重载荷发动机空气过滤纸的发展

张文 于天

摘要：重载荷发动机空气过滤纸是重载荷发动机空气过滤系统的关键材料，其性能优劣严重影响着发动机的工作稳定性和使用寿命。本文首先介绍了空气过滤纸对重载荷发动机的重要性，然后从技术发展的角度将空气过滤纸分为了四代，并对历代空气过滤纸的结构特点、发展动力和关键性能进行了介绍。并讨论了目前重载荷发动机空气过滤纸面临的挑战以及该纸种在我国的发展前景。

关键词：重载荷发动机;空气过滤纸;空气过滤系统

中图分类号：TS761.2

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.012

Abstract：Heavyduty air filter paper is the key material in the air filtration system of heavyduty engines， which affects engines stability and life profoundly. In this paper， the importance of air filter paper for heavyduty engines was discussed firstly. Then， from the standpoint of technological development， heavyduty air filter paper was divided into four generations and the structural characteristics， development motivation and key performance of each generation of heavyduty air filter paper were introduced. At last， this paper discussed the current technology challenges of heavyduty air filter paper and put forward expectations for its development in China.

Key words：heavyduty engines; air filter paper; air filtration system

重载荷发动机空气过滤纸（以下简称空滤纸）是重载荷发动机空气过滤系统的关键材料，其性能优劣决定了发动机在工作过程中是否能够得到充分保护，严重影响着发动机的工作稳定性和使用寿命。在过去一个世纪里，重载荷发动机的许多进步都与其空滤纸的升级和发展联系在一起[1]。本文结合重载荷发动机的技术及其空气过滤技术对重载荷发动机空滤纸的发展进行介绍和评述。

1重载荷发动机与空滤纸

重载荷发动机是用于大卡车、挂车牵引车、农机设备、非公路用工程机械、公交大巴和铁路机车等大型机车能源输出的发动机，是高端发动机先进技术集成的代表。其进气过滤系统的功能，在于向发动机提供清洁空气进行燃烧，使发动机能够以最少的功率损耗进行正常运转，同时保护发动机尽可能避免空气颗粒物的污染和磨损。发动机进气过濾系统的关键材料是空滤纸，它处于进气过滤系统的终端，即放在过滤系统的粗滤之后，用于对空气中的颗粒污染物进行过滤系统最高效率等级的过滤。如果进气过滤系统使用的滤纸过滤性能不良，空气中的颗粒污染物就会成为发动机杂质的主要来源，使发动机进气系统下游的电子传感器（如流量传感器（MAFS）、ACT传感器等）失效，并造成发动机磨损，甚至有可能导致发动机拉缸[2]。由于重载荷发动机高度技术集成，造价昂贵，因而其空滤纸的过滤性能要求处于车用空滤纸的高端位置。

2重载荷发动机空滤纸的发展

随着发动机技术向着高能量密度、小体积、低排放、超洁净化的方向发展，以及对发动机空气过滤技术和机理认识的不断深入，为了满足新型发动机对洁净度的苛刻要求，实现更高效率的过滤，重载荷发动机空气过滤纸的结构和性能也在不断进行优化和革新。

从20世纪50年代开始被广泛使用以来，随着市场需求的不断升级和对滤纸过滤机理认识的不断深入，滤纸纤维结构的选择和关键性能的要求也在不断发生变化（不仅是关键性能指标的大小，所要求的关键性能指标的种类也在发生变化），具体变化如图1所示。时至今日，按照在市场上兴衰更迭的次序来分，重载荷发动机空滤纸已经发展了四代。

2.1 第一代空滤纸

20世纪50年代，第一代空滤纸作为干式空气过滤系统的关键新材料开始出现。由于过滤性能提高，且日常维护清洁简易，它的出现使旧式的油浴式空气过滤系统逐步被淘汰。当时普遍认为空滤纸的过滤形式是深度过滤，为了便于生产和加工，第一代空滤纸定量较高，为130 g/m2以上，完全由植物纤维构成（空滤纸的SEM照片如图2所示）。另一方面，受当时流行观点的影响，认为透气度较大的滤纸有利于延长过滤系统阻力增加的时间，延长滤清器的使用寿命，故第一代空滤纸透气度较大——在200 Pa的压差下，透气度在350 mm/s以上。此外，在以上原因的推动下，第一代空滤纸的过滤效率不高，对标准测试尘的计重法[3]过滤效率约为98%。

2.2第二代空滤纸

随着空滤纸的广泛使用，空滤纸在实际使用过程中的过滤形式和对发动机过滤系统性能影响的认识得到了深化。这推动了空滤纸的性能和结构由第一代升级到了第二代。与第一代空滤纸相比，第二代空滤纸开始使用更细的植物纤维作为原料，空滤纸的定量下降至约115 g/m2，厚度和透气度也进一步降低[4]。之所以出现这一变化，主要是因为研究认识到空滤纸的过滤形式是表面过滤，也就是空气污染物主要被过滤在滤纸表面和表面的几层纤维上，而不是像之前认识的深度过滤——空气污染物主要被过滤在滤纸深处的孔隙中。在这一认识的推动下，空滤纸厚度可降低。同时，研究还表明，根据重载荷发动机空气过滤系统的设计和实际使用，影响它初始进气阻力的主要因素是管路的设计和空滤纸的使用面积，而不是空滤纸的透气度。这意味着在不影响发动机进气系统初阻的前提下，空滤纸的透气度可以有较大的下降空间来满足采用更细纤维原料、实现更高过滤效率的需要。由于使用更细的纤维原料可以提升空滤纸效率，而降低空滤纸厚度和定量又可以节省原料降低成本，这使得第二代空滤纸既提升了过滤效率（计重法过滤效率由第一代的98%提升至99%），更好地保护了发动机，又迎合了降低成本的商业需要。第二代空滤纸的出现，使第一代空滤纸快速遭到淘汰。图3是典型第二代空滤纸表面和截面的SEM照片。由图3可以看到，第二代空滤纸不仅采用了比第一代空滤纸更细的纤维，同时厚度也进一步降低。

2.3第三代空滤纸

在制造技术水平升级和对空气过滤过程认识得到进一步深入的推动下，第三代空滤纸根据使用环境的特点，在第二代空滤纸的基础上进行了革新。革新产生了两种第三代空滤纸：一种是非植物纤维化的空滤纸[5]，另一种是单面起毛的空滤纸。

在第二代空滤纸得到广泛使用的同时，其局限性也很快暴露出来。由于第二代空滤纸的厚度较低，导致其挺度较低，不利于其在使用过程中保持加工形状的稳定。同时，由于第二代空滤纸完全由植物纤维构成，在潮湿环境下使用时很容易因为吸水而变软，从而导致滤芯弯折、过滤系统阻力迅速提升，发生报警。即使重新回到干燥环境，潮湿空滤纸的性能恢复表现也不佳。为了克服这些局限，非植物纤维开始作为新原料被添加到空滤纸中来，从而形成了非植物纤维化的第三代空滤纸。由于非植物纤维不吸水，或吸水率较低，从而避免水的影响，使空滤纸在潮湿环境下可保持较好的性能。同时，非植物纤维的种类和规格可选，使得对空滤纸性能的调节获得了广阔的空间。如高模量的非植物纤维添加可以有效地提高空滤纸的挺度，使用比植物纤维更细的非植物纤维可以有效地提高空滤纸过滤效率（可使计重法过滤效率提升至99.5%）等。图4是典型非植物纤维化的第三代空滤纸表面和截面SEM照片。由图4可以看到，第三代空滤纸在保持第二代空滤纸厚度的基础上，使用了大量非植物纤维——图中圆形截面的规则纤维。

如果说非植物纤维化的第三代空滤纸是基于环境适应性提升的目的进行的革新，那么单面起毛的第三代空滤纸则更多的是考虑过滤性能和成本因素。之所以称这种空滤纸是单面起毛，主要因为它采用单面涂布的方式增强制造——这种制造方法使空滤纸的一面摸起来比较毛糙。具体来说，就是对空滤纸的出流面进行树脂涂布，而入流面则保持原纸的状态——总的涂布量（对原纸）由原来的20%～30%降低到15%～25%。这样做的好处在于可以使入流面的纤维处于较蓬松的状态、具有更好的三维Z向纵深，从而使滤纸表面在使用的过程中能够形成更为蓬松的滤饼，大幅提高空滤纸的容尘量，减缓空滤纸阻力的提升速度，延长空滤纸的使用时间，特别适用于干燥多尘的环境。图5是单面起毛的第三代空滤纸的SEM照片。从图5可以看到，由于没有树脂，空滤纸入流面的植物纤维结构清晰（可以看到植物纤维原纤化产生的细丝，这些细丝也能起到改善空滤纸过滤效率的作用），具有较好的三维特性;而出流面纤维则被树脂包裹和黏结。

2.4第四代空滤纸

在汽车排放标准不断提高和超洁净发动机研发的推动下，重载荷发动机空滤纸的过滤要求开始由计重法测试标准向与计数法测试标准结合迈进。之所以形成这一变化，是因为当滤纸的计重法过滤效率达到99.5%以后，实验室的很多细微条件，包括温度和湿度，都会对测试结果造成影响，使得计重法过滤效率测试在测试高效率空滤纸方面的准度、稳定性和区分度大打折扣。为了弥补这一不足，标准制定者将应用于洁净行业的计数效率测试方法引进到了发动机空滤纸的测试标准中，使原有标准的不足得到完善。通过计数法过滤效率的测试发现，原有计重法过滤效率为99.5%的第三代发动机空滤纸对0.3 μm颗粒的过滤效率最高不超过35%，而新发动机技术则希望能达到40%～55%。为了进一步有效地提高空滤纸的過滤效率，在第三代空滤纸的结构基础上引入超细纤维就成为了第四代空滤纸形成的关键。

为了在空滤纸中引入超细纤维，第四代空滤纸除了可以通过对原有技术体系和生产过程进行改进和升级，采用混抄的方法也可以将超细纤维引入到空滤纸中，还可以从学科交叉和现代技术集成的角度，将电纺纤维层或熔喷纤维层与第三代空滤纸复合[6]，从而形成新型结构的表面复合型第四代空滤纸。图6和图7分别是电纺纤维层复合和熔喷纤维层复合的第四代空滤纸SEM照片。

由图6和图7可以看到，比植物纤维细得多的电纺纤维层（可采用尼龙材料制成，纤维直径为90～500 nm）和熔喷纤维层（可采用PBT材料制成，纤维直径约为400～1000 nm）被复合在了第三代空滤纸的入流面。这一结构不仅可以有效地提升空滤纸整体的过滤效率，而且可以有利于在空滤纸表面形成滤饼，从而可以更易于通过反吹将过滤在空滤纸入流面的空气污染物吹掉，使空滤纸阻力得到恢复，提高空滤纸的可保养次数，延长使用时间。通常工况下，使用时间比传统滤材至少提高30%。

3重载荷发动机空滤纸的挑战

当今的重载荷发动机空滤纸需要更高的过滤精度、更长的使用时间、在热、湿环境下更好的耐久性能以及对道路烟、尘更好的净化能力。除此之外，它还面临着其他的挑战，包括安全性、环保性和成本最小化的压力等。

安全性方面，阻燃就是一个例子。由于点燃的香烟或是其他可燃物质被吸入空气进气系统，就有可能导致空滤纸燃烧引发意外。如果空滤纸使用阻燃化学品，就会大幅提高制造成本，并且这些化学品常常会导致空滤纸的其他性能降低（如强度）。在巨大的成本压力下，汽车工业对接受较高价格的阻燃空滤纸感到很勉强。另外，使用的阻燃剂必须是环保的。

环境方面，鉴于潜在的致癌性，不良挥发物的去除变得越来越重要，空滤纸需要改进或摆脱使用传统树脂，使其避免在加工和使用过程中挥发酚类、醛类物质。同时，也面临着废弃空滤纸带来的环境问题，所以应尽可能避免在空滤纸中使用难以自然降解的物质。此外，空滤纸的使用寿命需要延长，这样可以减少填埋或焚烧。

4我国空滤纸的技术产业现状与前景

经过几十年的发展，通过引进国外先进设备并自行自我消化，同时以高校和科研院所作为研发平台推进自主研发，我国已经基本形成了从空滤纸结构设计到工业化生产的研发、制造体系。

从研发方面来说，我国的高校和科研院所做了大量的工作，包括对空滤纸的纤维结构（特种纤维、非植物纤维、原纤化纤维、异型纤维等）[710]、纤维分布（比如梯度结构）对空滤纸性能的影响[11]，以及空滤纸专用树脂的合成及其对空滤纸性能的影响等[1213]。从“纸”的角度来说，以上研究充分覆盖了重载荷发动机空滤纸所需要覆盖的方向，而且在超细纤维或原纤化纤维的利用、梯度结构或者多层结构的影响等方向，可能还具有我国独到的特色。但是，由于我国的研究主要围绕“纸”这一概念来进行，因此研究也就主要是围绕造纸行业所涉及的技术来进行，且特别重视应用研究。为此，虽然我国在前三代空滤纸产品上取得了比较好的成就，但在第四代产品——涉及到造纸技术与电纺、熔喷等技术在跨学科融合方面、对过滤机理的深入理解和利用方面等，反应速度相对较慢。虽然目前东华大学的电纺纳米纤维复合滤材研究已开始步入产业化，但要在产品性能、稳定性和成本方面与国外技术竞争，可能还有一段路要走。

从制造方面来说，我国主要生产厂家分布在河北省、山东省、江苏省、浙江省和广东省几个地区，制造设备既有国外引进也有本土制造，以生产前三代空滤纸为主，个别有实力的公司正在与国内外专家开展合作，以通过引进或开发技术实现并推广国产的第四代空滤纸。

总的来说，我国的重载荷发动机空滤纸从研发到制造应用的体系都已形成，但目前在跨学科的高技术融合方面、过滤机理的研究方面以及客户定制的同步研发上面，与发达国家相比仍需要奋力追赶。

5结语

目前，我国已经成为了与北美和欧洲并重的汽车空滤纸市场。全世界最强的汽车空滤纸制造商都在中国展开激烈的竞争。特别是在技术和制造水平处于高端位置的重载荷发动机汽车过滤纸领域，技术和商业的竞争尤为激烈。由于起步较晚，惯性低成本竞争，技术积累和技术集成不足，造成在产品质量、产品性能上以及与客户的同步研发上，民族工业处于较为被动的位置。现在，我国的工业水平和技术水平已经发展到了新的高度。如果能够联系各方面力量，形成从过滤机理研究、跨学科融合研究，到生产制造，再到技术追踪反馈的技术链条，紧密联系上下游技术领域，普及技术知识，强化企业力量，就有可能使我国的民族工业能够制造出具有自主创新技术的高性能重载荷发动机空滤纸，并不断实现能够适应国际竞争的技术升级，适应国家发展战略的需要。

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（责任编辑：常青）