空气滤清器的设计与计算.doc

空气滤清器的设计与计算霍玉荣:空气滤清器的设计与计算9空气滤清器的设计与计算Design&CalculationofAirFilter霍玉荣(河北亿利橡塑集团有限公司)摘要本文的题目较大,不可能面面具到详尽论述,作为发动机进气系统,只是其中的一环,本文打算作为柴油机卡车进气系统的设计及技术条件的确定一文的姊妹篇.文中提出了空滤设计的前提条件,分别叙述了盆形粗滤器,叶片环,旋流管等各种粗滤器的结构计算;对油浴式空滤器,干式纸质空滤器设计做了介绍,文中列出了有关的标准数据的图表.关键词空气滤清器;粗滤器;油浴空气滤清器;纸质空气滤清器1空气滤清器设计的必要条件空滤器总体方案,主要考虑车型机型,是卡车,还是轿车,拖拉机,工程车辆;是汽油机,还是柴油机.总体空间控制尺寸,由车辆总布置提出.要求提供发动机下列参数:汽油机或柴油机,汽缸数,缸径,冲程,总排量,额定功率下转速,额定功率,总功率曲线最大功率点对应的燃油消耗率;柴油机是否增压中冷,要求达到的排放法规的标准.重要的是,要提供额定空气流量.额定空气流量,应由发动机主机厂家通过台架试验测定.如果没有实际测量的话,对于四缸及四缸以上增压中冷柴油机建议用下列方法计算:(1)Q=O.03Vhn.1111)式中:Q一发动机额定空气流量,m3/h;Vh一发动机总排量.L:n一一发动机额定功率下转速,r/rain一进气充气系数,推荐取1.60;笔者在柴油机卡车进气系统的设计及技术条件的确定一文中,使用这个公式,充气系数取的是1.85,系引用SAEJ726:2002的数据.后来美国唐纳森资料中,将该公式的充气系数11有意从1.85改为1.60.这表明1.60更接近实际.建议用这个公式计算空气流量时,取=1.60;(2)按QC/T32-2006Q=P.ge.Ot.AO/(1000.a)1一(2)式中:Q一额定体积空气流量,m3/h;P一发动机额定功率,kW;ge一发动机额定功率时的燃油消耗率,约235g/kW.h:仅一额定功率时的过量空气系数,增压中冷发动机取2.1A0一燃烧lkg燃油所需的理论空气量.kg/k(柴油为14.3kg/kg);,取14.3;a一空气密度,km3,标准状况下取1.205kgm.(1):将公式中ge和的推荐值带入公式化简,得到:Qve=O.097xP式中:Q.一额定体积空气流量,mJmin;P-_发动机额定功率,kW;如果额定功率按马力计算,得到:Qve=0.072xP1一(3)式中:Qve一额定体积空气流量,m3/min;P一发动机额定功率,马力:1.QC/T32-2006,a值取1.2005kg/m,恐系有误;:功率的国际标准单位为千瓦,各国(包括我国)对汽车发动机功率单位经常用马力,人们非常熟悉,1马力近似等于0.735千瓦;所以把千瓦换算威马力.好记.(3)作者推荐的经验公式:QVe=0.081xP式中:QVe一额定体积空气流量,m3/min;0.081一表示一个常数,单位:m3/min(kW),表示每lkW的功率需要的空气流量;10内燃机与配件2011年第7期P一发动机额定功率.kW;如果额定功率按马力计算.近似得到:Qve=O.06xP1一(4)式中:Qve一额定体积空气流量,m3/min;P一发动机额定功率,马力;公式推导过程.建立在发动机台架试验数据的基础上,根据发动机额定功率,额定功率下燃油消耗率,空燃比.计算出来的.经调查.最新柴油机燃油系统的空燃比F=26,过去空燃比一直认为在28以上,有些偏高.发动机额定功率时的燃油消耗率,实际测量为225g/kW.h;现代电控高压共轨柴油机,供油量和空燃比,能够精确控制.根据供油量和空燃比,计算的额定空气流量,是准确的.公式推导思路与QC/T322006是一致的.QC/T322006推荐0【一额定功率时的过量空气系数,增压中冷发动机取2.1,ge一发动机额定功率时的燃油消耗率,约235g/kW.h;根据对世界三十几家着名的柴油机公司l00多个型号柴油机进排气系统数据统计,折合每lkW的空气流量,大部分机型接近公式1一(4)范围内,与美国唐纳森计算方法得到的结果也比较接近.而公式1一(3)计算的结果.比公式1一(4)高12%,接近统计结果的上限归纳起来,用公式l(1),充气系数取值范围1.601.85,但多数应取1.60;用公式1(3)和1(4),每马力的空气流量.取值范围0.06-0.072.多数应为0.06.确定额定流量以后,可以计算管道,粗滤器和空滤器壳体内各部位的气流速度,估算总成阻力,对于拖拉机和工程机械,以额定流量作为计算依据,对于汽车发动机,属于面负荷,应该以最常用的转速作为计算参数.2粗滤器主要参数的确定(1)气体管道,粗滤器进出口气体流速的计算:粗滤器都是以离心分离为基本原理,因此进入粗滤器气流,一般都形成旋转速度,离心力与旋转速度的平方成正比,灰尘杂质粒子分离效果会更好.粗滤进口气流速度v1一般取1525m/s;过高的流速会造成很大的原始阻力.出13速度v2,一般取1020m/s.根据这个速度,不难计算,出气管的直径d.依据空气流量,圆形通道断面积,推导管径公式如下.d=1.88,/(cm).?2-(1)式中:Q一空气滤清器设计流量(m3/h);V2一粗滤器出口气流速度(rrds);选定d值后,根据D/d比例关系,确定D值.见表1,表2.然后按V1进口尺寸.再按图1所示,计算气流通过叶片的截面积.A=孚(D,2-D2)sinot.(cm.2一(2)式中:A一气流通过叶片的面积(am)D一叶片外圆直径(am)D厂叶片内圆直径(cm)n一叶片数e一叶片进口张角(.)仪一叶片倾角o)图1粗滤器进口叶片(2)锥形粗滤器,盆形粗滤器,单筒形粗滤器根据试验与经验,可按表1所列尺寸选取,粗滤器的结构参数参见图2,图3和图4,根据这些经验数据,可以满足一般要求,如果进一步试验,使结构更会趋于完善.图2锥形租滤器(3)旋流管旋流管的管径在30mm-45mm范围内.尺寸过小制造难度大,且阻力增高,效率下降.推荐D=40mm,旋流管的进口速度推荐15m/s-3Om/s,出口气流速度为10m/s-20m/s.根据这两个速度和管径D.可以确定出气管直径和进口尺寸.各结构相关参数如下:霍玉荣:空气滤清器的设计与计算C)圈4单筒形粗滤器d=(0.5-0.6)D;S=(1.0-1.3)h;b(D-,但b不小=jz6mmH=(2.0-3.0)D;H1=(1.2-2.0)D;dl=(O.4-0.7)0;a=20-40.表1粗滤器的结构尺寸结构参数锥形粗滤器盆形粗滤器单筒形粗滤器D2.0-3.0d1.7-2.2d1.5-2.0dDo1-31.8d1.01.1dh0.50.8d0.3O.7d0.51.OdH1-21.5d1.O1-2d叶片数16-30816816叶片角3045.30-45.30-45.以前.用于沙漠空气滤清器有4种旋流管.主要是轴向进气式和切向进气旋流管,尺寸见表2.现在.实际应用的品种更多,特别是直通式旋流管.采用新颖的锥形管代替柱形管,叶片围绕母线的展开角度大于9O.,据称,不用排尘引射,粗滤效率也大于85%,作者做过一些试验,实际的粗滤效率与报道的有很大出入.说到旋流管,不得不说说以轴向进气为粗滤器的沙漠空滤器,有两点应特别注意,第一,旋流管与管座安装板的安装孑L要有一点过盈量;第二,每一组旋流管有上下两个安装板,将旋流管粗滤器分成三个腔体,安装板与壳体必须密封.这样,气流通过时,三个腔体压力分布场(实际为真空度)不同,见图5,上腔即进气腔,压差最低,下腔即灰盘内,压差居中,上腔即旋流管出口,压差最大.通过压差的分布可以检查密封情况.如果密封不良,旋流管出口腔压差下降,见图6.两套旋流管粗滤器,2号腔体密封稍差,粗滤效率为83%,1号密封好,粗滤效率为90%.(4)叶片环目前,双级空滤,粗滤器用得最多的是叶片环.8O年代.叶片环用得还不是很多,以叶片环为粗滤器的双级空滤,结构紧凑,粗滤器不另外占用空间,粗滤效率可达到8090%,作者为北汽轻卡设计的叶片环,粗滤效率到93%,可见叶片环的优点是显而易见的.根据经验,叶片环的参数应控制在一定范围内,下面举河北亿利公式一套重型卡车空滤器叶片环的参数及计算过程列于表3.抄壤2号压力分布场时翟掌Oo7oO9ooi1oo3OOi搴OO17oo空气流盘m.,h图5旋流管粗滤器压差分布沙漩空滤l号,2号比较500700900l100I30015001700流盘m3/h图6不同旋流管粗滤器.安装隔板密封不同.压差曲线哇53525S032,_盘R霉内燃机与配件2011年第7期表2旋流管的尺寸(in1)柴油机型号旋流管型号bxhDdSD1HH14115切向进气8x4042246l221lO75塑6146轴向进气361655l893446120轴向进气90Q367轴向进气3820551472额定空气流量:Q=1900m3/min叶片数:Z=40;顶圆直径:d1=386:根圆直径:d2=306;顶部螺旋角:0【1=25.;根部螺旋角:0【2=29.1.;叶片升程:h=14.1;叶片宽度:b=40;叶片顶圆节距:tl=30.3;叶片根圆节距:tz=24;结构性能参数:叶片进口处总面积:0.042m:叶片出口面积:0.0177m;叶片进口处气体流速:VI=12.6m/s;叶片出口气体流速:v2=29.8rids;叶片出口动压头:APa=0.53kPa.表3叶片环设计计算过程叶片参数计算方案顶部螺旋角o【115.20.25.30.35.40.45.50.根部螺旋角0【217.7.23.5.30-4.34.6.40.45.50.55.顶圆直径d1386386386386386386386386根圆直径d2322.8322.8322.8322.8322.8322.8322.8322.8叶片数Z4040404040404040叶片顶圆节距tl30-330_330.330-330-330.330-330.3叶片根圆节距t225-325-325.325.325.325325_325-3叶片升程h8.111.014.117.521_225.430.336.1叶片宽度b31.631.631.631.631.631.631.631.6叶片进口面积m20.0330.0330.0330.0330.0330.0330.0330.033叶片出口面积m0.00850.O1lO.01390.01650.01890.O2l20.02330.0252空滤总成进气口面积m0.03460.03460.03460.03460.03460.03460.03460.0346空滤总成出气口面积m0.02540.02540.02540.02540.02540.02540.02540.0254空滤总成进气口气体流速v3m/s15.215.215.215.215.215_215.215_2空滤总成出气口气体流速v4m/s20.720.720.720.720.720.720.720.7叶片进口处气体流速vlm/s1616161616l61616叶片出口处气体流速v2m/s62.147.937.931.927.924.822.620.9叶片动压头APakPa2_31.38O.860.6l0.46O-370-3OO-26空滤总成出口动压头kPaO.260.26O.26O.260.26O.26O.260-26叶片径向气体流速v3=v2cosot1604534.327.622.818.9l5.913.4叶片轴向气体流速v4=v2sinct11616-3161616161616霍玉荣:空气滤清器的设计与计算132?2.曼1.沓1.蒋0?O.0埔6o叶片顶部螺旋,Il图7叶片环螺旋角与气体流速的关系O51O15202530354045505560图叶片螺旋角(度)8叶片螺旋角与出口动压头的关系叶片螺旋龠与粒子爵力比例35003000翼2500器;:器宴1000500O020OE三三圊螺旋角度60图9叶片螺旋角与粒子禹心:/-j比例对上述的数据和图7,图8,图9的图表,经过分析,确定其中一个方案,试制样件,进行试验,有时需要反复改进.确定最终方案.叶片螺旋升角越小,粗滤效率越高,阻力越高;反之亦然.叶片根圆螺旋角大于叶片顶圆螺旋角,是由叶片结构所决定的.使气流从叶片根部到叶片顶部产生一个加速过程,有利于粗滤效率的提高.有一点应提起注意,叶片环可以保护滤芯,使滤芯避免高速气流和粒子的直接冲击,这也是叶片环套筒带来的很大的好处.如果没有叶片环套筒,单级滤芯的效率有可能迅速降低.(5)切向进气道如图1O所示.设计时以1530m/s的进气流速,确定进1:3尺寸,可以得到较好的滤清效果.图10切向进气道油浸式褥滑器3油浴式空气滤清器的设计(1)参数和系列产品的推荐油浴式空气滤清器主要结构尺寸如图11,图12所示.外壳尺寸D和中心管中心管d,这两个尺寸决定中心管气流速度V和通过滤芯的气流速度V.对于铁丝或纤维滤芯,有两个影响性能的重要参数,透孑L率仅和当量直径de,通过下面的计算公式,读者不难理解这两个参数的物理意义.根据经验,油浴式空气滤清器几个参数的数值推荐于表4.油浴式空滤器,进气流冲击油面,空气中的含尘量7O%一80%粘接在机油中.另有2O%一30%的灰尘,粘接在滤芯上.油浴式空滤器的储灰量与油槽中的机油量有关,为了增加储灰能力,油量不宜太少,推荐每分钟一立方米的加油量为0.2L一0.3L.油盘前边,气体通过油槽流速V和通过油面气流速度V3满足,/v+v,=89m/s时,可达到最佳滤清效率,通过滤芯的气流速度V=2.5m/s,使滤芯湿润,又不至于造成过度失油,合适的油面高度,滤芯高度及滤芯至油面的距离应该是:在额定空气流量时,能充分润湿滤芯底部,在110%额定空气流量时,或当空气滤清器倾斜2O.时,不造成失油(相当于汽车上下坡或高速转弯时的工况).机油容量,不能过低,是保证储灰能力和保养周期的关键.油浴式空滤器,一般钢丝直径不大于0.30mm.弛的瓣鳓O砷缎螗挺口羽14内燃机与配件2011年第7期透孔率应不大于97%.钢丝滤芯有的封装在壳体里,清洗时需要与壳体一起清洗.如果有纤维状杂质吸人滤芯内部,无法清洗出来,阻力不能复原.为此,用发泡聚氨酯代替钢丝,这种材料,富有弹性,制成滤芯,滤芯里的纤维杂质容易清洗.此外,由于材料里边含油,能保持高的滤清效率.l孵_图11单级油浴式空气滤清器图12复合式油浴式空气滤清器表4油浴式空气滤清器的经验数据项目数值油量(相对于空气流量,L/m3/min)0.2OO-3O滤芯初期浸湿百分数(%)35-40中心管空气流速V2(m/s)10-20通过滤芯空气流速V4(m/s)2.5-3.5触油空气流速(m/s)5.0-5.9滤芯至油面高度h(mm1lO一152O一45单级取下限,复合式取油面高度hl(mm)上限5065单级滤芯高度H(mm)>100多级透孔率o【(%)97水力半径de(mm)512油浴式空气滤清器,行业上有一个推荐系列,见表611,它的系列尺寸以滤清器外壳直径和出气管直径为主要尺寸.表5油浴式滤清器系列发动机平均吸气量滤清器外壳面出气口内径D分级代号.Q(m3h)径D(mm)(mm)I851O51054510513O13550130一l6O16555160-200l9060V20o一25022065250-31025075310-39028080390-48031O90480-600340100X600-7503701lO表6洛阳拖拉机研究所研制的六档油浴式空气滤清器基本参数滤清器外壳直径出气口直适用流量型号范围(n?/备注(ram)径(ITlm)h)KYY130?451304580一l10双级KYD150?56l5O56l10-l70双级KYDl8O?6018060l50-200双级KYD200(210)?70200(210)70200300多级KYD240?80(82)24080(82)300-400多级KYD280-100280100400-500多级霍玉荣:空气滤清器的设计与计算15(2)透孔率ot的计算oL=%3-(1)0式中yf厂滤芯所占的空间体积(cm)Vo=w/4?(D2-d2)H式中:D一滤芯外径(cm);d一滤芯内径(cm);H一滤芯高度(cm)Vm一滤芯纤维本身所占的体积(cm.)Vm=G/S式中:G一滤芯纤维重量(g);注:严格说,应为滤芯纤维质量:S一滤芯纤维材料的密度(g/cm)(3)当量直径de的计算滤芯纤维截面积F=r/4dB(cm)式中:dB一纤维直径(cm)纤维总长度L=Vm/F(cm)纤维丝总表面积f=rdBL(cm)水力半径r=10(V0一Vm)/f(era)3一(2)当量直径de=4r(cm1(4)对油浴式空气滤清器的重新审视油浴式空气滤清器历史长久,应用广泛,设计得好,滤清效率在97%99%,而且滤芯可以反复长久使用,直到今天,依然受到不少用户的欢迎.也就是5O年代开发了纸质滤芯以后,油浴式受到了冷落.油浴式空滤的缺点是设计难度大,要求空滤器结构参数与发动机工况严格匹配,稍有不慎,不是滤清效率下降,就是失油.因此,在开发研制过程中,需要多做试验.当今,纸质滤芯如日中天,油浴式依然有它的用武之地.在一些灰尘特大的地区,或者在一些地理闭塞的地区,纸质滤芯备件不足,把油浴式作为粗滤器正常保养,纸芯不需动,可以长期用到1年到两年.4纸质空气滤清器的设计(1)系列尺寸纸质空气滤清器,是我国滤清器行业最重要的产品品种,多年以来,以滤清器几个骨干厂家牵头.进行了大量深入研究工作,形成了完整的系列型谱,表7为轿车板式空气滤清器滤芯系列;圆柱型空气滤芯系列型谱见JB厂r97571999内燃机空气/机油柴油滤清器纸质滤芯系列尺寸.制定型谱的基本出发点:第一,范围宽,覆盖了各种型,机型的需求;第二,考虑产品的工艺型,纸芯制造设备的通用型,尽量减少纸折宽度的分档.实现一机多品种的需求.纸质空气滤芯系列尺寸,该型谱标准与德国,美国几家大公司的产品系列有很大的通用型,为产品进入国际市场,与国际接轨打下了基础.表7板式空气滤芯系列尺寸AlA2B1B2C编号EF最大值最小值最大值最大值最小值最大值最大值1114l131O3346345335588-39.4最大最大21l413210338037936958313313212222422321342413313212227227l261425133132122334333323386133132122334333323427133132l22334333323588183l821723073062964291831821723293283184610183182172349348338467.59.0137936942最小最小1221221l2012122l120158142122l120125325224246(2)纸芯设计选择型号并验算按给定的空气流量,在型谱中选一种型号的滤芯,验算通过滤芯表面的空气流量.如果空气通过纸芯表面的流量为0.03m3/cmz.h,滤芯的原始阻力应在0.5kPa以内.滤芯表面积计算计算公式如下:A=l/50bnxh4._(1)式中:b一折宽(mm)n一折数h一滤芯高(mm)如果容许的原始阻力可以大于0.5kPa,则可以选择较小的滤芯:如果表中滤芯尺寸,找不大合适的.非要重新设计.应该注意几点:折宽b必须选用系列表的尺寸.可以用现有设备,便于加工.折宽b的尺寸不宜大于50ram.为了滤芯具有一定的刚度.纸折数的计算:16内燃机与配件2011年第7期N<rr(D一2b)It4一(2)式中:D一滤芯外径(mm)b一折宽(mm)t一折距,在滤芯内孔边缘上测量,t=3mm-8mm.为了防止滤芯并折,滤芯高度h与折宽b之比.即h/b7.滤芯全面验算对于不同用途车辆,在不同道路条件下行驶,各种工程机械,农业机械等,考虑到储灰量以及合适的保养周期等因素,提供下表参考,进一步验算.计算的基础是单级空气滤清器,单级空气滤清器的储灰量是有限的.中型车以上的机械.还要增加粗滤器,以减轻单级空气滤清器的储灰负荷.因此,表8中的容灰量,实际上,应该包括粗滤因素在内,一并考虑计算,才能实现容灰量的要求.空气滤清器容积的计算滤芯尺寸型号确定后,设计壳体,壳体容积推荐下列值:汽油机轿车或柴油机轻卡:V=2.5Vh-.4一(3)式中:V一空气滤清器容积,L:Vh一发动机排量,L;中型.重型卡车:v=(36)V