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旋流管空滤器在多尘条件下使用
史发平

旋流管式粗滤器是内燃机用空气滤清系统中过滤效果最高的一种粗滤器，它在多灰尘条件使用的各类机械：载重汽车、装载机、挖掘机、联合收割机、装甲运兵车、坦克等得到广泛使用。大家都知道旋流管目前有三种结构形式：轴向旋流管、切向进气旋流管和直通式旋流管；三种结构形式的旋流管，直通式原先在装载机上采用较多。近些年随人们对轴向旋流管的认识不断提高，以及轴向旋流管本身的质量品质，轴向旋流管在各类载重汽车、装载机、挖掘机使用范围越来越广，本文就旋流管空滤器在多尘条件下使用的情况向大家报告，达到相互学习的目的。
自进入二十一世纪以来，中央及国家政府有关部门拟定开发祖国西北地区的战略决策。所谓祖国西北地区即：陕西、甘肃、宁夏、内蒙、青海、新疆、西藏等。这些地方国土辽阔，地上、地下资产十分丰富，如石油、天然气、各类矿产、煤炭。开发这些就必须有载重的汽车，挖掘机、装载机。由于那里到处都是沙漠、戈壁气候干燥风沙多，空气中含尘浓度大，且颗粒细小，在那里工作的各类车辆发动机所采用的空气过滤系统又都不能满足这一特殊环境使用的要求。
新疆的塔克拉玛干沙漠北缘、塔里木河流域那里为古森林带，人烟稀少，树木多为干枯状态，地表有一层厚约50mm左右的硬壳，车辆在上行驶车轮压碎硬壳而在浮土中形成很深的车辙，深达300~500mm，车轮推着浮土跑，行驶阻力特别大。浮土很细、很轻车轮稍动即扬起极大的灰尘，这种扬起的灰尘飘在空中经久不散。
在内蒙、宁夏那里的煤炭资源十分丰富，且又有大量的露天煤矿，即人们在某一山头削去表层的岩石，就可以用挖掘机、装载机挖出大量的优质煤炭来，这些露天煤矿大都在海拔2000~3000m的高山上。为将这些煤炭运下山来，人们不得不在山上开出便道让载重的汽车通过，而这些便道的路面都是煤炭，汽车就在煤面上跑。煤炭通过汽车地碾压都变成粉末，颗粒又细又小，车辆一过煤面既被扬起。这些山头大都被人承包，挖掘机、装载机一天二十四小时不间断挖掘工作，而运煤的载重汽车更是一辆接一辆源源不断将山上的煤炭运下山来。故这些汽车、挖掘机、装载机整天都在煤粉中工作。现在在那里使用的汽车、挖掘机上使用的空滤器大都采用叶片环式的粗滤器；装载机大都采用的是直通式旋流管加排气抽尘，它们的粗滤效果又都不能满足西北地区沙漠、戈壁、浮土和煤炭等自然环境的过滤要求，致使细滤的滤芯工作负担过重，滤芯寿命长不过两天，短则几个小时滤芯就堵塞，使用寿命短，既浪费钱，又得停车保养更换滤芯而浪费大量时间。
在这些大山中使用这些机械的人们由于买不到优质的空滤器，他们自己动脑筋想办法，在空滤器进气口裹绕女同志用的丝巾，或在空滤器进气口裹绕毛毡，或在空滤器进气口增加另一只油浴式空滤器以减少灰尘进入细滤来延长细滤器的使用寿命。由于缺少专一知识，但也解决不了这些问题。
早些年我们会同清华大学汽车工程系一起在新疆的塔克拉玛干、塔里木河流域古森林带地区，近些年来我们又与潍坊柴油机厂技术中心在宁夏、内蒙、山西、河北等地使用的载重汽车、工程机械用发动机空滤器使用轴向旋流管的推广使用，我们先后设计了额定空气流量为400m³/h~2600³/h带有轴向旋流管粗滤器的空气滤清器总成，这些空滤器总成有整体成“T”形结构，有分体式结构。“T”型用于载重汽车；分体式用于挖掘机和装载机及其它工程机械。多年的使用实践证明，轴向旋流管粗滤器的结构空滤器在西北地区使用已取得了一定的效果，受到那里人们的欢迎。
旋流管的工作原理：
旋流管作为一种过滤元件它的工作原理是：利用含尘空气的高速旋转所产生的离心力将空气中的尘粒分离出来。前面提到旋流管有三种结构形式：轴向旋流管、切向旋流管和直通式旋流管，由于切向旋流管与轴向的进气形式相差不多，且用了不多，在此不作表述，就直通式旋流管与轴向旋流管以及轴向旋流管与叶片环粗滤器作一对比分析：
直通式旋流管与轴向旋流管两种结构都有旋流叶片,但两种结构的过滤机理有所不同。
直通式旋流管的进气方向与出气方向一致。含尘气流以一定流速进入旋流管，含尘空气中较大颗粒在旋流叶轮的作用下被甩向旋流管内壁进入出气管之间的真空区域，在粗滤器外有一接口与发动机的排气管连接，由排气管排气时在此处产生的负压将灰尘抽出随发动机的废气排出，相对干净的空气再经过细滤纸芯过滤进入发动机气缸该结构具有结构简单，使用寿命长的特点。但它的粗滤效果与发动机的转速、吸气量有较大关系，发动机低转速吸气量较小时，气流在叶轮处流速较低，形成的离心力较小，这样的离心力不足以将空气中的灰尘颗粒分离出来，加之直通式旋流管的出灰部位有四个三角支架与内管连接，造成气流混乱和尘粒反弹，因而对粗滤效果影响较大。
轴向旋流管的进气方向与出气方向相反。旋流管外管进气部分为圆柱体，下部是一个圆锥体，叶轮（叶片）套在一个壁很薄，内、外表面很光滑的铝管上。含尘空气进入旋流管，气体中的颗粒在气流的作用下，产生高速旋转，被甩向旋流管内壁由于旋流管内壁下部是一个圆锥体灰尘在离心力作用随管径的减小离心力不但不会减小还会加大，随之被排出旋流管外，进入集尘盒，相对干净的空气经180°转弯由铝管的内径进入细滤纸芯。故此结构的粗滤器效果是可靠的，同时该结构的粗滤效果在发动机低转速吸气量较小时也可达88~90%，轴向旋流管粗滤器可在发动机全流量范围内有较高的粗滤效果。
叶片环粗滤器由于它的壳体直径比旋流管的管径要大得多，故气流的流速即使相等的情况下，颗粒在此的旋转圈数旋流管粗滤器的要比叶片环的粗滤器旋转的圈数要多数十倍，（旋流管的气流速度一般要比叶片环高5~8m/s）产生的离心力大，因而从空气中分离的尘粒要多，要细要小。由于轴向旋流管的粗滤效果高从而减轻细滤纸芯的工作负担，延长细滤纸芯的使用寿命。由于有了排尘装置，使粗滤器的保养来得非常容易，仅需轻轻拍打集尘盒，捏捏排尘袋，集尘盒内的灰尘即可排出。
旋流管空滤器在西北地区使用情况：
经过我们多年来在西北地区使用试验及推广，目前在我国西北地区轴向旋流管式粗器已被广大载重汽车、装载机、挖掘机等司机认同。
在新疆塔里木河流域我们为了模拟最恶劣的使用条件，试验采用两辆试验车，试验车试验时紧跟着另一辆车后面行驶，处在扬尘影响之下（见照片1、2）。
试验车上采用的空滤器是装有三级过滤元件的沙漠王空滤器。（试验现场还有同型号装有叶片环空滤器的车作对比试验）轴向旋流管作为第一级粗滤的沙漠王空滤器；第二级过滤采用YK-130新型空气滤纸，它的平均孔径为65Um，以确保第二级滤芯过滤效果和使用寿命；第三级采用YK-ZK3高效聚丙稀超细过滤毡，解决保险滤芯小面积、大流量、高效率问题。
测试及考察方法
1、实际沙漠王空滤器的滤清效果（滤清效率和滤后空气中的灰粒度分布）的测试分析
我们与清华大学汽车工程系一同进行现场测试分析方法，对跟踪采样车每天5~6h从空滤器前、后的进、出气管中和大气中采样。采样装置示意图一所示：
由捕尘器、浮子流量计、调节阀门、和抽气泵组合而成。捕尘器采用对0.3Um以上粒子具有99.996%滤清效率的高效滤材串在沙漠王空滤器进、出气管上，连接处进行了严格的密封，试验进行数小时后，拆下捕尘器并立即封存，以备取样分析。采样时通过节流阀调节采样管中气流速度，使之与采样管所在位置的进气流速相等（标志是流量计显示的流量等于发动机在该转速下的预测进气量），保证采样管中含尘浓度和该处进气管中的含尘溶度一致。采样后滤膜和它截留的灰尘一起封存，随后带回北京分析。称出空滤器后和空滤器前的采样滤膜的重量△G1和△G2，则滤清效率就是：
η=(1-△G1÷△G2)×100%
滤后空气中的灰尘粒度分布的测定依赖于采样滤膜的可溶性，将这种滤膜溶与丙酮中，滤膜上截留的灰尘就全部从滤膜上转到丙酮中，然后在Malvern粒度分析仪上测得灰尘的粒度分布（滤膜自身所含杂质颗粒的影响可以通过底色修正予以消除）
2、空滤器总成的进气阻力测量在空滤器的出气管上接一“U”形管进行测量。
试验时，为了考核粗滤效果，将空滤器集尘盒上排尘袋鸭嘴封死，一天平均从集尘盒中清扫出200—250g灰尘。试验过程中我们又将排尘鸭嘴封口打开进行实样试验，鸭嘴工作正常，集尘盒内无集尘。
为了全面了解浮土地带的地面、空中以及空滤器进、出气口前后的灰尘粒度分布情况，以便为沙漠王空滤器进气口安装提供可靠依据。从地面1.2m-2.5m的空中和从发动机的进气系统及润滑系统中都取了沙样、油样供分析。通过对地表及地面1.2m-2.5m高度含尘粒度的测定（图三、四），所示不同高度空气中的灰尘粒度有较大差异。距地面越高，细尘的百分比越大，且是成倍增加。这也证明地表采样分析结果不能代表进入空滤器灰尘的粒度情况，当空滤器的进气口距地面2.5m处测得的空气中的含尘量为0.37g/m³再提高0.5m空气中的含尘浓度下降为0.136g/m³。可见提高空滤器进气口的高度可以减少空气中的含尘量，但其中的细灰的含量减少并不多，故提高空滤器进气口高度只能在一定程度上减轻细滤纸芯的负担并不能改善细滤纸芯实际的滤清状况。现行许多载重汽车空滤器进气口都已伸到驾驶楼顶上去了，就是要减少空气中的含尘量。以延长滤芯的使用寿命。
经过对捕尘器捕捉到的全部尘粒进行分析：5Um以下尘粒占25%；10Um以下尘粒占45%；
30Um以下尘粒占90%。（图五）的实线所示，这样大小的尘粒正是造成发动机早期磨损的危险所在。一般的空气滤纸是不能满足沙漠地区使用需要的。图六所示空滤器前进气管中和大气中含尘粒度分布对比情况。
3、试验结果：图七所示，沙漠王空滤器滤后的灰尘粒度范围，为0.65~27.9Um,其中10Um以下粒子占了90%。沙漠王空滤器在浮土带的装车试验，总成在多灰尘的沙漠地区使用时的滤清效率都＞98%。通过对粗滤器轴向旋流管粗滤效率与其它车用叶片环粗滤器相比，采用轴向旋流管粗滤细滤芯比采用叶片环粗滤器细滤滤芯的使用寿命延长了约十倍；采用轴向旋流管粗滤器细滤芯比采用直通式旋流管粗滤器的细滤芯的使用寿命延长6~8倍，证明了轴向旋流管粗滤器的优越的粗滤性能。
近些年来济南重汽、陕汽、北汽福田、重庆红岩等载重汽车；柳工、上海龙工、福建龙工、山东工程机械厂等装载机上均已安装了轴向旋流管粗滤器的空气滤清器。
轴向旋流管粗滤器空气滤清器总成的特点：
1：能保证发动机的最大进气量，保证发动机功率有效发挥。在不增加发动机进气阻力的前提下，最大限度地提高发动机全工作流量范围内的粗滤效率。
2：轴向旋流管粗滤器的粗滤效率＞95%，沙漠王空滤器总成的原始阻力＜3.0KPa；总成的原始滤清效率＞99.6%。（这些指标经在上海内燃机研究所、北京二0一研究所多次试验都达到此指标）
3：保护空滤总成细滤滤芯纸质滤芯，可延长细滤滤芯的使用寿命6~8倍。
4：节省了对细滤滤芯清理保养的时间，减少了尘粒直接进入使细滤纸芯被撞击穿孔，尘埃进入发动机，而引起发动机的磨损。
5：细滤纸芯采用新型滤材，它的平均孔径要比一般载重汽车用空滤芯的平均孔径小的多，保险滤芯又采用超细过滤材料，它们的组合使用能对10Um以上粒子进行有效过滤。
6：安装方便，能自动排尘排水，免维护，使用寿命长。
7：延长润滑油的更换时间。
使用沙漠王空滤器的社会效益，直接节省细滤的更换费用，节省对细滤芯的清理保养时间。
发动机在多尘条件下工作，每年对细滤芯更换费用是一笔很大的支出。由于沙漠王空滤器粗滤效果好延长了细滤纸芯的使用寿命，减少了对细滤纸芯的保养和更换的次数，明显减轻车辆使用人员的劳动强度及更换滤芯的费用。装有沙漠王空滤器的发动机工作环境越是恶劣，投资回报就越快。

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