一種大流量沙漠空氣濾清器的改進開發

侯峨明，姚 瑤，梁奉典

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

進氣系統的功能是向發動機盡可能多和盡可能均勻地提供潔凈的空氣，空氣濾清器是進氣系統的核心零部件。重型工程車的工作環境較為惡劣，空氣中灰塵濃度較大，普通的空氣濾清器容塵量小，在惡劣工況下保養周期短，不能滿足車輛的使用要求。沙漠空氣濾清器的出現很好地解決了這個問題，它是一種組合式的空濾器，由紙質濾清器和預濾器組成，預濾器內布置有切向或者軸向進氣的旋流管，具有濾清效率高、儲灰能力大，結構簡單、保養容易等優點[1]。

隨著大功率發動機的逐漸推廣，重載工程自卸車搭載的發動機功率逐年提升，市場已出現了375 kW以上的需求。目前整車匹配的沙漠空氣濾清器進氣流量無法滿足，這要求提升空氣濾清器的進氣流量，但是受整車布置空間的影響，空氣濾清器在外形上無法增大，僅能在目前產品的基礎上，從內部進行結構優化，提升性能。

1 空氣濾清器設計

1.1 沙漠空氣濾清器的結構

沙漠空氣濾清器由精濾圓筒體、粗濾方筒體、積灰盤三部分組成，如圖1所示。當發動機工作時，含有灰塵的空氣從空濾器進氣口進入粗濾方筒體內，方筒體內布置有軸向旋流管，旋流管上、下有兩個安裝板，將粗濾方筒體內部格成三個密封的空腔。帶灰塵的空氣從中間空腔進入，在離心力的作用下，灰塵沿旋流管管壁運動，進入到積灰盤內。經過粗濾的空氣沿內管進入精濾圓筒體內，經紙質濾芯過濾后進入發動機，如圖2所示。采用軸向旋流管的沙漠空濾器的粗濾效率一般能達到93%，大大地延長了紙質濾芯的使用壽命。

圖1 沙漠空氣濾清器總成的結構

圖2 軸向旋流管工作原理

1.2 沙漠空氣濾清器改進分析

沙漠空氣濾清器雖然有諸多的優點，但也存在結構尺寸大，需要較大布置空間、總成進氣阻力高等缺點。空濾器總成進出氣口之間的壓力差稱之為空濾器的進氣阻力。進氣阻力是由于氣體流經空濾器總成內部結構產生，氣體分子經過濾芯介質材料的撞擊也存在一定的能量損耗。

進氣阻力過高會影響發動機的進氣量、進一步影響發動機的油耗。QC/T 700—2006《空氣濾清器總成技術條件》[2]規定，空濾器總成壽命終了最高阻力為6 kPa，具有軸向旋流管式預濾器的空濾器總成，原始阻力小于等于3.5 kPa，預留下2.5 kPa的增量空間用以保證濾芯儲存足夠數量的灰塵雜質。所以優化空濾器總成的進氣阻力，不僅可以降低發動機油耗，同時還可以增加空濾器總成的保養周期，降低客戶的使用成本。

從沙漠空氣濾清器的結構可知，影響到進氣阻力的因素有以下五點：空濾器進氣口截面積、粗濾方筒體內旋流管的數量及布置方式、粗濾方筒體和精濾圓筒體結合處的開口面積、濾芯的濾紙面積、空濾器出氣口的截面積。現針對以上幾點分別進行分析尋求突破點：

1.2.1 沙漠空氣濾清器進出氣口截面積

粗濾進口氣流速度v1一般取15～25 m/s，過高的流速會造成很大的原始阻力。進氣口截面積可按照下式進行計算：

按沙漠空氣濾清器設計額定流量Q進行校核，現有空濾器設計進出口截面積滿足設計要求。

1.2.2 濾芯的濾紙面積

目前空氣濾清器濾芯總成主要使用復合纖維紙，一些要求較高的還會在濾紙表面增加納米涂覆層，以提高過濾精度。根據經驗，如果空氣通過紙芯表面的流量為0.03 m3/cm2·h，濾芯的原始阻力應在0.5 kPa以內[3]。同樣按設計額定流量Q進行校核，可得濾紙有限面積的經驗值。通過對現有濾芯尺寸進行測量，計算現有濾芯濾紙的有效表面積A：

式中：b為折寬；n為折數；h為濾芯高。

通過對比濾芯有效表面積的實際值與經驗值，發現實際產品的濾芯濾紙有效表面積大于經驗值，濾芯總成的阻力應小于0.5 kPa，無須進行優化。

1.2.3 粗濾器旋流管的直徑與布置數量

粗濾器的旋流管的直徑及布置是本次優化的重點，目前行業內常用的軸向旋流管的管徑在30 mm至45 mm，尺寸過小制造難度大，且阻力較大。通過對現有成熟產品的幾種軸向旋流管的阻力及預過濾效率進行對比后，選取進氣阻力適中、粗濾效率較高的軸向旋流管。采用最節省空間的正三角形排布，并對影響旋流管排布的一些連接結構進行了優化，重新對旋流管進行布置，使得在現有空間允許的情況下，旋流管的數量為優化前的132.9%。

1.2.4 粗濾方筒體和精濾圓筒體結合處的開口面積

為保證較低的流阻，粗濾器氣流出口速度v2，一般取10 m/s，對應額定流量進行計算，目前粗濾器的出氣口截面積（即粗濾器和精濾圓筒體結合處的開口面積）略小于設計要求，應加以優化。通過改進設計，優化殼體連接結構，增大粗濾和精濾結合處的開口面積，增大后的面積為理論經驗值的123.3%，滿足設計要求。

1.3 沙漠空氣濾清器三維數據構建

通過對粗濾器軸向旋流管的直徑及數量、粗濾方筒體和精濾圓筒體結合處的開口面積兩處進行理論計算優化后，利用CATIA軟件初步建立了三維模型數據，為后續的整車布置分析及性能分析奠定基礎。

2 CFD壓降仿真分析

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一種用計算機仿真模擬來代替實驗設備對流場中各相流體運動規律進行分析研究的方法，通過數值模擬方式實現對描述流體流動規律的復雜方程組的求解。它以仿真計算及圖像顯示的方式，對有關于流體流動以及熱傳導等類似現象進行研究[4]。計算流體動力學方法能夠計算得到流場各個區域的信息，為設計初期確定技術方案節省大量的工作量，縮短設計周期。STAR-CCM+是目前使用較為普遍的計算流體動力學軟件。

利用CATIA軟件將建立的三維幾何模型中不影響分析結果的細節或結構進行適當簡化。提取流體流經區域得到流體分析模型，導入hypermesh軟件劃分網格。為了降低計算的工作量并保證一定的計算精度，將相對復雜的幾何結構劃分成不同的集合區域進行不同精度的網格劃分。

沙漠空氣濾清器總成進氣阻力（壓降）計算時采用κ-ε湍流模型，保留內部結構特征，濾芯設定為多孔介質模型，進出口進口設置一段穩壓腔，按額定流量進行計算。得到沙漠空氣濾清器進氣阻力（壓降）計算值滿足改進開發時設定的目標值。

同時，通過計算分析發現，在空濾器出氣管道轉彎處圓角不夠平緩，對阻力造成了較大的影響，需要進行結構優化，如圖3。

圖3 空濾器出氣口轉彎處壓力云圖

3 臺架試驗驗證

根據優化后的三維數據制作快速樣件，按照QC/T 32—2017《汽車用空氣濾清器試驗方法》[5]進行臺架試驗，主要驗證沙漠空氣濾清器總成的進氣阻力及粗濾效率，試驗驗證用灰采用270目石英砂。經過驗證，在額定流量下，性能參數滿足各項設計要求，且與理論計算相符。

4 結語

本文對沙漠空濾器的改進優化過程進行了詳細的描述，通過對沙漠空濾器的結構分析，采用理論計算和CFD分析相結合的方法，確定了總成結構方案。最終結合臺架試驗結果，完成了產品的改進開發，性能滿足設計預期要求。目前該產品已廣泛應用于公司重型自卸車上，獲得了較好的市場反響。