一種礦用車輛自潔式空氣濾清器的設計研究

趙金國，韓 然，閻治安

(1.西京學院，西安710123；2.西安交通大學，西安710049)

0 引 言

空氣濾清器是重型汽車發動機空氣供給系統用來凈化空氣的必須裝置，廣泛用于汽油機、柴油機。目前，礦山機械大部分處于重度灰塵環境，風沙大的地區。雖然已經有些新式的空氣濾清器應用，但還存在著一些缺點。由于無法滿足進氣質量的要求，一些在沙漠中工作的工程車輛每天需要清洗多次。尤其是在多塵地區使用的礦用自卸車輛，其進氣系統空氣濾清器經常性堵塞，使用壽命短，經濟性差，停車保養頻率高，出現進氣阻力大、發動機維修周期短等問題[1]。

本文設計了一種礦用自卸車輛自潔式空氣濾清器裝置，來實現多塵環境下延長發動機濾清器的使用壽命，實現了進氣系統最佳工作特性。它采用廢氣引射、氣源吹氣和主濾清器結構改進等共同結合的方式[2]，由發動機電腦(以下簡稱ECU)控制該裝置的傳感器和執行電機工作，調節所需電機轉速，粉塵從排塵口排出，以達到清潔空氣濾清器、提高進氣效率的目的。

1 基本結構和工作原理

1.1 基本結構

一種礦用自卸車輛自潔式空氣濾清器裝置使用空心杯轉子電機、發動機排氣管廢氣和氣源吹氣機構組成[3]，自潔式空氣濾清器裝置結構圖，如圖1所示。

圖1自潔式空氣濾清器裝置結構圖

1.2 工作原理

本文采用空心杯轉子電機，該電機的特點是轉子軸的軸向為空心，以便作為空氣通道，進行空氣的流通[4]。它要滿足可靠適時地轉動、調速、制動。調速方法采用變頻器調速，轉速調節范圍設計為50～2 500 r/min。該電機由汽車發動機ECU控制，空心杯轉子電機連接線端子連接到發動機ECU，發動機ECU通過接收發動機各傳感器反饋信號后，命令空心杯轉子電機轉動，可根據發動機的不同工況要求自動調節電機轉速，電機轉速隨發動機轉速的增降而增降。空心杯轉子電機工作示意圖，如圖2所示。

圖2空心杯轉子電機工作示意圖

首先在進氣管口處安裝空心杯轉子電機，空氣濾清器外殼則安裝在空心杯轉子電機另一側，空氣濾清器外殼端的外殼蓋內安裝有軸承，將空氣濾心安裝進空氣濾清器殼內，卡置在軸承卡槽上，并與空心杯轉子電機緊貼。空氣濾心在空心杯轉子電機的轉動下，將空氣中的顆粒物甩到空氣濾清器殼體內壁上，并隨濾清器殼體內壁下沉到壁底，沉積在空氣濾清器殼體粉塵排放口處。

從發動機排氣歧管連接廢氣引射管直接連接到粉塵排塵口，在引射管部分中靠近發動機排氣歧管部分安裝空氣散熱器，用于給廢氣引射管中氣體降溫。在引射管部分中靠近空氣濾清器粉塵排塵口處，安裝有電磁進氣閥和粉塵報警傳感器。當空氣濾清器底部粉塵排放口的粉塵達到警戒量時，促使安裝在排塵口內的粉塵報警傳感器報警，該傳感器通過端子線將信號傳遞給發動機ECU，發動機ECU將指令傳給安裝在發動機排氣引射管上的進氣電磁閥，進氣電磁閥動作，進氣通道打開，將發動機排氣歧管內的氣體通過引射管連接到粉塵排放口，利用引射管內的氣體力量噴吹方法，將粉塵排放口內的顆粒物噴吹出空氣濾清器總成界外。粉塵報警傳感器與發動機ECU的連接電路圖，如圖3所示。

圖3粉塵報警傳感器與發動機ECU的連接電路圖

2 空濾流場仿真分析

當空心杯轉子電機帶動空氣濾心轉動時，將產生氣流旋轉。在發動機轉速降低時，所要求的氣流小時，流速隨之減小。其氣流旋轉的離心力很小，不足以分離空氣中的塵埃顆粒。因此，有必要提高空心杯轉子電機的轉速，以提高低速氣流旋轉時的氣流速度，降低進氣阻力[5-6]。

空氣濾清器的空氣流量是空氣過濾器的標準，根據空氣流量40%、60%、80%、100%和120%的額定風量來采集。空載和負載工況下，改進前與改進后空氣濾清器進氣阻力與流量的關系，如圖4所示。隨著進氣量的增加，進氣阻力隨拋物線關系的增大而增大。在負載條件下，增加趨勢更為明顯，空氣濾清器本身引起的空氣阻力是主要原因[7-8]。

圖4改進前與改進后濾清器進氣阻力與流量的關系圖

實驗是在同等車型、同等環境中進行，濾清器在改進前和改進后兩種狀況下的效果分別對比。通過實驗結果的數據分析可得，初始進氣阻力均隨進氣流量增加而增加，改進后比改進前濾清器進氣阻力降低。改進前與改進后濾清器進氣阻力的比較，如圖5所示。改進前與改進后兩種濾清器的使用效果對比圖，如圖6所示。

圖5改進前后的濾清器進氣阻力比較圖

圖6改進前后兩種濾清器的使用效果對比圖

改進前與改進后濾清器部分的壓力分布及流線，如圖7所示。改進前與改進后濾清器部分的速度分布及流線圖，如圖8所示。改進前與改進后濾清器各部分的壓力均值對比，如圖9所示。改進前與改進后濾清器各部分的速度對比，如圖10所示。通過對比發現，改進后效果顯著，濾清器的壓力范圍大幅度降低，濾清器中空氣旋渦流動順暢。且改進后的空氣濾清器中空氣阻力明顯減少，由最大壓力2612.44Pa下降至776.2Pa，壓力差為18.2%。改進后空氣濾清器中的空氣流動性能增強，還避免了空氣交叉壓力的出現，避免了局部壓力過大的情況發生。

(a)改進前的壓力云圖

(b)改進后的壓力云圖

圖7改進前與改進后濾清器部分的壓力分布及流線圖

(a)改進前濾清器

(b)改進后濾清器

圖8改進前與改進后濾清器部分的速度分布及流線圖

圖9改進前后濾清器各部分的壓力對比圖

圖10改進前后濾清器各部分的速度對比圖

實驗樣機如圖11所示。

圖11實驗樣機

3 結 語

本文針對車輛進氣系統進行優化，設計適宜在多塵條件下工作的礦用車輛進氣系統，設計礦用車輛自潔式空氣濾清器裝置，采用空心杯轉子電機作為執行元件，帶動濾心轉動，使其表面進行甩塵；同時采用廢氣引射匹配發動機動力系統，增加自潔反吹系統，在粉塵排放口堵塞達到一定程度時，報警閥門打開，通過引射管氣體壓力將其吹出。

經過實驗分析研究，證明該裝置改進后，可操作性較強，有利于排塵。已達到清潔空氣濾清器，提高進氣效率，更好地保護發動機，延長濾心保養周期，使礦用車輛擁有更高的作業效率的目的。

根據設計與實驗得到以下結論：

1)利用空心杯轉子電機作為執行元件，帶動空氣濾心轉動甩塵、排塵，可操作性較強。其新型防塵、排塵原理，對自潔式空氣濾清器是一個新的結構創新。

2)廢氣引射與自吹系統相結合，使系統更穩定、更加容易保養。為多塵條件下工程機械車輛提供一套進氣系統的研發體系，將研發成果應用于其他工程機械，市場效益巨大。