空气滤清器的设计.doc

空气滤清器的结构及设计计算
一、 概述：
空气滤清器（以下简称空滤器）是摩托车进气系统的一个重要组成部分，
随着发动机性能的不断强化，研究表明发动机的性能、磨损及寿命与空滤装置的性能和结构有很大的关系。
滤清装置需要处理的灰尘尺寸范围1~200um，大于200 um的灰尘在空气中很快沉降，小于1 um的灰尘对机械磨损不起影响。1~5 um的灰尘过于微小，普通惯性油浴式空滤器和旋流管很难清除；5~30 um的灰尘效率高的空气滤清器很容易清除；30~200 um的灰尘，一般的粗滤器可以清除。
1、空滤器的作用：
1）净化空气，使进入发动机的空气尽可能干净，减少空气的尘砂，延长发动机寿命。
2）降低进气噪声。
3）优化匹配，使发动机发挥出最佳是性能。
2、空滤器的结构特性及工作原理：
1）空滤器的整体构造
空滤器的结构大体上分为两个部分，一是空滤器的壳体，二是滤芯（包括过滤芯元件
与支承）。有的空滤器还带有进气消声结构。空滤器壳体和空滤器盖一般由具有一定强度的塑料注塑而成，还有少部分采用金属板冲压件焊接组成。空滤器的滤芯滤材主要有3种：纸质滤芯、泡沫塑料滤芯和金属丝网滤芯。在壳体内滤芯把空滤器分为两部分，一是前腔，二是后腔。空滤器前腔入口装有进气管，外界空气通过进气管，经过滤芯的过滤，进入空滤器后腔出口，用导管与化油器相接。
2）空滤器结构形式
空滤器有单级滤清和双级滤清两种型式，对多尘砂区使用的发动机或功
率较大的摩托车应装置双级滤清系统。
可根据吸入空气的容积流量和用途，参考表一选择空滤器的结构形式。

表一 空气滤清器分类
发动机排量
（ml）
空气滤清器型式

过滤体

用途
比例数
（%）

50~125
干式
泡沫塑料滤芯
助力车、轻便摩托车
85
湿式
泡沫塑料滤芯
摩托车
65
干式
纸质滤芯
摩托车
30

125~750
湿式
泡沫塑料滤芯
摩托车
60
干式
纸质滤芯
摩托车
30
惯性油浴式
铁丝网
三轮摩托车
10
3）空滤器的过滤机理
a) 离心分离
借助旋转气流，使灰尘粒子在离心力的作用下从空气中分离出来，达到滤清目的。离心分离是粗滤器设计的理论基础。
b) 机械过滤
气流通过多孔介质滤芯，超过一定尺寸的灰尘留在介质内，类似筛网原理。按介质厚度，分为表面过滤和深度过滤。表面过滤的介质薄，滤清仅发生在表面并在表面形成灰饼，性能降低很快。如：滤纸、无纺布、滤网。
深度过滤在整个介质体积内都起作用。滤芯阻力增长慢，储灰能力增加，寿命延长。
c) 粘性吸附
介质浸油后沥干，利用油的粘性吸附粒子。如金属丝网，发泡聚氨酯等。
d) 静电沉析
静电沉析的滤清效率很高，可以除去小于0.01um的灰尘，但空滤的体积过大，在车辆上不易使用。
4)空滤器的过滤方式
常见的空滤器过滤方式有以下3种型式：
a) 惯性式
是利用尘砂与空气质点的质量差，当空气作旋转运动或使气流急速转弯
时，尘砂因惯性力较大而被抛出。
b) 过滤式
使空气透过滤纸或金属网、丝织物等多孔性物质进行滤清，这种滤清方法能滤掉细小的尘砂。
c) 油浴式
滤清器壳底上有机油盘，利用气流把油带到滤芯上，对空气中的尘砂起
吸附作用而过滤。
5）空气滤清器的性能
a) 流量——阻力特性

空气滤清器的阻力：由于气体流动损失和介质的粘性阻力，在空滤器进出口之间形成的压力降。
原始阻力：新空滤的阻力称为原始阻力，设计时总是希望该阻力尽可能的低。
终了阻力：空滤器在使用过程中，随着滤芯储灰量的增加，阻力不断上升，当阻力达到规定值时，空滤器需要保养，这一值称为终了阻力。终了阻力应按空滤器的储灰量和发动机允许的阻力值来确定。
空滤器的阻力受出气口尺寸影响较大。一般来说，空滤器出气口一定，通过加大空滤器容积和进口，对降低阻力作用并不明显。
c)储灰能力
空滤器达到终了阻力时所储存的灰尘量称为储灰能力（g）。储灰能力是空滤滤芯使用寿命的标志，储灰能力需在空滤试验台上测定。
6) 原始滤清效率
原始滤清效率是指在额定空气流量下，新空滤器总成所滤出的试验供给的灰尘量之比，计算公式如下：
η=（ΔMS/Mf）100%
式中：η——空滤器总成原始滤清效率，%；
ΔMS——试验空滤器总成滤出的试验灰尘量，g；
Mf——加尘装置供给试验空滤器的灰尘量，g；
试验空滤器的原始滤清效率应符合表二的规定。
表二 空滤器总成原始滤清效率规定值
滤芯材料
原始滤清效率（%）
合格品
一等品
优等品
泡沫塑料
≥98.0
≥99.0
≥99.5
纸质
≥99.0

试验时，供给试验空滤器的试验灰尘量Mf按下式计算：
Mf=tiVoc.Nf
式中：ti——向试验空滤器供给灰尘所用的时间，ti=1/6h(即10min)；
Voc——标准大气状况下试验空滤器额定空气流量，m3/h；
Nf——供给试验灰尘的浓度，g/m3.
灰尘浓度应符合表三的规定。当Mf＜10g时，取Mf=10g。试验用的灰尘为石英粉。其粒子组成应符合表四的规定。
表三 试验灰尘浓度
空滤器总成型式
灰尘浓度
（g/m3）
进气终了阻力（kPa）
单级
0.5
3
双（多）级
无旋流管
1.0

4
有旋流管
2.0
表四 试验灰尘的粒子组成
粒子尺寸（μm）
质量百分比（%）
0~5
5±2
＞5~10
22±3
＞10~20
38±3
＞20~40
29±3
＞40~75
6±2
二、 空滤器总成的设计
1、空滤器设计要点
空滤器进气方式有3种，上吸式、下吸式及平吸式。进气方式主要由发
动机与车架安装位置确定，但对进气系统（气口和气道）均有一定的要求：
1） 进气支管不宜过长，尽量减少气流损失。
2） 进气管道弯道不宜过多，避免死角和气体涡流区。
3） 进气口必须要有足够的进气截面积，避免出现真空区域。
4） 设计进气系统是要考虑消声结构。
2、纸质滤芯的空滤器
纸质滤芯空滤器具有质量轻、成本低、使用方便、滤清效果高等优点。
摩托车在选用纸质滤清器时，首先考虑发动机所需的空气流量，合理的
设计纸质滤芯空滤器。滤纸应经过酚醛树脂的浸渍处理，使其具有耐水性。
优质滤纸的一些参数指标和数据见表五。
表五 滤纸参考指标
滤纸质量
(g/m2)
132~148
厚度
(mm)
0.47~0.61
耐磨度
(N/cm2)
12~20
格式挺度
(mg)
2500~3500
树脂含量
(%)
21~25
失散率
(%)
3~7
压力降
(mmH2O)
1.9~2.9（在14cm/s的空气流速下）
透气度
(1/s.m2)
300（ΔP=1mmH2O）
最大孔径
(μm)
60~70
平均孔径
(μm)
25~28
名义过滤粒度
(μm)
13~28、7~13
孔隙体积
(%)
89
不同使用条件的单位纸芯面积及容灰量见表六。它可作为选择滤清器尺寸的参考。
表六 滤清单位纸芯面积及容灰量
负荷状况
单位滤纸容灰量(g/m2)
每m3/h空气量所需纸芯面积（cm2）
轻负荷
120~130
25~35
中等负荷
180~190
35~45
重负荷
230~240
55~65
越野型
310~320
80~90
1) 滤芯的表面积
当选定外径D时，根据获得最大滤芯面积的条件（D=2d），可按下式
公式计算滤芯的表面积：
A=2bnH
式中：A——面积，mm2；
b——折宽，mm；
n——折数；
H——滤芯高度，mm。
2）纸折数的允差（表七）。
3）滤芯两端面的平行度符合表八规定。
表七 折数允差 表八 平行度
滤芯折数
允差
50
2折
50~100
3折
100以上
4折
D+H（mm）
平行度（mm）
＜50
≤0.125
50~100
≤0.25
＞100
≤0.375

3、泡沫塑料滤芯的空滤器
泡沫塑料滤芯为聚氨脂塑料制成。要求泡沫塑料滤芯网状结构均匀，孔径密度也要均匀，透气度好，还要有一定的抗拉强度，泡沫滤芯应符合以下要求：
1） 泡沫滤芯的拉伸强度应不小于100kPa；
2） 泡沫滤芯的断裂伸长率应不小于180%；
3） 泡沫滤芯的表面密度应符合表九的规定。
表九 滤芯尺寸 表十 脉冲系数ε取值表
D（mm）
H(mm)
孔数
（P/cm2）
68
15~25
100~150
88
25
200~250
缸数
四冲程
二冲程
1
1
2
2
2
1.4
3
3
1
注：D——滤芯外径；H——滤芯高度。
4、摩托车发动机空气流量
摩托车发动机所需空气流量
二冲程单缸机：Q=0.06.n.Vh.ηv.ε
四冲程单缸机：Q=0.03.n.Vh.ηv.ε
式中：Q——额定空气流量，m3/h；
n——发动机额定转速，r/min；
Vh——发动机排量，L；
ηv——发动机充气系数；
二冲程ηv=0.45
四冲程ηv=0.71
ε——脉冲系数按上表十选取
5、空气滤清器总成技术指标
在额定空气流量下，空气滤清器进气原始阻力应符合表十一的规定。
表十一 空气滤清器进气原始阻力规定值
滤芯种类
额定空气流量（m3/h）
进气原始阻力（kPa）

泡沫塑料

单级
＜20
20~40
＞40
≤0.20
≤0.50
≤1.20
纸质
单级
双级

＜80
≤0.15
≤1.50

150ZH(A)车型空气滤清器滤芯校核计算书
一、 已知参数：
150ZH（A）系列车型配置CG150发动机，发动机相关参数如下：
发动机排量：0.1495L
额定转速：8000r/min
二、 发动机进气量（空气流量）的计算：
根据公式Q=0.03n.Vh.ηv.ε (m3/h)
ε： 1 脉冲系数
Vh: 0.1495 发动机排量 L
n: 8000 发动机转速 r/min
ηv : 0.71 发动机充气效率
代入各项参数得：Q=25.47（m3/h）
三、 滤芯设计：
每m3/h空气量所需纸芯面积为40cm2 。根据发动机所需的进气量，求
得实际所需滤纸面积如下：
A2=25.47X40=1019（cm2 ）
滤纸表面积按下式计算：
A2=2b·n·h
式中：b：折宽（mm）
n ：折数
h ：折高（mm）
折数n 按下式计算
n2 =
式中：D：滤芯外径（mm）
b：折宽 （mm）
t: 折距 推荐3~8（mm）
将D=142，b=14 mm，t=4.5 mm各数代入上式，得n2 =80
将各数代入A2=2b·n·h ，得A2=1344 cm2＞1019 cm2
满足要求。