空氣濾清器濾芯的進氣順暢性及穩健性試驗技術研究

陳士杰 尤妍嫻

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

空氣濾清器濾芯的進氣順暢性及穩健性試驗技術研究

陳士杰 尤妍嫻

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

基于臺架試驗提出了一套完整的空氣濾清器濾芯測試方法和評價標準，并將該試驗規范應用于某車型進氣系統。局部堵塞試驗中，當空濾有效面積減小1/3時，順暢性影響不明顯，背壓最大增量約為1 kPa，5區最易引起穩健性的下降；整體加灰試驗中，加灰量分別為50 g、100 g、150 g、200 g，進氣順暢性及穩健性的惡化狀況與加灰量成正比，且該空濾的容灰極限在100 g。

1 前言

空氣濾清器濾芯能濾除空氣中的灰塵和沙粒，從而保證氣缸中進入足量清潔的空氣，其對發動機的動力性能及使用壽命有很大影響。針對轎車的進氣系統，國內也在開展相關研究，姜大軍綜述了進氣系統的幾種核心試驗方法[1]；由文獻[2]～文獻[4]可知，針對進氣空氣流量傳感器的試驗方法和檢測設備在國內外已有較為廣泛的應用；龐劍等主要從流場及噪聲的角度介紹了進氣系統及赫爾姆茲腔的設計要求[5]。目前還沒有專門針對空氣濾清器濾芯且符合通用標準的試驗規范。為了給國內空氣濾清器濾芯制造廠商提供一套可靠的、符合測試標準的評價系統，同時也為新型濾芯的研發提供試驗平臺，本文提出了一套可適用于各種空氣濾清器濾芯的試驗流程。

2 計算模型及測試流程

2.1 計算模型

空氣濾清器濾芯通常由濾紙、塑料件和橡膠膠體組成。其中，濾紙需要承擔高效率的空氣清潔工作，其將絕大部分雜質阻擋并粘附在濾紙上，且不能給空氣流通增加過多的阻力，因此其通常被加工出許多細小的褶皺。需要注意的是，只要濾芯沒有出現破損或坍塌，隨著孔隙逐漸被灰塵填充，過濾效率和進氣阻力都會上升。塑料件相當于濾芯的骨骼，主要為濾紙提供支撐和保護。橡膠膠體主要作用是密封，防止未經過濾的空氣進入發動機。

研究濾芯堵塞對發動機的影響主要是考核進氣系統的兩大指標：順暢性及穩健性。

順暢性主要與進氣系統的形狀有關，表征濾芯進灰后一定壓力下空氣的通過能力，通常用背壓來衡量。背壓計算公式為：

式中，Pabs為絕對壓力；Patm為大氣壓。

進氣系統的穩健性主要通過流量偏差和噪信比（N/S）來進行評估，這兩項指標都通過空氣流量傳感器（Mass Airflow Sensor,MAF）獲取。MAF位于節氣門前，用于測量進氣容量和密度，并將信號傳遞給ECU，其檢測結果是ECU計算并控制噴油量和噴油時間的主要依據。穩健性的評估通常針對多次重復性試驗進行，如果證明進氣系統對這些噪聲因子是穩定的，則其對于更小的噪聲會有更高的穩健性，如濾芯材質微小瑕疵、褶皺等都不會影響發動機的信號采集和噴油量計算。

流量偏差指實際流量和目標流量之間偏差的百分比，用以衡量濾芯的散差。噪信比是指原信號中并不存在的無規則的額外擾動信號與原信號的比值，反映某一流速點下流場的變化。

試驗開始后，根據發動機的工作流量范圍設定測試流速點，由MAF采集目標流速下的頻率數據。通常MAF的采樣頻率可達500 Hz以上，同一個流速下取樣6 000個點，因此輸出頻率實際是6 000個采樣點的均值。在每根單次試驗的曲線上，通過曲線擬合獲得目標流速下的頻率值ft；以濾芯正常狀態下的測試結果f0為基準并在其曲線上取調整流量點的±0.5%，將相應的頻率值求得其斜率i，則流量偏差的計算公式為：

噪信比計算公式為：

式中，σ為標準差；n為樣本個數，此處取為6 000；fi為樣本頻率值；為樣本均值；置信區間為2σ，代表95%的置信度。

2.2 測試流程

濾芯在各種實際工況下，發生堵塞的位置及程度差異很大，試驗中無法如實模擬各種堵塞狀況，但可粗略歸納為局部進灰和整體進灰兩種工況，因此對濾芯在試驗室條件下的測試可以分別采用局部堵塞和濾芯均勻加灰來進行模擬。

首先進行局部堵塞試驗，試驗前需對樣件進行處理。將濾芯沿縱向及橫向依次用布基膠帶貼去1/3面積，根據公式（2）和公式（3），以MAF的頻率信號與正常狀態下的試驗結果對比，由田口（Taguchi）原理可知，偏差及噪信比若小于一定的范圍，則認為整個進氣系統對一般及更小的濾芯堵塞狀況完全不敏感。膠布也需同時將被封閉側的濾芯邊緣（側面濾紙）密封，以考核其順暢性及穩健性。

現對某車型的進氣系統濾芯進行劃分。整塊濾芯分兩次劃分，每次劃分成3塊，區域1～3為垂直濾紙的方向，區域4～6為沿濾紙分布方向，其中1區為進氣管從大氣中進氣區域，其平面模型如圖1所示。

圖1 濾芯劃分平面圖

將完成局部試驗后的濾芯從進氣系統中取出，清理正面及側面的所有膠痕，隨后進行整體加灰試驗。使用加灰器在濾芯表面均勻噴上一定量的灰塵，同樣考核加灰前后背壓、偏差及噪信比3項參數的變化情況。本次試驗的加灰量分別為50 g、100 g、150 g、200 g。

3 測試系統的構成和工作原理

試驗所使用的試驗臺架為美國Flow Systems公司生產的進氣系統流量試驗臺，核心部件是音速文丘利噴嘴，其結構如圖2所示。

氣體從前端進口進入，到達喉部后由于管徑迅速減小，此時氣體流速上升而密度下降，隨后噴管管徑逐漸增大。由于這種特殊結構，氣體到達喉部后流速可達到最大值，理想速度甚至可以達到聲速。通常音速噴嘴進口處與出口處的壓力之比可達到1.4以上。音速噴嘴流量公式為：

式中，P1為進口前的絕對壓力；A為音速噴嘴的喉部截面積；C*為臨界流函數；Cd為流量系數；R為氣體常數；T1為進口前絕對溫度。

冷流試驗臺的原理如圖3所示。將不同口徑的音速噴嘴安裝在主管的各路歧管內，從而使通過各歧管的空氣流量不同，當噴嘴后的電磁閥打開后，喉部流速一旦達到音速條件，氣流流量將是一個定值。音速噴嘴后的壓力傳感器用來監測其是否達到音速條件。

圖3 試驗臺原理示意

通過噴管的氣流主要決定因素有4項：氣流溫度、大氣壓力、空氣濕度、噴管尺寸。所用傳感器的型號及參數見表1。

表1 傳感器型號及參數

試驗開始后，由真空泵抽吸作用產生負壓，以此來模擬發動機的吸氣工作過程，系統經過計算后，自動按照流量的設置打開一根或多根音速噴管，以匹配目標流量，從而模擬汽車發動機進氣管道內的空氣流量環境，由于發動機的最大進氣量通常都在450 g/s以下，因此12根不同口徑的音速噴嘴即可通過互相組合來滿足450 g/s以下的所有流量。由于真空泵產生的負壓，使空氣流從進氣口處進入，經過進氣系統、試驗臺、真空泵最后進入大氣，完成一個循環的過程。各傳感器的信號由PC機的數據采集模塊統一記錄并存儲，試驗臺整體結構如圖4所示。

圖4 試驗臺整體結構示意

試驗臺的操作界面如圖5所示，其特點是界面友好，功能齊全。

圖5 系統軟件操作界面

試驗進行過程中，需要注意以下幾點：

a.進氣系統通過底座夾具固定，且各固定點之間相對位置需與實車一致；

b.波紋管應處于自然狀態，無明顯扭曲；

c.適配器的內徑需與發動機喉部的尺寸相同；

4 試驗測試

運用該試驗流程對某車型進氣系統進行測試。

4.1 局部堵塞試驗

局部堵塞試驗共分7組，試驗前先按照圖1的方法將其濾芯依次劃分成6個區。第1組試驗測試中濾芯處于正常狀態，第2～7組試驗執行前逐次將濾芯堵塞1～6區。根據該車型發動機工作流量的范圍，流速控制在1～250 g/s內。實車上，進入發動機的空氣質量小表示轎車處于怠速工況或減速狀態，反之則表示轎車處于高負荷或加速狀態。測試結果如圖6～圖8所示，其中流量偏差以第1組測試結果為基準。

圖6 局部堵塞試驗背壓測試結果

由圖6可知，濾芯局部區域堵塞對進氣系統背壓的影響與流速成正比。在1～100 g/s內，分區堵塞后背壓幾乎沒有明顯的變化；當流速在100～200 g/s范圍內，濾芯氣流面積減小的影響逐漸顯現，其中尤以1區、3區和5區較為明顯，與正常濾芯結果差值可達0.5 kPa以上；當流速進一步增大至200 g/s以上時，進氣將趨于困難，在極限的250 g/s工況下，3區的局部堵塞可造成背壓增幅達15%以上。但從整體上來看，該濾芯有效通過面積減小1/3，背壓增幅未超過1 kPa，順暢性仍可滿意。

圖7 局部堵塞試驗流量偏差結果

圖8 局部堵塞試驗噪信比結果

由圖7和圖8可以看出，5區的堵塞極易引起進氣系統穩健性的下降，流量偏差和噪信比2項關鍵指標在中高流速下均有明顯上升。圖7中，2區在1 g/s下偏差可達5.2%，但這種偏差在實際中對轎車的影響非常有限，原因在于怠速工況下進氣量通?？蛇_到3 g/s左右，1 g/s是微進氣的極端工況。整體上看，除5區在中高流速下流量偏差略大外，其它曲線的值均控制在目標±2.5%以內，結果基本令人滿意。

由圖8可知，在10～120 g/s流速內，5區測試結果超過了2.5%的一般標準，而6區在10～60 g/s內同樣超標，表明這2個區域的堵塞更易引起MAF的干擾信號，進而導致發動機誤判斷、誤操作，因此在整個進氣系統的設計中需進行優化。

4.2 整體加灰試驗

試驗所用灰塵的種類為最常見的細灰，試驗基準為正常濾芯（不加灰）下的測試結果，試驗結果如圖9～圖11所示。

由圖9可以看出，當加灰量≤100 g時，背壓幾乎沒有明顯上升；當加灰量到達150 g時，背壓增長顯著，且增幅與流速成正比；當濾芯繼續積灰至200 g時，背壓呈現幾何增長的趨勢，增幅同樣與流速成正比。在250 g/s的大進氣量工況下，壓降值幾乎是正常情況下的2倍，發動機會呈現明顯的進氣困難、負荷增大的現象，順暢性無法滿足工作要求。試驗結果表明，該濾芯正常工作所能承受的積灰量極限大約為100 g。

圖9 整體加灰試驗背壓結果

圖10 整體加灰試驗流量偏差結果

圖11 整體加灰試驗噪信比結果

由圖6和圖9均可發現，當流速在1 g/s的微小進氣過程中，背壓呈現0.003 kPa左右的極小負值，這主要是因為進氣系統與臺架相連的適配器內表面加工精度略低，小氣流條件下表面粗糙引起的阻力無法忽略；同樣，如果進氣系統結構不夠合理或內表面壁光滑度不足，也會引起相同的情況。

由圖10和圖11可以看出，當加灰量在50 g、100 g、150 g條件下，偏差和噪信比變化趨勢基本上隨加灰量的增加而上升，其中150 g加灰條件下流量偏差在40～250 g/s的中高流速下可達3%以上，而信噪比在5～50 g/s的中低流速下同樣超越3%的極限標準，證明濾芯容灰量一旦到達150 g，整體穩健性將無法達標。而加灰量到達200 g時，流量偏差和信噪比兩項參數較150 g時有一定程度的下降，出現這種現象的原因是灰沙過多時，濾紙的褶皺將無法有效固定灰塵，在氣流作用下呈現進氣管內粉塵飛揚的場景，引起氣場的紊亂。

需要說明的是，在進氣系統的設計階段，通常會對穩健性的兩項指標提出設計標準，通常局部堵塞試驗中的流量偏差和信噪比標準可定為±2.5%，而整體加灰試驗的穩健性標準目前行業內還沒有較為明確的定論，建議流量偏差在±3%、信噪比3%左右，具體可根據實際車型的發動機設計要求而定。順暢性的試驗標準則完全根據發動機的負荷要求來制定。

5 結束語

a.當濾芯發生局部堵塞且堵塞面積不超過濾芯有效面積的1/3時，進氣順暢性不會有明顯下降，最大流量下背壓僅增大1 kPa左右；

b.若濾芯局部堵塞，5區的堵塞最易引起進氣系統的穩健性下降。5區的位置剛好與進氣管和波紋管（濾芯出氣管）重合，因此該區域發生堵塞易引起氣流紊亂，與試驗結果相吻合；

c.普通濾芯正常工作所能承受的積灰量大約為100 g，超過100 g后整個進氣系統的背壓明顯上升，進氣條件惡化；

d.當加灰量大于100 g時，進氣系統的穩健性無法達標，表明濾芯的容灰極限為100 g，且進灰量越多，濾芯性能越差。

1 姜大軍.乘用車進氣系統核心試驗方法解讀.上海汽車,2013（12）：45～47.

2 張媛媛,徐科軍,滕勤.熱式MAF傳感器動態實驗和性能評定方法.合肥工業大學學報,2009,32(8)：1271～1274.

3 薛光明,鄭偉,姚喜貴.汽車空氣流量計在線檢測評價系統的設計與研究.內燃機工程,2010,31(3)：96～99.

4 Caron R W.Response time test apparatus for a mass air flow sensor.US Patent，5307667，1994-05-03.

5 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動.北京:北京理工大學出版社,2006.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年10月9日。

Research on Test Technology of Intake Air Smoothness and Robustness for Air Filter Element

Chen Shijie,You Yanxian
（Pan Asia Technical Automotive Center Corporation Limited,Shanghai 201201）

A complete set of testing procedure and evaluating standard of air filter element was proposed based on bench test,and this procedure was applied to intake system of a car.In the local plugging test,when the effective area of air filter is reduced by one third,the smoothness is affected slightly and the highest increase of back pressure is 1 kPa,and the 5th area most easily causes a decline of robustness.The deterioration of smoothness and robustness are in direct proportion to the quantity of dust in overall dust filling test(50 g,100 g,150 g,200 g dust).The limit of dust filling for this air filter is 100 g.

Air filter,Filter element,Smoothness,Robustness

空氣濾清器 濾芯 順暢性 穩健性

U464.134 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）08-0049-05