RU2006653C1 - Filtering member for air cleaner of internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: filtering member consists of concentrically arranged filtering layers made of interconnected polymeric fibers. Size of member pores decreases in the direction from periphery to the center. The polymeric fibers are interconnected at sites of contacts by self-gluing. EFFECT: improved air cleaning. 2 dwg

Description

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. The invention relates to mechanical engineering, in particular to filter elements of air cleaners of internal combustion engines, and can be used in air purification systems of carburetor and diesel engines.

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. Special air cleaners are known and widely used to protect engines from fine dust particles, using basically dry filter elements, where the filter membrane is made of paper or non-woven material. Typically, dry filter elements contain a curtain of nonwoven material, assembled in corrugations, laid around the circumference between two perforated shells and sealed at the ends with a plastisol band for mechanical sealing in the air cleaner.

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. The disadvantage of this air purifier is its low cleaning quality, characterized in that the nominal filter fineness is 10 μm, and the cleaning efficiency is 99.8%. In addition, the known design is designed for sieve filtering effect, in which dust particles having a size larger than the size on the outer surface of the corrugated curtains cause an increase in hydraulic resistance when filtering air. A cleaning efficiency of 99.8% is achieved only after a delaying layer of dust particles is formed on the outer surface of the corrugated curtain, which begins to work as a pre-cleaner. In the initial period of operation of the element, a certain part of fine dust with a size of less than 5 microns gets into the internal combustion engine, causing increased wear of the piston system, and therefore, the life of the engine is reduced.

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. Thus, in spite of the simplicity of design, the filter elements of the RES series do not provide high-quality and reliable air purification due to the use of the sieve filtering principle; therefore, at the current level of technological development in this field, the problem of improving the quality of cleaning and the reliability of protecting engines from dust particles is relevant and requires its decision. The filter elements are built on the principle of deep filtering, in which almost all particles are deposited in the thickness of the bulk filter material in proportion to the pore size, varying in the thickness of the material, i.e., the depth of the filter layer. Thus, it is necessary to develop the design of a dry filter element that uses the principle of deep filtering and particle deposition in the structure of the material.

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. From the analysis of known technical solutions it was found that the main direction of improving the quality of cleaning and improving filtering characteristics is the use of fibrous nonwoven materials as filter baffles.

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. Known filter element of the air cleaner, made in the form of continuous heat-fixed spirals of synthetic fibers laid in cylindrical cartridges, while the spirals are stacked with a variable density in cross section, transverse to the air flow, and the packing density is greater in the zone of lower resistances.

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. The disadvantage of this element is the low cleaning efficiency due to the fact that the fibers laid in the spiral form pores of larger diameter equal to the diameter of the spiral, which reduces the filter fineness and retention efficiency. In addition, laying spirals with a variable density in the cross section transverse to the air flow increases the hydraulic resistance of the element, which also reduces the efficiency of the element.

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. A known element of an air purifier for an internal combustion engine made of a bulk-porous elastic material and provided with longitudinal fixing rods arranged in concentric circles in two rows at intervals, the filter element is made in the form of a tape enveloping the rods of each row.

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. The disadvantage of this technical solution, adopted as a prototype, is the low efficiency of air purification from dust particles less than 5 microns in size, due to the implementation of the filter material in the form of a tape having a small thickness, which reduces the effect of depth filtering. In addition, the presence of fixing rods reduces the area of effective filtration due to the overlap of a part of the area of the filter tape, which increases the hydraulic resistance and reduces the efficiency and reliability of air cleaning.

В сущности рассматриваемая конструкция не обеспечивает непрерывного изменения размера пор по потоку движения воздуха, чем обуславливается снижением эффекта глубинного фильтрования. In essence, the design under consideration does not provide a continuous change in pore size in the air flow, which is caused by a decrease in the depth filtering effect.

Цель изобретения - повышение фильтровальных характеристик. The purpose of the invention is the improvement of filter characteristics.

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. This goal is achieved by the fact that in the filter element, consisting of concentrically arranged filter layers of interconnected polymer fibers, the latter are made with a constant diameter, stacked with decreasing surface density in the direction from the center to the periphery in proportion to the change in the diameter of the filter layers and bonded to each other at the contact points gluing together.

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. Introduction to the proposed invention a new significant distinguishing feature of "polymer fibers in the filter layers made with a constant diameter" causes the formation of a homogeneous structure of the filter layers across the thickness of the filter element, which ensures uniform distribution of air flow during cleaning. As a result, a decrease in hydraulic resistance, uniform sedimentation along the deep self-connected fibrous structure and an increase in the service life are achieved, which leads to an increase in the filtering characteristics of the proposed element.

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. Introduction to the invention of the second significant distinguishing feature - "the fibers are laid with decreasing surface density in the direction from the center to the periphery in proportion to the change in the diameter of the filter layers" - leads to the appearance of depth filtering, in which larger dust particles are deposited in the peripheral outer layers of the fibrous structure - element , and smaller ones - in the inner deep layers without increasing hydraulic resistance. In conjunction with the first feature, the second feature informs the subject of the invention of new properties that cannot be achieved by using known technical solutions, which indicates the inventive step of the proposed.

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. Surface density is a technical characteristic of the fibrous structure of the material, quantitatively determined by the ratio of the weight of the laid fibers to the area of the filter layer, depending on the diameter of the layer under consideration. Obviously, with a constant diameter of the fibers and their number, with an increase in the diameter of the layers, the surface density decreases. Due to a decrease in surface density, an increase in the interfiber distance occurs, i.e., the pore size increases. Thus, with increasing diameter of the layers in the direction from the center to the periphery, a gradual increase in pore size occurs, thereby achieving the effect of depth filtering. In this case, clogging of the pores by solid dust particles does not occur, therefore, due to the developed deep structure of the filter layers, the cleaning efficiency increases, the service life increases, and the hydraulic resistance decreases. Thus, the second distinguishing feature in conjunction with the first provides an increase in filtering characteristics.

Взаимосвязь волокон между собой в местах контакта аутогезионной склейки препятствует раздвижке волокон при резкой смене работы двигателя внутреннего сгорания (резкое изменение расхода воздуха). The interconnection of the fibers with each other at the contact points of the autogesion bonding prevents the fibers from sliding during a sharp change in the operation of the internal combustion engine (a sharp change in air flow).

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. The increase in the number of fiber fixations does not allow the deposited particles to get into the engine during water hammer or increase in intake, which increases the reliability of cleaning, service life and, therefore, increases the filtering characteristics of the proposed filter element.

На фиг. 1 представлен элемент в разрезе; на фиг. 2 - график изменения характеристик по толщине фильтрующих слоев. In FIG. 1 shows an element in section; in FIG. 2 is a graph of changes in the characteristics of the thickness of the filter layers.

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.The filter element (see Fig. 1) is a hollow cylinder, the walls of which are concentrically arranged filter layers of interconnected polymer fibers, increasing in diameter from the center to the periphery from D ₁ to D _p , the surface density of which varies inversely with the change in their diameter, i.e.

ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{s}}{\text{i}}$ /ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{s}}{\text{1}}$ = 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/ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{s}}{\text{i}}$ . Кроме того, полимерные волокна в каждом слое скреплены между собой в местах контакта аутогезионной склейкой.ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{s}}{\text{i}}$ / ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{s}}{\text{1}}$ = D ₁ / D _i (see Fig. 2). In this case, the retention ability of the filter element (pore size) δ is inversely proportional to the surface density, i.e., δ _i ~ 1 / ρ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{s}}{\text{i}}$ . In addition, the polymer fibers in each layer are bonded to each other at the contact points by auto-adhesion bonding.

Фильтровальный элемент работает следующим образом. The filter element operates as follows.

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.  Dusty air enters the outer filter layer and, passing successively through all the filter layers, the cleaned air enters the internal cavity of the filter element and is discharged to the cylinders of the internal combustion engine. As the pore size decreases from the periphery to the center, larger dust particles are trapped in the outer filter layers, and smaller ones in the inner layers. Thus, dust particles uniformly settle along the thickness of the filter element, which leads to increased efficiency, service life and reduced hydraulic resistance of the element. Since polymer microfibers in each layer are bonded to each other at the contact points by auto-adhesion bonding, which prevents the fibers from expanding, the filter element is highly resistant to sharp changes in the flow rate of air passing through it, which also increases the reliability and service life of the filter element. (56) Copyright certificate of the USSR N 1373851, cl. F 02 M 35/02, 1988.

Claims (1)

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.  FILTERING ELEMENT OF THE AIR CLEANER OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE, containing concentrically arranged filter layers made of interconnected polymer fibers, characterized in that the polymer fibers are made with a constant diameter, are laid with decreasing surface density in the direction from the center to the periphery of the layers and is proportional to the diameter change at contact points by autogesion bonding.

Images