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。