汽車機(jī)油過濾用材料的結(jié)構(gòu)及過濾性能

馮建永，張建春，楊大祥

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620;2.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082;3.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

常用的汽車機(jī)油過濾材料有植物纖維(棉木漿濾紙)、無機(jī)纖維(玻璃纖維過濾紙及非織造布)、化學(xué)纖維(各種化纖的非織造布)。目前，國外生產(chǎn)汽車機(jī)油過濾材料有奧斯龍公司(AHLSTROM)、蘭德公司(LYPORE)、科龍公司(KOLON)、HV公司等。這些企業(yè)的技術(shù)較為成熟，同時為一些較大的汽車企業(yè)及品牌汽車提供專用的過濾材料。而國內(nèi)做汽車機(jī)油過濾材料的企業(yè)不多，汽車過濾材料基本依賴進(jìn)口［1－2］。

對于汽車機(jī)油濾清器濾芯用過濾材料的結(jié)構(gòu)及性能已經(jīng)在文獻(xiàn)［1－2］中分析過，主要研究了常用的汽車機(jī)油過濾材料及多層結(jié)構(gòu)以及性能。利用多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)，可以讓機(jī)油順利通過并將雜質(zhì)顆粒截留在過濾材料的孔隙表面、孔隙內(nèi)部以及形成的濾餅上。一些研究人員［3－5］已經(jīng)對這些過濾材料及性能進(jìn)行了簡單的分析，但基本沒有汽車機(jī)油過濾。在過濾過程中，經(jīng)常會發(fā)生堵塞及過濾效率的改變情況，一些研究人員［6－10］先是試圖列舉前人的過濾理論公式，然后進(jìn)行分析，得出別人理論的不足之處，隨后利用一些數(shù)據(jù)建立自己的擬合公式，這些公式在可應(yīng)用性方面有一定的不足之處。

在過濾過程中，多孔材料、雜質(zhì)顆粒以及試驗用油液的性質(zhì)比較關(guān)鍵，這些因素均會對過濾效果有影響［11］。在研究流體通過多孔材料方面，經(jīng)過理論驗證是正確的公式即著名的達(dá)西定律［12］，當(dāng)含有雜質(zhì)顆粒的機(jī)油通過多孔過濾材料時，也滿足達(dá)西定律，這個理論公式也是本文的理論基礎(chǔ)。

經(jīng)過前期的試驗測試［2］比較發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維非織造布具有較好的過濾性能，主要是由于玻璃纖維非織造布具有較小的纖維直徑、以及較小和分布均勻的孔徑、較大的孔隙率。所以本文采用玻璃纖維非織造布作為過濾材料來研究過濾性能，一個方面是可以借鑒這種結(jié)構(gòu)在以后開發(fā)新的過濾材料并且將性能進(jìn)行比較，另一方面是由于玻璃纖維直徑為圓形，可以方便理論計算。

1 流體通過多孔材料的理論基礎(chǔ)

當(dāng)流體通過多孔材料時，流體通過多孔材料的孔隙，主要的理論公式是達(dá)西定律［12］，其計算公式為

式中:Q為流體的流量，m3/s;A為過濾材料的面積，m2;J為流體的流速，m/s;k為滲透系數(shù)，m2;△p為壓差，kPa;μ為所用流體的黏度，Pa·s;L為多孔材料的厚度，mm。

2 雜質(zhì)顆粒過濾攔截模型的建立

含有雜質(zhì)顆粒的機(jī)油通過多孔過濾材料時，由于過濾前的油液中含有較多的雜質(zhì)顆粒，而一些雜質(zhì)顆粒在過濾之后會截留在過濾材料上，使得過濾后的雜質(zhì)顆粒數(shù)減少。如圖1(a)所示。而那些小粒徑的雜質(zhì)顆粒會通過過濾材料的孔隙繼續(xù)進(jìn)入機(jī)油中，這些較小顆粒的雜質(zhì)在汽車機(jī)油濾清器中會增加發(fā)動機(jī)的磨損，縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命。

圖1 含有雜質(zhì)顆粒的機(jī)油通過多孔過濾材料的過程Fig.1 Process of impurity particles passing through porous filtration material.(a)Filtration process;(b)Pressure drop;(c)Flow rate

設(shè)p1為機(jī)油流入過濾材料時的壓強(qiáng)，kPa;p2為機(jī)油流出過濾材料時的壓強(qiáng)，kPa，如圖1(b)所示。則過濾過程中的壓差可以由下式進(jìn)行計算

在過濾過程中，實驗時裁剪過濾材料面積為圓形，過濾材料的厚度為L，mm;直徑為D，cm;半徑為r，cm，如圖1(c)所示。

圖2示出雜質(zhì)顆粒的過濾情況，是根據(jù)Sakpal P P［13］及前期對過濾前后樣品的SEM照片觀察后的總結(jié)。圖2(a)為雜質(zhì)顆粒被截留在纖維與纖維之間三維無序排列的內(nèi)部開孔孔隙中，以及雜質(zhì)顆粒被截留在纖維與纖維之間三維無序排列的內(nèi)部半開孔的孔隙中，圖2(c)為雜質(zhì)顆粒被攔截截留在過濾材料的表面，以及一些較大顆粒被截留在纖維與纖維之間的孔隙表面，部分較小顆粒通過架橋被截留在孔隙表面。如果過濾時間較短，則濾餅過濾不明顯。在過濾開始階段，基本是非織造布材料的過濾，主要是通過纖維與纖維之間三維無序排列形成的孔隙實現(xiàn)表面過濾(圖2(b))及深層過濾(圖2(a))，隨著過濾時間的增加，濾餅開始形成，此時主要依靠濾餅進(jìn)行過濾(圖2(c))。

圖2 雜質(zhì)顆粒的過濾情況Fig.2 Particles intercepted in fiber and porous material.(a)Deep filtration;(b)Surface filtration;(c)Cake filtration.

本文實驗過程所用時間為50 min，實際的汽車機(jī)油過濾材料更換濾芯的周期是半年左右或者行駛一定公里路程(如1 000 km)之后需要及時更換，這樣形成的濾餅會比較明顯。

3 汽車機(jī)油過濾材料的多次通過實驗

3.1 過濾材料的選用

實驗所用材料為玻璃纖維非織造布，利用JSM-6360LV所觀察的掃描電鏡結(jié)果如圖3所示。利用掃描電鏡分析纖維平均直徑為3.42μm，利用電子天平稱量的平均定量為76.14 g/cm2，利用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀器測試的平均厚度為0.582 mm，利用YG461E電腦式透氣儀測試的平均透氣率為320.69 mm/s，利用YG065強(qiáng)力儀的條樣法實驗所測試的斷裂強(qiáng)力為22.419 N，斷裂伸長為2.565 mm。

圖3 過濾材料的SEM照片(×100)Fig.3 SEM image of filtrationmaterial( ×100)

根據(jù)孔隙率 ε的計算公式，計算可得 ε為95.07%。

式中:ε為孔隙率，%;ρ1為所用纖維密度，g/m3;m為過濾材料的定量，g/m2。

利用MP－15Kβx孔徑測試儀測試孔徑及過濾精度，結(jié)果如表 1所示，測試結(jié)果的平均孔徑為23.6μm。

表1 孔徑測試結(jié)果Tab.1 Pore diameter testing results

3.2 雜質(zhì)顆粒的選用

雜質(zhì)顆粒的主要成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、CaO、MgO、TiO2和K2O，各成分百分比含量分別為68% ～76%、10% ～15%、2% ～5%、2% ～4%、2% ～5%、1% ～2%、0.5% ～1%、2% ～5%。利用MS—2000激光粒度分析儀測試雜質(zhì)顆粒的粒徑分布曲線如圖 4所示，體積平均粒徑dn為13.076μm，加入所用機(jī)油中的濃度為200 mg/L。

圖4 雜質(zhì)顆粒直徑分布曲線Fig.4 Particles diameter distribution curve of impurity

3.3 汽車機(jī)油的選用

實驗所用機(jī)油為YH-15，在40℃時的密度為850 kg/m3，動力黏度為 μ =1.275 ×10－2Pa·s，其計算公式為

式中:v為機(jī)油的運動黏度，m2/s;ρ2為機(jī)油的密度，kg/m3; μ 為機(jī)油的動力黏度，Pa·s。

3.4 測試方法

3.4.1 孔徑測試原理

孔徑測試參照標(biāo)準(zhǔn)是GB 5249—1985《可滲透性燒結(jié)金屬材料氣泡試驗孔徑的測定》?？讖脚c氣泡壓力之間的關(guān)系為dm=4γcosθ/△P。式中:dm為測試的過濾材料的孔徑，m;γ為實驗液體表面張力，N/m;△P為在靜態(tài)下過濾材料上的壓差，在此實驗過程中，采用的實驗液體是異丙醇，接觸角θ=0°。

3.4.2 過濾性能測試

利用D-30多次通過實驗系統(tǒng)測試過濾性能，試驗原理參照測試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 18853—2002《液壓傳動過濾器評定濾芯過濾性能的多次通過方法》。

3.5 過濾效率計算公式

在過濾過程中，壓差可以通過壓差顯示器直接讀取，上下游的顆粒數(shù)濃度可以通過顆粒計數(shù)器在線檢測，材料的過濾效率E按下式進(jìn)行計算。

式中，c上游、c下游分別為上、下游的雜質(zhì)顆粒濃度，個/10mL。

纖維的過濾效率，其計算公式［14］如下

式中:α為堆積密度，η為纖維的過濾效率，L為過濾材料的厚度，mm;df為纖維直徑，μm。

PODGORSKI［14］提 到 用 質(zhì) 量 因 子QF(quality factor，Pa－1)來表示過濾效果，其計算公式如下

式中，△p為過濾材料兩側(cè)的壓差，Pa。QF值越大，過濾效果越好。式(6)不僅與過濾效率有關(guān)，更重要的是與過濾過程中過濾材料的壓差相關(guān)。

4 質(zhì)量因子變化情況

4.1 加入雜質(zhì)顆粒后的壓差變化

圖5示出過濾過程中壓差的變化情況，當(dāng)清潔油液通過過濾材料時，建立壓差與流量之間的實驗擬合曲線，其擬合方程為y=2.331 4x－0.826 67，R2=0.99，x為清潔油液的流量，y為過濾材料兩側(cè)的壓差?？梢妷翰铍S著流量的增加而增大。

圖5 過濾過程中的壓差變化情況Fig.5 Change of pressure drop.(a)Pressure drop-flow rate of cleaning filtration material;(b)Mass of particles-time(c)Pressure drop-time，(d)Mass of particles-pressure drop

向清潔油液中加入雜質(zhì)顆粒，加入的雜質(zhì)顆粒質(zhì)量與時間之間的關(guān)系如圖5(b)所示，此時，過濾材料的壓差會增加。壓差隨著時間及雜質(zhì)顆粒質(zhì)量的增加而增大。

當(dāng)未加入雜質(zhì)顆粒的機(jī)油通過過濾材料時，過濾材料上的壓差較小，加入雜質(zhì)顆粒后，在恒定流速(5.0 L/min)時，過濾材料兩側(cè)的壓差增大。

4.2 非織造布及纖維的實際過濾效率

圖6示出非織造布及纖維過濾效率變化。圖6(a)中非織造布的過濾效率是根據(jù)式(4)進(jìn)行計算。利用式(5)，以 ε =0.950 7，α =0.049 3，L=0.582 mm，df=3.42μm，A=113 cm2計算纖維的過濾效率。隨著過濾時間從5 min增加到50 min，非織造布對于不同粒徑雜質(zhì)顆粒的過濾效率均減小。在 35 min前，對于粒徑大于5μm、8μm、10 μm、15μm 顆粒的過濾效率變化趨勢較小，而在35 min后，均有較大幅度的減小趨勢。隨著雜質(zhì)顆粒粒徑依次從5、8、10、15 μm的增加，過濾效率均增加。但對于粒徑大于8μm、10μm、15μm這些較大顆粒，在35 min前，過濾效率的差異不明顯，只是在35 min后，3條曲線呈現(xiàn)出不同的差異。

纖維與非織造布的過濾效率均是隨著雜質(zhì)顆粒粒徑依次從5、8、10、15μm的增加呈現(xiàn)增加的變化趨勢(圖6(b))。并且非織造布的過濾效率大于非織造布中纖維的過濾效率，也就是說并不是非織造布中所有的纖維都能有效地過濾雜質(zhì)顆粒。

圖6 過濾效率變化Fig.6 Change of filtration efficiency.(a)Filtration efficiency of nonwoven;(b)Comparison of filtration between nonwoven and fibers

4.3 質(zhì)量因子的變化情況

實際上，在過濾效率變化的同時，過濾材料兩側(cè)的壓差也是不斷變化的(如圖5(c)所示)。從圖6(a)可以知道過濾過程中過濾效率的變化情況，但無法知道在過濾效率變化的同時，過濾材料兩側(cè)的壓差變化情況。結(jié)合式(2)、(4)和(6)，計算壓差的結(jié)果可以知道將過濾效率與壓差結(jié)合起來的質(zhì)量因子變化情況(如圖7所示)。

圖7 質(zhì)量因子的變化Fig.7 Change of QF

從圖7可看出，質(zhì)量因子的變化趨勢與過濾效率的變化趨勢基本一致。隨著過濾時間的增加，不同粒徑雜質(zhì)顆粒的質(zhì)量因子均減小。而隨著雜質(zhì)顆粒直徑的增大，其過濾質(zhì)量因子也呈現(xiàn)增大的趨勢。結(jié)合圖2可知，初始的一些較大顆粒(粒徑大可以等效為質(zhì)量也較大)會因為自身的重力作用和慣性作用沉積在過濾材料的表面，以及通過非織造布的孔隙結(jié)構(gòu)直接攔截一些顆粒，被攔截的單個顆粒的粒徑大于非織造布的孔徑或者幾個顆粒通過架橋作用形成一個結(jié)合體被截留在過濾材料表面，如圖2(c)所示。玻璃纖維直徑是3.42μm，非織造布的厚度是0.582 mm，由于非織造布的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖維直徑，可以認(rèn)為這些纖維在非織造布的厚度方向形成了很多纖網(wǎng)層。當(dāng)進(jìn)入纖網(wǎng)內(nèi)部的顆粒在通過開通孔(纖維三維雜亂排列所形成的孔隙是直通孔，孔道基本接近直線型)后，也會由于自身重力作用、直接攔截作用、慣性碰撞作用(圖2(a))、架橋作用(圖2(c))而被這些孔隙截留。如果進(jìn)入纖網(wǎng)內(nèi)部的顆粒通過半開孔(纖維三維雜亂排列所形成的孔是曲折變化的，孔道基本接近曲線型)，則會形成圖2(b)的過濾形式。很顯然，這些雜質(zhì)顆粒的直徑越大(非織造布的平均孔徑是23.6μm，顆粒粒徑是13.076μm)，則質(zhì)量也越大，重力沉積作用也越明顯，越易被這種孔隙特征所攔截。

隨著過濾時間的增加，這些顆粒首先在非織造布內(nèi)部直通孔和半開孔的孔隙堆積，形成堵塞，最后隨著沉積和攔截的顆粒越來越多，會在過濾材料表面形成依靠濾餅進(jìn)行過濾的顆粒層(圖2(c))。結(jié)合圖5(c)和圖6(a)可知，隨著過濾時間從5min增加到50min，玻璃纖維非織造布兩側(cè)的壓差增加，但過濾效率減小。從圖7可知，隨著時間的增加，不同粒徑的質(zhì)量因子均減小，利用質(zhì)量因子可以將壓差和過濾效率結(jié)合起來進(jìn)行表征。

5 結(jié)論

本文主要以纖維直徑為3.42μm，平均孔徑為23.6μm，孔隙率為95.07%，厚度為0.582 mm，面積為113 cm2的玻璃纖維非織造布作為過濾介質(zhì)，以顆粒直徑為13.076μm的A3粉作為雜質(zhì)顆粒，并且以動力黏度為1.275×10－2Pa·s的YH-15機(jī)油為試驗油液，利用D-30多次通過實驗臺模擬汽車機(jī)油的過濾過程并且測試過濾性能。主要得出以下3個方面的結(jié)論。

1)當(dāng)清潔油液流過過濾材料時，玻璃纖維非織造布兩側(cè)的壓差較小，并且壓差隨著油液流量的增加而增大。當(dāng)在清潔油液中加入雜質(zhì)顆粒后，在恒定流速條件下，玻璃纖維非織造布兩側(cè)的壓差增大，并且壓差隨著時間和雜質(zhì)顆粒質(zhì)量的增加而增大。

2)玻璃纖維非織造布及玻璃纖維的過濾效率均是隨著雜質(zhì)顆粒直徑的增大而增加，非織造布的過濾效率隨著時間的增加而減小。玻璃非織造布的過濾效率大于非織造布中玻璃纖維的過濾效率，也就是說并不是非織造布中所有的纖維都能有效地過濾雜質(zhì)顆粒。

3)利用過濾效率來表征過濾效果時，無法將壓差結(jié)合起來。而利用質(zhì)量因子來表征過濾性能可以將壓差和過濾效率結(jié)合起來。并且隨著過濾時間的增加，不同粒徑雜質(zhì)顆粒的質(zhì)量因子均減小。而且隨著雜質(zhì)顆粒直徑的增大，質(zhì)量因子也呈現(xiàn)增大的趨勢。

［1］ 馮建永，張建春，張華，等.汽車機(jī)油過濾用材料的研究現(xiàn)狀［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011(9):5－10.FENG Jianyong，ZHANG Jianchun，ZHANG Hua，et al.Study actuality of automobile oil filtration materials［J］.Technical Textile，2011(9):5 －10.

［2］ FENG Jianyong，ZHANG Jianchun，ZHANG Hua，et al.Study on the structure and performance of themulti-layer filter materials of automobile oil filter cartridge［J］.Advanced Materials Research.2012(396－398):1545－1548.

［3］ 戴天翼.過濾器:設(shè)計、制造和使用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:1－350.DAITianyi.Filter Design，Manufacture，and Use［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2009:1 －350.

［4］ 康勇，羅茜.液體過濾與過濾介質(zhì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:273 －295.KANG Yong，LUO Qian.Liquids Filtration and Filtration Materials［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2008:273－295.

［5］ 王維一，丁啟圣.過濾介質(zhì)及其選用［M］.北京:中國紡織出版社，2008:167－231.WANGWeiyi，DING Qisheng.Filtration Material and Selecting Using［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2008:167 －231.

［6］ THOMAS D，CONTAL P，RENAUDIN V，et al.Modelling pressure drop in HEPA filters during dynamic filtration［J］.Journal of Aerosol Science，1999，3(2):235－246.

［7］ WYSS H M，BLAIR D L，MORRIS J F，et al.Mechanism for clogging of microchannels［J］.Physical Review E，2006，74(6)，061402.

［8］ BAI R，TIEN C.Particle detachment in deep bed filtration［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1997，186(2):307 －317.

［9］ SONG CB，PARK H S，LEE KW.Experimental study of filter clogging with monodisperse PSL particles［J］.Powder Technology，2006，163(3):152 －159.

［10］ THOMASD，PENICOT P，CONTAL P，et al.Clogging of fibrous filters by solid aerosol particles experimental and modeling study［J］.Chemical Engineering Science，2001(56):3549－3561.

［11］ RUBENSTEIN D I，KOEHLM A R.Themechanisms of filter feeding some theoretical considerations ［J］.American Naturalist，1977，111(981):994.

［12］ KYUNGHWAN Y，KWANGSOK K，WANG X F，et al.High flux ultrafitration membranes based on electrospun nanofibers PAN scaffolds and chitosan coating ［J］.Polymer，2006，47(7):2434 －2441.

［13］ SAKPAL P P， LANDAGE S M， WASIF A I.Application of nonwovens for water filtration［J］.International Journal of Advanced Research in Management and Social Sciences，2013，2(2):28 －47.

［14］ PODGORSKIA，BALAZY A，GRADON L.Application of nanofibers to improve the filtration efficiency of the most penetrting aerosol particles in fibrous filters［J］.Chemical Engineering Science，2006，61(20):6804 －6815.

［15］ Hutten I.M.M. Handbook of Nonwoven Filter Media［M］.Elsevier，2007:369－377.