矿车用多级复合空气滤清器设计改进

刘近报，史美丽，胡伟，郭永志，郑世魁，杨志浩

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

清洁空气对发动机的性能和寿命至关重要[1]。杂质进入发动机内部可能造成发动机的严重损坏，导致早磨、拉缸等故障[2]。空气滤清器能够滤除空气中的硬质灰尘，为发动机提供新鲜、清洁空气，使燃油充分燃烧，避免灰尘对发动机零件的磨损，延长发动机使用寿命。矿区特别是煤矿空气中的灰尘约为普通商用车公路工况的十倍，矿区车辆空气滤清器的滤芯超负荷工作，严重影响发动机可靠性。当前市场普遍使用的油浴式和干式空气滤清器需要每天更换或清理滤芯，增加工作负担，而且存在较多问题，因此亟需研发一款新型空气滤清器，满足矿区使用需求。

1 空气滤清器过滤原理

1.1 油浴式空气滤清器

1.1.1 过滤原理

油浴式空气滤清器的底部设置带有过滤网的过滤油盆，过滤油盆上部为方体结构，滤芯中设有若干层由钢丝网构成的过滤层，进气自上而下遇到油池时，气流进行180°折返，气流中的颗粒(不分大小)由于惯性作用被黏结在机油中，进气气流冲击机油表面产生油雾，油雾被金属丝截获[3-4]；由于金属丝黏有油膜，空气中较小的灰尘被金属丝上的油膜吸附，空气中的杂质得以滤除。油膜吸附灰尘后不断增厚，质量增加，在重量作用下带着吸附的灰尘掉入油池[5]，因此油浴式空气滤清器需要竖直安装，其过滤原理示意如图1所示。

图1 油浴空滤过滤原理示意图

1.1.2 在矿区应用中存在的问题

加装油浴式空气滤清器后，前期可明显提高过滤,可以较好地保护发动机，减少磨损。但油浴式空滤本身阻力较大，随着环境温度的变化阻力增大。当温度过高时易产生泡沫，温度过低时油液粘稠，导致阻力增大，对产品空滤性能产生影响[6]。

此外油浴式空滤油池的油量有安全限值，超过最高限值失油率增加，机油进入下游；低于最低限值导致过滤效率下降，容易造成发动机早磨。过滤的灰尘越多，液面上升越快，失油率越高，机油很快干涸；如果空滤内部进水，液面上升，空滤阻力随之增大，失油率提高，导致滤芯污染。

油浴式空气滤清器长时间使用后，油槽里的机油逐渐减少，机油随着气流进入到滤芯外表面，被滤芯拦截。机油附着到滤芯上会对滤芯的维护带来不便，降低滤芯的使用寿命。机油能导致滤芯密封圈老化，丧失密封作用，导致灰尘旁通到发动机内，降低发动机可靠性。实际应用中，油浴式空气滤清器的过滤效率较低，根据实测数据显示，在用的油浴式空气滤清器的过滤效率低于98%。

油浴式空气滤清器在保养时，由于机油较脏而且很粘稠，不容易清理。金属钢丝网上挂满粘稠的灰尘，清理时费时费力，而且清理效果不好。由于滤芯的维修保养比较困难，因此油浴式滤清器适用于城市和道路清洁用车，不适用工程机械和沙漠环境用车。使用后的废弃机油污染环境，随着国家环保要求增强，油浴式滤清器的应用将会受到限制。

1.2 干式空气滤清器

1.2.1 过滤原理

干式空气滤清器过滤原理如图2所示。干式空气滤清器是由多个旋流管式粗滤器和纸质滤芯组成的多级滤清器，旋流管可以利用含尘空气高速旋转产生的离心力将直径较大的尘粒分离出来[7]。为了防止分离出来的较大直径灰尘损坏滤芯，通常在空气滤清器的出口设置空滤堵塞报警装置。同时为了防止更换滤芯时空气中的灰尘混入气道中，在空滤器的内部安装安全滤芯[8]。

图2 干式空滤过滤原理示意图

1.2.2 优点

与油浴式空气滤清器比，干式空气滤清器的优点为：1)过滤效率高，经测试表明，干式滤清器原始过滤效率超过99.5%；2)安装位置和工作状态不受限制，可以不必竖直安装，便于布置；3)不受温度影响，空气滤清器阻力和过滤效率基本不随温度变化。

1.2.3 缺点

1)旋流管的分离过滤效率与空气速率有关，空气速率越高，分离效率越高。当发动机功率较低时，如怠速工况下，空气速率低，旋流管分离效率也低[9-10]。2)旋流管容易堵塞，随着使用时间增加，旋流管堵塞导致干式空气滤清器分离效率下降。3)由于没有吸附灰尘的油池，在矿区应用时，干式空气滤清器过滤下来的灰尘极易聚集在纸质滤芯表面，堵塞空气通道，造成进气压力高，影响发动机功率输出，故需要频繁更换滤芯，费用较高。

2 WPM型多级复合空气滤清器

WPM型多级复合空气滤清器，也称为WPM电动沙尘滤，是一种具有旋流管式预滤器及电动旋转叶片的复合式空气滤清器，通常粗滤器使用轴向旋流管，缓解下游纸芯工作负荷，提高工作效率，同时可以延长疲劳寿命[11-12]，适用于复杂工况下的拖拉机、重型卡车、工程机械等，能够明显提升过滤效果。

2.1 工作原理

WPM型多级复合空气滤清器工作原理如图3所示。由图3可知：灰尘随着空气由A处进入旋风粗滤中，旋流叶轮高速旋转，产生较大的离心力，在离心力的作用下，较大颗粒的尘土被带至集灰板内，通过排尘口B排至空气中。相对洁净的气体进入到下一级旋流管式粗滤中，灰尘经过旋流叶轮、导流锥管、导流直管，通过离心作用再次被分离，此时灰尘经导流锥管E排至排尘阀C处，最后被排到空气中。相对洁净的空气通过导流直管，由D处进入空滤精滤，再次被过滤，最终干净的空气进入发动机燃烧室。

图3 WPM型多级复合沙尘滤工作原理示意

2.2 结构及改进

为解决发动机低速时空气滤清器过滤效率低的问题，在第一级旋风粗滤处增加旋转叶片，WPM型多级复合旋风滤清器结构如图4所示，WPM型多级复合沙尘旋风滤清器工作示意如图5所示。

图4 WPM型多级复合旋风滤清器结构示意图 图5 WPM型多级复合沙尘旋风滤清器工作示意图

在WPM型多级复合空气滤清器粗滤器的旋转轴上增加电机，驱动叶片旋转。发动机低速时使叶片高速旋转，提高发动机低速时的滤清效果和滤清器的粗滤效率，解决发动机怠速时滤清器粗滤效率低的问题。改进WPM型多级复合空气滤清器滤芯密封结构，由轴向密封更改为径向密封。改进后的产品按照文献[13]进行试验室检测，在额定进气流量为1800 m3/h、原始阻力低于4.7 kPa时，总成粗滤效率超过90%，原始滤清效率可达到99.7%。

2.3 矿区测试

在宁夏石嘴山矿区投放了4台WPM型多级复合空气滤清器(主动旋流式)，选取其中一台与普通沙尘滤(被动旋流式)作跟踪对比。在进气流量为1800 m3/h工况下，根据文献[14-15]进行试验，试验数据如表1所示。

表1 矿区试验数据

由表1可知：加装电动旋转叶片后，第一级粗滤器粗率效率由95.8%提升到96.2%，空气滤清器单程行驶里程滤灰量由2.928 6 g/km增加到3.108 4 g/km，单位里程纸滤灰尘量由0.142 9 g/km降低到0.081 8 g/km，提高了整体过滤效果，同时降低了滤纸的过滤压力，延长滤芯更换周期，降低使用成本。

为了使粗滤时排灰更顺畅，将旋流管的安装方式由原来的横向安装更改为竖直安装，分离出的灰尘由于重量作用自然下落到排尘口处排到主体外面，避免滤掉的灰尘堆积在旋流管处不便清理的弊端，维护更加方便。

3 结语

矿区工况特殊性催生了不同空滤结构的广泛使用，目前矿区主要使用油浴式空气滤清器及干式空气滤清器，但油浴式空气滤清器存在失油污染主滤芯、滤芯维修保养比较困难、废弃机油污染环境严重等问题。干式空气滤清器旋流管在发动机怠速时容易堵塞，空气速率低时旋流管分离效率低，而且需要频繁更换滤芯，使用成本高。通过在WPM型多级复合空气滤清器第一级旋风滤处增加电动旋转叶片，提高了粗滤效率和滤清器整体效能，同时减轻了下游纸芯的负荷，延长了使用寿命，原始滤清效率达到99.7%，性能优于油浴式空气滤清器性能，可以满足矿区使用需要。