自潔式空氣濾清器的能耗分析

成文術(shù)

（廣西華原過濾系統(tǒng)股份有限公司， 廣西 玉林 537000）

0 引言

空氣濾清器俗稱發(fā)動機(jī)的“肺”，是汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件。其功能是將發(fā)動機(jī)進(jìn)氣中的固體顆粒、油煙顆粒以及水等有害雜質(zhì)過濾掉， 避免這些有害雜質(zhì)對發(fā)動機(jī)造成損壞。隨著發(fā)動機(jī)排放要求的提升，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜度以及運(yùn)動部件的配合精度也相應(yīng)提高， 這就要求空濾濾清器具有更高的過濾精度。 但隨著濾清器效率的提升，濾清器濾芯的原始進(jìn)氣阻力也相應(yīng)的提高。對于單級空氣濾清器總總成， 原始進(jìn)氣阻力不大于1.2kPa（3氣缸及以上），總成全壽命濾清效率不小于99.5%（270 目石英砂）[1]。在濾清器使用過程中，隨著濾芯使用時間的延長，濾芯表面會攔截下越來越多的灰塵，濾芯的阻力也會越來越大。而濾芯阻力越大，空氣流經(jīng)濾清器的能量損耗就越大。此外，當(dāng)濾芯阻力過高時還會造成發(fā)動機(jī)因進(jìn)氣受阻導(dǎo)致燃燒不充分，燃油利用率低、排放超標(biāo)及發(fā)動機(jī)運(yùn)行無力等一些列連帶問題。

從能耗的角度考慮， 只要?dú)怏w流動過程存在壓力損失，就會伴隨有能量的損耗。并且，壓力損失越大，相應(yīng)的能量損耗也就越大。 因此，隨著汽車對零部件能耗要求指標(biāo)的提升，如何在滿足雜質(zhì)過濾要求的前提下，盡可能降低空氣濾清器的初始阻力， 以及避免使用過程中空氣濾清器阻力的快速上升， 便可以有效的降低濾芯使用過程的能耗，實(shí)現(xiàn)更好的使用效益，這已逐漸成為發(fā)動機(jī)濾清器行業(yè)的共識。

本文在同等應(yīng)用條件下， 對常規(guī)單級車用空氣濾清器和自潔式空氣濾清器測試過程中阻力的變化情況進(jìn)行研究， 并通過面積對比法對濾清器的能耗進(jìn)行對比計(jì)算分析，得出影響空氣濾清器能耗的關(guān)鍵因素，并提出了如何降低空氣濾清器能耗的解決辦法。

1 空氣濾清器能耗計(jì)算模型

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的增壓器前端阻力包括高位進(jìn)氣管阻力、空氣濾清器殼體阻力、空氣濾清器濾芯阻力以及各連接管件的阻力。 除空氣濾芯阻力會隨使用時間而變化外， 其它部分的阻力在使用過程中一般是不會發(fā)生變化的。以某款流量為1900m3/h 的空濾總成為例，其總成原始阻力2.46kPa，如果按總成終了阻力6.25kPa 計(jì)算，在使用過程中濾芯阻力增量達(dá)到3.8kPa 時候， 需要對濾芯進(jìn)行清潔保養(yǎng)或更換濾芯； 在濾芯壽命終了時該濾芯的阻力增量在空氣濾清器所允許的總壓差的占比為60.8%，再結(jié)合濾清器濾芯阻力曲線一般變化趨勢， 這意味著如果可以降低濾清器濾芯使用過程中的阻力變化率， 延緩濾芯阻力的上升速度， 將會對降低空氣濾清器總成的整體能耗產(chǎn)生較大影響。因此，本模型僅從濾芯層面對能耗模型進(jìn)行推導(dǎo)（但不妨礙將此方法引申至濾清器總成上）。

假定空氣流經(jīng)濾清器的過程為等溫變化過程， 濾材入流側(cè)壓力為P1，出流側(cè)的壓力為P2；入流側(cè)的氣體紙面法向流速為v1，在單位時間△t 內(nèi)，入流側(cè)氣體運(yùn)動的距離為△L；在濾材入流側(cè)緊貼濾材的區(qū)域內(nèi)取一個微元空氣體，這一微元空氣體的截面積為△S，長度為△L，體積為△V；在流體流動過程中，因?yàn)V材前后存在壓力差，微元空氣體會受到垂直于濾紙面且大小為△F 的作用力，在這個里的作用下， 單位時間△t 內(nèi)流經(jīng)濾材單位面積△S的空氣體積為△Q，見圖1。

圖1 氣流微元模型

微元空氣在外力作用（濾材前后壓力差的作用）下流經(jīng)濾材，根據(jù)做功方程可知，微元空氣流經(jīng)單位濾材過程中的能量損耗為：

由式（5）可知，空氣流經(jīng)濾清器濾芯單位面積所產(chǎn)生的能量損耗與空氣流量和濾清器的壓力差、 流量和持續(xù)時間有關(guān)。因此，空氣濾清器在使用過程中所造成能量損耗總量等于將式（5）對流量和使用時間的二重積分。 式（5）對流量的積分，可理解為將濾芯單位面積流量拓展至整個濾芯的流量。所以式（5）對流經(jīng)濾芯全部面積流量進(jìn)行積分之后可得到整個濾清器單位時間的能耗公式：

在空氣濾清器使用過程中，濾清器阻力△P 是隨時用時間而變化的，在本文的計(jì)算中，濾清器在各個時間點(diǎn)的阻力值是通過儀表測定得到。

2 空氣濾清器試驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)

空氣濾清器容塵量（試驗(yàn)室壽命）是評價(jià)空氣濾清器性能的重要指標(biāo)， 用于衡量濾清器的納污能力及使用壽命。 一般來說，同等條件拿下，容塵量較大的濾清器其對應(yīng)的實(shí)際使用壽命也較長。 圖2 是常規(guī)單級空氣濾清器的壽命測試曲線，測試流量為1900m3/h，測試粉塵為270目石英砂，測試標(biāo)準(zhǔn)為JB/T-9755.5-2013[2]，測試裝置為：AF3000 空氣濾清器試驗(yàn)臺。

圖2 常規(guī)單級空氣濾清器的壽命曲線

圖4 是自潔式空氣濾清器的壽命測試曲線[3]，測試流量為1900m3/h，測試粉塵為270 目石英砂，測試裝置為：AF3000 空氣濾清器試驗(yàn)臺， 反吹氣罐壓力為0.8MPa。 由于自潔式空氣濾清器尚沒有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)， 因此， 本測試是在測試標(biāo)準(zhǔn)JB/T-9755.5-2013[2]的基礎(chǔ)上稍作調(diào)整而開展的非標(biāo)測試，旨在測試分析自潔式空氣濾清器在不斷加灰和反復(fù)吹灰的情況下，濾清器阻力的變化情況。

圖3 常規(guī)單級空氣濾清器

圖4 自潔式空氣濾清器的壽命曲線

具體測試過程是： 按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T-9755.5-2013[2]的加灰速 度（1.0g/m3），每 添加完500g 試驗(yàn)灰后記錄濾清器出進(jìn)氣口的阻力；接著關(guān)停測試臺（暫停空氣濾清器的吸氣），然后啟動自潔式濾清器的反吹功能對濾芯進(jìn)行一次反吹清潔；完成反吹清潔之后啟動試驗(yàn)臺，在同樣的流量下運(yùn)行至阻力穩(wěn)定并記錄反吹后的阻力值。 之后， 如此不斷循環(huán)如上操作： 加灰500g→記錄反吹前阻力→關(guān)停測試臺→反吹濾芯→運(yùn)行測試臺至阻力穩(wěn)定→記錄反吹后阻力→下一次循環(huán)。

圖5 自潔式空氣濾清器及測試過程

以每次加灰并反吹的時間點(diǎn)為橫坐標(biāo)， 每次加灰并反吹后的阻力值為縱坐標(biāo)，并將各阻力點(diǎn)連接成曲線，即為自潔式空濾在本壽命測試中的阻力曲線。

測試過程中總成阻力隨時間變化的曲線對比圖見圖6。

圖6 阻力隨測試時間變化對比

3 空氣濾清器能耗值對比計(jì)算

從圖2、圖4、圖6 的測試數(shù)據(jù)可知，在同等灰塵添加速度下，隨著加灰量的增多，自潔式空氣濾清器阻力上升的速度比常規(guī)單級空氣濾清器阻力上升的速度慢很多，也就是在達(dá)到同等總成阻力的情況下， 自潔式空氣濾清器具有更大的容塵能力，對應(yīng)的使用壽命也更長。

由于測試過程記錄的濾清器阻力值是數(shù)量有限的采樣點(diǎn)，不可能取到連續(xù)且無限多的阻力值。因此，對空氣濾清器的能耗值做如下的近似計(jì)算：將測試過程所有采樣數(shù)據(jù)在XY 坐標(biāo)系中描繪出來，X 軸為時間，Y 軸為阻力值，然后將各點(diǎn)通過曲線擬合方式進(jìn)行擬合。根據(jù)式（7）可知，空氣濾清器在使用過程中的能耗值總量等于其總成阻力曲線與橫坐標(biāo)軸（時間軸）所包圍區(qū)域的面積，見圖7。

圖7 空濾能耗值對比

從圖中可知，由于自潔式空濾在使用過程中可以對濾芯進(jìn)行自清潔，使得其阻力在使用過程中上升的非常平緩， 可以保障發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)長時間在較低阻力下運(yùn)行。因此，自潔式空濾所產(chǎn)生的能耗也比常規(guī)單級空氣濾清器低很多。 根據(jù)測試數(shù)據(jù)， 在同等測試時間內(nèi)，自潔式空濾對應(yīng)的能耗值（能耗面積）為878，而常規(guī)單級空濾的能耗值（能耗面積）為1082，后者是前者的1.23 倍。（注：此處僅從面積大小去對比能耗，所標(biāo)面積值不等于實(shí)際能耗值）。

在使用過程中，空氣濾芯的工作阻力達(dá)到堵塞報(bào)警值6.25kPa 的時候， 車輛控制系統(tǒng)會提示進(jìn)行濾芯的更換或保養(yǎng)。如果用戶選用了壽命比較短（容塵量低）的濾芯，其阻力上升較快，即使能做到了規(guī)范保養(yǎng)并更換濾芯，也會由于進(jìn)氣系統(tǒng)較長時間工作于較高阻力，產(chǎn)生的能耗也是比自潔式空氣濾清器（使用壽命長）的能耗要高很多。以下做一個簡單對比，使用3 個常規(guī)空濾芯和一個自潔式濾芯的對比能耗見圖8。

圖8 空濾能耗面積對比

從以上的對比數(shù)據(jù)得出，在3 個常規(guī)濾芯使用周期的時間內(nèi)，自潔式空濾對應(yīng)的能耗值（能耗面積）為2891，而3個常規(guī)單級空濾的總能耗值（能耗面積）為3246，后者是前者的1.12倍。因此，選用使用壽命長、容塵量大、阻力上升緩慢的自潔式空氣濾清器可以顯著降低空氣濾清器的能耗。

4 自潔式空濾的實(shí)施方案

自潔式空濾是在現(xiàn)有常規(guī)空氣濾清器基礎(chǔ)上增加儲氣罐、壓縮空氣反吹氣道、電磁閥和反吹控制器等部件及結(jié)構(gòu)[4]，其結(jié)構(gòu)及原理見圖9 所示。儲氣罐用于存儲壓縮空氣， 反吹氣道用于形成從濾芯內(nèi)部吹向外部的反吹氣流，控制器和電磁閥用于控制和執(zhí)行相應(yīng)的反吹動作。

圖9 自潔式空濾結(jié)構(gòu)及原理示意

當(dāng)需要進(jìn)行反吹操作時，外部（如車載控制器）傳給反吹控制器一個電信號，反吹控制器接收到信號后控制電磁閥打開，此時儲氣罐中的壓縮氣體瞬間釋放，從濾芯內(nèi)側(cè)的反吹氣道噴出， 對主濾芯進(jìn)行一次由內(nèi)側(cè)向外側(cè)的清潔操作。

5 結(jié)論

空氣濾清器使用過程的阻力及阻力上升的速度是影響空氣濾清器能耗的關(guān)鍵因素。因此，為達(dá)到更低的空濾能耗，可從降低空氣濾清器原始阻力、降低空氣濾清器使用過程中阻力的上升速度兩個方面來考慮， 可以選用阻力更低、容塵量更大的濾材，或者選用具有濾芯反吹功能的自潔式空氣濾清器，以確保濾芯在整個使用過程中都處于比較低的阻力狀態(tài)。 同時，給出了一個可用于實(shí)現(xiàn)空氣濾清器自清潔功能的具體實(shí)施方案。