本文载于《重型汽车》杂志2008年第3期
油浴/干式空气滤清器组合
在重型汽车上的应用研究
The Application Study of Oil-bath/Dry-type Air Cleaner Combination in Heavy Duty Trucks
中国重汽技术发展中心 曹金山
油浴/干式空气滤清器组合在重型汽车上的应用研究
摘 要
本文介绍了了国内工程用车目前使用的空气滤清器在性能上存在一定的局限性，提出针对国内区域市场开发适用性产品的必要性。在对现有空气滤清器产品综合评定的基础上，借鉴国内外空气滤清器的应用情况，通过试验，成功设计了油浴/干式空气滤清器组合。台架试验的结果表明，新式二级空气滤清器的性能完全能够满足中国重汽生产的STEYR王、HOWO等的装车要求，产品设计结构易于系列化和通用化，能够大规模推广应用。
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The Application Study of Oil-bath/Dry-type Air Cleaner Combination
in Heavy Duty Trucks
ABSTRACT
It is described that there are some problems in the performance of the air cleaner using in the dump truck，and it is necessary to develop the new product according to the area markets. At the basis of assessing the present air cleaner on the whole, and studied its application in domestic and abroad, we have successfully designed the two stage air cleaner---oil bath/dry-type air cleaner combination through out tests. The results of the bench test show that the performance of the new two stage air cleaner is fully satisfied the requirements of STEYR king，HOWO etc. made by CNHTC. The product structures are easy to systematic and universal，and deserving to apply in a large-scale.
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油浴/干式空气滤清器组合在重型汽车上的应用研究
中国重汽技术中心有限公司 曹金山
1．前言：
以STEYR总成为平台的重型工程车中，目前基本都安装了以多根轴向旋流管为一级粗滤、干式滤清器为二级过滤的“沙漠”空气滤清器。自上世纪90年代中期，“沙漠”空气滤清器由中国重汽技术中心和宝鸡秦益公司开发出来后，因其保养时间间隔长、过滤效率高而在建筑、煤矿、道路施工等现场的工程车上得到了普遍的应用，并得到了用户的一致认可，在随后的10多年来，它对保护发动机、延长空滤器的维修保养时间和减少维修保养费用等方面做出了巨大的贡献。
我们知道，“沙漠”空气滤清器的一级粗滤是轴向旋流管，其工作原理是气流通过管道中的旋流叶片而产生离心力，从而将空气中的质量较大的灰尘颗粒从空气中分离出来，其分离效率的高低与旋流管的数量、灰尘颗粒的质量和气流的速度有很大的关系。在旋流管的结构和工作环境确定的情况下，旋流管的分离效率是由发动机工作时的转速确定的，图1就是某单排导流叶片的分离效率随空气容积流量的变化规律，可以看出，随着空气容积流量的增加，其分离效率也越高，接近80%后，空气流量再增加时，其效率基本趋于稳定，这种情况对应发动机的额定工作状况；另外在空气容积流量较小时，它的分离效率也较低，当空气流量很小时，分离效率下降的很快，此时对应发动机的低速工作状况。
我国幅员辽阔，各地的气候条件和土壤条件差别很大，例如出现在我国南方的建筑工地现场和出现在西部的建筑工地现场有很大的不同。南方多雨，气候比较湿润，空气滤清器过滤出的空气浮沉是糊状。而在我国西部地区雨水较少，空气含尘量高，空气滤清器过滤出的空气浮沉是面粉状的细灰。这种气候条件的差异，造成了车辆空气滤清器配置的差异。
尤其在我国的西北地区，有很多露天煤矿、建筑工地，有大量的工程用车，这些车辆通常都在较低的车速下运行，虽然都安装了“沙漠”空气滤清器，由于风沙太细，质量太小，发动机工作的转速又不高，所以使“沙漠”空气滤清器的功能远没有发挥出来，这些很细的风沙进入二级干式滤清器后，很快将其堵塞。据车辆用户介绍，风沙大的季节，每天都需要对空滤器进行清理，而且三四天就需要更换滤芯，保养费用很高，很麻烦，装普通空滤器的车辆根本无法应用。
可见，“沙漠”空气滤清器在干燥、多细灰尘，发动机经常在低速情况下运转的车辆并不很适用。为此，有必要开发适用于干燥、多细尘环境的空气滤清器，增大空滤器
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的容灰能力，延长它的维修保养时间，进一步提高其滤清效率，更好的保护发动机。2．商用车空气滤清器的国内外应用现状：
2．1复合式空滤器和“沙漠”空气滤清器：
现代重型汽车的进气系统最重要的元件就是空气滤清器，我们可以根据车辆的应用环境对空气滤清器进行选择。通常情况下，如果是公路运输用车，路况较好，路面含尘量低，大都选用复合式空滤器；而在建筑工地、煤矿、道路施工等灰尘较大的现场，国内几乎所有的这种工程用车都安装了“沙漠”空气滤清器。
复合式空气滤清器和“沙漠”空气滤清器的最大区别是在第一级粗滤上。复合式空滤器的结构是单圈环式叶片的粗滤和干式纸滤芯的主滤集成到一个壳体内，结构紧凑，体积小，便于整车布置安装，而且效率也高，但是其粗滤效率低并且容灰量较小是其最大的缺点；目前的欧洲公路用车中，很多都取消了单圈环式叶片，只用一级主滤；在“沙漠”空气滤清器中，其一级轴向旋流管粗滤和干式纸滤芯的主滤是分开的，它们分别有自己的工作腔，这样第一级粗滤就可以根据发动机的工作流量进行设计，增大粗滤器的流通面积，大大提高一级粗滤的效率，特别适合灰尘大的地区，其缺点就是体积大，原始进气阻力大，整车布置比较困难。但它的粗滤效率比复合式空气滤清器的单圈叶片环要高的多，另外它的容灰能力比复合式空气滤清器大的多，这就意味着更长的维修保养时间。
2．2油浴式空滤器：
油浴式空气滤清器是一种结构最老、也是比较成熟的产品，通常情况下，它直接安装在发动机的进气管上，体积较小，布置方便使用寿命长，可以反复保养使用。早在上个世纪50年代，我国的第一代车辆如解放、东风等汽车上及许多农业机械上，都是采用油浴式空气滤清器，它的滤清效率低，只有95%～97%左右。进行保养时，需用汽油清洗，造成油料浪费，保养所化费的时间较长，同时它的安装位置对进气效果也会产生不利的影响。随着发动机技术的发展，对吸入空气的质量要求越来越高，纸质干式空气滤清器99%以上的滤清效率逐渐被人们所认识，故从上世纪八十年代，纸质滤芯空滤器作为汽车发动机用的空气滤清器逐渐取代了油浴式空气滤清器。目前，纸质滤芯的干式空气滤清器已得到了广泛的应用，而油浴式空气滤清器的应用范围越来越小，仅在小型农业机械上和一些工程机械上使用。
目前，无论是在国内还是在国外，车辆上几乎不再单独使用油浴式空气滤清器作为发动机的主滤，通常都与干式纸质空气滤清器组合使用，适用于少量到中等灰尘且灰尘很细的工况下。在欧洲，主要应用于大型的工程机械和一些农用机械上，而且一直都在使用。目前国内西北地区的一些用户反映，该地区风沙大，而且灰尘特别细，质量很小，“沙漠”空气滤清器不能充分发挥作用，急需一种新型滤清器。
3．油浴式（油浴/干式）空滤器结构和工作原理及结构形式：
复合式空气滤清器和“沙漠”空气滤清器的结构和工作原理大家都很了解，这里就不再赘述。主要介绍油浴式空气滤清器的结构和工作原理。
油浴式空气滤清器的结构如图2所示：
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油浴式空气滤清器有上、下壳体（壳体上有进、出气口），下壳体内是油池，油池内有一定量的机油（油多、油少均不宜），上壳体内有用金属丝绕制的滤网等零件组成。空气从进气口进入到空滤器壳体内，顺着进气管冲向油的表面，然后改变方向，通过滤网到达出口。空气进入进气口后，含尘空气有一部分灰尘在气流的惯性作用下与油面撞击被油沾附。另一部分灰尘随气流对油面进行撞击使有产生油雾，油雾很轻，它与改变方向的气流一起经过金属滤网，而金属滤网在制造时经滚压成多个连续的S型，且多层缠绕，具有一定的密度。含有油雾的空气在此经过时，油雾会被滤网阻拦而湿润滤网，随发动机吸气量的不断增加，被带到滤网上的油雾和灰尘也越来越多，油雾逐渐形成油滴，由于重力而下落，将粘附在金属网上的灰尘洗刷下来，这样构成油流的循环，形成了油浴现象，加强了滤清作用。
油浴/干式组合空气滤清器就是在油浴式空气滤清器的出口处连接只带主滤芯和安全滤芯的干式空气滤清器，这样就构成了以油浴式空气滤清器为一级粗滤、干式空气滤清器为二级过滤的具有双腔结构的空气滤清器，其组合方式可以根据在整车上的布置有
两种结构，见图3。
其中图3a中的细滤也可采用横置的布置方式。空气经过油浴式空气滤清器过滤后，其中一些大的灰尘颗粒和一些很细的灰尘被油吸附，这样到达细滤的空气已比较干净，净化效率可达99.8%以上。
表1列出了油浴式、复合式、“沙漠”和油浴/干式组合空气滤清器的结构比较和应
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用情况。
表1：重型车配置的空气滤清器结构比较
空气滤清器结构 工作
腔
应用情况
油浴式空气滤清器 油池+金属丝网 一个 用量少，适于天气干燥、灰
尘含量中等且灰尘颗粒细的
地区。
复合式空气滤清器 单圈环形叶片+干式纸
质滤芯
一个 应用广泛，适于一般灰尘浓
度，公路等。
“沙漠”空气滤清器 多根轴向旋流管+干式
纸质滤芯
两个 工程车应用广泛，适于灰尘
浓度大且灰尘颗粒大的地
区。
油浴/干式组合滤清器 油浴式空气滤清器+干
式纸质滤芯
两个 适于天气干燥、灰尘含量中
等且灰尘颗粒细的地区，主
要用于工程机械、农用机械
等。
4．油浴/干式空气滤清器设计和试验：
4．1油浴/干式空气滤清器设计：
油浴式空气滤清器的额定工作流量要与发动机所需要的空气量能够较准确的匹配，最好与发动机的额定流量尽可能接近，不超过发动机所需的最大空气流量。如果滤清器的尺寸选择过大，它的过滤效率就会降低；相反如果尺寸选择太小，含杂质的油会随空气一起被发动机吸起，沾附到干式滤芯上，造成滤芯堵塞，情况严重时还可能通过滤层被吸到发动机中，造成发动机损坏。
空气滤清器的额定工作流量，要根据发动机在额定工况下工作时所需要的空气量来确定。对重型车的发动机都是增压，气缸数都在6个以上，空气滤清器的设计流量有下面的经验公式：
Q Filter =0.095 P f (m3/min)…………..①
式中P为发动机的额定功率（Kw）；
f为发动机进气脉冲系数；对四缸以上的涡轮增压发动机f=1。
根据空气滤清器的额定工作流量来确定其尺寸和大小，为了更好的体现双腔双级空气滤清器的特性，粗滤和细滤之间的中间气道按等截面原则确定。
在设计的初始阶段，为了能够使空气滤请器满足最终的装车要求，所有的性能试验都是在“系统”中进行的，就是将实际装车的零部件全部连接到试验台上，进行性能测试，这样所测得的阻力和效率是整个进气系统的，不象过去只对空气滤请器进行测试，而进气道和管道中的阻力一般不予考虑，所以有时造成空滤器性能很好，但由于管道设计不合理而造成整个进气系统阻力大而失败的先例；图4是进气系统台架试验现场布置图，图中有进气道、油浴/干式空气滤请器、连接管路、发动机、阻力测试管路等组成，另外还有控制设备。
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图4 进气系统台架试验现场布置图
表2为第一轮设计的流量-系统阻力试验结果，根据设计要求，空气滤请器的额定流量要满足WD615.69机所需的流量要求，即0.095×247×1×60=1407(m 3/h)左右。由表中的数据可以看出，当工作流量达到1400m 3/h 时，系统的阻力已远远超出了发动机工作所允许的6.5kp 的阻力，并且试验结束，拆开空滤器后，发现干式空气滤清器滤芯上已有油迹，说明油浴器中的油已随着空气进入到上方的干式滤清器中，也同时说明整个进气系统的空气通过流量过小，根本无法装车使用，所以第一轮设计是不理想的。 表2 第一轮设计的流量-系统阻力试验
工作流量（m 3/h ） 800 1000 1100 1200 1400 双筒进气道阻力（kPa ） 0.55 0.75 0.85 1.1 1.36
油浴式空滤器阻力（kPa ） 1.56 2.23 2.65 3.34 4.73
普通空滤器阻力（kPa ） 1.29 1.84 2.09 2.53 3.7
总阻力测量值（kPa ） 3.2 4.78 5.2 6.72 9.95 在整车提供的安装空间一定的前提下，油浴/干式空气滤清器的组合结构形式就被确定了。所以在这种试验结果下，只能通过优化空气滤清器的内部结构来达到预期的效果。在第一轮设计的基础上，采取了一些改进措施，如加大干式空滤器的外廓尺寸，由原来的Φ320mm 外径变到Φ388mm ，这也同时加大了干式空气滤清器的流量；加大油浴和干式空滤器间的通道面积；将空滤器的进气口由原来的Φ132mm 加大到Φ150mm ；改善油浴式空滤器的金属滤网缠绕方式并在油池上方增加油气分离机构；表3就是通过上述改进后的试验结果。 从表中数据可以看出，空气流量在1400m 3/h 时，整个进气系统的阻力是4.15kPa ，基本可满足装车使用要求；而且当空气流量在1200m 3/h 以下时，进气系统的阻力小于3kPa 。可见，改进后，系统的阻力基本能够满足发动机使用要求，完全可以用来装车。
表3 第二轮改进设计的流量-系统阻力试验
工作流量（m 3/h ） 800 1000 1100 1200 1400 双筒进气道阻力（kPa ） 0.24 0.4 0.48 0.6 0.9
油浴式空滤器阻力（kPa ） 0.55 0.83 1.03 1.25 1.8
普通空滤器阻力（kPa ） 0.55 0.75 0.8 1.1 1.45
总阻力测量值（kPa） 1.34 1.98 2.31 2.95 4.15 4．2油浴/干式空气滤清器试验数据分析：
4．2．1总成原始通气阻力特性：
总成原始通气阻力特性是指总成在未积尘的条件下，通气阻力随空气流量大小而变化的规律，一般用发动机的额定空气流量时的阻力值表示。图5是最终装车的组合空气滤清器通气特性曲线，可以看出其通气阻力特性良好。与目前装车的沙漠空气滤清器相比，通气量更大，阻力更小。
4．2．2总成失油率：
空气通过空滤器总成时，流动的空气会将油浴式空滤器油池中的油从出气口带走，失油率就是试验后，所加油量的变化量与原始加油量的比值。在第一轮设计中，由于与之匹配的干式空气滤清器额定流量仅为1100m3/h，无法满足1400m3/h的设计流量要求。改进后进行失油率试验，还不到1%，可以满足QC/T 32《汽车用空气滤清器试验方法》的规定。
4．2．3总成滤清效率：
总成滤清效率是指总成过滤掉空气中硬质尘粒的能力，二级空滤器的粗滤效率要专门考核。
按照我们传统的过滤效率概念，过滤效率都笼统的表达为总的过滤效率，即总成对所有颗粒的过滤效果，其检验灰尘符合QC/T 32《汽车用空气滤清器试验方法》中第7部分的规定。空气中的灰尘以固体悬浮的方式存在，其尺寸范围在0.01～2000μm之间，尺寸大于200μm的灰尘粒子，在空气中迅速沉降，不易漂浮，尺寸小于1μm的灰尘粒子对机械的磨损不起影响。所以汽车空气滤清系统处理的对象是悬浮在空气中的1～200μm之间的灰尘粒子。空气中的灰尘粒度分布较细，根据从我国某沙漠地区搜集的灰尘分析，5μm以下的尘粒占25%，10μm以下的尘粒占45%，30μm以下的尘粒占90%，在此区间的尘粒对发动机的磨损影响最大。所以我们设计双级空气滤清器时，是将空气中灰尘根据粒径大小进行分级处理，一级粗滤主要过滤10μm以上的灰尘，而干式细滤主要针对1～30μm灰尘，所以我们在评价过滤效率时采用了分级过滤的概念，就是对粗滤效率加以区分。
经台架试验，该二级空气滤清器的粗滤效率大于93%，总成的总效率达99.9%，可以满足QZZ11036《斯达-斯太尔载货汽车空气滤清器总成技术条件》中的效率要求。5．油浴/干式空气滤清器的使用注意事项和维修保养：
安装使用油浴/干式空气滤清器时，要注意以下事项：
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5．1油浴式滤清器的进气阻力不象干式空气滤清器一样,随着使用时间的增加，滤芯容污量的增多，其进气阻力增加很快，其阻力在整个保养期内，变化比较平缓。经过大量的实验证明，油浴式空气滤清器从开始使用到需要保养的整个时间内，其阻力的变化只有4mbar。因为其具有这个特点，就很难象干式空气滤清器一样，使用进气阻力报警指示器来监测进气阻力的变化。在使用环境恶劣的情况下，有可能油变粘稠后，阻力的指示值还未达到保养的要求，这就需要驾驶员每一、两天检查一次油面和油质的变化情况，当发现油池内的灰尘达到油池深度的一半或油池内的油变粘后，及时进行保养。
5．2安装使用油浴/干式空气滤清器时要注意，它们对倾斜很敏感。如果发生倾斜，不仅可能造成油流失，还可能造成空滤器过滤效率下降；在有些情况下油也可能被吸入到发动机中。我们推荐倾斜30°是允许的。
5．3油浴式空气滤清器使用时，温度不能超过40℃。当温度超过40℃时，油的粘度会发生变化，影响空滤器的过滤效率。
5．4油浴式空气滤清器使用时，要保持规定的油面高度。设计尺寸合理的油浴式空气滤清器在工作时不会有油流失，因此在两次保养的时间内，不需另外加油，除非油被吸入到发动机中。
5．5因为油浴式滤清器安装在进气系统的上游，只有很少很小的灰尘才能到达干式空气滤清器。在正常情况下，对主滤芯来说，保养周期可以延长，如果是公路用车，保养的费用很小。具体的保养周期可以参照供应商提供的时间周期。
6．结论：
通过上述分析我们知道，油浴/干式空气滤清器性能完全能够满足目前中国重汽生产的STEYR王、HOWO等的装车要求，而且结构设计也便于批量化生产。在随后的装车路试中发现，与原车装用的干式空滤器相比，百公里可以降低油耗3～5%左右，而且发动机动力与原来相当，所以油浴/干式空气滤清器研制是成功的。
随着国内重型汽车市场竞争的日渐加剧，根据国内区域市场的要求，开发合适对路的产品，是提高企业竞争力的手段。油浴/干式空气滤清器的成功开发是中国重汽重视区域市场的具体体现。在这里需要说明的是，油浴/干式空气滤清器成本较高，对一些特定的使用工况，比其他一些形式的空气滤清器具有更强的适用性，在使用时，需要用户认真的选择。
参考文献：
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DEUTZ-INSTALLATION-TEAM KNOW-HOW
2．MANN+HUMMEL 汽车行业中的过滤技术
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3．ISO 5011-2000 Inlet air cleaning equipment for internal combustion engines and compressors Performance testing
4．QZZ11036 斯达-斯太尔载货汽车空气滤清器总成技术条件
5．JB/T 9755-1999 内燃机 纸质滤芯空气滤清器总成技术条件
6．李玉生等适合高灰尘环境的空气滤清器的研制
重型汽车 2000.01
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