满足国六排放长寿命柴油滤清器设计要点

2022-06-05张伟

内燃机与配件 2022年10期

1 概要

为了达到国六排放要求，发动机采用了电控高压共轨燃油喷射系统，该系统不仅可提升柴油机动力性能和燃油经济性，同时改善了排放性能，它与其他电控喷油系统相比具有明显的优越性，已成为柴油机电控技术发展的重要方向。而且电控高压共轨燃油系统还可为柴油机提供对循环供油量进行精确控制；对喷油速率和喷油规律进行精确控制，以获得在燃烧过程中理想的放热率；对喷油压力进行精确控制，以获得足够高的燃油流出的初速度，使燃油粒度细化以提高雾化质量并加快燃烧速度以及对供油正时进行精确控制，以便在各种转速下总是以最佳供油提前角供油。为实现上述的几个精确控制，必须提高供油泵和喷油器的可靠性。输油泵，喷油器或增压油塞精密偶件的磨损将是电控失效的主要原因之一。

根据各排放阶段排放法规要求，采取的相应技术措施：在燃油系统方面，喷射压力的要求，燃油系统从国Ⅰ、国Ⅱ到未来的国VI，国VI的喷射压力到至200MPa以上，不同排放阶段的喷射压力见表1。

但是喷射压力带来一个问题，就是燃油系统负荷不断增加，燃油系统工作温度不断上升，燃油系统零件强度、刚度问题变得越来越突出，燃油系统零件更容易变形，其喷射系统的精密偶件，制造精度达到微米级，燃油中极小的机械杂质都会导致柱塞偶件、针阀偶件、量孔喷嘴等运动部件拉伤、擦伤等磨粒磨损缩短使用寿命；燃油中的水对泵有很强的破坏作用，特别是电控泵及高压共轨系统，由于泵体和共轨腔内充满燃油，水分很容易沉淀，因此，它们对水分更敏感，过多的水分很容易引起穴蚀并且影响燃油的润滑性能，所以相对与传统的机械式燃油喷射系统而言，电控系统对燃油的清洁和燃油中的水分的要求更为苛刻，这就对柴油滤清器提出了更高的要求。

你还要表示，人家为你这个事早被辞退了。你也是的，年轻人犯个把错误，你就不依不饶，非弄得他砸了饭碗，做绝了啊。

2 电控高压共轨燃油喷射系统

图1和图2是两种典型的电控高压共轨燃油喷射系统图，图1采购两级过滤，初级带油水分离功能的柴油预滤器，安装在油箱和输油泵之间，处于负压端，第二级是高精度的主过滤器，在输油泵和高压油泵之间，处于正压端；图2采用一级过滤，该滤清器检具过滤和水分离功能，安装在油箱和输油泵之间，处于负压吸油端。输油泵采用齿轮泵，在齿轮泵进油口可以产生50-70kPa的真空度。

聚并分离过滤材料，滤纸纤维层浸渍亲水化学品，柴油中较小的水滴经过被亲水树脂浸渍后的过滤材料，在亲水树脂和过滤材料中超细纤维的作用下，小水滴变成大水滴，一般可以达到大于300μm，可以通过在设置在滤芯中心管上的防水网把大水滴沉淀在沉淀到滤清器底部的储水空间内并收集，达到一定高度通过水位报警器提醒用户防水保养。

柴油滤清器的原始阻力、流量和产品结构密切有关，理论上柴油滤清器流量越大越好，阻力越小越好，但是考虑到成本的原因，需要合理选择产品的尺寸，既能满足流量和产品阻力和使用寿命的要求，又不至于成本过高和增加滤芯和总成的空间体积。从图 2 中可以看出，该柴油滤清器处于负压吸油端，采用的输油泵为齿轮泵，其进油口吸油能力为40-50kPa的真空度，当从油箱内滤网到油泵进油口的最大阻力(这部分阻力包括吸油滤网，进油管、柴油滤清器、出油管)不应超过40kPa，当超过时发动机就会出现供油不畅等问题，即整个油路低压部分的阻力不大于40kPa；一般为了保证柴油滤清器的寿命，柴油滤清器的初始阻力要求不大于10-15kPa。

3 柴油滤清器主要设计要点：

3.1 流量—阻力

电控高压共轨燃油系统的喷射压力可以达到1800bar，高压会导致油温迅速升高，要求燃油滤清器必须流量大以降低温度；另外较高的温度会使燃油的润滑性能下降，易造成系统的异常。

目前国六排放的轻型商用车为了降低成本，减少故障率，降低维护保养成本，达到节能减排的目的，过滤部分均采用长寿命一体式柴油滤清器，该过滤器兼具过滤、水分离、排气、空气管理等功能，保养里程可以达到40000-80000公里。

赫芬顿邮报采用A/B测试，确立网站头条新闻标题的写法。读者的请求达到服务器后，服务器会通过自动分流技术，为不同的用户分配不同的版本。同一新闻内容的报道，读者会被随机分配到不同的标题版本，服务器会记录和收集读者的阅读行为数据，阅读行为数据优异的标题将成为这条新闻的最终标题。“进行A/B测试时，测试用户的选取是十分关键的环节，为保证试验结果的准确性，一是要保证一定的样本数量，二是要考虑用户细分”。[8]

3.2 过滤效率

针对国Ⅵ排放升级，目前各大燃油系统供应商都对自己的产品进行了升级优化，更高的喷射压力、更精确灵活的喷油控制，能够带来更好的发动机性能，同时，喷射压力和控制精度的提高也意味着喷油系统的强度增加、配合间隙(运动偶件之间的间隙为 1～5 μm)减小、系统相对于机械系统对燃油中的杂质更加敏感，控制阀结构改变、喷孔直径减小；因此，发动机对燃油过滤系统的要求也相应提高，需要更高的过滤效率来确保进入发动机的燃油的清洁度，下面是某公司对过滤后柴油清洁度的要求达4μm(c)/6μm(c)/14μm(c)：16/13/8；根据目前国内的柴油清洁度等级4μm(c)/6μm(c)/14μm(c)：24/23/19来计算， 4 μm(c) ≥ 99.6(测试标准：ISO 19438);表2是BOSCH公司对燃油系统最低过滤要求

下面对使用木浆纤维和全合成纤维的油水分离器进行全寿命水分离试验，试验方法ISO16332，按同等的试验条件加水；试验结果可以看出，全合成纤维滤材水分里试验过中压差变化不大，木浆纤维过滤材料在水分离试验过程中压差升高非常明显，试验结果见图7。

3.3 水分离效率

柴油中水的危害：生锈、穴蚀、降低润滑性导致磨损、结冰堵塞、使滤纸膨胀缩短寿命、微生物生长引起堵塞和腐蚀。

3.4.2 燃油系统中空气来源

水分离的方式主要有以下两种：阻挡分离和聚并分离，两种过滤材料存在较大差异，图3是两种过滤材料的分离示意图：

阻挡分离过滤材料，滤纸纤维层浸渍疏水化学品，柴油中较大的水滴经过被疏水树脂浸渍后的过滤材料，大水滴就被阻挡在滤纸的表面上，水滴就会沉淀到滤清器底部的储水空间内并收集，达到一定高度通过水位报警器提醒用户防水保养。

对上下左右四个方向产生的结果进行评估，评估方式为建立多个子算法加权得分，而得分最高的方向即为当前行动的最佳方向，下一步向该方向移动，为局部最优策略。由于不同子算法之间评判标准的不同，可能出现相互干扰，甚至相互对立的情况，同时不同时期受到的影响也可能不同，所以我们需要通过调整数字权重以及子算法权重完成优化，找到较好的评判标准，提高胜率。

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对于国Ⅵ阶段滤清器更换里程普遍增加，全寿命水分离效率要达到95%以上，传统的单级分离显然已经无法满足要求。同时，对于硫含量进一步减少的国Ⅵ柴油，以及生物柴油等，添加剂含量有所增加，尤其是表面活性剂，导致小水滴，稳定乳液，抑制聚结，因此对于柴油滤清器的油水分离又提出了更加苛刻的要求。

“天行有常，不为尧存，不为桀亡”，任何事物的产生和发展都有一定规律，电力安全生产也不例外。人身安全事故的发生看似偶然，但深入分析，就一定可以看到发生事故的内因和外因。内外因的存在结合，发生事故就是必然。求“实”，就是以生产实践中存在的问题为导向，求“是”，就是积极探索防人身伤害的客观规律，找出造成人身事故的必然性因素，全面查找造成人身事故的各方面因素，经过由此及彼、由表及里的归纳分析，通过去粗取精、去伪存真的加工制作，把握人身伤害主要制约因素，从而把握主动，防患于未然。

当滤纸被柴油浸润后，对气体是有一定的阻碍作用，在一定△P内是对气体是密封的如图8所示；只有当滤纸的进油侧压力大于△P时，气体或柴油中的小气泡才能透过滤纸进入滤纸的出油侧，当发动机运转，吸油端压力小于大气压，溶解的空气析出，如果滤清不带空气管理系统并且滤纸的透气性很差(过滤精度高，滤纸孔径小，滤纸的透气性能差)，析出的空气会积聚在滤清的脏油端如图9所示。

下面对单极和多级的油水分离器进行全寿命水分离试验，试验方法ISO16332，按同等的试验条件加水、加灰；试验结果如图5，图6所示：

破坏极限与贮藏时间的关系，如图7所示。破坏能与贮藏时间的关系，如图8所示。破坏极限和破坏能在贮藏的前3天呈下降趋势，然后两个参数值均有所回升，在贮藏第6天出现一个峰值；之后两个参数值呈平稳趋势，在贮藏12～15天出现个急剧的上升，达到贮藏过程中的最大值，此时大部分果实出现褶皱，果皮抗压能力增强。

从上面的试验可以看出，单级过滤水分离单级油水分离器随着阻力的上升，油水分离效率下降幅度较大，全寿命平均效率<80%，已无法满足国Ⅵ长寿命滤清器的水分离要求；多级油水分离器在阻力上升的过程中，油水分离效率下降幅度极小，全寿命平均效率≥95%，可以满足国Ⅵ长寿命滤清器的水分离要求；但是多级油水分离器的阻力升高特别快，主要是过滤材料里木浆纤维表面浸渍了亲水化学品，在水滴聚并的过程中吸水变粗，滤纸微孔变小，导致阻力升高，这样必须提高滤纸纤维的耐水性，就必须增加过滤材料合成纤维的含量或直接采用全合成纤维滤芯。

此外，滤清器制造商还应从工艺设计、检测手段、生产环境、生产过程控制、物流包装防护、运输等诸多环节上考虑清洁度的要求。

3.4 空气管理

3.4.1 空气在滤清器内的状态

单级的油水分离器在使用过程中，滤纸被灰尘颗粒污等覆盖，表面的疏水化学品被污染物覆盖，水分离效率会越来越低，这样全寿命水分离效率就很难满足设计要求；目前国六阶段的柴油滤清器普遍采用两级结构，在一个壳体内串联两个滤芯，第一级滤芯具有过滤杂质和将小水滴聚并成大水滴的作用，第二级一般采用涂疏水化学品的尼龙网进行阻挡第一级聚并形成的大水滴。具体结构如图4：

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水在柴油中的存在状态主要有两种：一种是水滴直径大小在10-260um之间的游离水，一种是水滴直径大小在1-10um之间乳化水，国Ⅵ发动机对于燃油滤清器水分离效率要求需≥95%(测试标准：ISO 16332或SAE J1839 )。

柴油中溶解的气体(在一个大气压室温的情况下，标准的燃油中有大约溶解10-15Vol%体积的空气) ，当燃油储存或静止状态时，气体基本上看不见，当发动机工作时，由于吸入时产生负压，在负压状态下从柴油中析出、聚集；随着油箱中的燃油减少，油箱上部存在大量的气体，当汽车颠簸等，更多气体进入燃油中，且会产生微小的气泡，微小气泡通过阻力件时将逐渐放大并形成大的明显的可见气泡。图 10 为燃油箱中气体的产生及状态。