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超细玻璃纤维对内燃机空气过滤纸性能的影响研究
作者:管理员    发布于:2017-06-07 09:03:09    文字:【】【】【

  1前言近些年来,我国的大气环境质量形势非常严峻,特别是频繁出现的严重雾霾天气,对于生产和生活造成了极大影响,直接威胁人体健康环境空气质量标准(GB3095 -2012)中规定居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区等二类地区年均PM2.5浓度限值为35g/m3.根据中国环境保护部公布的数据1,2013年我国74个检测城市中仅海口、舟山和拉萨3个城市空气质量达标,十个空气污染严重城市的年均PM2.5浓度值都超过了100网/m3,污染严重的河北邢台更达到了155.2g/m3.而根据美国肺部协会公布的数据2,美国污染严重的城市加利福尼亚州贝克尔斯菲市年均PM2. 5浓度值为18.2g/m3,仍远低于中国标准的浓度限值。中国空气质量状况较国外更具挑战性,而且空气污染问题趋于严重化、长期化、频繁化。

  随着中国机动车拥有量的激增,内燃机尾气排放污染逐渐加重。中国对机动车的排放标准做出了多次加严调整,近些年开始全面推广国家第IV阶段机动车污染物排放标准(国IV标准),北京、上海等特大城市已经率先实施第V阶段国家机动车大气污染物排放标准(国V标准),甚至高于国际标准。内燃机排放标准的提高带来的是内燃机领域的技术革命,涡轮增压等先进技术在内燃机上得到了广泛应用。

  空气滤清器是内燃机安全运行的有力保障。合适的空气滤清器可以有效拦截空气中颗粒污染物,减缓内燃机磨损。涡轮增压器的应用使进气压缩比更高,空气滤清器在拦截颗粒的同时应保证足够的进气量,减少燃油燃烧不充分引起的排放颗粒物超标。但是,目前中国市场采用的空气滤清器明显效率不足,无法有效拦截PM2.5污染物,引起了内燃机早期磨损、油耗增加、使用寿命下降等许多问题。

  为了保证进入内燃机空气的洁净程度,在空气颗粒污染物浓度高的情况下就需要更高的滤清器过滤效率,同时更高的过滤效率又不能引起进气阻力的大幅增加,以保证足够的进气量。在滤纸中使用超细玻璃纤维(纤维直径处于100nm至1pm范围内)是提升过滤性能的重要方式,能够平衡过滤效率和进气阻力这两个关键参数。本文将针对传统滤纸和含超细玻璃纤维滤纸进行对比,分析超细玻璃纤维对滤纸纤维微观结构和性能的影响,同时通过几个月的整车路试。从图中可以看出,添加超细玻璃纤维后,空气滤纸2在0. 3~3.0m粒径区间段的过滤效率明显提升,也就是说超细玻璃纤维能有效提升滤纸拦截细颗粒物的能力。

  圈1空气滤纸2空气滤纸/崧妇粒径区间/xm滤纸的分级过滤效率对于超细玻璃纤维对于滤纸过滤性能的提升,主要原因有两个方面:是滤纸结构的优化,这在前面观察分析纤维微观结构时已经详细阐述;二是超细玻璃纤维因直径减小引起的“滑流效应”3.对于微米级纤维,流过纤维的气体可以看成是连续流体,空气分子在纤维表面的速度矢量之和为零;但对于亚微米级的超细玻璃纤维,纤维直径与空气分子平均自由程(常温常压下约为65nm)差距较小,流过的气体不能再被看成连续流体,这种情况下空气分子在纤维表面的速度矢量之和不为零,会产生滑流现象。超细玻璃纤维的滑流效应有几个好处:一是流过纤维时空气分子碰撞纤维数量更少,空气分子与纤维之间的动量交换较少,空气对纤维的拖拽力下降,单位纤维表面积引起的过滤阻力也会更低;二是由于纤维表面空气流速不为零,流线更贴近纤维表面,空气中的颗粒物也更靠近纤维表面,因而增强了纤维拦截粒子的能力。

  3.2滤清器整车路试),使用1空气滤纸的安全滤芯明显比2空气滤纸更脏。这个现象说明,空气滤纸过滤效率不足,粉尘特别是细灰透过了滤纸,经过长时间累积,安全滤芯变脏;而2空气滤纸过滤效率较高,细灰透过滤纸的量更少,因而安全滤芯显得更为干净。

  从使用后主滤芯的流量与阻力曲线测试结果来看,使用1空气滤纸的滤芯过滤阻力明显更高,而2空气滤纸的滤芯在行驶10,000km后仍能保证较高的进气量。这是因为1空气滤纸拦截细灰的能力较差,拦截的细灰也容易钻入滤纸深处,堵住了部分纤维孔隙结构,而细灰的积累对于过滤阻力增加的贡献大。而2空气滤纸拦截细灰的能力较强,而且细灰更多地被拦截在滤纸表面,随着卡车行驶过程中的各种振动,滤纸表面的积灰容易掉落下来,滤芯进气量得到定程度的恢复,因而过滤阻力上升的程度较低,这也意味着其使用寿命也会得到提高。

  使用后10,000km后主滤芯的流量与阻力曲线综合上述分析,超细玻璃纤维对于过滤性能的提升作用在整车路试实验中也得到了验证。

  4结论本文重点对比研究了超细玻璃纤维对于内燃机空气过滤的影响。在滤纸中添加合适比例的超细玻璃纤维,有利于滤纸纤维微观结构的优化,增加空气颗粒污染物撞击滤纸纤维的几率,并且保证流体通过滤纸时的通透性。同时由于超细玻璃纤维存在滑流效应,滤纸捕捉细颗粒物的能力得到显著提高。经过10,000km的整车路试实验,含超细玻璃纤维滤纸配套的安全滤芯较为干净,且主滤芯仍能保证较高的进气量,超细玻璃纤维对过滤性能的提升作用在整车路试实验中得到了验证。

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