基于小流量空濾器流量特性參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)探討和應(yīng)用

文 /卞朝暉 王志斌

一、空氣濾清器額定流量的概念

空氣濾清器（以下簡稱“空濾器”）是摩托車、汽車、內(nèi)燃機(jī)以及空壓機(jī)等工程機(jī)械不可缺少的部件，其指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。就摩托車而言，因其車輛本身結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的關(guān)系，空濾器不僅是為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒提供干凈清潔的空氣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有重要的保護(hù)作用，而且由于電噴技術(shù)在摩托車上的廣泛應(yīng)用，車輛電子控制單元（ECU）的空燃比標(biāo)定中涉及空氣流量與歧管壓力等方面，更是與空濾器的性能息息相關(guān)。所以，良好的空濾器對(duì)于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)作和車輛的排放環(huán)保都具有重要的意義。

在空濾器產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)中，額定流量是最重要最基本的參數(shù)。它一般由用戶或者制造商確定，以在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下流過空濾器的出氣口的空氣體積流量作為空濾器的額定流量，標(biāo)準(zhǔn)中一般采用m3/h作為計(jì)量單位。在實(shí)際試驗(yàn)中，也有根據(jù)用戶的要求，采用質(zhì)量流量（計(jì)量單位kg/h或者g/s）進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的空濾器而言，額定流量可用相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)定，也可以根據(jù)以下方法進(jìn)行推算：

qve=0.06×n×Vh×ηv×ε（適用于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)）…………………………………………… （1）

qve=0.03×n×Vh×ηv×ε（適用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)）…………………………………………… （2）

式中：

qve——額定空氣體積流量，m3/h；

n ——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

Vh——發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；

ηv——發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系數(shù)，其數(shù)值推薦如下：二沖程，ηv=0.45；四沖程，ηv=0.71，

ε ——脈沖系數(shù)（見表1）。

表1 脈沖系數(shù)（ε）

充氣系數(shù)ηv是按照QC/T 793-2007《摩托車和輕便摩托車空氣濾清器技術(shù)條件與試驗(yàn)方法》而確定的，對(duì)用于汽車、柴油機(jī)等較大流量的空濾器，公式中推薦的充氣系數(shù)有所不同（0.70～0.85都有），具體可以參考QC/T 32-2007《汽車用空氣濾清器試驗(yàn)方法》附錄A中所示。本文主要討論小流量空濾器，更多帶預(yù)濾器、增壓的柴油機(jī)的空濾器額定流量計(jì)算，本文不展開討論。

從上述公式可以看出，因?yàn)槟ν熊嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的排量相對(duì)于汽車和工程機(jī)械較小，所以空濾器的額定流量也較小，加以實(shí)際測(cè)試中依據(jù)QC/T 793-2007和ISO 5011:2014《內(nèi)燃機(jī)和空壓機(jī)空氣濾清器 性能試驗(yàn)》的要求，需要測(cè)量50%的額定流量工況點(diǎn)的壓力降。因其流量偏小，故在實(shí)際測(cè)試中普通空濾器試驗(yàn)臺(tái)有可能遇到流量低于量程的問題。

二、小流量空濾器額定流量的概念與探討

在目前的檢測(cè)實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)修訂中，并沒有明確小流量空濾器這一概念。對(duì)于試驗(yàn)空濾器流量的差異，只有在進(jìn)行容灰和效率測(cè)試時(shí)，選擇噴射器的形制有所區(qū)別（參見ISO 5011:2014 6.2.3）。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)大流量和小流量的空濾器有不同要求，并規(guī)定當(dāng)流量足夠大，需要更大的噴灰量時(shí)，可以增加噴射器。這顯然是為柴油機(jī)等重型機(jī)械的大流量空濾器而做的專門要求，不在我們討論的范圍內(nèi)。隨著新能源技術(shù)在機(jī)動(dòng)車上的發(fā)展和環(huán)保要求的日益提高，出現(xiàn)了許多新型的空濾器。

1.油箱通風(fēng)系統(tǒng)空濾器

此空濾器在油箱通風(fēng)系統(tǒng)中有著較小的空氣流量，碳罐的吸附管路、脫附管路以及通大氣管路的額定空氣流量均在 22.7 L/min～70 L/min 之間。同時(shí)，碳罐的通大氣管路在與外界空氣接口處，有空氣過濾器以保護(hù)油箱通風(fēng)系統(tǒng)避免灰塵污染。在實(shí)施汽車國六排放標(biāo)準(zhǔn)以后，新增加的CVS/DMTL等泄露檢測(cè)閥更是對(duì)此處的空氣過濾器有了明確的性能要求。有關(guān)主機(jī)廠對(duì)碳罐通風(fēng)管路與脫附空氣過濾器標(biāo)準(zhǔn)的要求，不僅規(guī)定了此類空濾器試驗(yàn)額定流量的范圍在12 L/min～70 L/min之間，并且還按照碳罐在吸附狀態(tài)下有對(duì)空濾器進(jìn)行反吹的氣流，這就是典型的小流量空濾器。

2.曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)空濾器

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)平衡竄氣導(dǎo)致的曲軸箱壓力升高，同時(shí)還要將汽油與機(jī)油分離，以減少機(jī)油的過量消耗和大氣污染，因此需要小流量空濾器。

3.車載空氣凈化器的空濾器

近年來，車載空氣凈化器也成為市場的熱點(diǎn)，因使用空間和電源功率小，制約了其空氣流量，故小流量空濾器可發(fā)揮作用。

以上產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是流量偏小，額定流量普遍都小于 20 m3/h ～30 m3/h，對(duì)微小流量空濾器的檢測(cè)就其自身特點(diǎn)而言，有著現(xiàn)實(shí)的意義。

4.小排量摩托車空濾器

摩托車空濾器有其特殊性。對(duì)于大排量的摩托車而言，它們的空濾器檢測(cè)類似于汽車內(nèi)燃機(jī)空濾器等檢測(cè)，而對(duì)于小排量的摩托車而言，其空濾器的流量就偏于小流量空濾器的類型。

5.其他設(shè)備

與摩托車空濾器類似，廣泛應(yīng)用于小型通用內(nèi)燃機(jī)的空濾器，如果發(fā)動(dòng)機(jī)是小排量，其空濾器也有不少屬于小流量空濾器。

即便是在汽車空濾器試驗(yàn)中，有時(shí)也會(huì)遇到較小空濾器流量的情況。例如：主機(jī)廠對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的最新測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有測(cè)量空濾器最小5%額定流量工況點(diǎn)處壓力損失的要求，這樣小的流量測(cè)量要求實(shí)際上已經(jīng)很接近小流量的概念。

三、小流量空濾器檢測(cè)的特點(diǎn)

小流量空濾器的檢測(cè)與傳統(tǒng)空濾器的檢測(cè)有共通之處，但是各自也有一些特點(diǎn)。

1.對(duì)于試驗(yàn)環(huán)境的要求更加嚴(yán)格

因?yàn)闇y(cè)試流量較小，環(huán)境溫度濕度的微小變化都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)顯著的影響。故小流量空濾器對(duì)樣件測(cè)試用灰和絕對(duì)濾芯環(huán)境的恒溫恒濕要求，要比一般的空濾器試驗(yàn)更嚴(yán)格。其中濕度的影響比較顯著，因?yàn)榻^對(duì)濾芯吸收空氣中的濕氣，其重量的變化會(huì)影響小流量空濾器濾清效率測(cè)試的準(zhǔn)確性。

2.測(cè)試管路對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

對(duì)于普通的汽車摩托車用空濾器檢測(cè)而言，測(cè)壓管路段的壓力降與整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力降相比較，是可以忽略不計(jì)的。但對(duì)于小流量空濾器而言，由于其壓力降相對(duì)較小（數(shù)量級(jí)一般為幾十到幾百帕），故管路的影響不可忽略。實(shí)際測(cè)試中往往預(yù)先要測(cè)量一下管路阻力，以便在測(cè)試以后減去其影響。

3.進(jìn)氣口阻力的影響

這是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問題。因?yàn)椋M(jìn)口阻力影響主要是動(dòng)壓的損失，對(duì)于一般的帶有進(jìn)氣端（臟管段）的空濾器總成而言，壓力降測(cè)試一般是不用考慮管口阻力的影響（參見QC/T 32-2006和ISO 5011:2014）。因?yàn)榭諡V器在臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)量，本身的工作狀態(tài)就類似于實(shí)際車載的設(shè)置，這樣測(cè)試就已經(jīng)全面考慮了進(jìn)口阻力的影響。在摩托車空濾器的測(cè)試中，根據(jù)QC/T 793-2007和JB/T 9755.5-2013 《內(nèi)燃機(jī) 空氣濾清器 第 5部分：性能試驗(yàn)方法》的要求，以靜壓差作為壓力損失，更不必考慮進(jìn)口阻力的影響。因此，如果小流量空濾器本身就是類似車輛空濾器那樣的結(jié)構(gòu)，或者測(cè)試的總成有著完整的進(jìn)氣管道，則進(jìn)口阻力可以不予考慮。

但，有不少小流量空濾器的工作位置是處在整個(gè)完整的管路中，或者只是需要測(cè)試單個(gè)空濾器本體的壓力損失，測(cè)試結(jié)果用全壓降表示，則要用動(dòng)壓進(jìn)行修正，需考慮進(jìn)口阻力的影響。

管口進(jìn)氣流動(dòng)復(fù)雜，通過計(jì)算方法得到管口進(jìn)氣阻力的大小，可以流體有限元法進(jìn)行分析，更多的是采用HG/T 20570.9-2017 《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 設(shè)備進(jìn)出管口壓力損失計(jì)算》和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[1]：

式中：

Δp ——管路進(jìn)氣阻力，Pa；

r ——空氣密度，kg/m3。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為20 ℃；大氣壓為101.3 kPa）下數(shù)值為1.200 5 kg/m3；

v ——進(jìn)氣速度，m/s；

K ——阻力損失系數(shù)。

對(duì)于常用的空濾器銳緣管口進(jìn)氣端K，可參照 0.78[1]、0.85[2]。

流線型管口的K則要小得多，可參照0.06～0.005[1]、0.04、0.03[2]。

如果在實(shí)際小流量空濾器測(cè)試中要考慮管口進(jìn)氣阻力的影響，本文提出實(shí)際測(cè)量中可以做如下考慮：

① 可以采用測(cè)量上下游壓力降的方法解決，可參照QC/T 32-2006和ISO 5011:2014中推薦的方法。

② 根據(jù)公式（3）可知，加裝流線形管口可以大大減少管口進(jìn)氣阻力的影響。有關(guān)計(jì)算可以參照公式（3），JB/T 9755.5-2013中有關(guān)理想噴嘴的阻力計(jì)算做類似處理，當(dāng)然也可以直接通過公式（3）計(jì)算管口進(jìn)氣阻力，然后進(jìn)行修正。

4.小流量空濾器試驗(yàn)的其他要求

在小流量空濾器的實(shí)際檢測(cè)中，因?yàn)闇y(cè)試流量較小，噴灰口到空濾器進(jìn)氣口的距離遠(yuǎn)近相當(dāng)重要，距離太遠(yuǎn)不足以保證測(cè)試噴灰的有效全部吸入；而距離太近，噴灰氣流會(huì)干擾正常的空濾器進(jìn)氣，所以在實(shí)際操作中要仔細(xì)調(diào)整這段距離。

小流量空濾器對(duì)于加灰要求進(jìn)行更精確的計(jì)量。在實(shí)踐中多采用氣溶膠發(fā)生器進(jìn)行控制，既可以采用直接稱量法，也可以采用絕對(duì)濾清器法測(cè)量。一般測(cè)試時(shí)加灰機(jī)/氣溶膠發(fā)生器的噴灰器空氣流量，通常在2 m3/hr左右。當(dāng)測(cè)試樣件的試驗(yàn)流量小于噴灰器的空氣流量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)灰塵從試樣樣件進(jìn)氣口倒灌的現(xiàn)象。如遇此類情況，建議采用多個(gè)試件并聯(lián)安裝，并通過歧管分別連接取氣口和試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)歧管的設(shè)計(jì)要考慮阻力的影響，以保證測(cè)試樣件的差異最小化，通常可以用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真先行模擬一次。

從目前的發(fā)展態(tài)勢(shì)來看，粒子計(jì)數(shù)器直接測(cè)量過濾效率是以后測(cè)試發(fā)展的大趨勢(shì)，它可以消除絕對(duì)濾芯處理和稱量誤差對(duì)測(cè)試的影響，并有利于數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)過程的精確可控。目前，燃油箱泄漏診斷模塊（DMTL）的泄漏檢測(cè)閥對(duì)空濾器的粒子計(jì)數(shù)過濾效率提出了明確的指標(biāo)，而且作為去除PM2.5的車載凈化器測(cè)試也應(yīng)納入粒子計(jì)數(shù)器的測(cè)試內(nèi)容。另外，對(duì)于分級(jí)濾清效率的測(cè)試，粒子計(jì)數(shù)器也是必要的測(cè)試工具。

四、小流量空濾器有關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與發(fā)展趨勢(shì)

從上所述得知，小流量空濾器有著自身的一些特點(diǎn)，針對(duì)它們的測(cè)試應(yīng)該有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然而，目前小流量空濾器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)極不完善。如：對(duì)于油箱通風(fēng)過濾器，有QC/T 1008-2015《油箱通風(fēng)用過濾器技術(shù)條件》可以作為測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)，但是其適用范圍較小，測(cè)試要求和相關(guān)規(guī)定也較原則，不能滿足目前小流量空濾器產(chǎn)品多樣化和測(cè)試要求的日益發(fā)展。零部件廠和主機(jī)廠采用ISO 5011:2014作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)居多，摩托車空濾器依舊采用QC/T 793-2007，其他空濾器還有采用用戶或者制造商制定的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試的情況。

小流量空濾器測(cè)試目前存在一些尚待解決的問題，對(duì)小流量空濾器的概念和范圍缺少界定，性能測(cè)試方法也需要統(tǒng)一和完善，許多細(xì)節(jié)尚待厘清，如：測(cè)量壓力降是采用靜壓差還是全壓差，對(duì)測(cè)量樣件進(jìn)氣口阻力損失的處理，等等。

目前，正進(jìn)行試驗(yàn)室共建項(xiàng)目，其中就包括小流量微顆粒污染物過濾性能試驗(yàn)臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)小流量空濾器的檢測(cè)做了有益的探索，如：正在進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的檢測(cè)研究測(cè)試工作，研發(fā)測(cè)試范圍包括燃油系統(tǒng)通風(fēng)管路、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)、碳罐、泄漏檢測(cè)閥、碳罐濾清器和車載空氣凈化器等方面，對(duì)于摩托車空濾器的測(cè)試也有所涉及。已經(jīng)修訂完成的QC/T 793-2017在“6.8”中就有針對(duì)摩托車空濾器泄漏量試驗(yàn)的規(guī)定。