汽车机油过滤用材料的结构及过滤性能

冯建永，张建春，杨大祥

(1.东华大学纺织学院，上海 201620;2.总后勤部军需装备研究所，北京 100082;3.装甲兵工程学院，北京 100072)

常用的汽车机油过滤材料有植物纤维(棉木浆滤纸)、无机纤维(玻璃纤维过滤纸及非织造布)、化学纤维(各种化纤的非织造布)。目前，国外生产汽车机油过滤材料有奥斯龙公司(AHLSTROM)、兰德公司(LYPORE)、科龙公司(KOLON)、HV公司等。这些企业的技术较为成熟，同时为一些较大的汽车企业及品牌汽车提供专用的过滤材料。而国内做汽车机油过滤材料的企业不多，汽车过滤材料基本依赖进口［1－2］。

对于汽车机油滤清器滤芯用过滤材料的结构及性能已经在文献［1－2］中分析过，主要研究了常用的汽车机油过滤材料及多层结构以及性能。利用多孔材料的孔隙结构，可以让机油顺利通过并将杂质颗粒截留在过滤材料的孔隙表面、孔隙内部以及形成的滤饼上。一些研究人员［3－5］已经对这些过滤材料及性能进行了简单的分析，但基本没有汽车机油过滤。在过滤过程中，经常会发生堵塞及过滤效率的改变情况，一些研究人员［6－10］先是试图列举前人的过滤理论公式，然后进行分析，得出别人理论的不足之处，随后利用一些数据建立自己的拟合公式，这些公式在可应用性方面有一定的不足之处。

在过滤过程中，多孔材料、杂质颗粒以及试验用油液的性质比较关键，这些因素均会对过滤效果有影响［11］。在研究流体通过多孔材料方面，经过理论验证是正确的公式即著名的达西定律［12］，当含有杂质颗粒的机油通过多孔过滤材料时，也满足达西定律，这个理论公式也是本文的理论基础。

经过前期的试验测试［2］比较发现，玻璃纤维非织造布具有较好的过滤性能，主要是由于玻璃纤维非织造布具有较小的纤维直径、以及较小和分布均匀的孔径、较大的孔隙率。所以本文采用玻璃纤维非织造布作为过滤材料来研究过滤性能，一个方面是可以借鉴这种结构在以后开发新的过滤材料并且将性能进行比较，另一方面是由于玻璃纤维直径为圆形，可以方便理论计算。

1 流体通过多孔材料的理论基础

当流体通过多孔材料时，流体通过多孔材料的孔隙，主要的理论公式是达西定律［12］，其计算公式为

式中:Q为流体的流量，m3/s;A为过滤材料的面积，m2;J为流体的流速，m/s;k为渗透系数，m2;△p为压差，kPa;μ为所用流体的黏度，Pa·s;L为多孔材料的厚度，mm。

2 杂质颗粒过滤拦截模型的建立

含有杂质颗粒的机油通过多孔过滤材料时，由于过滤前的油液中含有较多的杂质颗粒，而一些杂质颗粒在过滤之后会截留在过滤材料上，使得过滤后的杂质颗粒数减少。如图1(a)所示。而那些小粒径的杂质颗粒会通过过滤材料的孔隙继续进入机油中，这些较小颗粒的杂质在汽车机油滤清器中会增加发动机的磨损，缩短发动机的使用寿命。

图1 含有杂质颗粒的机油通过多孔过滤材料的过程Fig.1 Process of impurity particles passing through porous filtration material.(a)Filtration process;(b)Pressure drop;(c)Flow rate

设p1为机油流入过滤材料时的压强，kPa;p2为机油流出过滤材料时的压强，kPa，如图1(b)所示。则过滤过程中的压差可以由下式进行计算

在过滤过程中，实验时裁剪过滤材料面积为圆形，过滤材料的厚度为L，mm;直径为D，cm;半径为r，cm，如图1(c)所示。

图2示出杂质颗粒的过滤情况，是根据Sakpal P P［13］及前期对过滤前后样品的SEM照片观察后的总结。图2(a)为杂质颗粒被截留在纤维与纤维之间三维无序排列的内部开孔孔隙中，以及杂质颗粒被截留在纤维与纤维之间三维无序排列的内部半开孔的孔隙中，图2(c)为杂质颗粒被拦截截留在过滤材料的表面，以及一些较大颗粒被截留在纤维与纤维之间的孔隙表面，部分较小颗粒通过架桥被截留在孔隙表面。如果过滤时间较短，则滤饼过滤不明显。在过滤开始阶段，基本是非织造布材料的过滤，主要是通过纤维与纤维之间三维无序排列形成的孔隙实现表面过滤(图2(b))及深层过滤(图2(a))，随着过滤时间的增加，滤饼开始形成，此时主要依靠滤饼进行过滤(图2(c))。

图2 杂质颗粒的过滤情况Fig.2 Particles intercepted in fiber and porous material.(a)Deep filtration;(b)Surface filtration;(c)Cake filtration.

本文实验过程所用时间为50 min，实际的汽车机油过滤材料更换滤芯的周期是半年左右或者行驶一定公里路程(如1 000 km)之后需要及时更换，这样形成的滤饼会比较明显。

3 汽车机油过滤材料的多次通过实验

3.1 过滤材料的选用

实验所用材料为玻璃纤维非织造布，利用JSM-6360LV所观察的扫描电镜结果如图3所示。利用扫描电镜分析纤维平均直径为3.42μm，利用电子天平称量的平均定量为76.14 g/cm2，利用YG141N型数字式织物厚度仪器测试的平均厚度为0.582 mm，利用YG461E电脑式透气仪测试的平均透气率为320.69 mm/s，利用YG065强力仪的条样法实验所测试的断裂强力为22.419 N，断裂伸长为2.565 mm。

图3 过滤材料的SEM照片(×100)Fig.3 SEM image of filtrationmaterial( ×100)

根据孔隙率 ε的计算公式，计算可得 ε为95.07%。

式中:ε为孔隙率，%;ρ1为所用纤维密度，g/m3;m为过滤材料的定量，g/m2。

利用MP－15Kβx孔径测试仪测试孔径及过滤精度，结果如表 1所示，测试结果的平均孔径为23.6μm。

表1 孔径测试结果Tab.1 Pore diameter testing results

3.2 杂质颗粒的选用

杂质颗粒的主要成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、CaO、MgO、TiO2和K2O，各成分百分比含量分别为68% ～76%、10% ～15%、2% ～5%、2% ～4%、2% ～5%、1% ～2%、0.5% ～1%、2% ～5%。利用MS—2000激光粒度分析仪测试杂质颗粒的粒径分布曲线如图 4所示，体积平均粒径dn为13.076μm，加入所用机油中的浓度为200 mg/L。

图4 杂质颗粒直径分布曲线Fig.4 Particles diameter distribution curve of impurity

3.3 汽车机油的选用

实验所用机油为YH-15，在40℃时的密度为850 kg/m3，动力黏度为 μ =1.275 ×10－2Pa·s，其计算公式为

式中:v为机油的运动黏度，m2/s;ρ2为机油的密度，kg/m3; μ 为机油的动力黏度，Pa·s。

3.4 测试方法

3.4.1 孔径测试原理

孔径测试参照标准是GB 5249—1985《可渗透性烧结金属材料气泡试验孔径的测定》。孔径与气泡压力之间的关系为dm=4γcosθ/△P。式中:dm为测试的过滤材料的孔径，m;γ为实验液体表面张力，N/m;△P为在静态下过滤材料上的压差，在此实验过程中，采用的实验液体是异丙醇，接触角θ=0°。

3.4.2 过滤性能测试

利用D-30多次通过实验系统测试过滤性能，试验原理参照测试标准参照GB/T 18853—2002《液压传动过滤器评定滤芯过滤性能的多次通过方法》。

3.5 过滤效率计算公式

在过滤过程中，压差可以通过压差显示器直接读取，上下游的颗粒数浓度可以通过颗粒计数器在线检测，材料的过滤效率E按下式进行计算。

式中，c上游、c下游分别为上、下游的杂质颗粒浓度，个/10mL。

纤维的过滤效率，其计算公式［14］如下

式中:α为堆积密度，η为纤维的过滤效率，L为过滤材料的厚度，mm;df为纤维直径，μm。

PODGORSKI［14］提 到 用 质 量 因 子QF(quality factor，Pa－1)来表示过滤效果，其计算公式如下

式中，△p为过滤材料两侧的压差，Pa。QF值越大，过滤效果越好。式(6)不仅与过滤效率有关，更重要的是与过滤过程中过滤材料的压差相关。

4 质量因子变化情况

4.1 加入杂质颗粒后的压差变化

图5示出过滤过程中压差的变化情况，当清洁油液通过过滤材料时，建立压差与流量之间的实验拟合曲线，其拟合方程为y=2.331 4x－0.826 67，R2=0.99，x为清洁油液的流量，y为过滤材料两侧的压差。可见压差随着流量的增加而增大。

图5 过滤过程中的压差变化情况Fig.5 Change of pressure drop.(a)Pressure drop-flow rate of cleaning filtration material;(b)Mass of particles-time(c)Pressure drop-time，(d)Mass of particles-pressure drop

向清洁油液中加入杂质颗粒，加入的杂质颗粒质量与时间之间的关系如图5(b)所示，此时，过滤材料的压差会增加。压差随着时间及杂质颗粒质量的增加而增大。

当未加入杂质颗粒的机油通过过滤材料时，过滤材料上的压差较小，加入杂质颗粒后，在恒定流速(5.0 L/min)时，过滤材料两侧的压差增大。

4.2 非织造布及纤维的实际过滤效率

图6示出非织造布及纤维过滤效率变化。图6(a)中非织造布的过滤效率是根据式(4)进行计算。利用式(5)，以 ε =0.950 7，α =0.049 3，L=0.582 mm，df=3.42μm，A=113 cm2计算纤维的过滤效率。随着过滤时间从5 min增加到50 min，非织造布对于不同粒径杂质颗粒的过滤效率均减小。在 35 min前，对于粒径大于5μm、8μm、10 μm、15μm 颗粒的过滤效率变化趋势较小，而在35 min后，均有较大幅度的减小趋势。随着杂质颗粒粒径依次从5、8、10、15 μm的增加，过滤效率均增加。但对于粒径大于8μm、10μm、15μm这些较大颗粒，在35 min前，过滤效率的差异不明显，只是在35 min后，3条曲线呈现出不同的差异。

纤维与非织造布的过滤效率均是随着杂质颗粒粒径依次从5、8、10、15μm的增加呈现增加的变化趋势(图6(b))。并且非织造布的过滤效率大于非织造布中纤维的过滤效率，也就是说并不是非织造布中所有的纤维都能有效地过滤杂质颗粒。

图6 过滤效率变化Fig.6 Change of filtration efficiency.(a)Filtration efficiency of nonwoven;(b)Comparison of filtration between nonwoven and fibers

4.3 质量因子的变化情况

实际上，在过滤效率变化的同时，过滤材料两侧的压差也是不断变化的(如图5(c)所示)。从图6(a)可以知道过滤过程中过滤效率的变化情况，但无法知道在过滤效率变化的同时，过滤材料两侧的压差变化情况。结合式(2)、(4)和(6)，计算压差的结果可以知道将过滤效率与压差结合起来的质量因子变化情况(如图7所示)。

图7 质量因子的变化Fig.7 Change of QF

从图7可看出，质量因子的变化趋势与过滤效率的变化趋势基本一致。随着过滤时间的增加，不同粒径杂质颗粒的质量因子均减小。而随着杂质颗粒直径的增大，其过滤质量因子也呈现增大的趋势。结合图2可知，初始的一些较大颗粒(粒径大可以等效为质量也较大)会因为自身的重力作用和惯性作用沉积在过滤材料的表面，以及通过非织造布的孔隙结构直接拦截一些颗粒，被拦截的单个颗粒的粒径大于非织造布的孔径或者几个颗粒通过架桥作用形成一个结合体被截留在过滤材料表面，如图2(c)所示。玻璃纤维直径是3.42μm，非织造布的厚度是0.582 mm，由于非织造布的厚度远远大于纤维直径，可以认为这些纤维在非织造布的厚度方向形成了很多纤网层。当进入纤网内部的颗粒在通过开通孔(纤维三维杂乱排列所形成的孔隙是直通孔，孔道基本接近直线型)后，也会由于自身重力作用、直接拦截作用、惯性碰撞作用(图2(a))、架桥作用(图2(c))而被这些孔隙截留。如果进入纤网内部的颗粒通过半开孔(纤维三维杂乱排列所形成的孔是曲折变化的，孔道基本接近曲线型)，则会形成图2(b)的过滤形式。很显然，这些杂质颗粒的直径越大(非织造布的平均孔径是23.6μm，颗粒粒径是13.076μm)，则质量也越大，重力沉积作用也越明显，越易被这种孔隙特征所拦截。

随着过滤时间的增加，这些颗粒首先在非织造布内部直通孔和半开孔的孔隙堆积，形成堵塞，最后随着沉积和拦截的颗粒越来越多，会在过滤材料表面形成依靠滤饼进行过滤的颗粒层(图2(c))。结合图5(c)和图6(a)可知，随着过滤时间从5min增加到50min，玻璃纤维非织造布两侧的压差增加，但过滤效率减小。从图7可知，随着时间的增加，不同粒径的质量因子均减小，利用质量因子可以将压差和过滤效率结合起来进行表征。

5 结论

本文主要以纤维直径为3.42μm，平均孔径为23.6μm，孔隙率为95.07%，厚度为0.582 mm，面积为113 cm2的玻璃纤维非织造布作为过滤介质，以颗粒直径为13.076μm的A3粉作为杂质颗粒，并且以动力黏度为1.275×10－2Pa·s的YH-15机油为试验油液，利用D-30多次通过实验台模拟汽车机油的过滤过程并且测试过滤性能。主要得出以下3个方面的结论。

1)当清洁油液流过过滤材料时，玻璃纤维非织造布两侧的压差较小，并且压差随着油液流量的增加而增大。当在清洁油液中加入杂质颗粒后，在恒定流速条件下，玻璃纤维非织造布两侧的压差增大，并且压差随着时间和杂质颗粒质量的增加而增大。

2)玻璃纤维非织造布及玻璃纤维的过滤效率均是随着杂质颗粒直径的增大而增加，非织造布的过滤效率随着时间的增加而减小。玻璃非织造布的过滤效率大于非织造布中玻璃纤维的过滤效率，也就是说并不是非织造布中所有的纤维都能有效地过滤杂质颗粒。

3)利用过滤效率来表征过滤效果时，无法将压差结合起来。而利用质量因子来表征过滤性能可以将压差和过滤效率结合起来。并且随着过滤时间的增加，不同粒径杂质颗粒的质量因子均减小。而且随着杂质颗粒直径的增大，质量因子也呈现增大的趋势。

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