车辆动力装置空气滤清器功率损失及其效率研究 (自动保存)

1、车辆动力装置空气滤清器的功率损失及其效率研究 空气滤清器（Air Cleaner）主要应用在气动机械、内燃机械等领域，作用是为这些机械设备提供清洁的空气，以防这些机械设备在工作中吸入带有杂质颗粒的空气而增加磨蚀和损坏的机率。空气滤清器的主要组成部分是滤芯和机壳，其中滤芯是主要的过滤部分，承担着气体的过滤工作，而机壳是为滤芯提供必要保护的外部结构。空气滤清器的工作要求是能承担高效率的空气滤清工作，不为空气流动增加过多阻力，并能长时间连续工作。空气滤清器结构 发动机在工作过程中要吸进大量的空气，如果空气不经过滤清，空气中悬浮的尘埃被吸入气缸中，就会加速活塞组及气缸的磨损。较大的颗粒进入活塞与气缸之

2、间，会造成严重的“拉缸”现象，这在干燥多沙的工作环境中尤为严重。空气滤清器装在化油器或进气管的前方，起到滤除空气中灰尘、砂粒的作用，保证气缸中进入足量、清洁的空气。 在汽车的千千万万个零部件中，空气滤清器是一个极不起眼的部件，因为它不直接关系到汽车的技术性能，但在汽车的实际使用中，空气滤清器却对汽车（特别是发动机）的使用寿命有极大的影响。一方面，如果没有空气滤清器的过滤作用，发动机就会吸入大量含有尘埃、颗粒的空气，导致发动机气缸磨损严重；另一方面，如果在使用过程中，长时间不给维护保养，空气滤清器的滤芯就会粘满空气中的灰尘，这不但使过滤能力下降，而且还会妨碍空气的流通，导致混合气过浓而使发动机工

3、作不正常。因此，按期维护保养空气滤清器是至关重要的。 空气滤清器一般有纸质和油浴式两种。由于纸质滤清器具有滤清效率高、质量轻、成本低、维护方便等优点，已被广泛采用。纸质滤芯的滤清效率高达99.5%以上，油浴式滤清器的滤清效率在正常的情况下滤清效率为9596%。轿车上广泛使用的空气滤清器是纸质滤清器，又分为干式和湿式两种。对干式滤芯来说，一旦浸入油液或水分，滤清阻力就会急剧增大，因此清洁时切忌接触水分或油液，否则必须更换新件。 在发动机运转时，进气是断续的，从而引起空气滤清器壳体内的空气振动，如果空气压力波动太大，有时会影响发动机的进气。此外，这时也将加大进气噪声。为了抑制进气噪声，可以加大空气

4、滤清器壳体的容积，有的还在其中布置了隔板，以减小谐振。 空气滤清器的滤芯分为干式滤芯和湿式滤芯两种。干式滤芯材料为滤纸或无纺布。为了增加空气通过面积，滤芯大都加工出许多细小的褶皱。当滤芯轻度污损时，可以使用压缩空气吹净，当滤芯污损严重时应当及时更换新芯。 湿式滤芯使用海棉状的聚氨脂类材料制造，装用时应滴加一些机油，用手揉匀，以便吸附空气中的异物。如果滤芯污损之后，可以用清洗油进行清洗，过分污损也应该更换新滤芯。 如果滤芯阻塞严重，将使进气阻力增加，发动机功率下降。同时由于空气阻力增加，也会增加吸进的汽油量，导致混合比过浓，从而使发动机运转状态变坏，增加燃料消耗，也容易产生积炭。 River(1

5、996)提出了过滤器压力损失模型,即过滤器总压力损失为空气进出口压力损失和通过过滤器压力损失之和。该模型假定通过过滤器的气流形式为层流,空气进出口压力损失与气流的动压头成比例,通过过滤媒介的压力损失与空气流速成比例。River 和 Murphy 在 2000 年的研究中又进一步考虑到空气通过过滤媒介被压缩的因素。过滤器的压力损 失模型可以利用生产厂家提供的数据建立,当安装日期和气流状况确定后,这个模型理论 上可以得到压力损失的精确解。然而在这些模型中都假设气流的温度和压力是恒定的,而 许多通风和空调系统的实际运行状况,空气流速是随时间变化的。尽管我们可以根据过滤 器寿命期空气的平均流速和平均压

6、力来大致估算过滤器的能耗,但是由于变量之间的非线 性关系,得出的结果可能与实际情况相去甚远。 我首先找到了以下三种计算空气过滤器能耗的方法,这些方法可以克服以前的压力损失模型存在的不足,后两种方法还可用来估算过滤器寿命周期和能耗,进行寿命周期成本分析的研究。 1.压力损失模型 对于一个选定的过滤器,压力损失模型应该反映空气流速和过滤器尘粒积累程度的影响。 为了建立压力损失模型,进行以下假定: 对于固定的过滤器尘粒积累度,过滤器的有效面积 A,压力损失p 和空气质量流速 m 的关 系为: 式中 b 为回归因子;压力损失因子 n 与过滤器尘粒积累度 G 是相对独立的; 过滤器的有效面积 A 与尘粒

7、积累度 G 有关,可表示: 式中 c-回归因子,A0-过滤器设计有效面积; 过滤器的尘粒积累度与单个过滤器的运行时间成比例 , = cG ,无因次时间因子 为使用时间与使用寿命l 的比值; 基于以上假定,压力损失p 可表示为: 过滤器的压力损失特性与压力损失因子 n,初阻力p0,终阻力pe 有关。m0 为设计质量 流速。1.1 瞬时法过滤器的能耗 P 和空气质量流速 m 与压力损失p 的乘积成比例,也和风机的效率有关, 过滤器的功率的表达式为: 当空气流速和过滤器的更换状况已知,那么式(7)和(8)可以计算风机功率。由式(7) 可知,随着过滤器尘粒积累度的增加,风机的功率呈指数形式增加,并与空

8、气质量流速的 n+1 次方成正比。由于这些变量是非线性关系,所以不能由平均空气流速和平均过滤器尘 粒积累度来计算平均风机功率。图 1a 表示在典型过滤器( n=1.52,p0=83Pa, pe=470Pa)中不同过滤器尘粒积累度下风机功率比 p 与空气质量流速比 m 的关系。图 1b 表示不同空气流速下 p 与过滤器尘粒积累度 G 的关系;他们都不是线性关系。可以看出: 当过滤器尘粒积累度最大时,风机功率将增加到初始功率的 5.6 倍。 图 1 风机功率随流速和尘粒累积程度的变化1.2 区间法: 为了简化计算,区间法把过滤器的寿命周期分成等长的区间,通过缩小时间间隔来减小风量 变化的影响,过滤

9、器的能耗通过每个区间进行计算,总能耗等于各个区间能耗的总和。当 各等距区间的使用情况比较规律时可用区间法来计算。用统计规律来考虑各区间中空气质 量流速和过滤器尘粒积累度的变化对风机能耗的影响,如果在第 i 个时间间隔,空气质量 流速最大为 mmini,最小为 mmaxi,平均流速为 mai,则平均过滤器的功率可表示为: fi(m)是质量流速在时间上的分布函数,与在这个区间内质量流速 m 经历的时间有关: 由于尘粒积累度和其他参数的改变,流速随时间而变化。时间跨度小时,质量流速可以作为 定值来考虑。如果时间跨度很大,空气状况有较大变化,那么可以假定一个气流密度分布 函数。这里引入三种模式,可以根

10、据实际应用作出适当选择。 第一种模式假定气流以平均流速通过过滤器,其质量流速概率密度 fi(m)表示为: 第二种模式假定空气质量流速呈平均分布: 第三种模式假定空气质量流速呈正态分布: 其中为平均标准方差; 把时间和空气质量流速密度引入公式 9,则过滤器在第 i 区间的功率比Pi 分别为 过滤器的能耗即为各区间能耗之和,表示为: 式中:e-过滤器的寿命。气流模式的选择对风机功率的计算有巨大影 响。图二表示风机功率比(piu/pic),即平均分 1.3 布模式的功率 piu 与平均值模式的功率 pic 之 比。正态分布模式的功率比与平均分布模式具 有相同的特征。因此,在风机功率的计算中流 量模式

11、的选择必须仔细选择以达到最准确的计 算结果。 图二1.3 不等距区间法 在这种模型中,区间的跨度各不相等,此种方法适于系统使用灵活的场合,时间间隔 i 各 不相等 式中:a-过滤器平均寿命 引入时间和质量密度(公式 10,11,12)到公式 6 中,过滤器能耗比 Pi (第 i 区间)表 示为 年度过滤器能耗 Ef 即为各个区间之和,表示为 在一年中使用的过滤器的寿命e 不等时,过滤器寿命期的能耗 Ef 表示为 1.4 计算实例 下表总结了一个标准状况下等距区间法的计算结果。在这个算例中,过滤器的寿命期分为 六个区间,每个区间跨度为 1 个月。空气的质量流速由风机给出。假定过滤器是 1 月安装

12、 的,无因次时间由每个区间的开始到寿命期的结束决定,能耗比则按每月进行计算。过滤 器的阻力随尘粒积累度的增加而增加,及时更换过滤器能减小风机能耗,增加空气的流速。 结果表明,选择平均分布模式计算得到的风机能耗稍大于平均值模式。 4. 第四种模型研究的对象是某特种车辆所采用的2 级滤 清式自动抽尘空气滤清器9其结构如图1 所示 它 采用了多旋风筒与滤尘丝盒的结构设计9其集尘器 是利用废气引射器进行抽尘 进入空气滤清器总的 空气流量等于发动机的进气量与抽尘用的空气量之和抽尘用的空气量一般为发动机进气量的8%10% 2级滤清式自动抽尘空气滤清器结构 假设空气滤清器清洁9忽略空气流经空气滤清 器时的状

13、态变化 发动机在某一工况稳定工作时9 其进气质量流量为me 9且抽尘用的空气量为发动 机进气量的8 % 9则该工况下空气滤清器的空气流 量m1 为 若空气滤清器出气口的面积为A1 (m2 >9空气密度为!1 (kg/ m3 > ; 则空气滤清器出气口的空气流速U1为当发动机进气流量为0 ( 即空气流速为0 > 时9空 气滤清器进气阻力一定为0 ; 当发动机进气流量增 加 ( 即空气流速增加> 时9空气滤清器进气阻力也随 之增加9且无论是管道之中流动的沿程阻力还是局 部阻力9在其他条件一定的情况下9其值都与流体流动速度的2 次方成正比 因此 这里可认为空气滤 清器进气阻力

14、与空气流速之间也为2 次变化关 系即进气阻力F1 为 式中 E为常系数由图2 可见 空气滤清器的相对功率损失随进 气阻力的变化大致成直线关系 当进气阻力为0 时 空气滤清器的功率损失也一定为0 所以 可认为 空气滤清器的相对功率损失J 为 式中为常系数。 空气滤清器功率损失的绝对值 N 1 则为 式中，P e 为发动机有效功率 。若已知发动机某一工况时的进气量和空气滤清 器的进气阻力 则可由式 1 至式 3 得到常系数E 若已知发动机某一工况时的Pe 和空气滤清器的进 气阻力和功率损失 则可由式 4 和式 5 得到常系 数在确定常系数及E 之后 通过工作过程计 算得到发动机的进气量及Pe 联立

15、式 1 至式 5 即可计算该空气滤清器的阻力特性 计算实例由于专业原因，我选取第四种模型。现知特种车辆发动机为非增压柴油机 发动机标定转速nB=2000r/min Pe=382kW进气质量流量为0 .473 kg/s; 空气滤清器使用的前阻力约为5 .390 kPa 5 .880 kPa 对应的功率损失约为 11 .03 k W。已知标定工况下的各项试验值，现用该模型进行验证，并且探究影响规律。 对该发动机的标定工况点进行工作过程模拟模拟结果与实验值的对比（见表1）显示对发动机标定工况点的模拟具有较高的精度对该发动机的 外特性进行工作过程模拟所得Pe 与实验值之间的对比（见图3）显示模拟精度也

16、较高应用以上建立的阻力特性计算模型对发动机外特性上1 600 rmin2 000 rmin转速范围内转速差为50 rmin的9个工况点进行模拟 分别计算空气滤清器的进气阻力和功率损失计算值与实验值的对比（见图4）结果也较令人满意。对发动机外特性上的1200rmin2000rmin转速范围内转速差为200 rmin的5个工况点进行模拟所得空气滤清器阻力特性的计算结果见图5 对应进气阻力对功率损失的影响见图6，两者变化趋势与实验验证结果相符，可见模拟结果也较令人满意。 并可知空气滤清器的功率损失主要受到进气主力影响，进气主力越大，损失越明显。参考文献：1ASHRAE.2000.2000 ASHRA

17、E Handbook-Systems and Equipment.Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,inc. 2Rivers,R.D. and D.J.Murphy.1996.Determination of air filter performance under variable air volume (VAV) conditions.Final Report of ASHRAE Research Project 675.Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,inc.3Rivers,R.D.and D.J.Murphy.2000 Air filter performance unde