一种矿用车辆自洁式空气滤清器的设计研究

赵金国，韩 然，阎治安

(1.西京学院，西安710123；2.西安交通大学，西安710049)

0 引 言

空气滤清器是重型汽车发动机空气供给系统用来净化空气的必须装置，广泛用于汽油机、柴油机。目前，矿山机械大部分处于重度灰尘环境，风沙大的地区。虽然已经有些新式的空气滤清器应用，但还存在着一些缺点。由于无法满足进气质量的要求，一些在沙漠中工作的工程车辆每天需要清洗多次。尤其是在多尘地区使用的矿用自卸车辆，其进气系统空气滤清器经常性堵塞，使用寿命短，经济性差，停车保养频率高，出现进气阻力大、发动机维修周期短等问题[1]。

本文设计了一种矿用自卸车辆自洁式空气滤清器装置，来实现多尘环境下延长发动机滤清器的使用寿命，实现了进气系统最佳工作特性。它采用废气引射、气源吹气和主滤清器结构改进等共同结合的方式[2]，由发动机电脑(以下简称ECU)控制该装置的传感器和执行电机工作，调节所需电机转速，粉尘从排尘口排出，以达到清洁空气滤清器、提高进气效率的目的。

1 基本结构和工作原理

1.1 基本结构

一种矿用自卸车辆自洁式空气滤清器装置使用空心杯转子电机、发动机排气管废气和气源吹气机构组成[3]，自洁式空气滤清器装置结构图，如图1所示。

图1自洁式空气滤清器装置结构图

1.2 工作原理

本文采用空心杯转子电机，该电机的特点是转子轴的轴向为空心，以便作为空气通道，进行空气的流通[4]。它要满足可靠适时地转动、调速、制动。调速方法采用变频器调速，转速调节范围设计为50～2 500 r/min。该电机由汽车发动机ECU控制，空心杯转子电机连接线端子连接到发动机ECU，发动机ECU通过接收发动机各传感器反馈信号后，命令空心杯转子电机转动，可根据发动机的不同工况要求自动调节电机转速，电机转速随发动机转速的增降而增降。空心杯转子电机工作示意图，如图2所示。

图2空心杯转子电机工作示意图

首先在进气管口处安装空心杯转子电机，空气滤清器外壳则安装在空心杯转子电机另一侧，空气滤清器外壳端的外壳盖内安装有轴承，将空气滤心安装进空气滤清器壳内，卡置在轴承卡槽上，并与空心杯转子电机紧贴。空气滤心在空心杯转子电机的转动下，将空气中的颗粒物甩到空气滤清器壳体内壁上，并随滤清器壳体内壁下沉到壁底，沉积在空气滤清器壳体粉尘排放口处。

从发动机排气歧管连接废气引射管直接连接到粉尘排尘口，在引射管部分中靠近发动机排气歧管部分安装空气散热器，用于给废气引射管中气体降温。在引射管部分中靠近空气滤清器粉尘排尘口处，安装有电磁进气阀和粉尘报警传感器。当空气滤清器底部粉尘排放口的粉尘达到警戒量时，促使安装在排尘口内的粉尘报警传感器报警，该传感器通过端子线将信号传递给发动机ECU，发动机ECU将指令传给安装在发动机排气引射管上的进气电磁阀，进气电磁阀动作，进气通道打开，将发动机排气歧管内的气体通过引射管连接到粉尘排放口，利用引射管内的气体力量喷吹方法，将粉尘排放口内的颗粒物喷吹出空气滤清器总成界外。粉尘报警传感器与发动机ECU的连接电路图，如图3所示。

图3粉尘报警传感器与发动机ECU的连接电路图

2 空滤流场仿真分析

当空心杯转子电机带动空气滤心转动时，将产生气流旋转。在发动机转速降低时，所要求的气流小时，流速随之减小。其气流旋转的离心力很小，不足以分离空气中的尘埃颗粒。因此，有必要提高空心杯转子电机的转速，以提高低速气流旋转时的气流速度，降低进气阻力[5-6]。

空气滤清器的空气流量是空气过滤器的标准，根据空气流量40%、60%、80%、100%和120%的额定风量来采集。空载和负载工况下，改进前与改进后空气滤清器进气阻力与流量的关系，如图4所示。随着进气量的增加，进气阻力随抛物线关系的增大而增大。在负载条件下，增加趋势更为明显，空气滤清器本身引起的空气阻力是主要原因[7-8]。

图4改进前与改进后滤清器进气阻力与流量的关系图

实验是在同等车型、同等环境中进行，滤清器在改进前和改进后两种状况下的效果分别对比。通过实验结果的数据分析可得，初始进气阻力均随进气流量增加而增加，改进后比改进前滤清器进气阻力降低。改进前与改进后滤清器进气阻力的比较，如图5所示。改进前与改进后两种滤清器的使用效果对比图，如图6所示。

图5改进前后的滤清器进气阻力比较图

图6改进前后两种滤清器的使用效果对比图

改进前与改进后滤清器部分的压力分布及流线，如图7所示。改进前与改进后滤清器部分的速度分布及流线图，如图8所示。改进前与改进后滤清器各部分的压力均值对比，如图9所示。改进前与改进后滤清器各部分的速度对比，如图10所示。通过对比发现，改进后效果显著，滤清器的压力范围大幅度降低，滤清器中空气旋涡流动顺畅。且改进后的空气滤清器中空气阻力明显减少，由最大压力2612.44Pa下降至776.2Pa，压力差为18.2%。改进后空气滤清器中的空气流动性能增强，还避免了空气交叉压力的出现，避免了局部压力过大的情况发生。

(a)改进前的压力云图

(b)改进后的压力云图

图7改进前与改进后滤清器部分的压力分布及流线图

(a)改进前滤清器

(b)改进后滤清器

图8改进前与改进后滤清器部分的速度分布及流线图

图9改进前后滤清器各部分的压力对比图

图10改进前后滤清器各部分的速度对比图

实验样机如图11所示。

图11实验样机

3 结 语

本文针对车辆进气系统进行优化，设计适宜在多尘条件下工作的矿用车辆进气系统，设计矿用车辆自洁式空气滤清器装置，采用空心杯转子电机作为执行元件，带动滤心转动，使其表面进行甩尘；同时采用废气引射匹配发动机动力系统，增加自洁反吹系统，在粉尘排放口堵塞达到一定程度时，报警阀门打开，通过引射管气体压力将其吹出。

经过实验分析研究，证明该装置改进后，可操作性较强，有利于排尘。已达到清洁空气滤清器，提高进气效率，更好地保护发动机，延长滤心保养周期，使矿用车辆拥有更高的作业效率的目的。

根据设计与实验得到以下结论：

1)利用空心杯转子电机作为执行元件，带动空气滤心转动甩尘、排尘，可操作性较强。其新型防尘、排尘原理，对自洁式空气滤清器是一个新的结构创新。

2)废气引射与自吹系统相结合，使系统更稳定、更加容易保养。为多尘条件下工程机械车辆提供一套进气系统的研发体系，将研发成果应用于其他工程机械，市场效益巨大。