖維層復合和熔噴纖維層復合的第四代空濾紙SEM照片。

由圖6和圖7可以看到，比植物纖維細得多的電紡纖維層（可采用尼龍材料制成，纖維直徑為90～500 nm）和熔噴纖維層（可采用PBT材料制成，纖維直徑約為400～1000 nm）被復合在了第三代空濾紙的入流面。這一結構不僅可以有效地提升空濾紙整體的過濾效率，而且可以有利于在空濾紙表面形成濾餅，從而可以更易于通過反吹將過濾在空濾紙入流面的空氣污染物吹掉，使空濾紙阻力得到恢復，提高空濾紙的可保養(yǎng)次數(shù)，延長使用時間。通常工況下，使用時間比傳統(tǒng)濾材至少提高30%。

3重載荷發(fā)動機空濾紙的挑戰(zhàn)

當今的重載荷發(fā)動機空濾紙需要更高的過濾精度、更長的使用時間、在熱、濕環(huán)境下更好的耐久性能以及對道路煙、塵更好的凈化能力。除此之外，它還面臨著其他的挑戰(zhàn)，包括安全性、環(huán)保性和成本最小化的壓力等。

安全性方面，阻燃就是一個例子。由于點燃的香煙或是其他可燃物質被吸入空氣進氣系統(tǒng)，就有可能導致空濾紙燃燒引發(fā)意外。如果空濾紙使用阻燃化學品，就會大幅提高制造成本，并且這些化學品常常會導致空濾紙的其他性能降低（如強度）。在巨大的成本壓力下，汽車工業(yè)對接受較高價格的阻燃空濾紙感到很勉強。另外，使用的阻燃劑必須是環(huán)保的。

環(huán)境方面，鑒于潛在的致癌性，不良揮發(fā)物的去除變得越來越重要，空濾紙需要改進或擺脫使用傳統(tǒng)樹脂，使其避免在加工和使用過程中揮發(fā)酚類、醛類物質。同時，也面臨著廢棄空濾紙帶來的環(huán)境問題，所以應盡可能避免在空濾紙中使用難以自然降解的物質。此外，空濾紙的使用壽命需要延長，這樣可以減少填埋或焚燒。

4我國空濾紙的技術產業(yè)現(xiàn)狀與前景

經過幾十年的發(fā)展，通過引進國外先進設備并自行自我消化，同時以高校和科研院所作為研發(fā)平臺推進自主研發(fā)，我國已經基本形成了從空濾紙結構設計到工業(yè)化生產的研發(fā)、制造體系。

從研發(fā)方面來說，我國的高校和科研院所做了大量的工作，包括對空濾紙的纖維結構（特種纖維、非植物纖維、原纖化纖維、異型纖維等）[710]、纖維分布（比如梯度結構）對空濾紙性能的影響[11]，以及空濾紙專用樹脂的合成及其對空濾紙性能的影響等[1213]。從“紙”的角度來說，以上研究充分覆蓋了重載荷發(fā)動機空濾紙所需要覆蓋的方向，而且在超細纖維或原纖化纖維的利用、梯度結構或者多層結構的影響等方向，可能還具有我國獨到的特色。但是，由于我國的研究主要圍繞“紙”這一概念來進行，因此研究也就主要是圍繞造紙行業(yè)所涉及的技術來進行，且特別重視應用研究。為此，雖然我國在前三代空濾紙產品上取得了比較好的成就，但在第四代產品——涉及到造紙技術與電紡、熔噴等技術在跨學科融合方面、對過濾機理的深入理解和利用方面等，反應速度相對較慢。雖然目前東華大學的電紡納米纖維復合濾材研究已開始步入產業(yè)化，但要在產品性能、穩(wěn)定性和成本方面與國外技術競爭，可能還有一段路要走。

從制造方面來說，我國主要生產廠家分布在河北省、山東省、江蘇省、浙江省和廣東省幾個地區(qū)，制造設備既有國外引進也有本土制造，以生產前三代空濾紙為主，個別有實力的公司正在與國內外專家開展合作，以通過引進或開發(fā)技術實現(xiàn)并推廣國產的第四代空濾紙。

總的來說，我國的重載荷發(fā)動機空濾紙從研發(fā)到制造應用的體系都已形成，但目前在跨學科的高技術融合方面、過濾機理的研究方面以及客戶定制的同步研發(fā)上面，與發(fā)達國家相比仍需要奮力追趕。

5結語

目前，我國已經成為了與北美和歐洲并重的汽車空濾紙市場。全世界最強的汽車空濾紙制造商都在中國展開激烈的競爭。特別是在技術和制造水平處于高端位置的重載荷發(fā)動機汽車過濾紙領域，技術和商業(yè)的競爭尤為激烈。由于起步較晚，慣性低成本競爭，技術積累和技術集成不足，造成在產品質量、產品性能上以及與客戶的同步研發(fā)上，民族工業(yè)處于較為被動的位置?，F(xiàn)在，我國的工業(yè)水平和技術水平已經發(fā)展到了新的高度。如果能夠聯(lián)系各方面力量，形成從過濾機理研究、跨學科融合研究，到生產制造，再到技術追蹤反饋的技術鏈條，緊密聯(lián)系上下游技術領域，普及技術知識，強化企業(yè)力量，就有可能使我國的民族工業(yè)能夠制造出具有自主創(chuàng)新技術的高性能重載荷發(fā)動機空濾紙，并不斷實現(xiàn)能夠適應國際競爭的技術升級，適應國家發(fā)展戰(zhàn)略的需要。

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（責任編輯：常青）