礦車用多級復(fù)合空氣濾清器設(shè)計(jì)改進(jìn)

劉近報(bào)，史美麗，胡偉，郭永志，鄭世魁，楊志浩

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

清潔空氣對發(fā)動機(jī)的性能和壽命至關(guān)重要[1]。雜質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部可能造成發(fā)動機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致早磨、拉缸等故障[2]?？諝鉃V清器能夠?yàn)V除空氣中的硬質(zhì)灰塵，為發(fā)動機(jī)提供新鮮、清潔空氣，使燃油充分燃燒，避免灰塵對發(fā)動機(jī)零件的磨損，延長發(fā)動機(jī)使用壽命。礦區(qū)特別是煤礦空氣中的灰塵約為普通商用車公路工況的十倍，礦區(qū)車輛空氣濾清器的濾芯超負(fù)荷工作，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)可靠性。當(dāng)前市場普遍使用的油浴式和干式空氣濾清器需要每天更換或清理濾芯，增加工作負(fù)擔(dān)，而且存在較多問題，因此亟需研發(fā)一款新型空氣濾清器，滿足礦區(qū)使用需求。

1 空氣濾清器過濾原理

1.1 油浴式空氣濾清器

1.1.1 過濾原理

油浴式空氣濾清器的底部設(shè)置帶有過濾網(wǎng)的過濾油盆，過濾油盆上部為方體結(jié)構(gòu)，濾芯中設(shè)有若干層由鋼絲網(wǎng)構(gòu)成的過濾層，進(jìn)氣自上而下遇到油池時(shí)，氣流進(jìn)行180°折返，氣流中的顆粒(不分大小)由于慣性作用被黏結(jié)在機(jī)油中，進(jìn)氣氣流沖擊機(jī)油表面產(chǎn)生油霧，油霧被金屬絲截獲[3-4]；由于金屬絲黏有油膜，空氣中較小的灰塵被金屬絲上的油膜吸附，空氣中的雜質(zhì)得以濾除。油膜吸附灰塵后不斷增厚，質(zhì)量增加，在重量作用下帶著吸附的灰塵掉入油池[5]，因此油浴式空氣濾清器需要豎直安裝，其過濾原理示意如圖1所示。

圖1 油浴空濾過濾原理示意圖

1.1.2 在礦區(qū)應(yīng)用中存在的問題

加裝油浴式空氣濾清器后，前期可明顯提高過濾,可以較好地保護(hù)發(fā)動機(jī)，減少磨損。但油浴式空濾本身阻力較大，隨著環(huán)境溫度的變化阻力增大。當(dāng)溫度過高時(shí)易產(chǎn)生泡沫，溫度過低時(shí)油液粘稠，導(dǎo)致阻力增大，對產(chǎn)品空濾性能產(chǎn)生影響[6]。

此外油浴式空濾油池的油量有安全限值，超過最高限值失油率增加，機(jī)油進(jìn)入下游；低于最低限值導(dǎo)致過濾效率下降，容易造成發(fā)動機(jī)早磨。過濾的灰塵越多，液面上升越快，失油率越高，機(jī)油很快干涸；如果空濾內(nèi)部進(jìn)水，液面上升，空濾阻力隨之增大，失油率提高，導(dǎo)致濾芯污染。

油浴式空氣濾清器長時(shí)間使用后，油槽里的機(jī)油逐漸減少，機(jī)油隨著氣流進(jìn)入到濾芯外表面，被濾芯攔截。機(jī)油附著到濾芯上會對濾芯的維護(hù)帶來不便，降低濾芯的使用壽命。機(jī)油能導(dǎo)致濾芯密封圈老化，喪失密封作用，導(dǎo)致灰塵旁通到發(fā)動機(jī)內(nèi)，降低發(fā)動機(jī)可靠性。實(shí)際應(yīng)用中，油浴式空氣濾清器的過濾效率較低，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，在用的油浴式空氣濾清器的過濾效率低于98%。

油浴式空氣濾清器在保養(yǎng)時(shí)，由于機(jī)油較臟而且很粘稠，不容易清理。金屬鋼絲網(wǎng)上掛滿粘稠的灰塵，清理時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且清理效果不好。由于濾芯的維修保養(yǎng)比較困難，因此油浴式濾清器適用于城市和道路清潔用車，不適用工程機(jī)械和沙漠環(huán)境用車。使用后的廢棄機(jī)油污染環(huán)境，隨著國家環(huán)保要求增強(qiáng)，油浴式濾清器的應(yīng)用將會受到限制。

1.2 干式空氣濾清器

1.2.1 過濾原理

干式空氣濾清器過濾原理如圖2所示。干式空氣濾清器是由多個旋流管式粗濾器和紙質(zhì)濾芯組成的多級濾清器，旋流管可以利用含塵空氣高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將直徑較大的塵粒分離出來[7]。為了防止分離出來的較大直徑灰塵損壞濾芯，通常在空氣濾清器的出口設(shè)置空濾堵塞報(bào)警裝置。同時(shí)為了防止更換濾芯時(shí)空氣中的灰塵混入氣道中，在空濾器的內(nèi)部安裝安全濾芯[8]。

圖2 干式空濾過濾原理示意圖

1.2.2 優(yōu)點(diǎn)

與油浴式空氣濾清器比，干式空氣濾清器的優(yōu)點(diǎn)為：1)過濾效率高，經(jīng)測試表明，干式濾清器原始過濾效率超過99.5%；2)安裝位置和工作狀態(tài)不受限制，可以不必豎直安裝，便于布置；3)不受溫度影響，空氣濾清器阻力和過濾效率基本不隨溫度變化。

1.2.3 缺點(diǎn)

1)旋流管的分離過濾效率與空氣速率有關(guān)，空氣速率越高，分離效率越高。當(dāng)發(fā)動機(jī)功率較低時(shí)，如怠速工況下，空氣速率低，旋流管分離效率也低[9-10]。2)旋流管容易堵塞，隨著使用時(shí)間增加，旋流管堵塞導(dǎo)致干式空氣濾清器分離效率下降。3)由于沒有吸附灰塵的油池，在礦區(qū)應(yīng)用時(shí)，干式空氣濾清器過濾下來的灰塵極易聚集在紙質(zhì)濾芯表面，堵塞空氣通道，造成進(jìn)氣壓力高，影響發(fā)動機(jī)功率輸出，故需要頻繁更換濾芯，費(fèi)用較高。

2 WPM型多級復(fù)合空氣濾清器

WPM型多級復(fù)合空氣濾清器，也稱為WPM電動沙塵濾，是一種具有旋流管式預(yù)濾器及電動旋轉(zhuǎn)葉片的復(fù)合式空氣濾清器，通常粗濾器使用軸向旋流管，緩解下游紙芯工作負(fù)荷，提高工作效率，同時(shí)可以延長疲勞壽命[11-12]，適用于復(fù)雜工況下的拖拉機(jī)、重型卡車、工程機(jī)械等，能夠明顯提升過濾效果。

2.1 工作原理

WPM型多級復(fù)合空氣濾清器工作原理如圖3所示。由圖3可知：灰塵隨著空氣由A處進(jìn)入旋風(fēng)粗濾中，旋流葉輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的離心力，在離心力的作用下，較大顆粒的塵土被帶至集灰板內(nèi)，通過排塵口B排至空氣中。相對潔凈的氣體進(jìn)入到下一級旋流管式粗濾中，灰塵經(jīng)過旋流葉輪、導(dǎo)流錐管、導(dǎo)流直管，通過離心作用再次被分離，此時(shí)灰塵經(jīng)導(dǎo)流錐管E排至排塵閥C處，最后被排到空氣中。相對潔凈的空氣通過導(dǎo)流直管，由D處進(jìn)入空濾精濾，再次被過濾，最終干凈的空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室。

圖3 WPM型多級復(fù)合沙塵濾工作原理示意

2.2 結(jié)構(gòu)及改進(jìn)

為解決發(fā)動機(jī)低速時(shí)空氣濾清器過濾效率低的問題，在第一級旋風(fēng)粗濾處增加旋轉(zhuǎn)葉片，WPM型多級復(fù)合旋風(fēng)濾清器結(jié)構(gòu)如圖4所示，WPM型多級復(fù)合沙塵旋風(fēng)濾清器工作示意如圖5所示。

圖4 WPM型多級復(fù)合旋風(fēng)濾清器結(jié)構(gòu)示意圖 圖5 WPM型多級復(fù)合沙塵旋風(fēng)濾清器工作示意圖

在WPM型多級復(fù)合空氣濾清器粗濾器的旋轉(zhuǎn)軸上增加電機(jī)，驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機(jī)低速時(shí)使葉片高速旋轉(zhuǎn)，提高發(fā)動機(jī)低速時(shí)的濾清效果和濾清器的粗濾效率，解決發(fā)動機(jī)怠速時(shí)濾清器粗濾效率低的問題。改進(jìn)WPM型多級復(fù)合空氣濾清器濾芯密封結(jié)構(gòu)，由軸向密封更改為徑向密封。改進(jìn)后的產(chǎn)品按照文獻(xiàn)[13]進(jìn)行試驗(yàn)室檢測，在額定進(jìn)氣流量為1800 m3/h、原始阻力低于4.7 kPa時(shí)，總成粗濾效率超過90%，原始濾清效率可達(dá)到99.7%。

2.3 礦區(qū)測試

在寧夏石嘴山礦區(qū)投放了4臺WPM型多級復(fù)合空氣濾清器(主動旋流式)，選取其中一臺與普通沙塵濾(被動旋流式)作跟蹤對比。在進(jìn)氣流量為1800 m3/h工況下，根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 礦區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知：加裝電動旋轉(zhuǎn)葉片后，第一級粗濾器粗率效率由95.8%提升到96.2%，空氣濾清器單程行駛里程濾灰量由2.928 6 g/km增加到3.108 4 g/km，單位里程紙濾灰塵量由0.142 9 g/km降低到0.081 8 g/km，提高了整體過濾效果，同時(shí)降低了濾紙的過濾壓力，延長濾芯更換周期，降低使用成本。

為了使粗濾時(shí)排灰更順暢，將旋流管的安裝方式由原來的橫向安裝更改為豎直安裝，分離出的灰塵由于重量作用自然下落到排塵口處排到主體外面，避免濾掉的灰塵堆積在旋流管處不便清理的弊端，維護(hù)更加方便。

3 結(jié)語

礦區(qū)工況特殊性催生了不同空濾結(jié)構(gòu)的廣泛使用，目前礦區(qū)主要使用油浴式空氣濾清器及干式空氣濾清器，但油浴式空氣濾清器存在失油污染主濾芯、濾芯維修保養(yǎng)比較困難、廢棄機(jī)油污染環(huán)境嚴(yán)重等問題。干式空氣濾清器旋流管在發(fā)動機(jī)怠速時(shí)容易堵塞，空氣速率低時(shí)旋流管分離效率低，而且需要頻繁更換濾芯，使用成本高。通過在WPM型多級復(fù)合空氣濾清器第一級旋風(fēng)濾處增加電動旋轉(zhuǎn)葉片，提高了粗濾效率和濾清器整體效能，同時(shí)減輕了下游紙芯的負(fù)荷，延長了使用壽命，原始濾清效率達(dá)到99.7%，性能優(yōu)于油浴式空氣濾清器性能，可以滿足礦區(qū)使用需要。