離心式機油濾清器在柴油機上的應(yīng)用研究

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

離心式機油濾清器在柴油機上的應(yīng)用研究

余兀

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

描述了離心式機油濾清器的工作機理，分析其作為旁通式精濾對凈化潤滑油和延長換油周期的作用。討論其在柴油機潤滑系統(tǒng)中的應(yīng)用方式和趨勢，并對應(yīng)用試驗結(jié)果進行了分析和討論。

離心式機油濾清器轉(zhuǎn)子旁通式精濾換油期

1 前言

在現(xiàn)代柴油機潤滑系統(tǒng)設(shè)計中，全流式紙質(zhì)機油濾清器僅能過濾較大顆粒雜質(zhì)，需要有過濾較小顆粒雜質(zhì)的機油精濾器作為補充。離心式機油濾清器是這類精濾器中比較好的選擇。

離心式機油濾在柴油機上的應(yīng)用有相當長的歷史，在較早的機型上有部分應(yīng)用。當時應(yīng)用的網(wǎng)式、繞線式或刮片式全流機油濾清器僅能分離較大顆粒（40 μm左右）雜質(zhì)，對小顆粒的無機雜質(zhì)分離效率很低，需要離心式機濾旁通作為小顆粒過濾的補充。由于紙質(zhì)旋裝式全流式機油濾清器能過濾掉大部分10～40 μm顆粒，可以在較長時間內(nèi)滿足柴油機潤滑系統(tǒng)中機油清潔的要求，并且拆裝方便，在隨后二三十年，紙質(zhì)濾芯機油濾清器的應(yīng)用得到大力推廣，使得離心式旁通機油濾清器一度在柴油機潤滑系統(tǒng)應(yīng)用上淡出。

隨著近幾年排放要求的提高、潤滑油等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，用戶要求機油和全流機油濾清器有更長的保養(yǎng)更換周期。經(jīng)過改進發(fā)展的離心式機油濾清器，對10μm以下有害顆粒分離效率高的優(yōu)勢，可彌補紙質(zhì)濾芯機油濾清器的不足[1]。離心式機油濾清器以旁通方式應(yīng)用可以對小顆粒雜質(zhì)的過濾進行補充，清潔機油，延長機油的使用壽命。因而再一次在新型柴油機上得到逐步應(yīng)用和推廣。

2 離心式機油濾清器結(jié)構(gòu)機理

離心式機油濾清器一般設(shè)置2個對稱于轉(zhuǎn)子軸心的噴嘴。通過2個噴嘴，以高速噴出機油所產(chǎn)生的反作用力偶轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)子，使其高速回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強大的離心場，將機油中比重較大的機械雜質(zhì)（金屬屑、泥沙、燃燒產(chǎn)生的積碳顆粒、乃至瀝青）甩向轉(zhuǎn)子內(nèi)壁，從而達到濾清機油的目的，如圖1所示。

為保證離心式機油濾的濾清效率，須使機油在轉(zhuǎn)子內(nèi)的時間大于雜質(zhì)沉淀所需要的時間；否則，機油中的雜質(zhì)來不及沉淀便流出轉(zhuǎn)子，使分離效率下降。雜質(zhì)沉淀所需時間決定于雜質(zhì)的離心分離速度即沉淀速度。沉淀速度越快，沉淀所需時間越短，分離越有效。影響雜質(zhì)沉淀速度v的因素可分析[2]：

圖1 離心式機油濾清器結(jié)構(gòu)

式中，

ρ——雜質(zhì)粒子的平均當量半徑；

η——機油的粘度；

Δ——雜質(zhì)粒子與機油密度之差；ω——轉(zhuǎn)子的角速度；

r——雜質(zhì)粒子到轉(zhuǎn)子軸軸心的距離。

因此，雜質(zhì)沉淀速度與雜質(zhì)平均當量半徑ρ、密度差Δ和向心加速度ω2r成正比，與機油粘度成反比。

雜質(zhì)與機油的比重差越大，離心分離越快。因而離心式機油濾清器對于分離的顆粒有選擇性，首先分離機油中比重最大的金屬顆粒、砂粒、積碳顆粒等。而上述顆粒中，金屬顆粒和砂粒對柴油機運動副表面的危害最大。部分使用EGR技術(shù)的柴油機，柴油燃燒后積碳大量增加，這些積碳進入潤滑油后會凝聚成2～5 μm顆粒，比油膜厚度大，比一般全流式濾紙孔徑小，會刮傷運動副表面并加速潤滑油老化[3]。所以這種選擇性是離心式機油濾清器的主要優(yōu)點。它可以直接降低影響潤滑油換油周期中的金屬顆粒含量、硅含量、積碳含量等，從而延長機油的換油周期；同時因為分離掉部分雜質(zhì)，延長全流式機油濾清器的保養(yǎng)周期。

因為雜質(zhì)的分離速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速平方成正比，所以提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是提高其分離效率最有效的措施。一般離心式機油濾清器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到5 000～7 000 r/min，經(jīng)過改進的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速甚至可以達到11 000 r/min；其產(chǎn)生的離心力較地心引力大2 000～4 000倍甚至更多，有助于分離雜質(zhì)，故其濾清效果很好。

3 離心式機油濾清器應(yīng)用

為加速離心式機油濾清器分離過程，轉(zhuǎn)子需足夠轉(zhuǎn)速；為保證轉(zhuǎn)速，要求噴嘴有足夠的流量；為了保證足夠的流量，機油泵要供給足夠的壓力。

一般離心式機油濾清器作為柴油機旁通式機油濾清器。如果潤滑系統(tǒng)流量足夠，可用10%左右的機油泵流量作為離心式機油濾清器的驅(qū)動流量。同時為保證足夠的流量，離心式機油濾清器進油口的機油壓力一般要求0.3 MPa以上，壓力越高、機油流動性越好，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，分離效率能相應(yīng)提高[4]。因此，通常將離心式機油濾清器取油位置布置在機油泵出油口，引入來自油底殼未經(jīng)冷卻、溫度較高、流動性更好的機油作為轉(zhuǎn)子驅(qū)動用。如圖2所示，機油泵出口的潤滑油，90%通過機油冷卻器和紙質(zhì)濾芯全流機油濾清器進入柴油機潤滑系統(tǒng)；10%分流到離心式機油濾清器進行雜質(zhì)分離，再返流回油底殼。

圖2 潤滑系統(tǒng)布置圖

圖3 為典型離心式機油濾清器的臺架性能曲線。要求在柴油機運行的大部分工況，可提供足夠流量和壓力的機油，讓轉(zhuǎn)子在大部分情況下均能高速運行。圖4為該離心式機油濾清器在柴油機上應(yīng)用時的實測數(shù)據(jù)。除柴油機怠速時因機油壓力較低、轉(zhuǎn)子無法正常工作外，離心式機油濾清器進口的壓力大于0.3 MPa，均大于轉(zhuǎn)子驅(qū)動壓力。因此在柴油機正常的運行轉(zhuǎn)速區(qū)間，轉(zhuǎn)子均能在大于5 000 r/min的較高轉(zhuǎn)速運行，進行雜質(zhì)的高效分離。

為便于取油，離心式機油濾清器多布置在靠近機油泵出油口處，可獲得更高的壓力和流速；為了便于回油，離心式機油濾清器的回油口需與機體相通，機油流經(jīng)轉(zhuǎn)子后靠重力回到油底殼，因此回油口位置需高于潤滑油油位，保證足夠大的開口以便順暢回油。否則，機油在轉(zhuǎn)子中來不及排出，將影響其旋轉(zhuǎn)速度甚至使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)。所以，通常將離心式機油濾清器安裝于機體上機油泵出口附近，以減小進回油阻力，保證離心式機油濾清器正常工作。

在現(xiàn)代柴油機的設(shè)計中，考慮模塊化、集成化設(shè)計，會將全流式機油濾清器、機油冷卻器和離心式機油濾清器集成為潤滑油冷卻濾清模塊，減少外露管路，節(jié)省空間。圖5為曼·胡默爾公司的潤滑油冷卻濾清模塊，集成了幾大功能，結(jié)構(gòu)緊湊，可最大限度縮減潤滑管路及因此而帶來的壓力損耗。

為后續(xù)更換下來的廢棄轉(zhuǎn)子處理考慮，離心式機油濾清器的轉(zhuǎn)子可以選用工程塑料材質(zhì)，與抽取式無金屬的全流式濾芯一起更換焚燒。或者，轉(zhuǎn)子可做成金屬材質(zhì)的可拆洗形式，定期進行清洗，可節(jié)省用戶購買轉(zhuǎn)子的費用，也更加環(huán)保。

4 應(yīng)用驗證結(jié)果

離心式機油濾清器的應(yīng)用，對于降低柴油機在運行中產(chǎn)生的各種不溶物如金屬顆粒、積碳等有明顯效果。在影響柴油機換油期的諸項指標中，不少是因機油中不溶物含量（以積碳為主）上升過快或金屬含量（以Fe元素為代表）上升過快而導(dǎo)致?lián)Q油。如GB/T 7607《柴油機換油指標》中有規(guī)定，CF-4和CH-4牌號機油中Fe元素含量到150μg/g時需更換[5]。因此，離心機油濾可以延長柴油機潤滑油的換油周期。

圖6和圖7為某車用增壓中冷柴油機在同一款機型上進行全速全負荷耐久試驗的潤滑油監(jiān)控檢測對比。耐久期間，每隔50 h取一次油樣。從試驗結(jié)果可以看出，使用了離心式機油濾清器后，機油中的不溶物和Fe含量增長速度延緩很多。同樣以Fe元素含量作為換油指標時，帶有離心式機油濾清器的柴油機比不帶的換油期延長了一倍。

這一結(jié)果，對于使用EGR技術(shù)、積碳含量嚴重影響到換油周期的柴油機而言，有著更重要的意義。同樣，對于其他需要延長潤滑油的柴油機，也是非常有效的。

5 小結(jié)

圖3 典型離心機濾性能曲線

圖4 柴油機上測試轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/機油壓力

圖5 潤滑油冷卻濾清模塊

圖6 機油中不溶物含量增速對比

裝配離心式機油濾清器可以及早將柴油機燃產(chǎn)生的對機油的有害物質(zhì)分離，延長潤滑油的使用壽命。如果柴油機潤滑系統(tǒng)機油流量足夠的話，可以在現(xiàn)代柴油機特別是采用EGR技術(shù)的柴油機上推廣應(yīng)用。可以節(jié)約用戶更換潤滑油成本的同時，在石油資源日益匱乏的今天，對環(huán)保也有一定的意義。

Research on Application of Centrifugal Oil Filter

Yu Wu
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.Shanghai 200438,China）

The mechanism of a centrifugal oil filter is presented.As a by-pass oil filter,a centrifugal oil filter can prolong oil change interval.A discussion is made on its application in engine lubricating system and the trend of such application.Then an application case is analyzed.

centrifugal oil filter,rotor,by-pass filter,oil change interval

來稿日期：2014-05-14

余兀（1978-），女，工程師，主要研究方向為潤滑系統(tǒng)、過濾技術(shù)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.006