筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾性能分析

杜丹豐，于 淼，劉紅玉，李 亮

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾性能分析

杜丹豐，于 淼，劉紅玉，李 亮

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

空氣濾芯作為空氣濾清器的關鍵組成部分，分析其穩態過濾性能對于發動機空氣濾清器的研發具有指導意義。介紹了一種新型發動機空氣濾芯——圓筒形木纖維發動機空氣濾芯，并針對圓筒形木纖維發動機空氣濾芯的過濾阻力及過濾效率進行了數值計算與分析。計算了在穩態過濾階段不同纖維直徑及纖維填充率下的空氣濾芯的總捕集效率及過濾阻力，并分析得出最佳的纖維直徑及纖維填充率的值，這對于圓筒形木纖維空氣濾芯的研制和生產具有指導意義。

發動機；木纖維；空氣濾芯；穩態過濾

空氣濾清器作為汽車發動機進氣系統的重要部件[1]，其質量直接影響發動機的壽命與可靠性[2]。空氣濾清器對進氣消聲的控制有很大作用[3]。分析空氣濾芯穩態過濾性能對于發動機空氣濾清器的研發具有指導意義。常用的空氣濾芯主要有微孔濾紙濾芯、無紡布濾芯、纖維濾芯等幾類，其中紙質干式空氣濾芯應用最廣泛。目前在纖維濾芯研究領域，有學者提出了一種以木纖維為原材料的空氣濾芯[4]。木纖維作為一種有機材料，具有吸附效果好、易加工制造、成本低、環境污染小并且易于回收等優點，因此它是研制纖維發動機空氣濾芯理想的材料之一。本文對圓筒形木纖維發動機空氣濾芯進行了穩態性能研究。

1 纖維空氣過濾特性參數的理論計算與分析

1.1 木纖維空氣濾芯的結構

以木纖維制備的空氣濾芯結構如圖1所示。空氣濾芯的形狀為圓筒形，一端開口，一端封閉。在木纖維空氣濾芯過濾過程中，空氣從木纖維空氣濾芯表面進入濾芯，氣流經過圓筒形空氣濾芯內部進行過濾，在發動機負壓的作用下從木纖維空氣濾芯中流出進入到發動機氣缸內。

圖1 圓筒形木纖維發動機空氣濾芯結構

1.2 過濾機理

目前過濾理論研究主要將過濾過程分為穩態過濾階段和非穩態過濾階段[5]。穩態過濾階段假設微粒與捕集表面的碰撞效率為100%，即微粒一旦觸及木纖維表面就被捕集，并且沉積的微粒對于過濾過程沒有進一步影響。在這種情況下，過濾效率和過濾阻力都與時間無關，因此過濾過程是穩態的。在非穩態過濾階段，由于微粒沉積于過濾介質，使得木纖維空氣濾芯的結構發生變化，從而導致過濾效率、過濾阻力等參數隨沉積微粒的增加而發生相應變化，不再保持恒定，因此過濾過程是非穩態的。穩態過濾過程對于研究空氣濾芯的過濾性能以及木纖維空氣濾芯制作過程中的參數選擇具有重要意義。

木纖維過濾材料對空氣中微粒的捕集機理十分復雜。根據某些學者的研究，穩態過濾階段的過濾機理至少有7種[6]：擴散作用、慣性作用、攔截作用、重力作用、靜電作用、熱升力作用和范德瓦爾斯力。一般情況下，攔截作用、慣性作用和擴散作用是最基本的機理。

1.3 過濾效率的理論分析：

在經典過濾理論中，孤立圓柱法[7]是研究纖維濾紙過濾效率的理論基礎，由I.Langmuir[8]提出。在孤立圓柱法的基礎上，付克斯等從純理論角度加以發展。而在高效濾紙過濾器方面，木村·井伊谷等從實驗方面做了補充研究[9]。

根據以上理論得出孤立單纖維的捕集效率。由于微米木纖維的直徑大多數是在5～20 μm，因此重力作用可忽略[10]，所以過濾機理主要考慮3個作用：慣性作用、攔截作用和擴散作用。

實際上這幾種機理是相互作用、共同影響的，因此許多研究者把慣性捕集和攔截捕集綜合在一起給出慣性和攔截的綜合捕集效率。纖維附近的流場可以認為是平行流繞圓柱體的流動，由于纖維過濾時氣流的速度很小，在小雷諾數下空氣流動屬于黏滯流動。當雷諾數Re<1時， Davies[11-12]給出了近似的計算公式：

ηI,R=0.16[R+(0.25+0.4R)St-

0.026 3RSt2]

(1)

同理，在擴散作用下微粒軌跡沒有達到纖維表面，而是達到距纖維表面為微粒半徑的范圍，也將由于攔截作用而被捕集，這就是擴散攔截效應。

W.H.Mcadams以及R.Dobry和R.K.Finn[13]根據氣流擴散系數和溫度傳導率導出了擴散攔截效率：

(2)

η∑=ηI,R+ηD,R

(3)

2 木纖維空氣濾芯穩態過濾過程的過濾效率

付海明、沈恒根[14-15]的研究結果表明：當過濾速度較小(U<<1.5 m/s)時，過濾過程為層流過濾，不考慮湍流擴散，此時可忽略湍流擴散項的影響。當粉塵入口濃度較低時，在過濾粉塵層形成之前的初始階段，過濾可視為穩態過濾，由此得出圓筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾過程的捕集效率為

(4)

式中：α為纖維填充率；df為纖維直徑(m)；ηs為單纖維捕集效率(%)；Lf為濾芯總長度(m)。

根據已有木纖維過濾理論的研究成果[16]，濾芯總長度與纖維直徑及濾芯厚度之間的關系為

(5)

式中H為濾芯厚度(m)。

根據式(4)和(5)可得出穩態過濾過程的捕集效率與纖維填充密度的關系：

(6)

同理根據式(4)和式(5)可得出穩態過濾過程的捕集效率與纖維直徑的關系：

(7)

當被過濾的空氣流過圓筒形木纖維發動機空氣濾芯時，產生的進氣阻力可以按氣體Darcy流動進行流動分析：

Δp=μv0LfF

(8)

式中：μ為空氣的動力黏度(kg·s/m2)；v0為過濾速度(m/s)；F為流場阻力系數，

當分別分析穩態過濾過程的過濾阻力與纖維直徑以及穩態過濾過程的過濾阻力與纖維填充密度的關系時，整合式(5)和式(8)得出

(9)

經過實驗室的采樣，分別選擇實驗用木纖維空氣濾芯的纖維直徑df為4，8，12，16，20 μm，濾芯厚度H為10 mm，纖維填充率α為0.02，0.03，0.04，0.05，0.06。

將木纖維空氣濾芯穩態過濾階段過濾阻力Δp的計算式(9)編程輸入Matlab軟件中，分別得出過濾阻力與纖維直徑df和過濾阻力與纖維填充率的關系，見圖2和圖3。

從圖2可以看出：在過濾速度一定、纖維填充率不變的前提下，圓筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾階段過濾阻力隨著纖維直徑的增大而減少。當纖維直徑在0～4 μm變化時，過濾阻力隨著纖維直徑的變化較為明顯；當纖維直徑在4～8 μm變化時，過濾阻力隨著纖維直徑的變化不太明顯；當纖維直徑在8～20 μm變化時，過濾阻力隨著纖維直徑的變化較為平緩。

圖2 過濾阻力Δp與纖維直徑df之間的關系

圖3 過濾阻力Δp與纖維填充率α之間的關系

從圖3可以看出：在過濾速度一定、木纖維直徑不變的前提下，圓筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾階段過濾阻力隨著纖維填充率的增大而增大。當纖維填充率在0.02～0.06之間變化時，過濾阻力隨著纖維填充率的變化較為平緩。

由圖2、圖3分析可得出：過濾阻力在α=0.02，df=20 μm時最小。

將木纖維空氣濾芯穩態過濾階段過濾效率η的計算式(7)和式(8)編程輸入Matlab軟件中，分別得出過濾效率與纖維直徑df和過濾效率與纖維填充率α的關系，見圖4和圖5。

從圖4可以看出：在過濾速度一定、纖維填充率不變的前提下，圓筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾階段過濾效率隨著纖維直徑的增大而減少。當纖維直徑在0～4 μm變化時，過濾效率隨著纖維直徑的變化較為明顯；當纖維直徑在4～8 μm變化時，過濾效率隨著纖維直徑的變化不太明顯；當纖維直徑在8～20 μm變化時，過濾效率隨著纖維直徑的變化較為平緩。

圖4 過濾效率η與纖維直徑df與之間的關系

圖5 過濾效率η與纖維填充率α之間的關系

從圖5可以看出：在過濾速度一定、木纖維直徑不變的前提下，圓筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾階段過濾效率隨著纖維填充率的增大而增大。當纖維填充率在0.02～0.06變化時，過濾效率 隨著纖維填充率的變化較為平緩。

由圖4、圖5分析可得出：過濾效率在α=0.06，df=4 μm時最大。

仿真結果表明：筒形木纖維發動機空氣濾芯的過濾效率與過濾阻力能滿足中華人民共和國汽車行業標準QC/T 32—2006《汽車用空氣濾清器性能試驗方法》，和中華人民共和國機械行業標準JB/T 9747—2005《內燃機空氣濾清器性能試驗方法》。

此穩態過濾狀態過濾效率及過濾阻力與經典過濾理論推導結果相同，但它僅適用于穩態過濾過程或過濾的初始階段。本文提出的數學模型可深刻地描述過濾介質過濾效率及過濾介質過濾阻力的計算過程，對圓筒形木纖維發動機空氣濾清器具有較廣泛的適用性，對實驗研究具有理論指導性。

3 結論

本文對圓筒形木纖維空氣濾芯在穩態過濾性能進行了分析，運用Matlab軟件進行數值模擬，計算了在風速一定的情況下纖維直徑、纖維填充率與木纖維空氣濾芯總捕集效率及過濾阻力的關系。結果表明：在α=0.06，df=4 μm時，木纖維空氣濾芯過濾效率最大；在α=0.02，df=20 μm時，木纖維空氣濾芯過濾阻力最小。得到的結論對于圓筒形木纖維發動機空氣濾芯的過濾性能實驗具有指導意義，為圓筒形木纖維發動機空氣濾芯的加工尺寸選擇提供了理論依據。

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(責任編輯 劉 舸)

Analysis on Performance of Cylindrical Wood Fiber Engine Air Filter at Stationary Filtration Stage

DU Dan-feng，YU Miao，LIU Hong-yu，LI Liang

(School of Traffic, Northeast Forestry University，Harbin 150040, China)

Air filter is a key part of air cleaner, the analysis on performance of air filter at stationary filtration stage has guiding significance to the research and development of air cleaner. A new kind of air filter, cylindrical wood fiber engine air filter, was introduced. After that we calculated and analyzed the filtration resistance and filtration efficiency of cylindrical wood fiber engine air filter. At stationary filtration stage, we calculated the total collection efficiency and the resistance of air filter under the condition of different fibre diameter and fibre filling ratio respectively, and then we analyzed and found the best result of fibre diameter and fibre filling ratio, and this result has guiding significance to the research and manufacture of cylindrical wood fiber engine air filter.

engine；wood fiber；air filter；stationary filtration

2016-11-11 基金項目：國家自然科學基金資助項目(31470611)；黑龍江省科學基金資助項目(E2015055)；哈爾濱市應用技術研究與開發項目(2015RAQXJ035)

杜丹豐(1972—)，男，黑龍江人，博士，副教授，主要從事汽車節能減排方面的研究，E-mail:ddf72@163.com;于淼(1993—)，男，黑龍江人，碩士研究生，主要從事汽車節能減排方面的研究。

杜丹豐，于淼，劉紅玉，等.筒形木纖維發動機空氣濾芯穩態過濾性能分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(2):62-66.

format：DU Dan-feng，YU Miao，LIU Hong-yu，et al.Analysis on Performance of Cylindrical Wood Fiber Engine Air Filter at Stationary Filtration Stage[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):62-66.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.011

U464.134+.4

A

1674-8425(2017)02-0062-05