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1、发动机进气滤清器20先进的轿车用中型发动机(60KW的输出功率)在运行时,每分钟大约需吸入6m的空气。按照不同的使用方式和场合，空气中的颗粒含量可在小于0.2至50mg/m4范围内变化。在轿车的整个使用期内进入发动机的污染物或颗粒的总量可按照下法估计：1kg燃油在完全燃烧时，发动机需要14kg或10.8m的空气。假定每年的行驶里程数为20000km，燃油消耗率约为8L/100Km,发动机每年吸入和空气量应为12400m。假设车辆使用期为十年，则十年中吸入汽车发动机的灰尘量在24g至6.2kg范围内。发动机进气中尘粒的直径范围为0.01-2000m。占灰尘总重量75%的尘粒直径在5-100m范围
2、内。在这方面，总体分布和浓度系数取决于周围环境状况。图10所示为不同使用条件下灰尘的平均质量浓度。21如果空气质量不佳或滤清器效果不佳，这些灰尘颗粒将回进入发动机，并且部分会进入机油内。机油会把灰尘带到一些关键机械区域，例如：缸套，活塞，活塞环和连杆之间的运动间隙中，导致零件的磨损5。空气带入的尘粒不但会导致发动机部件的磨损，而且也会沉积在位于空气滤清器出气端的灵敏的空气流量计上。该传感器主要任务按测得的空气流量向燃油系统给出计量信号。如果所测得的信号发生偏差，将导致系统功率损失并且增加燃油消耗和增加有害气体排放。先进空气滤清器的过滤效率可达99.8%（轿车）和99.5%（商用车）。从而可使灰
3、尘的吸入量和由此产生的磨损显著减少。评价空滤介质性能的特性参数人们对先进的空滤介质的期望是过滤介质必须能满足主机客户提出的过滤方面的技术参数，如：在任何工况条件下达到容灰量和总体过滤效率方面的规定。过滤介质必须具有很高的抗脉冲能力，在动态条件下，即在发动机脉冲的影响下，不让灰尘穿透过滤介质。此外，典型的滤芯折叠结构（使滤芯在最小的安装空间内获得很高的过滤面积。（见图11）在水进入滤清器时也不能有任何变化。当车辆在细雨或大雨中驾驶时，经常可能发生类似情况。此外，优质的空滤过滤介质必须能抗御发动机的机油，燃油蒸汽和曲轴箱排气。这些物质均可能经由发动机进气或因气体弥散作用（当发动机停止工作时）进入介
4、质。最后，这类材料必须具有很高的热稳定性，因为在车辆行驶时，滤芯的温度可达90摄氏度。22有关材料的特性参数汽车行业用的空滤介质由天然纤维（纤维素）或合成纤维（例如聚酯纤维）层组成。过滤介质的特性参数包括单位面积重量，厚度，透气性（DIN 53 113），阻燃等级（DIN 53 438）和纤维直径及长度等。纤维素和主要合成纤维的直径在10-50m范围内。熔吹纤维（合成纤维）具有更细的直径。当过滤介质厚度为0.45mm时，一天然纤维为主的空滤介质的单位面积重量约为100g/m。各种空滤介质的一些特性参数见表2。24容灰量在开发新型过滤介质材料时首先要考虑的是滤清器的维护间隔时间要长，即滤芯的容灰
5、量要高。在轿车反面，在安装体积不变的前提下，人们追求的是滤清器维护养护周期为120000km。在商用车方面，上述目标已经通过增加滤清器的体积被达到且远远超过。达到上述目标的先进过滤介质均有一种分级密度的机构。图13所为一种无纺纤维材料，与进入空气侧相比，它在清洁空气一侧的密度要高得多。鉴于这种可控渐进密度，人们利用这类过滤介质内的不同密度层有选择的对不同大小的尘粒进行最佳的过滤。这类过滤介质由此可获得大大高于传统过滤介质的容灰量。以天然纤维为住的标准过滤介质的容灰量最多为220g/m。先比相比之下，具有相同过滤效率有分级密度结构的无纺纤维材料的容灰量可达900-1100g/m。当采用合成纤维无
6、纺材料过滤介质时，其滤芯的尺寸要比用天然纤维过滤介质制成的滤芯小。按照ISO 5011标准，采用合成纤维无纺材料制成的滤芯在容灰量方面要比纸质滤芯高出50%。初步的实验表明，用这类过滤介质容灰量最终比纸质滤芯可增加150%。纸褶的几何形状对于滤芯的性能有很大影响。只有当纸褶检举不变时实验室中才能获得整个滤清器使用寿命中的灰容量。这种纸褶的稳定性其一可通过浸渍处理获得。它能显著改善天然纤维的抗弯强度，保护纤维不受外界环境影响。此外可对空滤介质进行压印处理，这能使纸褶相互支撑，使滤芯变得更稳固。对于全合成纤维材料不做浸渍处理的过滤介质，压印工艺起着特别重要的作用。例如波纹状结构就是这种工艺成功的证
7、明。26 为了研究纸褶在水的作用下将如何变形和由此引起的滤芯压降变化，我们进行了一项实验，即在进气中喷水来模拟雨天。图表中曲线所示为分别装有浸渍处理纸质滤芯和合成纤维滤芯的空气滤清器的压差变化的比较。水能使纸质滤芯的压差迅速提高，而对合成纤维滤芯而言影响不大。尽管浸渍保护处理但纸质滤芯会老化和变脆，所以即使车辆的行驶里程数很低滤芯的使用寿命必须限制在五年以内，因为此时在高温和较高机械负荷作用下，不能排除滤芯损伤的可能。检验空滤介质的方法空滤介质的性能是在ISO 5011规定的标准测试条件下确定的，即温度为235，相对湿度为5515%。过滤效率可通过二种互补的方法给予测定。首先通过比较过滤介质质
8、量的增加和加灰量之间的关系测得总质量过滤效率。这里采用的是标准灰尘（PTI粗灰/细灰），以便获得重复性高和可比较的不同过滤介质有关容灰量方面的信息。有关过滤介质性能的详情可通过对不同大小级别的颗粒分别测量其过滤效率获得，即分级过滤（xj）。28将100%减去总质量过滤效率即可得到所谓的穿透率D，这就是直接影响发动机的 污染物的含量。如果二种过滤介质的过滤效率分别为99.5%和99.9%，穿透率则分别为0.5%和0.1%。这一结果能立即反映出，影响发动机的颗粒数量在使用后者比前者少4/5。虽然总质量过滤效率仅高出0.4%，但第二种滤清器的效率是地一种的五倍。在测定容灰量G时标准灰尘被直接加入流向
9、滤芯的气流，直到滤芯的压差值增加到预定值p（例如，在额定流量时轿车滤清器的压差增加值为20mbar，商用车为40mbar）。在这种压差增加值的范围内进气管路中的空气滤清器能确保不会在很大程度上影响发动机的输出功率。这种实验室中测得的容灰量G还将用道路试验的结果来修正，以便计算出车用滤清器的可使用期限。为了确定一些重要的数据，实验室的测试结果还得用一系列实际测试加以补充，即和车队做道路试验以及将外界动气引至室内做试验等。通过这些测试最后得到流量不变时压差随时间增加的曲线。现代动气滤清器系统的技术要求现代空气滤清器系统由进气管道和带有滤芯的滤清器壳体组成。在某种情况下，它们还可能辅以消音器（共振器
10、）以减少叉管口的噪音。位于滤清器下游的清洁空气管道含有空气流量计，它直接与发动机进气歧管相连。在这管路上还有废气再循环系统和曲轴箱排气导管的接口。30发动机的各种零部件均按其功能和几何外形安排在有限的空间里。现代的高性能发动机，尤其是轿车发动机，对滤清器安装空间不断赋予新的约束条件。哪怕在欧洲，进一步提高舒适性的期望使一些选配件如空调装置变成标准配置。这些配置，再加上动力转向泵，中冷器（增压发动机），再循环废气冷却器以及为减少废气污染物排放而增添的辅助涡轮增压器进一步减少了滤清器的安装空间。综合上述各种因素导致了开发新过滤介质的需求，新的过滤介质应在保持原有过滤介质性能的前提下可将所需空间减少
11、35%。只有如此，空气滤清器系统才能满足高集成度的需求。进气管口应选择在最不易吸进灰尘和水的位置。它们最好位于车俩感中不受气流影响的地方，例如，轮罩内或发动机舱内类系的不受气流影响的地方。如果是卡车，进气管口通常位于驾驶室顶上方或在驾驶室的侧面，以便使吸入的灰尘量减至最少，延长滤清器的维护保养周期。32采用优化流体的滤清器壳体能最大限度地发挥滤芯的容灰量和过滤效率的能力。分布均衡的气流（图）能让滤芯自始至终发挥较高的过滤效率（图24）。滤清器的壳体一般被设计得大于过滤方面的需要，因为这样能很好地改善滤清器的声学特性。这种类型的滤清器由于增加了声学消音效果被称做为消音空气滤清器。另一种选择是外加
12、一个消音器来降低叉管噪声。这种过滤和消音二种功能的分割所带来的益处是每一种滤芯均可按需优化。滤清器为了方便维护必须能让维护者从顶部开启壳体。在此情况下，滤清器壳体设计到最紧凑的程度。33另一种用来消音的最新的方法是主动噪声控制系统。它收录了相应发动机的噪音特征，并以电子方式加以转化，即将原始信号的相位移动半个波长。在适当的发动机转速下，转换的信号通过扬声器给予发送，从而抑制或抵消原始噪音。与被动式系统相比，这种系统能极大的改善消音效果。发动机动气滤芯的设计标准设计发动机空气滤芯时，应按照配有汽油或是柴油发动机的轿车以及商用车滤清器的过滤精度加以区分。过滤介质的面积应依据发动机所需的动气量来计算
13、。根据发动机的功率可得出四冲程汽油发动机所需空气的平均流量为0.07m/minKW，四冲程柴油机为0.08m/minKW。带涡轮增压器的发动机所需的空气流量相应更高。34如要将颗粒从进气中过滤出来，滤清器得具有合理的过滤面积，使气流速度不超过某临界值V crit 。滤清器的过滤性能和气流速度有关。过高的流速会显著降低过滤性能以及过滤介质的过滤精度。如果气流速度过高，颗粒不易粘附于纤维，而会从纤维弹回。此外，以被拦截的颗粒会被再次释放。过滤效率会相应降低，发动机磨损会增加。如果选择正确的过滤速度，上述负面效应得以避免，因为颗粒可以在纤维上沉积。各种过滤介质具有不同的特性速度V crit 表3所示
14、为按汽油和柴油发动机对过滤效率的不同要求，不同过滤介质的临界速度。 35滤清器的设计原则可以用实例来更好的解释，以轿车（柴油发动机）所需动气流量（V=5m/min）为例，可以计算出确保其过滤效率时所需的过滤面积。杂该实例中等于99.8%，所需的过滤面积应为A=1.25m。过滤介质的选择取决于需求的容灰量（例如，200g）或要求的维护周期（60000km）。根据表2可查得一平方米标准过滤介质可满足上述的技术要求。但用这样大小过滤面积的纸质滤清器过滤速度会超过V crit =10cm/s的临界值。所以为了取得所需的过滤效率，过滤介质面积得更大一些，即1.25m。商用车中往往安装单级或两级空气滤清器
15、。系统的选择取决于车辆是用于中欧地区作长途公路行驶，还是用于扬尘较大的地区或在南美洲的沙石路上行驶。单级空气滤清器通常使用星式折叠的圆形滤芯。但也有用矩形滤芯的例外。对过滤介质在技术要求中给定的99.9%的过滤效率比轿车的要求高，灰尘穿透率可减少50%（从0.2%降到0.1%）。其原因是货车发动机的运行时间长，每年可达100000km以上。空气滤清器中还经常配由安全芯。在更换主芯时，它们能防止清洁空气一侧受到污染。这种通常为圆柱形无纺布材料的滤芯，按环境含尘量的不同，约在每更换三个主滤芯后才需要更换。对于两极空气滤清器，空气在到达滤芯前已通过旋流作用进行预处理。在离心力的作用下，粗粒灰尘均已被
16、分离。根据不同的设计，粗滤效率可达85%。当气流到达滤清器主滤芯时，气流的含尘量已经显著减少，从而能极大地增加滤芯的使用时间。但在此同时，还需作更精确的优化和配合，因为与含有各种颗粒级别的空气相比，单含细灰的气流反而会更快的阻塞滤芯。对于商用车辆来说一旦压差增加40mbar时，就应更换滤芯。空气预滤器也同样回引起压差，因而这个压差也得计算在总压差内。37滤清器壳体设计滤清器壳体时，除了得考虑安装空间外，便于维护也有极其重要的意义，即滤芯的更换必须方便。这项要求与滤清器壳体的密封性能有直接的联系。大多数空滤芯都配有发泡聚氨酯（PUR）密封件。在压差为20mbar时，对于卡车来说的最大允许漏气率为50cm/min，轿车为200cm
