杜丹丰,刘红玉,于 淼,李 亮

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

汽车发动机空气滤芯过滤理论研究方法

杜丹丰,刘红玉,于 淼,李 亮

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

空气滤芯的主要作用是过滤掉空气中的杂质，保证进入气缸的空气质量，减少气缸的磨损，其质量直接影响发动机的可靠性和使用寿命。过滤理论的研究对于提高空气滤芯的过滤性能、改善空气滤芯的结构具有重要意义。对近几年文献进行分析，介绍了空气滤芯的作用与种类，给出了发动机空气滤芯应用过滤理论的研究情况，分别对拉格朗日方法、计算流体力学方法、离散单元法、格子Boltzmann方法等几种过滤理论研究方法的特点及应用进行比较。

汽车；发动机；空气滤芯；过滤理论

发动机空滤(下文简称空滤)主要作用是过滤空气中的尘沙，保证进入气缸的空气质量，延长发动机使用寿命，是汽车发动机的重要部件[1-2]。已有研究表明：汽车发动机的早期损坏70%与空滤有关[3-4]，它的质量直接影响发动机的可靠性和使用寿命，也是国家规定的内燃机质量强制检验项目之一。空滤过滤性能的好坏取决于滤清器本身的结构、选用的滤芯材料及其加工质量。目前，空滤结构性能进一步的提升出现了技术瓶颈，虽然国内外对滤芯材料的研制技术取得了很大进展，但实验研究过程繁冗。因此，过滤理论的研究对于提高空气滤芯材料过滤性能，改善空气滤芯的结构，提升空滤研发效率具有重要意义。

1 空气滤芯结构种类

目前，发动机中常用的空滤主要有惯性油浴式空滤、纸质干式空滤、聚氨酯滤芯空滤等几种。惯性油浴式空滤由于具有滤清效率较低、质量大且成本高、维护不便等缺点，在汽车发动机中已逐渐被淘汰。纸质干式空滤是目前应用最广泛的汽车用空滤，主要有微孔滤纸滤芯、无纺布滤芯、纤维滤芯等几类[5]。不同的滤芯由于结构的不同，使得它们有不同的过滤机理，其结构特点及过滤机理如表1所示。

表1 滤芯的结构特点及过滤机理Table 1 Structural characteristics and filtration mechanism of air filter

2 发动机空气滤芯过滤理论研究情况

吴一敏[6]研究了车用空气滤芯的现状，介绍了微孔滤纸滤芯应用的主要过滤机理。陈峰[7]研究了微孔滤纸的组成，介绍了滤纸滤芯的主要过滤机理，分析了影响其过滤的主要性能指标。

耿鑫等[8]认为：干式无纺布作为滤料与颗粒间的摩擦力较大，滤清效率较低；而湿式无纺布滤芯主要使粒子与滤料孔径之间产生一种粘着力，使滤料捕捉粒子的机会大大增加，从主滤芯透过的粒子有可能再次被安全滤芯拦截。

Thomas等[9]通过采用荧光标定的气溶胶粒子对纤维滤芯的过滤特性进行了实验研究，然后将含尘滤料切成若干个薄层切片，采用电镜扫描技术进行扫描观察，分析过滤深度的变化对颗粒沉积特性的影响，为纤维滤芯的过滤理论提供了基础。Daehwan Cho等[10]对纳米纤维过滤器的过滤效率和纳米纤维过滤器压降进行了评估。Subramanian Sundarrajan等[11]探讨了应用静电纺丝纳米纤维去除空气中的挥发性有机化合物，认为相对于活性炭和玻璃纤维过滤器来说，纳米纤维过滤器可以提高过滤效率，将其单独使用或者联合其他常规过滤器共同使用，对于去除具有挥发性的纳米颗粒和细菌将会很有意义。庄子威等[12]认为经典过滤理论没有考虑纳米颗粒物在纤维表面反弹并降低过滤效率的可能性，通过研究表明HEPA (高效空气过滤)需要考虑颗粒物反弹效应对过滤效率的影响。白冰等[13]分析了影响微米木纤维滤芯性能的因素，得到了随着木纤维等效半径、滤芯长度和和填充率变化的过滤效率和阻力变化曲线。

3 过滤理论研究方法

过滤理论研究方法主要有拉格朗日方法、 计算流体力学方法(CFD)、离散单元法(DEM)及格子Boltzmann方法。

3.1 拉格朗日方法

拉格朗日方法被认为是通过气溶胶颗粒跟踪得到轨迹的方法，由斯托克斯方程的数值解得到气流场并根据粒子跟踪，确定纤维上的粒子沉积部位。当多孔介质的雷诺数小于1时，可使用ANSYS代码来高效求解纤维空隙之间的斯托克斯流方程[14]。

拉格朗日方法可用于研究微孔滤纸滤芯和纤维滤芯。A.M.Saleh[15]在比较3-D模型和1-D模型哪个更适合模拟纤维过滤器的过滤性能研究中，使用拉格朗日方法得到颗粒运动的轨迹，并确定不同粉尘负荷下纤维过滤器的效率和压降。王伟[16]等在对柴油机空滤内的气固两相流研究中，通过建立灰尘颗粒模型，对颗粒采用拉格朗日方法计算颗粒的运动轨迹，得到灰尘颗粒的运动轨迹图像，计算不同粒径颗粒的过滤效率。A.Ortiz-Arroyo[17]利用拉格朗日方法表示深床过滤器过滤时微粒的沉积，分析了各种过滤阶段与各种过滤机理下的过滤效率和过滤系数等。Perrine Pepiot[18]将欧拉-拉格朗日方法用于分析流化床的二维和三维模型，实现了粒子运动跟踪。

拉格朗日方法虽然应用较为广泛，但也有不足：没有考虑已沉积的颗粒对后来颗粒的影响；认定颗粒只要接触到纤维就被捕集；忽略了颗粒间的相互作用。

3.2 计算流体力学方法(CFD)

自20世纪70年代以来，随着计算机的普及以及计算能力的不断提高，加上一些近似计算方法如有限差分法、有限元法等的发展，基于数值计算的计算流体力学(CFD)方法正在冲击并改变着传统的工业过程设计方法。这种数值方法通过建立一些控制方程，加上数值计算理论和方法并结合一些初始和边界条件，得到各种场如流场、温度场等分布的真实情况。

CFD方法对微孔滤纸滤芯、无纺布滤芯及纤维滤芯均适用。叶青等[19]基于计算流体动力学(CFD)、计算结构动力学(CSD)，釆用数值模拟方法，建立了理论模型，研究了袋式除尘器过滤、清灰阶段流场分布特性。Bin Xu等[20]基于理论分析和计算流体动力学(CFD)技术，开发了一种半解析模型，用来说明过滤性能(过滤效率和压降)和加载在两个不同的粒子沉积结构下的颗粒之间的关系。钱付平[21]利用计算流体动力学(CFD)技术对纤维过滤器内部气-固两相流动特性进行数值研究，并将数值计算值和经典模型及实验关联式进行了比较。

计算流体力学方法有丰富的物理模型，强大的后处理功能，是目前应用较多的研究方法。但在应用过程中建模比较复杂，耗时大。

3.3 离散单元法(DEM)

DEM方法把颗粒间的相互作用力模拟成弹性力、阻尼力以及摩擦滑移等机理模型来计算。DEM将颗粒视为非连续介质，在初始状态下，各颗粒有其固定的位置，处于力平衡状态。当作用力系或边界条件发生变化时，颗粒的空间状态也会发生变化，产生新的作用力系状态，使更多颗粒由于作用力的传递产生新的运动和位移。DEM方法的计算是交替采用牛顿第二定律和接触的力-位移方程来完成的。

DEM方法适用于微孔滤纸滤芯和纤维滤芯。于先坤[22]在其研究中引入离散单元法，模拟分析了纤维过滤过程中颗粒群的特性对过滤特性的影响。王国呈[23]使用DEM方法，对黏性颗粒在纤维体上沉积进行散体力学动态模拟，并将结果与CFD-DPM和CFD-DEM耦合的结果进行比较，结果表明，该方法可以更准确地描述颗粒物在纤维上的沉积特性。朱小洁[24]通过 CFD-DEM 耦合技术，模拟纤维过滤介质内部的气-固两相流动，研究纤维与颗粒的特性对颗粒沉积和团聚的影响，改变过滤介质的结构参数以分析其对介质过滤特性(包括压力损失和过滤效率)的影响。

DEM方法有着同时考虑多颗粒间的相互作用以及颗粒位置的连续变化的优点，同时，也有一些不足：不能区分出不同材料的颗粒以及不能考虑颗粒的变形。

3.4 格子Boltzmann方法(LBM)

在格子Boltzmann方法中，将流体假定为虚拟的颗粒，模拟这些颗粒在网格点上的碰撞并迁移。因为碰撞项的复杂，引入并使用了BGK碰撞算子[25]。格子Boltzmann方法近年来在理论和应用研究等方面取得了迅速的发展，具有无需反复计算、可使用大规模并行计算、能处理颗粒沉积后的复杂流场、边界条件容易设定等优点，是一种很有发展潜力的过滤理论研究方法。

格子Boltzmann方法对微孔滤纸滤芯、无纺布滤芯及纤维滤芯均适用。对于复杂的沉积结构，很多学者通过采用格子Boltzmann(LBM)的方法进行数值模拟。Shahram Talebi等[26]使用LBM方法模拟纤维滤清器内的流体流动，研究一些参数如固体体积分数、雷诺数、斯托克斯数等对过滤性能的影响。Jonggeun Ban g等[27]使用格子Boltzmann方法跟踪运动的粒子，得到粒子运动轨迹，验证了清洁纤维的过滤效率和压降。赵海波等[28]使用格子Boltzmann方法模拟多纤维过滤器的过滤过程，然后对纤维的排列方式、分离比及质量因数对捕获效率的贡献进行了研究。王浩明等[29]利用LBM两相流模型对多层纤维捕集颗粒物过程进行了数值模拟，研究了不同纤维配置方式下系统压降与捕集效率的变化。Wang等[30]建立了外力作用下颗粒在规则格子点上移动的模型，利用LB方法研究单纤维捕集颗粒物的过程。

格子Boltzmann方法既准确、高效，又能处理复杂的边界，被认为是用于模拟复杂几何形状的流体流动的最有前途的工具，可用以分析纤维过滤器性能相关参数的影响，但不足的是，该方法目前还处于快速成长阶段，与其他数值方法相比，理论体系还不够完善，在很多领域内的应用仍处于探索阶段。

各种数值模拟方法的对比如表2所示。

4 结束语

本文介绍了车用发动机空气滤芯的种类，分析了过滤理论的应用情况，并总结了拉格朗日方法、计算流体力学方法(CFD)、离散单元法(DEM)和格子Boltzmann方法(LBM)的特点及应用范围。这些方法之间不是相互排斥的，而是互相兼容的。它们在不同程度上都存在着交叉或重叠。其中CFD方法应用最为广泛；其次是拉格朗日方法与DEM方法。若是忽略颗粒的影响，则选择拉格朗日方法，若是要考虑颗粒的材料及颗粒间的相互作用，则选择DEM方法。对于具有复杂边界的流场来说，选择格子Boltzmann方法更高效。

表2 数值模拟方法对比Table 2 Comparison of numerical simulation methods

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(责任编辑 刘 舸)

Analysis of Filtering Theory Research Methods for Air Filter Element of Automobile Engine

DU Dan-feng, LIU Hong-yu, YU Miao, LI Liang

(College of Transportation, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The main function of air filter is filtering out the impurities in the air, ensuring the purity air into the cylinder, and reducing the wear of the cylinder. Therefore, the quality of air filter element directly affects the reliability and service life of the engine. The theory of filtration is very important for improving filter performance and enforcing structure of air filter. Firstly, the paper analyzes the literature of air filter in recent years, and introduces the function and category of the air filter; then gives the application of filtration theory research of air filter for automobile engine; lastly, the characteristics and applications of the Lagrange Method, Computational Fluid Dynamics Method, Discrete Element Method and Lattice Boltzmann Method are compared.

vehicle; engine; air filter; filtration theory

2016-10-16

国家自然科学基金资助项目(31470611)；黑龙江省科学基金资助项目(E2015055)；哈尔滨市应用技术研究与开发项目(2015RAQXJ035)

杜丹丰(1972—)，男，黑龙江人，博士，副教授，主要从事汽车节能减排研究，E-mail:ddf72@163.com。

杜丹丰,刘红玉,于淼,等.汽车发动机空气滤芯过滤理论研究方法[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(1):15-20.

format：DU Dan-feng, LIU Hong-yu,YU Miao,et al.Analysis of Filtering Theory Research Methods for Air Filter Element of Automobile Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):15-20.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.003

U464.134.4

A

1674-8425(2017)01-0015-06