筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤性能分析

杜丹丰，于 淼，刘红玉，李 亮

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤性能分析

杜丹丰，于 淼，刘红玉，李 亮

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

空气滤芯作为空气滤清器的关键组成部分，分析其稳态过滤性能对于发动机空气滤清器的研发具有指导意义。介绍了一种新型发动机空气滤芯——圆筒形木纤维发动机空气滤芯，并针对圆筒形木纤维发动机空气滤芯的过滤阻力及过滤效率进行了数值计算与分析。计算了在稳态过滤阶段不同纤维直径及纤维填充率下的空气滤芯的总捕集效率及过滤阻力，并分析得出最佳的纤维直径及纤维填充率的值，这对于圆筒形木纤维空气滤芯的研制和生产具有指导意义。

发动机；木纤维；空气滤芯；稳态过滤

空气滤清器作为汽车发动机进气系统的重要部件[1]，其质量直接影响发动机的寿命与可靠性[2]。空气滤清器对进气消声的控制有很大作用[3]。分析空气滤芯稳态过滤性能对于发动机空气滤清器的研发具有指导意义。常用的空气滤芯主要有微孔滤纸滤芯、无纺布滤芯、纤维滤芯等几类，其中纸质干式空气滤芯应用最广泛。目前在纤维滤芯研究领域，有学者提出了一种以木纤维为原材料的空气滤芯[4]。木纤维作为一种有机材料，具有吸附效果好、易加工制造、成本低、环境污染小并且易于回收等优点，因此它是研制纤维发动机空气滤芯理想的材料之一。本文对圆筒形木纤维发动机空气滤芯进行了稳态性能研究。

1 纤维空气过滤特性参数的理论计算与分析

1.1 木纤维空气滤芯的结构

以木纤维制备的空气滤芯结构如图1所示。空气滤芯的形状为圆筒形，一端开口，一端封闭。在木纤维空气滤芯过滤过程中，空气从木纤维空气滤芯表面进入滤芯，气流经过圆筒形空气滤芯内部进行过滤，在发动机负压的作用下从木纤维空气滤芯中流出进入到发动机气缸内。

图1 圆筒形木纤维发动机空气滤芯结构

1.2 过滤机理

目前过滤理论研究主要将过滤过程分为稳态过滤阶段和非稳态过滤阶段[5]。稳态过滤阶段假设微粒与捕集表面的碰撞效率为100%，即微粒一旦触及木纤维表面就被捕集，并且沉积的微粒对于过滤过程没有进一步影响。在这种情况下，过滤效率和过滤阻力都与时间无关，因此过滤过程是稳态的。在非稳态过滤阶段，由于微粒沉积于过滤介质，使得木纤维空气滤芯的结构发生变化，从而导致过滤效率、过滤阻力等参数随沉积微粒的增加而发生相应变化，不再保持恒定，因此过滤过程是非稳态的。稳态过滤过程对于研究空气滤芯的过滤性能以及木纤维空气滤芯制作过程中的参数选择具有重要意义。

木纤维过滤材料对空气中微粒的捕集机理十分复杂。根据某些学者的研究，稳态过滤阶段的过滤机理至少有7种[6]：扩散作用、惯性作用、拦截作用、重力作用、静电作用、热升力作用和范德瓦尔斯力。一般情况下，拦截作用、惯性作用和扩散作用是最基本的机理。

1.3 过滤效率的理论分析：

在经典过滤理论中，孤立圆柱法[7]是研究纤维滤纸过滤效率的理论基础，由I.Langmuir[8]提出。在孤立圆柱法的基础上，付克斯等从纯理论角度加以发展。而在高效滤纸过滤器方面，木村·井伊谷等从实验方面做了补充研究[9]。

根据以上理论得出孤立单纤维的捕集效率。由于微米木纤维的直径大多数是在5～20 μm，因此重力作用可忽略[10]，所以过滤机理主要考虑3个作用：惯性作用、拦截作用和扩散作用。

实际上这几种机理是相互作用、共同影响的，因此许多研究者把惯性捕集和拦截捕集综合在一起给出惯性和拦截的综合捕集效率。纤维附近的流场可以认为是平行流绕圆柱体的流动，由于纤维过滤时气流的速度很小，在小雷诺数下空气流动属于黏滞流动。当雷诺数Re<1时， Davies[11-12]给出了近似的计算公式：

ηI,R=0.16[R+(0.25+0.4R)St-

0.026 3RSt2]

(1)

同理，在扩散作用下微粒轨迹没有达到纤维表面，而是达到距纤维表面为微粒半径的范围，也将由于拦截作用而被捕集，这就是扩散拦截效应。

W.H.Mcadams以及R.Dobry和R.K.Finn[13]根据气流扩散系数和温度传导率导出了扩散拦截效率：

(2)

η∑=ηI,R+ηD,R

(3)

2 木纤维空气滤芯稳态过滤过程的过滤效率

付海明、沈恒根[14-15]的研究结果表明：当过滤速度较小(U<<1.5 m/s)时，过滤过程为层流过滤，不考虑湍流扩散，此时可忽略湍流扩散项的影响。当粉尘入口浓度较低时，在过滤粉尘层形成之前的初始阶段，过滤可视为稳态过滤，由此得出圆筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤过程的捕集效率为

(4)

式中：α为纤维填充率；df为纤维直径(m)；ηs为单纤维捕集效率(%)；Lf为滤芯总长度(m)。

根据已有木纤维过滤理论的研究成果[16]，滤芯总长度与纤维直径及滤芯厚度之间的关系为

(5)

式中H为滤芯厚度(m)。

根据式(4)和(5)可得出稳态过滤过程的捕集效率与纤维填充密度的关系：

(6)

同理根据式(4)和式(5)可得出稳态过滤过程的捕集效率与纤维直径的关系：

(7)

当被过滤的空气流过圆筒形木纤维发动机空气滤芯时，产生的进气阻力可以按气体Darcy流动进行流动分析：

Δp=μv0LfF

(8)

式中：μ为空气的动力黏度(kg·s/m2)；v0为过滤速度(m/s)；F为流场阻力系数，

当分别分析稳态过滤过程的过滤阻力与纤维直径以及稳态过滤过程的过滤阻力与纤维填充密度的关系时，整合式(5)和式(8)得出

(9)

经过实验室的采样，分别选择实验用木纤维空气滤芯的纤维直径df为4，8，12，16，20 μm，滤芯厚度H为10 mm，纤维填充率α为0.02，0.03，0.04，0.05，0.06。

将木纤维空气滤芯稳态过滤阶段过滤阻力Δp的计算式(9)编程输入Matlab软件中，分别得出过滤阻力与纤维直径df和过滤阻力与纤维填充率的关系，见图2和图3。

从图2可以看出：在过滤速度一定、纤维填充率不变的前提下，圆筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤阶段过滤阻力随着纤维直径的增大而减少。当纤维直径在0～4 μm变化时，过滤阻力随着纤维直径的变化较为明显；当纤维直径在4～8 μm变化时，过滤阻力随着纤维直径的变化不太明显；当纤维直径在8～20 μm变化时，过滤阻力随着纤维直径的变化较为平缓。

图2 过滤阻力Δp与纤维直径df之间的关系

图3 过滤阻力Δp与纤维填充率α之间的关系

从图3可以看出：在过滤速度一定、木纤维直径不变的前提下，圆筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤阶段过滤阻力随着纤维填充率的增大而增大。当纤维填充率在0.02～0.06之间变化时，过滤阻力随着纤维填充率的变化较为平缓。

由图2、图3分析可得出：过滤阻力在α=0.02，df=20 μm时最小。

将木纤维空气滤芯稳态过滤阶段过滤效率η的计算式(7)和式(8)编程输入Matlab软件中，分别得出过滤效率与纤维直径df和过滤效率与纤维填充率α的关系，见图4和图5。

从图4可以看出：在过滤速度一定、纤维填充率不变的前提下，圆筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤阶段过滤效率随着纤维直径的增大而减少。当纤维直径在0～4 μm变化时，过滤效率随着纤维直径的变化较为明显；当纤维直径在4～8 μm变化时，过滤效率随着纤维直径的变化不太明显；当纤维直径在8～20 μm变化时，过滤效率随着纤维直径的变化较为平缓。

图4 过滤效率η与纤维直径df与之间的关系

图5 过滤效率η与纤维填充率α之间的关系

从图5可以看出：在过滤速度一定、木纤维直径不变的前提下，圆筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤阶段过滤效率随着纤维填充率的增大而增大。当纤维填充率在0.02～0.06变化时，过滤效率 随着纤维填充率的变化较为平缓。

由图4、图5分析可得出：过滤效率在α=0.06，df=4 μm时最大。

仿真结果表明：筒形木纤维发动机空气滤芯的过滤效率与过滤阻力能满足中华人民共和国汽车行业标准QC/T 32—2006《汽车用空气滤清器性能试验方法》，和中华人民共和国机械行业标准JB/T 9747—2005《内燃机空气滤清器性能试验方法》。

此稳态过滤状态过滤效率及过滤阻力与经典过滤理论推导结果相同，但它仅适用于稳态过滤过程或过滤的初始阶段。本文提出的数学模型可深刻地描述过滤介质过滤效率及过滤介质过滤阻力的计算过程，对圆筒形木纤维发动机空气滤清器具有较广泛的适用性，对实验研究具有理论指导性。

3 结论

本文对圆筒形木纤维空气滤芯在稳态过滤性能进行了分析，运用Matlab软件进行数值模拟，计算了在风速一定的情况下纤维直径、纤维填充率与木纤维空气滤芯总捕集效率及过滤阻力的关系。结果表明：在α=0.06，df=4 μm时，木纤维空气滤芯过滤效率最大；在α=0.02，df=20 μm时，木纤维空气滤芯过滤阻力最小。得到的结论对于圆筒形木纤维发动机空气滤芯的过滤性能实验具有指导意义，为圆筒形木纤维发动机空气滤芯的加工尺寸选择提供了理论依据。

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(责任编辑 刘 舸)

Analysis on Performance of Cylindrical Wood Fiber Engine Air Filter at Stationary Filtration Stage

DU Dan-feng，YU Miao，LIU Hong-yu，LI Liang

(School of Traffic, Northeast Forestry University，Harbin 150040, China)

Air filter is a key part of air cleaner, the analysis on performance of air filter at stationary filtration stage has guiding significance to the research and development of air cleaner. A new kind of air filter, cylindrical wood fiber engine air filter, was introduced. After that we calculated and analyzed the filtration resistance and filtration efficiency of cylindrical wood fiber engine air filter. At stationary filtration stage, we calculated the total collection efficiency and the resistance of air filter under the condition of different fibre diameter and fibre filling ratio respectively, and then we analyzed and found the best result of fibre diameter and fibre filling ratio, and this result has guiding significance to the research and manufacture of cylindrical wood fiber engine air filter.

engine；wood fiber；air filter；stationary filtration

2016-11-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(31470611)；黑龙江省科学基金资助项目(E2015055)；哈尔滨市应用技术研究与开发项目(2015RAQXJ035)

杜丹丰(1972—)，男，黑龙江人，博士，副教授，主要从事汽车节能减排方面的研究，E-mail:ddf72@163.com;于淼(1993—)，男，黑龙江人，硕士研究生，主要从事汽车节能减排方面的研究。

杜丹丰，于淼，刘红玉，等.筒形木纤维发动机空气滤芯稳态过滤性能分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(2):62-66.

format：DU Dan-feng，YU Miao，LIU Hong-yu，et al.Analysis on Performance of Cylindrical Wood Fiber Engine Air Filter at Stationary Filtration Stage[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):62-66.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.011

U464.134+.4

A

1674-8425(2017)02-0062-05