空气滤清器的设计

空气滤清器的结构及设计计算

一、概述：

空气滤清器（以下简称空滤器）是摩托车进气系统的一个重要组成部分，

随着发动机性能的不断强化，研究表明发动机的性能、磨损及寿命与空滤装置的性能和结构有很大的关系。

滤清装置需要处理的灰尘尺寸范围1~200um，大于200 um的灰尘在空气中很快沉降，小于1 um的灰尘对机械磨损不起影响。1~5 um的灰尘过于微小，普通惯性油浴式空滤器和旋流管很难清除；5~30 um的灰尘效率高的空气滤清器很容易清除；30~200 um的灰尘，一般的粗滤器可以清除。

1、空滤器的作用：

1）净化空气，使进入发动机的空气尽可能干净，减少空气的尘砂，延长发动机寿命。

2）降低进气噪声。

3）优化匹配，使发动机发挥出最佳是性能。

2、空滤器的结构特性及工作原理：

1）空滤器的整体构造

空滤器的结构大体上分为两个部分，一是空滤器的壳体，二是滤芯（包括过滤芯元件

与支承）。有的空滤器还带有进气消声结构。空滤器壳体和空滤器盖一般由具有一定强度的塑料注塑而成，还有少部分采用金属板冲压件焊接组成。空滤器的滤芯滤材主要有3种：纸质滤芯、泡沫塑料滤芯和金属丝网滤芯。在壳体内滤芯把空滤器分为两部分，一是前腔，二是后腔。空滤器前腔入口装有进气管，外界空气通过进气管，经过滤芯的过滤，进入空滤器后腔出口，用导管与化油器相接。

2）空滤器结构形式

空滤器有单级滤清和双级滤清两种型式，对多尘砂区使用的发动机或功

率较大的摩托车应装置双级滤清系统。

可根据吸入空气的容积流量和用途，参考表一选择空滤器的结构形式。

表一空气滤清器分类

3）空滤器的过滤机理

a) 离心分离

借助旋转气流，使灰尘粒子在离心力的作用下从空气中分离出来，达到滤清目的。离心分离是粗滤器设计的理论基础。

b) 机械过滤

气流通过多孔介质滤芯，超过一定尺寸的灰尘留在介质内，类似筛网原理。按介质厚度，分为表面过滤和深度过滤。表面过滤的介质薄，滤清仅发生在表面并在表面形成灰饼，性能降低很快。如：滤纸、无纺布、滤网。

深度过滤在整个介质体积内都起作用。滤芯阻力增长慢，储灰能力增加，寿命延长。

c) 粘性吸附

介质浸油后沥干，利用油的粘性吸附粒子。如金属丝网，发泡聚氨酯等。

d) 静电沉析

静电沉析的滤清效率很高，可以除去小于0.01um的灰尘，但空滤的体积过大，在车辆上不易使用。

4)空滤器的过滤方式

常见的空滤器过滤方式有以下3种型式：

a)惯性式

是利用尘砂与空气质点的质量差，当空气作旋转运动或使气流急速转弯

时，尘砂因惯性力较大而被抛出。

b) 过滤式

使空气透过滤纸或金属网、丝织物等多孔性物质进行滤清，这种滤清方法能滤掉细小的尘砂。

c)油浴式

滤清器壳底上有机油盘，利用气流把油带到滤芯上，对空气中的尘砂起

吸附作用而过滤。

5）空气滤清器的性能

a) 流量——阻力特性

空气滤清器的阻力：由于气体流动损失和介质的粘性阻力，在空滤器进出口之间形成的压力降。

原始阻力：新空滤的阻力称为原始阻力，设计时总是希望该阻力尽可能的低。

终了阻力：空滤器在使用过程中，随着滤芯储灰量的增加，阻力不断上升，当阻力达到规定值时，空滤器需要保养，这一值称为终了阻力。终了阻力应按空滤器的储灰量和发动机允许的阻力值来确定。

空滤器的阻力受出气口尺寸影响较大。一般来说，空滤器出气口一定，通过加大空滤器容积和进口，对降低阻力作用并不明显。

c)储灰能力

空滤器达到终了阻力时所储存的灰尘量称为储灰能力（g）。储灰能力是空滤滤芯使用寿命的标志，储灰能力需在空滤试验台上测定。

6) 原始滤清效率

原始滤清效率是指在额定空气流量下，新空滤器总成所滤出的试验供给的灰尘量之比，计算公式如下：

η=（ΔM

S /M

f

）

100%

式中：η——空滤器总成原始滤清效率，%；

ΔM S ——试验空滤器总成滤出的试验灰尘量，g ； M f ——加尘装置供给试验空滤器的灰尘量，g ； 试验空滤器的原始滤清效率应符合表二的规定。 表二 空滤器总成原始滤清效率规定值

试验时，供给试验空滤器的试验灰尘量M f 按下式计算： M f =t i V oc .N f

式中：t i ——向试验空滤器供给灰尘所用的时间，t i =1/6h(即10min)；

V oc ——标准大气状况下试验空滤器额定空气流量，m 3/h ； N f ——供给试验灰尘的浓度，g/m 3.

灰尘浓度应符合表三的规定。当M f ＜10g 时，取M f =10g 。试验用的灰尘为石英粉。其

粒子组成应符合表四的规定。

表三 试验灰尘浓度

表四

试验灰尘的粒子组成

二、 空滤器总成的设计

1、空滤器设计要点

空滤器进气方式有3种，上吸式、下吸式及平吸式。进气方式主要由发

动机与车架安装位置确定，但对进气系统（气口和气道）均有一定的要求：

1）进气支管不宜过长，尽量减少气流损失。

2）进气管道弯道不宜过多，避免死角和气体涡流区。

3）进气口必须要有足够的进气截面积，避免出现真空区域。

4）设计进气系统是要考虑消声结构。

2、纸质滤芯的空滤器

纸质滤芯空滤器具有质量轻、成本低、使用方便、滤清效果高等优点。

摩托车在选用纸质滤清器时，首先考虑发动机所需的空气流量，合理的

设计纸质滤芯空滤器。滤纸应经过酚醛树脂的浸渍处理，使其具有耐水性。

优质滤纸的一些参数指标和数据见表五。

表五滤纸参考指标

不同使用条件的单位纸芯面积及容灰量见表六。它可作为选择滤清器尺寸的参考。

表六滤清单位纸芯面积及容灰量

1)滤芯的表面积

当选定外径D时，根据获得最大滤芯面积的条件（D=2d），可按下式

公式计算滤芯的表面积：

A=2bnH

式中：A——面积，mm2；

b——折宽，mm；

n——折数；

H——滤芯高度，mm。

2）纸折数的允差（表七）。

3）滤芯两端面的平行度符合表八规定。

表七折数允差表八平行度

3、泡沫塑料滤芯的空滤器

泡沫塑料滤芯为聚氨脂塑料制成。要求泡沫塑料滤芯网状结构均匀，孔径密度也要均匀，透气度好，还要有一定的抗拉强度，泡沫滤芯应符合以下要求：

1）泡沫滤芯的拉伸强度应不小于100kP

a

；

2）泡沫滤芯的断裂伸长率应不小于180%；

3）泡沫滤芯的表面密度应符合表九的规定。

表九滤芯尺寸表十脉冲系数ε取值表

注：D——滤芯外径；H——滤芯高度。

4、摩托车发动机空气流量

摩托车发动机所需空气流量

二冲程单缸机：Q=0.06.n.V

h .η

v

.ε

四冲程单缸机：Q=0.03.n.V

h .η

v

.ε式中：Q——额定空气流量，m3/h；

n——发动机额定转速，r/min；

V

——发动机排量，L；

h

——发动机充气系数；

η

v

=0.45

二冲程η

v

四冲程η

=0.71

v

ε——脉冲系数按上表十选取

5、空气滤清器总成技术指标

在额定空气流量下，空气滤清器进气原始阻力应符合表十一的规定。

150ZH(A)车型空气滤清器滤芯校核计算书一、已知参数：

150ZH（A）系列车型配置CG150发动机，发动机相关参数如下：

发动机排量：0.1495L

额定转速：8000r/min

二、发动机进气量（空气流量）的计算：

根据公式Q=0.03n.V

h .η

v

.ε(m3/h)

ε： 1 脉冲系数

V

h

: 0.1495 发动机排量 L

n: 8000 发动机转速 r/min

η

v

: 0.71 发动机充气效率

代入各项参数得：Q=25.47（m3/h）

三、滤芯设计：

每m3/h空气量所需纸芯面积为40cm2 。根据发动机所需的进气量，求得实际所需滤纸面积如下：

A

2

=25.47X40=1019（cm2）

滤纸表面积按下式计算：

A

2

=2b〃n〃h

式中：b：折宽（mm）

n ：折数

h：折高（mm）

折数n 按下式计算

n 2 =

π（D-2b）

t

式中：D：滤芯外径（mm）

b：折宽（mm）

t: 折距推荐3~8（mm）

将D=142，b=14 mm，t=4.5 mm各数代入上式，得n

2

=80

将各数代入A

2=2b〃n〃h，得A

2

=1344 cm2＞1019 cm2

满足要求。