離心式機油濾清器的機油凈化效果及適配性研究

【摘要】為解決廢氣再循環（EGR）技術造成的碳煙生成加劇問題，基于離心沉降原理引入了分流離心式機油濾清器，并系統梳理了其結構原理、關鍵特性以及影響因素，開發了基于轉速特性的磁電式測試系統，并探索了離心式機油濾清器的適配設計要點，從油品理化檢測、濾芯堵塞壽命及行車試驗等維度分析了其碳煙濾除效果，結果表明，離心式機油濾清器對EGR機型的碳煙濾除效果更明顯，對選擇性催化還原（SCR）機型略顯冗余。最后，分析了煙炱對機油粘度的影響并基于機油粘度與燃油經濟性的關系，搭建了離心式機油濾清器在燃油消耗量方面的收益數學模型。

關鍵詞：離心式機油濾清器 碳煙 轉速特性 油品分析

中圖分類號：TK427；U464" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230133

Study on Oil Purification Effect and Suitability of Centrifugal Oil Filter

Cui Yong Wang Chao Shen Jiawei Wang Lei An Ming

（1. State Key Laboratory of Reliability of Internal Combustion Engine， Weifang 261061; 2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061）

【Abstract】To address the issue of deterioration of soot caused by EGR technology， a shunt centrifugal oil filter is introduced based on the principle of centrifugal sedimentation， and its structure principle， critical characteristic and influencing factors are systematically reviewed. A magneto-electric test system based on speed characteristics is developed， and the key points of adaptive design of centrifugal oil filter are explored. The soot-removal effects of the centrifugal oil filter are analyzed from the aspects of physical and chemical testing of oil products， plugging life of filter element and driving test. The results show that the soot-filtration effect of centrifugal oil filter is more obvious for EGR models， but slightly redundant for SCR models. The paper analyzes the influence of soot on oil viscosity and the benefit mathematical model of centrifugal rotor filter on fuel consumption builds based on the relationship between oil viscosity on fuel economy.

Key words： Centrifugal oil filter， Soot， Speed characteristics， Oil analysis

【引用格式】 崔永， 王超， 申加偉， 等. 離心式機油濾清器的機油凈化效果及適配性研究[J]. 汽車工程師， 2024（11）： 25-30.

CUI Y， WANG C， SHEN J W， et al. Study on Oil Purification Effect and Suitability of Centrifugal Oil Filter[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 25-30.

1 前言

隨著排放法規的日趨嚴格，廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）等新技術在發動機上的應用越來越廣泛。柴油和進入燃燒室的潤滑油在空氣不足的條件下經過不完全燃燒或熱裂解會產生不定形碳（微小的碳微粒）[1]。Hu[2]采用高分辨率透射電鏡觀察到煙炱在機油中以固體不溶物的形式存在，初始大小約為45 nm。鞠紅玲等[3]研究了化學反應動力學過程中碳煙粒子數量與質量的關系，尺寸小于100 nm的碳煙顆粒占顆?？倲盗康?3.6%。Esangbed等[4]認為在重負荷柴油機中會產生“惰性”煙炱，這種煙炱不易被分散劑分子吸附，從而發生聚集。機油中的煙炱作為單獨的小顆粒均勻分散時，一般不會造成粘度的明顯提高。但當煙炱粒子增加到一定程度時，會發生凝聚，煙炱與形成膠質的氧化物凝聚成高粘度的網狀結構，危害性急速提升[5-6]。解決煙炱問題的關鍵在于抑制煙炱的產生（途徑在于改進燃燒技術和燃料）、防止煙炱的聚集（主要依靠提升機油的清凈分散性[7]）、切實有效的清除。雖然典型的機油濾清器可以有效濾除對軸承磨損影響較大的5～15 μm粒徑范圍雜質[8]，但對以碳煙顆粒為代表的小粒徑顆粒沒有濾除效果。

利用離心沉降原理可有效分離密度不同的兩相或多相混合物。固相顆粒在液體流動的作用下高速旋轉，粒度和密度較大的固體顆粒受到的離心力作用更大，從而產生向旋流器壁遷移的趨勢[9]。離心式機油濾清器是由分流式濾清器與全流式機油濾清器構成的復合濾清系統，已應用到主要排量段的主流機型中。羅君等[10]建立了分流離心式濾清器轉速特性和液力特性的數學模型，分析了轉子轉速、驅動流量和進油壓力之間的關系，獲得了噴嘴口徑的最佳范圍。Patil等[11]評估了噴嘴尺寸、位置和工藝參數對離心式機油濾油器的轉速、穩定性和性能的影響。Bang等[12]利用Fluent軟件將油液流動和顆粒運動解耦，利用顆粒跟蹤軌跡實現了對不同粒徑、顆粒密度和濾材轉速下過濾效率的估算。Tambolkar等[13]利用離散相位模型和田口方法（Taguchi Method）改變輸入參數，優化過濾器設計，最大限度地提高過濾效率。韋唐凌等[14]利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術對分流離心式機油濾清器在穩定工作狀態下的內部流場進行仿真分析，并結合試驗結果優化了產品結構。余兀[15]通過耐久試驗中的油品監測，證明了離心式機油濾清器能夠有效濾除機油中不溶物和Fe。

目前已有研究主要圍繞提升離心式機油濾清器的性能，對國家第六階段機動車污染物排放標準下不同技術路線的適配性及節能減排效果研究較少。本文基于離心式機油濾清器的特性及其影響因素展開分析，通過測試系統研究了匹配要點，并從油品理化分析、機油濾清器壽命、不同路線的行車試驗對比以及節能降耗等角度論證離心式機油濾清器在國家第六階段機動車污染物排放標準商用柴油機上的適配性。

2 結構原理及關鍵特性

2.1 結構原理

待凈化機油在油壓驅動下經中空主軸進入轉子內腔。轉子底部有2個切向反對稱的噴嘴，凈化后的機油經噴嘴噴出后從濾座底部以正常壓力流回油底殼。機油噴出時產生的反作用力驅動轉子繞軸做高速圓周運動，轉子轉速高達6 000～10 000 r/min，離心力為地心引力的2 000倍以上，可將機油中比重較大的雜質甩向轉子內壁，達到濾清的目的。

2.2 關鍵特性

分離因數表征了離心力相對于重力的作用效果，Fr越大，分離效果越好。分離因數與回轉半徑、轉子轉速的平方線性相關，因此，提高轉子的轉速可以更有效地提高離心力場強度，顯著提高離心式機油濾清器的效率。根據能量守恒定律，轉子轉動所需的能量來自高壓機油勢能，提高機油流量或進口壓力是提高轉子轉速的有效措施。但轉子轉速過高會加劇軸承磨損，造成軸的振動彎曲疲勞。轉子的臨界角速度與轉子軸橫向振動的自振圓頻率完全一致[10，17]?？赏ㄟ^評估目標柴油機的運行路譜判斷離心式機油濾清是否適配，如工程類專用汽車因發動機轉速低，機油進口壓力較低，分流至濾清器的流量較少，轉子轉速較低，碳煙顆粒的分離過濾作用較差。

3 試驗對象及方案

3.1 試驗對象

試驗用柴油機主要技術參數如表1所示。

3.2 試驗方案

試驗項目、試驗目的及評價指標如表2所示。

4 試驗結果

4.1 功能匹配

轉子頂部一般設計有花槽用于分散應力、提高剛度，基于此，本文設計了磁電式轉速傳感器對轉子轉速進行測量，傳感器探頭附近磁場每發生一次變化，傳感器輸出一個正弦波。在轉子上部正對傳感器的位置粘貼2塊磁鐵，如圖1所示。當轉子轉過一圈，6個花槽（包括2塊磁鐵）從傳感器探頭位置掃過，傳感器輸出信號如圖2所示，其中帶磁鐵處信號較強。選擇每個轉速下油溫、油壓相對穩定的波形，可得圖2中正弦波的周期數N與總時間t，進而得到轉子轉速。

在A機型開發初期，據特性曲線選用的轉子在配機測試時轉速遠低于零部件試驗結果，且限壓閥開啟后，轉子轉速急劇降至420 r/min，如圖3所示。經分析，原因為限壓閥和濾清器共用回油口，當限壓閥開啟時，出現搶流現象，有效面積不足的回油口在曲軸箱壓力的反作用下出現機油堵塞，轉子浸沒于機油中，阻滯力矩過大。優化措施為將濾清器回油口與限壓閥回油口分離以獲得足夠大的回流面積并遠離包絡線布置，經驗證，轉子轉速實現預期目標。

4.2 過濾效果

4.2.1 機油理化分析

選用A機型排碳速率最高的工況進行60 h的機油積碳加速試驗，分別驗證有、無離心式機油濾清器的2種配置，對比機油含碳量和機油粘度的差異，如圖4所示。增加離心式機油濾清器后，機油中的含碳量降低50%，粘度亦得到改善。拆檢轉子，將所得到的膠狀物用汽油溶解，烘干后對粉末進行能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer，EDS），如圖5所示，膠狀物的主要元素是C，符合濾除碳煙的預期。

4.2.2 機油濾清器堵塞壽命

耐久試驗后的舊濾芯流阻數據如圖6所示，由圖6可知：

a. 增加離心式機油濾清器后，紙質全流式濾芯的壽命大幅提升。林進修等[18]研究表明，分流離心式機油濾清器可將紙質全流式濾芯的壽命提高1倍，機油壽命提高55%，連桿軸承和主軸承的磨損速率降低40%～52%。

b. 紙質濾芯的精度不能有效攔截碳煙顆粒，只是在理論上以機械過濾機理進行評估。實際上，碳煙顆粒尺寸不規則且易與膠質氧化物凝結成高粘度的網狀結構[19]，達到一定尺寸后可被紙質濾芯攔截，其過濾機理兼具架空分離和粘附分離，因此，不采用離心式機油濾清器時紙質濾芯的流阻增大。

4.2.3 行車試驗對比

在同平臺、不同排放技術方案的2臺路試車輛上配備離心式機油濾清器，跟蹤其轉子軸承磨損情況和轉子總質量，評估轉子的可靠性和雜質濾除質量，以此推斷轉子的維護周期，如圖7所示。

A機型運行10×104 km后，轉子已接近使用壽命終點，轉子總質量為1 010.54 g。雜質顆粒由轉子中心向外壁運動的過程中，所受到的離心力逐漸增大，因此，雜質逐層集聚在壁面，使有效轉子半徑r逐漸減小，同時，隨雜質集聚，質量增加，在油壓勢能不變的條件下轉子轉速不斷下降，分離過濾效果大幅下降。整個過程中濾除雜質約560.5 g，對機油容量為26 L的機型，相當于損耗（質量分數）2.5%，據GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》，如不配置離心式機油濾清器，EGR機型無法滿足10×104 km的換油期目標。

B機型運行16×104 km后，轉子腔仍余有較大空間，使用過程中濾除雜質約206.4 g，總質量為656.43 g，剩余壽命約60%，對于機油容量為26 L的機型，相當于損耗（質量分數）0.9%，仍處于機油自身清凈分散劑能力范圍，因此，未配置離心式機油濾清器的SCR機型行駛16×104 km后，機油的含碳量仍低于換油指標。是否配置離心式機油濾清器要綜合考慮實用性、購置成本和維護費用等。

4.2.4 節能降耗挖掘

基于前文分析結果研究離心式機油濾清器對燃油消耗率的影響，計算假設條件如下：

a. 假設濾清器增重在整個換油期內是勻速的，且對粘度影響一致；

b. 整個換油期內，機油粘度由初始值13.2 mm2/s至試驗終了值17.0 mm2/s（實測值）是勻速增長的，運行10×104 km的總增長率為28.8%，每1×104 km的增長率為2.88%；

c. 百公里燃油消耗量為33 L；

d. EGR機型與SCR機型的機油含碳量增長率參考圖8擬合曲線斜率而得，分別為0.35%、0.25%；

e. 濾清器過濾的碳煙對粘度的增長影響占比為10/35；

f. 以不同粘度機油下的燃油消耗率為基礎可計算粘度增長對油耗的影響，本研究采用已有經驗數據。

5 結束語

本文基于離心式機油濾清器的特性及影響因素，研究了其設計要點，從油品理化分析、機油濾清器堵塞壽命、行車對比試驗以及節能降耗等角度分析了其應用效果，結論如下：

a. EGR技術的應用加劇了積碳的生成，常規機油濾清器無法有效濾除，利用離心沉降原理可分離多相混合物。

b. 離心式機油濾清器是否適配應結合常用路譜確認。

c. 配置離心式機油濾清器后，機油粘度的增長速度降低，機油中含碳量降低約50%，濾芯的堵塞情況顯著改善。

d. 離心式機油濾清器對EGR機型濾除效果明顯，對SCR機型的收益略顯冗余。匹配時應根據具體排放方案、換油期目標等綜合評估。

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（責任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2023年4月23日。