KT系列内燃机空气粉尘滤清器

裴咏枝 蒋 晓

摘要介绍了一种新式内燃机空气粉尘滤清器,是内燃机空气粉尘滤清器的一次革命。针对该空气滤清器的特点,给出了一种新的净化效率计算公式,此公式经上海内燃机研究所试验证明完全可行。该产品已获国家专利,在提高动力、节约燃油、防爆震、减排以及经济等方面具有显著优点。

关键词空气滤清器;净化效率公式;专利产品

中图分类号 U260.15+1 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)11-0299-03

空气滤清器是内燃机净化空气、确保正常出力不可缺少的重要组成部分。目前,国内广泛用于内燃机上的滤清器是纸芯式滤清器和油浸式滤清器。油浸式滤清器效果很差,纸芯式滤清器既浪费能源又污染环境。而笔者介绍的KT系列水清洁空气新式内燃机空气粉尘滤清器,改变了传统观念,用水作为过滤介质,空气滤清率很高。该产品应用领域广泛,市场前景广阔,是取代纸芯式和油浸式滤清器的先进的换代产品。

1技术诞生背景

内燃机自诞生以来,世界各国科技人员都在积极研究如何改进内燃机的结构以提高其性能,力求达到体积小、功率大、油耗低、污染小、寿命长等目标。经过近百年的应用与发展,其在很多方面,已取得了突破性成果并应用到现代内燃机上。但是,任何性能优越的内燃机,都会随着使用环境,尤其是空气环境的变化,在性能和寿命上产生很大的差异,有的使用寿命甚至低于正常使用寿命的50%以上,此类现象在农业机械、工程机械群中更是司空见惯。这不仅增加了机械的维修成本,而且由于机械性能的迅速下降直接造成燃油、润滑油的消耗量直线上升,从而导致废气污染超标,使用成本增加。究其原因,其中很重要的一条是内燃机的进气机构对进入气缸的空气清洁效果达不到标准要求,并且一直未能引起足够的重视而加以改进。

目前内燃机配备的空气滤清器,多采用阻隔式的纸质空气滤清器或油浴式网状滤清器,其原理是以阻隔方式收储空气中的沙粒粉尘,至今未有更多技术上的突破。当前内燃机配备的空气滤清器的纸质滤芯易损坏,透气性差,直接影响了内燃机进气的质量与流量,而导致内燃机的使用性能与寿命也不相同。在高转速、进气量大,特别是在恶劣空气环境(沙粒粉尘浓度大)下工作的内燃机(如挖掘机、装载机、收割机、推土机等),采用阻隔式空气滤清器,是不能满足内燃机正常运转所需要的空气流量的,且空气质量也难以达到要求,因此造成内燃机功率降低、寿命缩短、油耗增加、环境污染等问题。用这种阻隔收储的方式,将无法达到更高的滤清要求。纸质空气滤清器的滤芯,年平均更换12~15只,使用费用为1 000~2 000元。

2技术现状分析

内燃机安装空气滤清器,是为了防止在进气过程中,将含在空气中的沙粒粉尘吸入气缸,造成内部机件的磨损而降低使用性能、缩短使用寿命等不良后果。内燃机的进气量,按燃油比例:汽油机每燃烧1L燃油,需消耗15kg空气;柴油机每燃烧1L柴油需消耗800kg空气。1台中型工程车(如50装载机或0.8m3斗容量挖掘机)工作1d需燃烧200kg柴油,消耗160t空气,其中所含的粉尘量,采用阻隔过滤的方式,在空气条件恶劣的情况下,过滤后的沙尘附着在滤芯上,势必将随着时间推移,进一步降低过滤效果,无法保证内燃机正常运转所需的空气流量与质量。

3技术应用特性

利用水清洁空气新式内燃机空气粉尘滤清器这一新型国家专利产品,不仅能解决内燃机在任何恶劣空气环境下工作的净化除尘要求,保证其应有的动力性能和使用寿命;还充分利用了天然水资源,为内燃机提供辅助动力,节约石油能源;并具有缸内燃烧室清洁、防爆震,降低排气温度,减少废气污染等自然性能,不需更换滤芯,不会堵塞,不用清洗滤网,也不需增加任何控制装置,没有附加费用,只需换水。该产品一次性投入,终身受用。其是内燃机进气系统的1项重大科研成果,是内燃机空气滤清器的1次革命。

为了扩大该产品的使用范围,生产单位制定了内燃机空气粉尘滤清器的企业标准,在制定该标准的过程中,参照JB/T9755-1999内燃机纸质滤清器总成技术条件、JB/T9747-1999内燃机空气滤清器试验方法、JB/T2723-1996内燃机油浴及油浸式空气滤清器性能试验方法、JB/6004-1992内燃机油浴及油浸式空气滤清器试验方法等。在编制标准的过程中,对该KT系列内燃机空气粉尘滤清器的净化效率试验的计算公式,进行了重新设计。参考国家标准,原试验方法净化效率计算公式是(针对纸质滤心设计):

式中:η1—净化效率,%;ΔMs—测取相邻2次滤清器阻力增长期间,试验件在加粉尘前后的质量增量;Mf—测取相邻2次滤清器阻力增长期间,绝对滤心在加粉尘前后的质量增量。

由于KT系列内燃机空气粉尘滤清器还存在过滤液体消耗的事实,而公式(1)并没有考虑该项参数的变化。经改进后的净化效率计算公式是:

式中:η2—净化效率,%;ΔMs—试验件在加粉尘前后的质量增量;My—试验期间的失液量;Mf—加粉尘量。

公式(2)经上海内燃机研究所测试使用,认为公式正确。KFL400内燃机空气粉尘滤清器经上海内燃机研究所试验,滤清器净化效率99.7%,达到了Q/320706JAO01-2003的技术要求(试验报告编号:20SB05036;上海内燃机研究所2005年4月)。

KT系列内燃机空气粉尘滤清器的技术应用特性如下:

(1)技术原理。新式KT系列内燃机空气粉尘滤清器,是采用液体(水)对空气中沙粒粉尘吸附与净化的工作原理,将空气和水混合与分离,使含在空气中的粉尘被水吸收沉降,达到清除粉尘,保证空气清洁流畅进入气缸的目的,而不产生堵塞。当溶液因吸收粉尘浓度而浑浊时,可将其排放,另再加注清水(要求水清洁无污染)即可继续使用,因此该产品能在任何恶劣空气环境下长期使用,确保空气质量,并降低了使用与维修成本。该产品的除尘率经上海内燃机研究所试验结果为99.7%,高于国家规定标准0.2%。

(2)提高动力。原空气滤芯或滤网在进气过程中对空气产生阻力,大约消耗发动机功率3%,而本产品经上海内燃机研究所试验结果表明,空气阻力小于国家标准的1.36%,保证了应有的进气量和动力性能。空气经溶液清洁后,降低了温度,增加了氧的含量,可提高燃烧性能,增加功率。同时,产品还配有空气增压装置,增加了进气量,提高压缩比,使燃油充分燃烧,从而提高功率。该产品经安徽全柴动力股份有限公司试验结果,在(不开增压风机)自然状态下提高动力性能为2.5%。增加了发动机功率,延长了使用寿命。

(3)节约燃油。该产品的空气除尘介质为水,水不仅可对空气净化除尘,一定量的水分子随气流进入气缸与燃料混合燃烧,还可节约燃油。水的燃烧机理为,在高温情况下,水粒被油粒包围,水粒因受热膨胀爆炸,使包围它的油粒分散成更细小的微粒。这样,空气与燃油混合得更均匀,燃烧的速度更快。燃油中的重镏成分越多,其效果就越好。同时,水在1 400°C左右,有微量分解成氢和氧,水与燃料中的碳氢化合物与中间物反应,会产生一定的氢和一氧化碳,参与燃烧也会释放出一定的能量。该产品经安徽全柴动力股份有限公司试验结果,在(不开增压风机)自然状态下的节油率为1.6%。向内燃机进气管喷水节油技术,在我国汽车运输业中已使用约30年,至今一些地区还在广泛使用,很多节油技术资料中都介绍了较成熟的喷水节油经验。但目前已研制的一些喷水节油装置,多数产品结构复杂,且需要驾驶员手工控制,因而不能随内燃机工作状况自动调整来控制喷水量,所以未能得到广泛推广。本产品解决了让水分子随发动机的工作均匀进入气缸,水气的混合是在空气粉尘空滤内部完成的。其过程是:气流通过该产品时,首先和产品内部的水接触,在气流冲击下,水、气与内部结构的分离与旋流装置碰撞而形成混合雾气,气流急则雾气浓,气流缓而雾气稀,因此空气的湿度是随发动机的进气量而自动调节的。试验表明,随气流进入汽缸燃烧的水分子,按水与油比例不大于30%为最佳,节油率明显提高。

(4)防爆震。我国地广山多,海拔与气温变化较大。在海拔低、气温高的地区,内燃机在使用中产生突爆现象尤其严重,因突爆而造成损坏气缸床、烧蚀排气门等零部件的现象很多。为解决这类问题,喷水混合燃烧,是行之有效的防爆燃措施。水具有抗爆剂的功能,其作用是:水受热蒸发汽化时要吸收一定的热量,可使工作混合气温下降;同时,也会使一些炽热件的温度降低,这样火焰前锋面的传播也会降低,从而减少了爆震倾向。该产品使空气中含有一定份量的水,由于提高了抗爆能力,相当于提高了汽油的辛烷值,可以适当提高内燃机压缩比及增大点火(供油)提前角。另外,水还能软化气缸内的积碳,减少积碳的生成。

(5)减少排气污染,降低排气温度。据交通运输环境污染与控制教材介绍,在汽车的废气排放中,主要成分是氮氧化物(NOx),约占有害气体的95%,其对人体的中枢神经障碍、急性呼吸道疾病等有直接的影响。增加空气湿度,可控制NOx的排放。该产品实现了加水燃烧,与其他排放控制措施相比,降低NOx效果明显,而微粒(包括碳烟)一般不恶化甚至略有改善,经安徽全柴动力股份有限公司试验结果,降低排气烟度为22.7%,降低排气温度为0.53%。内燃机空气粉尘空滤的水容量是依据发动机的功率而确定的,水的消耗量(失液率是按国家规定的空气湿度技术要求g/m3≤0.5)是随配备的发动机每工作小时所吸收的空气量而设定的。一般为工作4~8h,可经产品透明管,视水吸收粉尘污染情况更换或补充(更换或补充水时,必须在发动机熄火后进行;冬季使用需在机器起动前加水,如长时间停车应放净水,防止结冰)。

(6)节约资源,降低使用成本。据统计,在正常使用情况惠下(以农业机械、工程机械为例)1部车辆每年需更换空气滤芯6~12只,平均每只滤芯约需20m2高级滤纸,全世界车辆每年消耗的空气滤芯难以统计。单因滤芯消耗的高级滤纸,就是很大的资源浪费。从单车使用成本计算,每只滤芯几十元到几百元不等,且滤芯本身具有对空气产生阻力等负面因素;而该产品(水滤)与之相比,不使用滤芯,不消耗资源,节约了滤清的开支,提高了机械性能,综合使用成本可节约10%以上。

(7)环保。车辆在使用中,大量的灰尘被吸附在滤芯的皱缝里而堵塞进气,因此滤芯需频繁清理。摔打方式清理容易损坏滤芯,用高压气流冲合适,但清理时灰尘烟雾弥漫;另外,还要定期更换滤芯,丢弃物等均污染环境。油溶网式滤芯需频繁清洗,浪费燃油,如在工地或田间,又很难将废油回收,废油也会污染环境。该产品排放的尘液没有环境污染,无丢异物。与老式产品外观相似、体积相近,安装方便,美观大方,适合任何恶劣空气环境的各种车辆与机械设备配置使用,达到延长使用寿命、降低使用成本、经济、节能、环保的目的。

(8)使用安全。该产品虽然以水为介质随气流涌入气缸对空气净化除尘,但不会因此损坏机件。对加注的水没有限量是不行的,需要按产品规定的发动机型号配备,因为产品内部的水容量与消耗率是在保证空气湿度与净化质量的基础上,按指定型号的发动机进气流量以1.0m2/h而设定的,产品的容积与水的容积之比,又是根据车辆运行中的最大爬坡倾斜能力和颠簸情况设计生产的。为方便注水,掌握注水量,需在注水口的下部,装有透明水标,并标有上下水位线(注水时保持水面位于刻线之间即可)。在水标线的上端装有安全液流阀,如注入的水位高于上刻线时,水会从液流阀自动流出,该阀还起到在车辆处于特殊情况时的自动排水作用。在产品的出气口处装有气水分离器,如空气的湿度太大或有水粒时,气水分离器便将水分沉降流回。因此,该产品在使用时,只要按标定水面注水,并按规定型号的发动机配备使用既可,十分安全。

(9)设定失液率,防锈蚀磨损。内燃机进气喷水节能、降污技术已推广近30年,对于水气混合空气湿度的要求,国家已制定标准规定为≤0.5g/m2,该产品达到进气喷水湿度要求,水的消耗量(失液率)即依据这一国家标准而设定。因此,不会对某些机件产生锈蚀、磨损等负面影响。

(10)科学配置。该产品的最佳配置方案是按配备机型设计生产。通常生产的产品型号规定是根据内燃机每工作小时的最大进气量而设定(如KT200型、KT400型等,型号的数字为每小时最大空气通过量),因此配备的内燃机每工作小时进气量不得大于产品型号规定的通气量,否则会产生失液率过大等现象。

4技术应用前景

该产品己通过国家技术监督局、标准计量局审定,核发了产品企业标准。该产品的技术数据由上海内燃机研究所、安徽全柴动力股份有限公司进行了多项性能指标的试验,所测试性能指标均优于国家标准。

KT系列内燃机空气粉尘滤清器是国家最新专利产品,专利号为ZL 01272884.5。利用水清洁空气的新式内燃机空气粉尘滤清器的诞生,是内燃机进气除尘装置的首选产品,具有空气净化质量高、通气性能好、不用更换滤芯、清洗方便、不会堵塞等优越性能。该产品在使用过程中,仅需添加一定量的溶液即可。添加和更换溶液的成本每年不到50元。在当今世界能源尤其是石油资源紧缺的形势下,作为一项节能效果明显的环保产品,其推广应用前景广阔。与原滤清器匹配使用时原空气滤芯不脏不堵,内燃机动力增大明显,进气管看不到灰尘。该产品构思巧妙,工艺简单成熟,无污染,且不需任何特殊材料。目前,在世界范围内尚未有类似产品上市,也未见有类似产品的研究报导。若能在上市的农业机械、工程机械等空气环境恶劣的设备上首先配置,则国内市场每年需求量约上百万只,国际市场暂未统计。随着产品的上市,人们对产品的认识加强,其他车辆也会配置使用,其需求量将会直线上升。该项目应用广泛,使用周期长,有广阔的市场,能以最低的投入实现最大的经济效益和社会效益。若能有效地对其专利加以保护,进一步增加科技含量,研制开发出系列化和相关配套的产品,则有望建成一家新型高科技、高效益的大型企业。该产品与同类产品相比,不仅是技术创新,而且是理念创新。该项技术的推广与应用,能节约大量的社会资源,更好地保护生态环境,必将创造出良好的经济效益和社会效益。

5参考文献

[1] 齐作哲,丁东.汽车节油技术[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1985.

[2] 《汽车节油经验选编》编写组.汽车节油经验选编[M].北京:人民交通出版社,1978.

[3] 苗志明.汽车节油常识[M].北京:人民交通出版社,1982.