粗滤器

截留大型颗粒的设备

粗滤器用途是截留大型颗粒，替代一般的过滤器。当发动机工作时，含有灰尘的空气切向进入粗滤器，灰尘产生会离心力，在离心力的作用下，杂质粒子运动到粗滤器外圆内壁并通过排尘阀排出。

机器介绍

汽车的进气系统应当包含具有粗滤的功能粗滤器组件，粗滤器可以分离空气中的大颗粒杂质并将其排出，从而提高进入空气滤清器的空气质量，达到减少空气滤芯维护周期和延长滤芯寿命得目的。

为了满足更大功率发动机的需求，需要提高现有粗滤器的额定流量。本论文将对一种直通旋流式粗滤器进行改进，新的粗滤器与原有结构相比，拥有更大的额定流量，而流阻和粗率效率与原状态相比，相差不大。

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结构和功能

1 粗滤器结构和各零件的功能

粗滤器包含螺旋叶轮、导向筒、粗滤器壳和排尘阀四个零件。

（1）螺旋叶轮：分离灰尘和空气；

（2）导向筒：隔离灰尘，阻止灰尘进入粗滤器下游；

（3）粗滤器壳：固定螺旋叶轮和导向筒；

（4）排尘阀：排除灰尘。

2 工作原理

当发动机工作时，含有灰尘的空气切向进入粗滤器，灰尘产生会离心力，在离心力的作用下，杂质粒子运动到粗滤器外圆内壁并通过排尘阀排出。

改进过程

确定改进目标

额定流量、流阻和粗率效率是粗滤器的三个重要性能指数。它们三者之间存在这样的关系：额定流量越大，粗滤效率越高，而流阻会增加。根据三者关系和表1可以看出，这次改进的难点是如何限制流阻上升，保持原有粗率效率。

粗滤器改进分析计算

影响本粗滤器流阻和粗率效率的主要因素有：

粗滤器壳内径（螺旋叶轮外径） D，螺旋叶轮中轴径d1，导向筒进气口径d2，螺旋叶轮的有效高度h1，导向筒与螺旋叶轮的间距h2。

1、d2的确定

d2对与流阻和粗率效率的关系：d2越大，流阻越小，粗率效率越低；d2越小，流阻越大，粗率效率越高。d2在整个粗滤器中直接影响流阻的大小，因此，对于该参数我们主要从控制流阻的角度分析。由于流阻要求与原结构相同，因此两个截面处的气流速度应该不变。

2、d1和D的确定

螺旋叶轮的结构是制约粗滤器效率的最主要因素，因此d1和D的设计取值应从粗率效率角度考虑。

假定的叶轮中轴径d1不变，通过改变D增加气流的进气通道。无论额定流量如何变化，外界空气中的灰尘粒子是不会变的，所以粒子产生的离心力可以不变。

设进气口的原截面处流速为V前，杂质产生的离心力为F前；改进后的截面处流速为V后，灰尘产生的离心力为F后。

3、h1的确定

h1指的是螺旋叶轮的有效高度，h1越大则灰尘的路径越长，分离的效果越好，但气流在螺旋叶轮上产生的流阻也会越大。

为了确定该值的取值范围，我们对系数a进行分析：当a小于某一数值时，部分小质量的灰尘还没有被甩到粗滤器壳内壁，会随空气进入导向筒中间通道；当a大于某一数值时，大质量的灰尘已经全部沿粗滤器壳内壁旋转，但气流会继续在螺旋叶轮的叶片间流动的行程越长，空气产生的壁面摩擦阻力会越大（这种由于壁面摩擦造成的压力损失在短行程范围可以忽略）。

为此，我进行了这样一个试验：做成五个不同h1（h1=92、97、102、107、112）的螺旋叶轮，进行流阻和粗滤效率的对比。试验结果表明：当92≤a≤112时，流阻和粗滤效率变化不大，因此可以设定a=1，则h1后=h1前=97mm。

4、h2的确定

h2的大小对粗滤器的粗率效率有很大的影响。

设计的要点是如何控制分离后的灰尘能够正常地进入排尘阀。h2无论过大或者过小都会降低粗率效率。如果过大h2，分离后的灰尘沿粗滤器壳的内壁旋转向下运动，当运动到某一距离时，离心力逐渐减弱直至消失。这时，灰尘会与分离后洁净的空气会再次混合，一起通过导向筒的内通道进入下游。

当h2过小时，通过螺旋叶轮的分离作用，灰尘与空气分离并进入导向筒的外侧，但是由于离心力的作用还存在，灰尘可能会沿导向筒的外壁向上旋转运动，扰乱向下运动灰尘的轨迹，从而导致部分灰尘会在导向筒的进气口处被吸入导向筒的内通道，并进入下游。

因此，h2不能通过计算地方法来确定，只能依靠CFD流场模拟分析或试验室试验取值。我们依据以上确定后的参数制作螺旋叶轮、导向筒和粗滤器壳，并完成装配。通过改变h2的尺寸，测量数据。

可以看出，当h2=114mm时粗率效率最好，流阻也可以满足要求。因此，我们取h2值为114mm。综合以上设计过程，我们完成了粗滤器结构的改进，实现预想的目标。

5、进一步的改进

为了便于数值确定，以上设计的结果是在d1不变的前提下进行的，此时我们再谈论一下参数d1对粗滤器的影响。如果该数值变化，有可能会产生更复杂的设计过程。为此我又测试了四种d1结构的螺旋叶轮。对该粗滤器反复试验得到：当d1前≤d1后≤αd1前（α为d2的前后比率）时，粗滤器的流阻和粗滤效率变化不大。此外，还需要特别指出的是，前后两个螺旋叶轮中叶片的数量和螺旋升角是不变的。

总结

依据现有粗滤器参数，通过对截面流速和离心力的一系列分析和计算，将原有粗滤器的额定流量由600m3/h提升到960m3/h，且使改进后的粗滤器流阻和粗率效率没有改变。可以认为是一种粗滤器结构改进的过程，也可以看作是一种设计思路、设计方法。大家可参考本文提供的设计过程，将额定流量继续提高或者降低。

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