汽車發動機空氣濾芯過濾理論研究方法

杜丹豐,劉紅玉,于 淼,李 亮

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

汽車發動機空氣濾芯過濾理論研究方法

杜丹豐,劉紅玉,于 淼,李 亮

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

空氣濾芯的主要作用是過濾掉空氣中的雜質，保證進入氣缸的空氣質量，減少氣缸的磨損，其質量直接影響發動機的可靠性和使用壽命。過濾理論的研究對于提高空氣濾芯的過濾性能、改善空氣濾芯的結構具有重要意義。對近幾年文獻進行分析，介紹了空氣濾芯的作用與種類，給出了發動機空氣濾芯應用過濾理論的研究情況，分別對拉格朗日方法、計算流體力學方法、離散單元法、格子Boltzmann方法等幾種過濾理論研究方法的特點及應用進行比較。

汽車；發動機；空氣濾芯；過濾理論

發動機空濾(下文簡稱空濾)主要作用是過濾空氣中的塵沙，保證進入氣缸的空氣質量，延長發動機使用壽命，是汽車發動機的重要部件[1-2]。已有研究表明：汽車發動機的早期損壞70%與空濾有關[3-4]，它的質量直接影響發動機的可靠性和使用壽命，也是國家規定的內燃機質量強制檢驗項目之一。空濾過濾性能的好壞取決于濾清器本身的結構、選用的濾芯材料及其加工質量。目前，空濾結構性能進一步的提升出現了技術瓶頸，雖然國內外對濾芯材料的研制技術取得了很大進展，但實驗研究過程繁冗。因此，過濾理論的研究對于提高空氣濾芯材料過濾性能，改善空氣濾芯的結構，提升空濾研發效率具有重要意義。

1 空氣濾芯結構種類

目前，發動機中常用的空濾主要有慣性油浴式空濾、紙質干式空濾、聚氨酯濾芯空濾等幾種。慣性油浴式空濾由于具有濾清效率較低、質量大且成本高、維護不便等缺點，在汽車發動機中已逐漸被淘汰。紙質干式空濾是目前應用最廣泛的汽車用空濾，主要有微孔濾紙濾芯、無紡布濾芯、纖維濾芯等幾類[5]。不同的濾芯由于結構的不同，使得它們有不同的過濾機理，其結構特點及過濾機理如表1所示。

表1 濾芯的結構特點及過濾機理Table 1 Structural characteristics and filtration mechanism of air filter

2 發動機空氣濾芯過濾理論研究情況

吳一敏[6]研究了車用空氣濾芯的現狀，介紹了微孔濾紙濾芯應用的主要過濾機理。陳峰[7]研究了微孔濾紙的組成，介紹了濾紙濾芯的主要過濾機理，分析了影響其過濾的主要性能指標。

耿鑫等[8]認為：干式無紡布作為濾料與顆粒間的摩擦力較大，濾清效率較低；而濕式無紡布濾芯主要使粒子與濾料孔徑之間產生一種粘著力，使濾料捕捉粒子的機會大大增加，從主濾芯透過的粒子有可能再次被安全濾芯攔截。

Thomas等[9]通過采用熒光標定的氣溶膠粒子對纖維濾芯的過濾特性進行了實驗研究，然后將含塵濾料切成若干個薄層切片，采用電鏡掃描技術進行掃描觀察，分析過濾深度的變化對顆粒沉積特性的影響，為纖維濾芯的過濾理論提供了基礎。Daehwan Cho等[10]對納米纖維過濾器的過濾效率和納米纖維過濾器壓降進行了評估。Subramanian Sundarrajan等[11]探討了應用靜電紡絲納米纖維去除空氣中的揮發性有機化合物，認為相對于活性炭和玻璃纖維過濾器來說，納米纖維過濾器可以提高過濾效率，將其單獨使用或者聯合其他常規過濾器共同使用，對于去除具有揮發性的納米顆粒和細菌將會很有意義。莊子威等[12]認為經典過濾理論沒有考慮納米顆粒物在纖維表面反彈并降低過濾效率的可能性，通過研究表明HEPA (高效空氣過濾)需要考慮顆粒物反彈效應對過濾效率的影響。白冰等[13]分析了影響微米木纖維濾芯性能的因素，得到了隨著木纖維等效半徑、濾芯長度和和填充率變化的過濾效率和阻力變化曲線。

3 過濾理論研究方法

過濾理論研究方法主要有拉格朗日方法、 計算流體力學方法(CFD)、離散單元法(DEM)及格子Boltzmann方法。

3.1 拉格朗日方法

拉格朗日方法被認為是通過氣溶膠顆粒跟蹤得到軌跡的方法，由斯托克斯方程的數值解得到氣流場并根據粒子跟蹤，確定纖維上的粒子沉積部位。當多孔介質的雷諾數小于1時，可使用ANSYS代碼來高效求解纖維空隙之間的斯托克斯流方程[14]。

拉格朗日方法可用于研究微孔濾紙濾芯和纖維濾芯。A.M.Saleh[15]在比較3-D模型和1-D模型哪個更適合模擬纖維過濾器的過濾性能研究中，使用拉格朗日方法得到顆粒運動的軌跡，并確定不同粉塵負荷下纖維過濾器的效率和壓降。王偉[16]等在對柴油機空濾內的氣固兩相流研究中，通過建立灰塵顆粒模型，對顆粒采用拉格朗日方法計算顆粒的運動軌跡，得到灰塵顆粒的運動軌跡圖像，計算不同粒徑顆粒的過濾效率。A.Ortiz-Arroyo[17]利用拉格朗日方法表示深床過濾器過濾時微粒的沉積，分析了各種過濾階段與各種過濾機理下的過濾效率和過濾系數等。Perrine Pepiot[18]將歐拉-拉格朗日方法用于分析流化床的二維和三維模型，實現了粒子運動跟蹤。

拉格朗日方法雖然應用較為廣泛，但也有不足：沒有考慮已沉積的顆粒對后來顆粒的影響；認定顆粒只要接觸到纖維就被捕集；忽略了顆粒間的相互作用。

3.2 計算流體力學方法(CFD)

自20世紀70年代以來，隨著計算機的普及以及計算能力的不斷提高，加上一些近似計算方法如有限差分法、有限元法等的發展，基于數值計算的計算流體力學(CFD)方法正在沖擊并改變著傳統的工業過程設計方法。這種數值方法通過建立一些控制方程，加上數值計算理論和方法并結合一些初始和邊界條件，得到各種場如流場、溫度場等分布的真實情況。

CFD方法對微孔濾紙濾芯、無紡布濾芯及纖維濾芯均適用。葉青等[19]基于計算流體動力學(CFD)、計算結構動力學(CSD)，釆用數值模擬方法，建立了理論模型，研究了袋式除塵器過濾、清灰階段流場分布特性。Bin Xu等[20]基于理論分析和計算流體動力學(CFD)技術，開發了一種半解析模型，用來說明過濾性能(過濾效率和壓降)和加載在兩個不同的粒子沉積結構下的顆粒之間的關系。錢付平[21]利用計算流體動力學(CFD)技術對纖維過濾器內部氣-固兩相流動特性進行數值研究，并將數值計算值和經典模型及實驗關聯式進行了比較。

計算流體力學方法有豐富的物理模型，強大的后處理功能，是目前應用較多的研究方法。但在應用過程中建模比較復雜，耗時大。

3.3 離散單元法(DEM)

DEM方法把顆粒間的相互作用力模擬成彈性力、阻尼力以及摩擦滑移等機理模型來計算。DEM將顆粒視為非連續介質，在初始狀態下，各顆粒有其固定的位置，處于力平衡狀態。當作用力系或邊界條件發生變化時，顆粒的空間狀態也會發生變化，產生新的作用力系狀態，使更多顆粒由于作用力的傳遞產生新的運動和位移。DEM方法的計算是交替采用牛頓第二定律和接觸的力-位移方程來完成的。

DEM方法適用于微孔濾紙濾芯和纖維濾芯。于先坤[22]在其研究中引入離散單元法，模擬分析了纖維過濾過程中顆粒群的特性對過濾特性的影響。王國呈[23]使用DEM方法，對黏性顆粒在纖維體上沉積進行散體力學動態模擬，并將結果與CFD-DPM和CFD-DEM耦合的結果進行比較，結果表明，該方法可以更準確地描述顆粒物在纖維上的沉積特性。朱小潔[24]通過 CFD-DEM 耦合技術，模擬纖維過濾介質內部的氣-固兩相流動，研究纖維與顆粒的特性對顆粒沉積和團聚的影響，改變過濾介質的結構參數以分析其對介質過濾特性(包括壓力損失和過濾效率)的影響。

DEM方法有著同時考慮多顆粒間的相互作用以及顆粒位置的連續變化的優點，同時，也有一些不足：不能區分出不同材料的顆粒以及不能考慮顆粒的變形。

3.4 格子Boltzmann方法(LBM)

在格子Boltzmann方法中，將流體假定為虛擬的顆粒，模擬這些顆粒在網格點上的碰撞并遷移。因為碰撞項的復雜，引入并使用了BGK碰撞算子[25]。格子Boltzmann方法近年來在理論和應用研究等方面取得了迅速的發展，具有無需反復計算、可使用大規模并行計算、能處理顆粒沉積后的復雜流場、邊界條件容易設定等優點，是一種很有發展潛力的過濾理論研究方法。

格子Boltzmann方法對微孔濾紙濾芯、無紡布濾芯及纖維濾芯均適用。對于復雜的沉積結構，很多學者通過采用格子Boltzmann(LBM)的方法進行數值模擬。Shahram Talebi等[26]使用LBM方法模擬纖維濾清器內的流體流動，研究一些參數如固體體積分數、雷諾數、斯托克斯數等對過濾性能的影響。Jonggeun Ban g等[27]使用格子Boltzmann方法跟蹤運動的粒子，得到粒子運動軌跡，驗證了清潔纖維的過濾效率和壓降。趙海波等[28]使用格子Boltzmann方法模擬多纖維過濾器的過濾過程，然后對纖維的排列方式、分離比及質量因數對捕獲效率的貢獻進行了研究。王浩明等[29]利用LBM兩相流模型對多層纖維捕集顆粒物過程進行了數值模擬，研究了不同纖維配置方式下系統壓降與捕集效率的變化。Wang等[30]建立了外力作用下顆粒在規則格子點上移動的模型，利用LB方法研究單纖維捕集顆粒物的過程。

格子Boltzmann方法既準確、高效，又能處理復雜的邊界，被認為是用于模擬復雜幾何形狀的流體流動的最有前途的工具，可用以分析纖維過濾器性能相關參數的影響，但不足的是，該方法目前還處于快速成長階段，與其他數值方法相比，理論體系還不夠完善，在很多領域內的應用仍處于探索階段。

各種數值模擬方法的對比如表2所示。

4 結束語

本文介紹了車用發動機空氣濾芯的種類，分析了過濾理論的應用情況，并總結了拉格朗日方法、計算流體力學方法(CFD)、離散單元法(DEM)和格子Boltzmann方法(LBM)的特點及應用范圍。這些方法之間不是相互排斥的，而是互相兼容的。它們在不同程度上都存在著交叉或重疊。其中CFD方法應用最為廣泛；其次是拉格朗日方法與DEM方法。若是忽略顆粒的影響，則選擇拉格朗日方法，若是要考慮顆粒的材料及顆粒間的相互作用，則選擇DEM方法。對于具有復雜邊界的流場來說，選擇格子Boltzmann方法更高效。

表2 數值模擬方法對比Table 2 Comparison of numerical simulation methods

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(責任編輯 劉 舸)

Analysis of Filtering Theory Research Methods for Air Filter Element of Automobile Engine

DU Dan-feng, LIU Hong-yu, YU Miao, LI Liang

(College of Transportation, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The main function of air filter is filtering out the impurities in the air, ensuring the purity air into the cylinder, and reducing the wear of the cylinder. Therefore, the quality of air filter element directly affects the reliability and service life of the engine. The theory of filtration is very important for improving filter performance and enforcing structure of air filter. Firstly, the paper analyzes the literature of air filter in recent years, and introduces the function and category of the air filter; then gives the application of filtration theory research of air filter for automobile engine; lastly, the characteristics and applications of the Lagrange Method, Computational Fluid Dynamics Method, Discrete Element Method and Lattice Boltzmann Method are compared.

vehicle; engine; air filter; filtration theory

2016-10-16

國家自然科學基金資助項目(31470611)；黑龍江省科學基金資助項目(E2015055)；哈爾濱市應用技術研究與開發項目(2015RAQXJ035)

杜丹豐(1972—)，男，黑龍江人，博士，副教授，主要從事汽車節能減排研究，E-mail:ddf72@163.com。

杜丹豐,劉紅玉,于淼,等.汽車發動機空氣濾芯過濾理論研究方法[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(1):15-20.

format：DU Dan-feng, LIU Hong-yu,YU Miao,et al.Analysis of Filtering Theory Research Methods for Air Filter Element of Automobile Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):15-20.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.003

U464.134.4

A

1674-8425(2017)01-0015-06