ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02M35/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к фильтровальным элементам воздухоочистителей двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в системах очистки воздуха карбюраторных и дизельных двигателей.

Известны и широко применяются для защиты двигателей от мелкодисперсных пылевых частиц специальные воздухоочистители, использующие в своей основе, фильтровальные элементы сухого типа, где фильтрующая перегородка выполнена из бумаги или нетканого материала. Обычно сухие фильтровальные элементы содержат штору из нетканого материала, собранную в гофры, уложенную по окружности между двумя перфорированными обечайками и загерметизированную по торцам пластизолевым пояском для торцового уплотнения в воздухоочистителе.

Недостатком этого воздухоочистителя является невысокое качество очистки, характеризующееся тем, что номинальная тонкость фильтрования составляет 10 мкм, а эффективность очистки 99,8% . Кроме того, известная конструкция рассчитана на ситовый эффект фильтрования, при котором пылевые частицы, имеющие размер, больший, чем размер на внешней поверхности гофрированной шторы, вызывают увеличение гидравлического сопротивления при фильтровании воздуха. Эффективность очистки 99,8% достигается только после того, как на внешней поверхности гофрированной шторы формируется задерживающий слой из пылевых частиц, который начинает работать как предочиститель. В первоначальный период работы элемента определенная часть мелкодисперсной пыли размером менее 5 мкм попадает в двигатель внутреннего сгорания, вызывая повышенный износ поршневой системы, в связи с чем уменьшается ресурс работы двигателя.

Таким образом, не смотря на простоту конструкции фильтрующие элементы серии РЭС не обеспечивают качественной и надежной очи стки воздуха вследствие использования принципа ситового фильтрования, поэтому на современном уровне развития техники в данной области проблема повышения качества очистки и надежности защиты двигателей от попадания пылевых частиц является актуальной и требует своего решения. Фильтрующие элементы строят по принципу глубинного фильтрования, при котором практически все частицы осаждаются в толщине объемного фильтрующего материала пропорционально размеру пор, изменяющихся по толщине материала, т. е. по глубине фильтрующего слоя. Таким образом, необходимо разработать конструкцию сухого фильтровального элемента, использующего в своей основе принцип глубинного фильтрования и осаждения частиц в структуре материала.

Из анализа известных технических решений установлено, что основным направлением повышения качества очистки и улучшения фильтровальных характеристик является применение в качестве фильтрующих перегородок волокнистых нетканых материалов.

Известен фильтровальный элемент воздухоочистителя, выполненный в виде непрерывных термозафиксированных спиралей из синтетических волокон, уложенных в цилиндрические кассеты, при этом спирали уложены с переменной плотностью в сечении, поперечном потоку воздуха, причем плотность укладки больше в зоне меньших сопротивлений.

Недостатком этого элемента является низкая эффективность очистки, обусловленная тем, что уложенные в спираль волокна образуют поры большего диаметра, равные диаметру спирали, что снижает тонкость фильтрования и эффективность задержания. Кроме того, укладка спиралей с переменной плотностью в сечении, поперечном потоку воздуха, увеличивает гидравлические сопротивление элемента, что также снижает эффективность работы элемента.

Известен элемент воздухоочистителя для двигателя внутреннего сгорания, выполненный из объемопористого эластичного материала и снабженный продольными фиксирующими стержнями, расположенными по концентрическим окружностям в два ряда с промежутками, фильтрующий элемент выполнен в виде ленты, огибающей стержни каждого ряда.

Недостатком этого технического решения, принятого за прототип, является невысокая эффективность очистки воздуха от пылевых частиц размером менее 5 мкм, обусловленная выполнением фильтрующего материала в виде ленты, имеющей небольшую толщину, что снижает эффект глубинного фильтрования. Кроме того, наличие фиксирующих стержней уменьшает площадь эффективной фильтрации за счет перекрытия части площади фильтрующей ленты, что повышает гидравлическое сопротивление и снижает эффективность и надежность очистки воздуха.

В сущности рассматриваемая конструкция не обеспечивает непрерывного изменения размера пор по потоку движения воздуха, чем обуславливается снижением эффекта глубинного фильтрования.

Цель изобретения - повышение фильтровальных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в фильтровальном элементе, состоящем из концентрично расположенных фильтрующих слоев взаимосвязанных полимерных волокон, последние выполнены с постоянным диаметром, уложены с уменьшающейся поверхностной плотностью в направлении от центра к периферии пропорционально изменению диаметра фильтрующих слоев и скреплены между собой в местах контакта аутогезионной склейкой.

Введение в предложенное изобретение нового существенного отличительного признака "полимерные волокна в фильтрующих слоях выполнены с постоянным диаметром" обуславливает образование однородной структуры фильтрующих слоев по толщине фильтровального элемента, что обеспечивает равномерность распределения потока воздуха при его очистке. В результате достигается снижение гидравлического сопротивления, равномерное осадконакопле- ние по глубинной самосвязанной волокнистой структуре и повышение ресурса работы, что приводит к повышению фильтровальных характеристик предложенного элемента.

Введение в изобретение второго существенного отличительного признака - "волокна уложены с уменьшающейся поверхностной плотностью в направлении от центра к периферии пропорционально изменению диаметра фильтрующих слоев" - приводит к появлению эффекта глубинного фильтрования, при котором более крупные пылевые частицы осаждаются в периферийных наружных слоях волокнистой структуры - элемента, а более мелкие - во внутренних глубинных слоях без повышения гидравлического сопротивления. Во взаимосвязи с первым признаком второй признак сообщает объекту изобретения новые свойства, которые невозможно достигнуть в результате использования известных технических решений, что свидетельствует об изобретательском уровне предложенного.

Поверхностная плотность является технической характеристикой волокнистой структуры материала, количественно определяется отношением веса укладываемых волокон к площади фильтрующего слоя, зависящей от диаметра рассматриваемого слоя. Очевидно, что при постоянстве диаметра волокон и их количества при увеличении диаметра слоев уменьшается поверхностная плотность. За счет уменьшения поверхностной плотности происходит увеличение межволоконного расстояния, т. е. увеличивается размер пор. Таким образом, при увеличении диаметра слоев в направлении от центра к периферии происходит плавное увеличение размера пор, чем достигается эффект глубинного фильтрования. В этом случае не происходит закупоривания пор твердыми пылевыми частицами, следовательно, за счет развитой глубинной структуры фильтровальных слоев увеличивается эффективность очистки, повышается ресурс работы, снижается гидравлическое сопротивление. Таким образом, второй отличительный признак в совокупности с первым обеспечивает повышение фильтровальных характеристик.

Взаимосвязь волокон между собой в местах контакта аутогезионной склейки препятствует раздвижке волокон при резкой смене работы двигателя внутреннего сгорания (резкое изменение расхода воздуха).

Увеличение количества закреплений волокон не позволяет осажденным частицам попасть в двигатель при гидравлических ударах или увеличении приемности, что повышает надежность очистки, ресурс работы и, следовательно, повышает фильтровальные характеристики предложенного фильтровального элемента.

На фиг. 1 представлен элемент в разрезе; на фиг. 2 - график изменения характеристик по толщине фильтрующих слоев.

Фильтровальный элемент (см. фиг. 1) представляет собой полый цилиндр, стенки которого составляют концентрично расположенные фильтрующие слои из взаимосвязанных полимерных волокон, увеличивающиеся по диаметру от центра к периферии от D₁ до D_п, поверхностная плотность которых изменяется обратно пропорционально изменению их диаметра, т. е.

ρsi

/ρs1 = D₁/D_i (см. фиг. 2). При этом задерживающая способность фильтровального элемента (размер пор) δ обратно пропор- циональна поверхностной плотности, т. е. δ_i~ 1/ρsi . Кроме того, полимерные волокна в каждом слое скреплены между собой в местах контакта аутогезионной склейкой.

Фильтровальный элемент работает следующим образом.

Запыленный воздух поступает к наружному фильтрующему слою и, проходя последовательно сквозь все фильтрующие слои, очищенный воздух поступает во внутреннюю полость фильтровального элемента и отводится к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания. Поскольку размер пор уменьшается от периферии к центру, более крупные пылевые частицы задерживаются во внешних фильтровальных слоях, а более мелкие - во внутренних слоях. Таким образом, пылевые частицы равномерно оседают по толщине фильтровального элемента, что приводит к повышению эффективности, ресурса работы и снижению гидравлического сопротивления элемента. Поскольку полимерные микроволокна в каждом слое скреплены между собой в местах контакта аутогезионной склейкой, что препятствует раздвижке волокон, фильтровальный элемент обладает повышенной устойчивостью к резким изменениям расхода проходящего сквозь него воздуха, что также повышает надежность и ресурс работы фильтровального элемента. (56) Авторское свидетельство СССР N 1373851, кл. F 02 M 35/02, 1988.

Использование: в машиностроении, в частности в устройствах фильтровальных элементах воздухоочистителей карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: фильтровальный элемент состоит из концентрично расположенных фильтрующих слоев из взаимосвязанных полимерных волокон. Размер пор элемента уменьшается от периферии к центру, а полимерные волокна скреплены между собой в местах контакта аутогезионной склейкой. 2 ил.

ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий концентрично расположенные фильтрующие слои, выполненные из взаимосвязанных полимерных волокон, отличающийся тем, что полимерные волокна выполнены с постоянным диаметром, уложены с уменьшающейся поверхностной плотностью в направлении от центра к периферии пропорционально изменению диаметра фильтрующих слоев и скреплены между собой в местах контакта аутогезионной склейкой.