汽車燃油高分子微孔濾清技術及濾芯設計*

陳 崇 炯

(溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035)

汽車燃油高分子微孔濾清技術及濾芯設計*

陳 崇 炯

(溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035)

針對紙質濾芯使用壽命短和堵塞后必須更換的不足，開發了一種基于高分子濾材的汽車燃油精密微孔濾清技術，同時在結構上設計出帶有旁通閥的外內兩層過濾管的濾芯，實現了雙層過濾及外層被堵塞后可單層過濾。提出了關鍵實現技術，包括有高分子精密微孔過濾技術、濾芯制造工藝、結構設計、工作原理和主要技術特征等。該技術和新型濾芯具有過濾精度高、濾清速度快、耐化學性能好、結構簡單、價格低廉、微孔再生及使用壽命長等特點。

車輛工程；高分子；微孔濾清；雙層濾芯；旁通閥

作為汽車的燃油，對其品質與清潔度必然有較高的要求。由于煉油加工、運輸及保管等原因，燃油中含有一定數量的灰塵、鐵銹、焦油、膠質、水分和水垢等雜質。燃油濾清器的作用是將燃油中的雜質濾除，向發動機提供清潔的、高品質的燃油。若濾清精度達不到要求，燃油中的灰塵、鐵銹等固體雜質易堵塞燃油供給系統，加速供油系統中的精密偶件的機械磨損；若燃油中的焦油、膠質和水分等雜質進入氣缸內，會引起可燃混合氣的燃燒不良，以致發動機的動力性下降[1]。針對上述問題，開發了一種基于高分子濾材的汽車燃油超精密微孔濾清技術，設計出帶有旁通閥的外內兩層過濾管的濾芯，實現了雙層過濾及外層被堵塞后可單層過濾。

1 燃油濾清技術及濾清器的現狀

汽車燃油濾清器都是采用過濾式濾清。燃油的濾清原理：在汽油泵的作用下，燃油經進油管流入濾清器中，容積變大，流速變慢，比燃油比重大的水和雜質顆粒沉淀于濾清器的底部；比重較小的雜質隨燃油流向濾芯，便被隔離在濾芯外或粘附在濾芯表面上，而燃油由微孔滲入到濾芯內部，經出油管流出[2]。濾清器的濾清效能和使用壽命取決于濾芯，不同時期開發了不同的濾芯材料和結構。

早期汽油濾清器的濾芯有金屬濾網式、金屬片縫隙式、尼龍布式、多孔陶瓷式等。前3者的特點是工作可靠、使用壽命長，但濾清效果差、結構復雜、制造和清洗不便，已逐漸被淘汰；后者的特點是結構簡單、濾清效能高，但易被堵塞、保養清洗困難、使用壽命不長，目前應用較少。柴油濾清器濾芯材料有尼龍布、棉紗、毛氈、金屬絲等，其優點是通過性能好、使用壽命長，但普遍存在過濾效率低、結構復雜、成本高、保養不方便等缺點，也已被淘汰[3]。

目前，汽油濾清器和柴油濾清器都普遍采用微孔紙質濾芯。由于紙質濾芯具有通過性能好、濾清效果好(濾清效率大于等于99.6%)、成本低、保養容易等優點，因而得到了廣泛應用。國內外使用最多的是一次性濾清器，濾芯由濾紙筒、中心網筒、上下端蓋等組成，用黏合劑將濾紙筒、中心網筒及上下蓋黏結在一起。其中濾紙筒需經過酚醛樹脂處理后制成折疊筒式，上下蓋用鋼板沖壓，中心網筒需深加工等。因此，一次性濾清器濾芯存在加工工藝繁瑣、結構較復雜、易脫膠、使用壽命短等缺點。針對脫膠的現象，一些生產廠家將上下端蓋采用環氧樹脂材料制作，把環氧樹脂倒入模具內，與濾紙筒、中心網筒自然固化為一體，雖然解決了脫膠現象，但其余缺點仍然存在。紙質濾芯堵塞后不易清洗，必須更換。一次性的紙質濾芯燃油濾清器，更換周期一般約為1×104km，強制更換周期為3×104km。

2 高分子精密微孔濾清技術開發

本技術為一種新型的超精密過濾技術——高分子微孔過濾技術，其核心技術在于：微孔濾芯(過濾介質)的過濾精度、濾材配方和制造工藝。

2.1 設計技術指標

表1為高分子超精密微孔濾芯的設計技術指標。

表1 設計技術指標

2.1.1 微孔孔徑

微孔濾芯采用超高分子量聚乙烯粉末添加多種添加劑，經特殊的制作工藝及低溫燒結而成。孔徑大小是由原材料粉體粒度粗細的目數大小來決定的，根據聚乙烯粉末的目數不同，可制造出平均孔徑為2～140 μm的微孔。

2.1.2 過濾精度

過濾精度是指燃油中的雜質能被全部濾住的最小顆粒的尺寸。過濾精度ds與濾芯的暗流毛細通道的平均孔徑dm、濾芯的壁厚△S、燃油經過濾芯暗流毛細通道的平均線速度、燃油黏度μ及被過濾雜質顆粒與過濾介質相互作用面等有關。過濾精度按式(1)計算[4]：

通過調整濾芯暗流毛細通道的平均孔徑dm、濾芯的厚度△S、燃油經過濾芯暗流毛細通道的平均線速度，就能確保過濾精度ds。

2.1.3 濾清率

濾芯過濾精度確保0.3 um，燃油濾清率也能確保不小于99.99%[4]。

2.1.4 壓 差

根據微孔濾芯尺寸設計壁厚，壁厚不同而壓差也不同，壓差一般為0.2～0.5 MPa[5]。

2.2 高分子精密微孔濾清技術

高分子超精密微孔過濾是目前最先進的精密微孔過濾技術之一。濾芯材料以高分子聚乙烯為主要原料的微孔聚酰胺(PA)或聚乙烯(PE)，并非市場上一般的聚乙烯管材，而是濾材內部有不同孔徑的微孔，各微孔之間相互組合并形成蜂窩狀暗流通道，其蜂窩狀暗流通道具有超精密過濾精度，如圖1[6]。

圖1 微孔濾芯的蜂窩狀暗流通道Fig. 1 Honeycomb undercurrent channels in micro-porous filter element

理論計算能否保證其過濾精度，主要取決于暗流通道的孔徑，可通過以下兩種過濾方法確定[7]。

1)過濾介質中暗流毛細通道的孔徑達不到過濾精度，經過多次循環過濾，使孔徑越來越小，過濾精度越來越高，達到了所需的過濾精度后，再正常工作。這種過濾方法不適用于汽車燃油濾清器。

2)過濾介質中暗流毛細通道的孔徑達到了過濾精度，即剛開始過濾，就能達到過濾精度，濾清率不低于99.99%，是一種理想的方法。但技術難度很大，關鍵在于濾材的配方和制造工藝。

嚴格按照濾材的配方和制造工藝的要求，就能保證暗流通道孔徑的大小，一次性濾清燃油，且雜質不穿濾。高分子微孔過濾介質是具有一定厚度的深層微孔體，暗流毛細通道彎彎曲曲，呈蜂窩狀，截濾能力大，納雜質量大，濾清效率高而穩定。燃油在其內部屬于三維流動，具有深度過濾作用，在相同厚度和堵塞的條件下，阻力增加緩慢，使用壽命長。

過濾壓差越低,燃油通過越順暢。高分子聚乙烯微孔濾芯的壓差一般為0.2～0.5 MPa,壓力損失少,通過能力強,濾清速度快。高分子聚乙烯微孔濾芯為亞剛性，與紙質式濾芯相比，不僅硬度、強度等機械性能比較好，還可抗壓、抗沖擊；無任何微粒與纖維脫落，也無任何異物溶出。所以，高分子聚乙烯微孔濾清技術遠遠超過現有的一次性紙質濾清技術。

2.3 微孔再生

隨著微孔過濾技術的發展，過濾法去除雜質粒度越來越細，濾清效率越來越高，壓降越來越低。但濾清效率越高，微孔通道被堵塞就越多，微孔再生也越困難。如何克服這一矛盾，一直是希望解決的難題。

在燃油濾清過程中，微細雜質會隨著燃油的流動而遷移，其中一些雜質停留并堵塞濾芯的微孔暗流通道，使濾芯的阻力逐漸增大，雜質形成的濾餅層也隨著增厚。當濾清速度降低到不適應工作要求時，采用反吹法或反洗滌法使濾芯微孔再生，濾芯獲得重復使用，大大提高了使用壽命。

1)反吹再生法：用壓縮空氣從濾芯的內壁往外快速反吹，去除黏在濾芯外壁及微孔暗流通道的雜質，微孔獲得再生；

2)反洗滌再生法：用一定壓力的清水反壓入濾芯中的微孔暗流通道進行清洗，使堵塞在濾芯內部的雜質被洗出去，微孔獲得再生；

3)反吹反洗滌混合再生法：先將清水反壓入濾芯中微孔暗流通道進行清洗，再將壓縮空氣反吹入濾芯中微孔暗流通道，使堵塞在濾芯內部的雜質被洗、吹出去，微孔獲得再生。

3 精密微孔濾芯制造工藝安排

濾芯微孔暗流通道的形成，是本技術的關鍵所在。微孔暗流通道及孔徑大小主要取決于制作工藝。濾芯毛坯制作工藝流程分配方、裝粉、振實、燒結、脫模和冷卻等6個過程，如圖2[8]。

圖2 濾芯毛坯制作工藝流程示意Fig. 2 Schematic diagram of manufacturing process flow of filter element blank

1)配方：原料以超高分子量聚乙烯粉末為基料添加多種添加劑。高分子量聚乙烯粉末粗細的目數，根據過濾精度要求進行選擇；

2)裝粉：將配方后的粉末攪拌均勻裝入濾芯模具；

3)振實：按規定的振動頻率、振幅和時間，采用直線振動機將模具內粉末振實，保證濾芯的表面微孔和內部蜂窩狀暗流通道符合過濾精度的要求；

4)燒結：按規定溫度和時間，在低溫爐進行燒結；

5)脫模：利用脫模劑進行脫模，脫模劑在裝粉之前刷在模具的表面；

6)冷卻：脫模后的濾芯需要立即冷卻，否則易發生變形。冷卻可采用水冷或風冷。

4 濾芯技術方案及結構設計

4.1 技術方案

該濾芯為高分子超精密微孔過濾，是一種結構新型、原理獨特的雙層精密微孔過濾濾芯。其技術方案：由外、內兩層高分子聚乙烯微孔過濾管和旁通閥組成[9]。燃油經過外內層管過濾，大大提高過濾精度和濾清效率。經過長期的過濾，外層過濾管外表面的濾餅增厚或內部的蜂窩狀暗流微孔通道被堵塞，過濾介質的阻力增大，壓力升高，打開旁通閥，燃油直接進入內外層之間環形空腔，利用內層過濾管進行過濾，延長了一次使用壽命。

4.2 工作原理

燃油濾清均是從濾芯外表面空間流向內表面空腔。該燃油濾清器濾芯為帶有旁通閥雙層高分子微孔過濾濾芯，旁通閥啟閉狀態不同，工作過程也不同，可分雙層過濾和單層過濾。

4.2.1 旁通閥關閉，雙層微孔過濾

如圖3，當作用在鋼球的燃油壓力小于彈簧的彈力時，鋼球緊壓在閥體的閥座上，旁通閥處于關閉狀態。燃油經過外、內兩層高分子聚乙烯微孔過濾管過濾。燃油經過外層過濾管過濾后，大部分的雜質被擋在外層過濾管的外表面，而一些微細的雜質會隨著燃油的流動而遷移，停留并堵塞外層過濾管內部的暗流通道，甚至會穿過外層過濾管并停留在內外層之間的環形空腔；經過內層過濾管過濾時，外層穿濾的雜質擋在內層過濾管的外表面，經過內層過濾管過濾，基本上無穿濾，從濾芯出油口流出的燃油含雜質概率幾乎為0，大大提高過濾精度，濾清效率不低于99.99%。

圖3 旁通閥關閉狀態及雙層過濾示意Fig. 3 Schematic diagram of bypass valve closed and double-layer filtering

4.2.2 旁通閥開啟，單層微孔過濾

經過長期的過濾，外層過濾管外表面的雜質而形成的濾餅增厚或內部的蜂窩狀暗流微孔通道被堵塞，阻力增大，過濾速度變慢，壓力升高，當作用在鋼球上的燃油壓力大于彈簧的彈力時，頂開鋼球，旁通閥處于開啟狀態，如圖4。

圖4 旁通閥開啟狀態及單層過濾示意Fig. 4 Schematic diagram of bypass valve opened and single-layer filtering

燃油經過旁通閥進油口、旁通閥出油口，再進入內外層之間環形空腔，利用內層過濾管進行過濾，延長了一次使用時間。雖然單層過濾沒有雙層過濾精度高，但是高分子微孔濾清精度可達0.3 mm，比紙質濾芯濾清精度高，完全滿足汽車燃油供給系統的要求。

4.3 結構設計

帶有旁通閥雙層高分子微孔過濾濾芯的結構由亞剛性雙層微孔濾芯、旁通閥、密封圈和壓蓋組成。

4.3.1 雙層微孔濾芯

雙層微孔濾芯為一種亞剛性的，其結構特征在于：濾芯包括外層過濾管和內層過濾管，外層過濾管和內層過濾管之間設有環形空腔，環形空腔的開口設置在靠近壓蓋一端。濾芯相對壓蓋的另一端面為封閉，濾芯利用相對壓蓋另一端和外層過濾管外表面同時過濾，從而增大了過濾面積，提高過濾精度和濾清效率。

4.3.2 旁通閥

為了提高使用周期，在雙層微孔濾芯的封閉端面上設置了旁通閥。從濾清速度和加工工藝角度考慮，共選擇了3個旁通閥，且沿圓周均勻分布，如圖5。旁通閥的結構由閥體、螺塞、彈簧和鋼球組成。閥體與濾芯制成一體，閥體上設有階梯通孔，其形狀外小里大，階梯通孔與環形空腔連通。螺塞設置在階梯通孔內側，彈簧設置在螺塞和鋼球之間。在彈簧的彈力作用下，鋼球緊壓在閥體的閥座上，形成密封，燃油不能通過。旁通閥的開啟壓力由彈簧的剛度大小來決定，并由螺塞來調整。

圖5 汽車燃油濾清器濾芯結構示意Fig. 5 Schematic diagram of filter element structure of automobile fuel filter

4.3.3 密封圈和壓蓋

外層過濾管和內層過濾管的環形空腔的一端為開口是從模具成型角度考慮而設置的，按過濾的要求這一開口要求密封，防止燃油不經濾芯而從其短路流入濾芯內腔，降低濾清器的過濾性能。在環形空腔的開口處設置了密封圈，其結構示意如圖6。密封圈上設有中心軸向通孔，與濾芯出油口相一致。其軸向端面上設有環形凸臺，環形凸臺與環形空腔相匹配，有利于徑向固定和密封效果。

圖6 密封圈結構示意Fig. 6 Schematic diagram of seal-ring structure

壓蓋的結構示意，如圖7。通過過盈配合將壓蓋與濾芯連接，其目的是將密封圈壓緊。采用過盈配合連接，加工和安裝方便，成本低。壓蓋上也設有中心軸向通孔，與密封圈中心軸向通孔相一致，作為已濾清的燃油出油通道。

圖7 壓蓋結構示意Fig. 7 Schematic diagram of gland structure

5 主要技術特征

5.1 過濾精度高

本濾芯采用內外兩層高分子聚乙烯微孔過濾，而且過濾介質內部形成蜂窩狀的暗流通道，所以具有超精密的過濾精度，可達到0.3 μm，無穿漏[10]。

5.2 濾清速度快

濾清器過濾壓差越低越好,使燃油通過順暢。高分子聚乙烯微孔濾芯的壓差一般為0.2～0.5 MPa，通過性能好，濾清速度快，濾清效率高，供油量充分，保證了發動機的工作需要。

5.3 耐化學性能好

高分子量聚乙烯微孔濾芯不僅具有很強的抗水性能，而且耐化學性能也很好。無任何微粒與纖維脫落，也無任何異物溶出，保證了燃油的純潔性。

5.4 使用壽命長

由于濾芯的材料和結構獨創性，大大延長了使用壽命，主要體現于兩個方面。

5.4.1 兩層過濾

濾芯長期使用后，外層過濾管的外表面上雜質形成的濾餅增厚或內部的蜂窩狀暗流微孔通道會被堵塞，阻力增大，過濾速度變慢，就會導致外部壓力升高，這時旁通閥就會被打開，燃油直接進入環形空腔，利用內層過濾管進行過濾，延長了一次使用時間。

5.4.2 微孔再生

高分子量聚乙烯微孔濾芯可用壓縮氣體反吹或有一定壓力的清水反洗滌，可以對附在濾芯外表面和暗流毛細通道內的雜質吹掉或洗出去，使濾芯可以多次使用，從而大大延長了使用壽命[8]。

5.5 一次性成型

亞剛性雙層微孔過濾汽油濾清器濾芯采用內、外兩層微孔過濾，濾芯以高分子聚乙烯微孔為濾材，內、外層過濾管一端設置為開口，另一端設置為封閉，其優點是一次性成型，結構簡單、制造方便、價格低廉。

6 結 語

利用高分子量聚乙烯精密微孔濾清技術和帶有旁通閥雙層高分子微孔濾芯的結構設計，提高了濾清精度和濾清效率，減少機械磨損，提高可靠性，確保發動機穩定運行。同時具有結構簡單、制造方便、價格低廉和延長使用壽命的特點。目前，該設計已獲國家發明專利，將在汽配市場中得到廣泛的應用，以改變紙質濾芯使用壽命短和堵塞后必須更換的現狀。該技術也可應用于其他濾清器。

[1] 劉建勛，萬普鵬，趙二麗，等.不同進氣壓力對高密度-低溫柴油機燃燒的數值模擬[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2010，29(6)：988-991.

LIU Jianxun, WAN Pupeng, ZHAO Erli, et al. Numerical simulation of different intake pressures on high density-low temperature diesel combustion[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2010, 29(6)：988-991.

[2] 關文達.汽車構造[M].3版.北京：機械工業出版社，2010：79-101.

GUAN Wenda.AutomobileStructure[M]. 3rd ed. Beijing：China Machine Press, 2010：79-101.

[3] 郭新華.汽車構造[M].2版.北京：高等教育出版社，2008：130-133.

GUO Xinhua.AutomobileStructure[M]. 2nd ed. Beijing：Higher Education Press, 2008：130-133.

[4] 宋顯洪，宋志黎.金屬與金屬化合物超細粉體的微孔過濾[J].化工裝備技術，2012，33(2)：18-22.

SONG Xianhong, SONG Zhili. Micro-filtration of ultra-fine powders of metal and metal compound[J].ChemicalEquipmentTechnology, 2012, 33(2)：18-22.

[5] 陳崇炯，宋志驥，胡良分，等.稀有金屬超細粉末過濾、洗滌、回收技術及設備[J].中國粉體技術，2014，20(2)：25-30.

CHEN Chongjiong, SONG Zhiji, HU Liangfen, et al. Filtration, washing, recycling technology and equipment of rare metal superfine powders[J].ChinaPowderScienceandTechnology, 2014, 20(2)：25-30.

[6] 陳崇炯，陳金富，宋志驥.草甘膦反應過濾一體機的設計[J].化工進展，2011，30(12)：2793-2798.

CHEN Chongjiong, CHEN Jinfu, SONG Zhiji. Design of the all-in-one unit for glyphosate reacting and filtrating[J].ChemicalIndustryandEngineeringProgress, 2011, 30(12)：2793-2798.

[7] 張有新，趙中偉，陳愛良，等.精密微孔過濾機在超細粉末過濾與洗滌應用[J].有色金屬(冶煉部分)，2008(5)：47-49.

ZHANG Youxin, ZHAO Zhongwei, CHEN Ailiang, et al. Application of filtering and washing of nickel powder with the micro-porous filter[J].NonferrousMetals(ExtractiveMetallurgy), 2008(5)：47-49.

[8] 溫州職業技術學院.直線振動機：ZL201410256191.8[P].2014-09-10.

Wenzhou Vocational and Technical College.LinearVibrator：ZL201410256191.8[P].2014-09-10.

[9] 江浩斌，朱萬青，耿國慶.重型車輛旁通流量式ECHPS助力特性設計與臺架試驗[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2015，34(6)：171-175.

JIANG Haobin, ZHU Wanqing, GENG Guoqing. Design and test of assist characteristics of the bypass flow type ECHPS system for heavy-duty vehicles[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015, 34(6)：171-175.

[10] CHEN Chongjiong, CHEN Xuxu, SONG Zhiji. Recycling equipment with filtering and washing on fine powder of rare metal and technological design[J].AdvancedMaterialsResearch, 2013(631/632)：670-675.

(責任編輯：劉 韜)

High Polymer Micro-porous Filtration Technology of Automobile Fuel and Its Filter Element Design

CHEN Chongjiong

(Department of Mechanical Engineering, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou 325035, Zhejiang, P. R. China)

According to the defects of the short service life of paper filtering core and obligatory replacement after being jammed, a new technology of precise micro-porous filtration of automobile fuel based on the high polymer filtering material was developed. Meanwhile, the filtering core with inner and outer layers of filter tubes and with bypass valve was designed in structure, which realized double filtration as well as single filtration when the outer layer was blocked. Key realization technologies were proposed, including high polymer precise micro-filtration technology, filter core manufacture, structure design, working principle, main technical characteristics, etc. The proposed technology and its new filter core have many advantages, such as high filtration accuracy, fast filtration speed, good chemical resistance, simple structure, low cost, micro-porous regeneration and long service life.

vehicle engineering; high polymer; micro-porous filtration; double layer filter; bypass valve

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.19

2015-09-13；

2015-12-16

溫州市公益性科技計劃項目(C20140058)

陳崇炯(1957—)，男，浙江平陽人，副研究員，主要從事機械設計方面的研究。E-mail：81383542@qq.com。

U464.136.4

A

1674-0696(2017)04-108-06