汽車空氣濾清器的性能改進優(yōu)化淺析

張博 夏琰 原宗悅 胡振琦 郭輝

摘要：空氣濾清器作為汽車進氣系統(tǒng)的重要組成部分之一，不僅可以進行過濾空氣，更能降低進氣噪聲，對提高汽車的動力性和舒適性有很大的幫助。本文首先通過對空氣過濾器效率的分析，總結了影響空氣過濾器正常性能的因素;其次，探討了提高汽車空氣過濾器效率的有效措施;最后利用Sysnoise軟件對某轎車空氣濾清器的降噪性能進行了系統(tǒng)分析，提出了較為細致的優(yōu)化方案，并對其流場特性進行了仿真分析，實現(xiàn)了對空氣濾清器的性能進行優(yōu)化的目的。

關鍵詞：汽車;空氣濾清器;性能改進;優(yōu)化

1. 引言

隨著汽車技術的不斷進步，用戶對降噪性能的要求也越來越高。因此噪聲也已經(jīng)發(fā)展成為一個評價機動車輛等級管理水平的重要指標。目前，進氣噪聲是汽車發(fā)動機的主要噪聲來源之一，關系到整車的乘坐舒適性。進氣系統(tǒng)的噪聲主要是指進氣口處的噪聲，當噪音源離汽車很近時，會加大對汽車的噪音影響。過去對本身只有一個進氣消聲器的空氣濾清器的研究更注重的是濾清器進氣的功能，而對它在降噪性能的理論和結構實踐上還不夠深入，再者就是空氣過濾器壁板非常薄，當有高速氣流通過時，很容易被激發(fā)而產(chǎn)生輻射噪聲等，使得空氣濾清器的降噪功能還未被全面開發(fā)、應用出來。本文將在物理結構層面上開展研究，基于空氣濾清器噪聲降低方面進行優(yōu)化。

2. 汽車空氣濾清器效能的提高途徑

2.1汽車空氣濾清器概述

目前，作為發(fā)動機進氣系統(tǒng)主要部件的空氣濾清器，它不僅可以清除空氣進氣中的微粒雜質(zhì)，更具有降低吸氣噪音的作用。當空氣濾清器不能正常發(fā)揮其效能時，會使發(fā)動機進氣不足，導致燃油燃燒不完全，產(chǎn)生發(fā)動機工作不穩(wěn)定，動力下降、耗油量增加的現(xiàn)象，也會使進氣口吸入空氣中含有過多的灰塵等其它雜質(zhì)，加劇發(fā)動機零件的磨損;甚至還會導致發(fā)動機的進氣噪音明顯增強出現(xiàn)共振現(xiàn)象，降低了乘客乘坐的舒適性以及汽車本身的經(jīng)濟效益。

2.2提高汽車空氣濾清器過濾空氣雜質(zhì)的措施

（1）選用合適的濾芯

空氣濾清器的濾芯類型較多，根據(jù)不同材質(zhì)將其分為傳統(tǒng)紙質(zhì)、織物和油浴等三類，不同類型濾芯在其材質(zhì)方面也具有不同程度差異，再使用時需要進行考慮與空氣濾清器外殼的匹配分析的問題，因此我們切忌不能隨意的去更換濾芯。在選擇空氣過濾元件時，還要考慮業(yè)主的預算等問題，以更好地發(fā)揮空氣過濾器的效率。

（2）及時更換濾芯

不同企業(yè)所生產(chǎn)的濾芯器更換的周期時間不相同，一般來說我國大多數(shù)的轎車可以采用傳統(tǒng)紙質(zhì)或織物濾芯的種類，其更換周期管理一般在20000km左右，一些生活品質(zhì)較差的紙質(zhì)濾芯更換周期分析可縮短至5000～10000km左右。如果對汽車上的濾芯更換周期不清楚，可以通過以下方法判斷目前是否需要更換濾芯。

①檢查濾芯有無明顯的損壞或變形，若存在須更換濾芯，有時即使濾芯的破損或變形情況并不明顯，也應立即去更換濾芯;

②觀察濾芯上是否有水或油漬，如有水或油漬，需要立即更換濾芯;

③查看進氣歧管側附近的濾芯的顏色。白色為正常現(xiàn)象，但如果大面積變黑，說明灰塵已經(jīng)滲透到整個濾芯，需要更換濾芯。

2.3提高空氣濾清器降噪效能的措施

（1）輕量優(yōu)化設計

目前，當改變空氣過濾器上下殼體的厚度時，會使它的固有頻率發(fā)生一定的變化。相關研究試驗比較結果可以說明，空氣濾清器壁厚度每增加0.5mm，其固有工作頻率將大約需要增加10Hz。空氣濾清器的壁厚通過在發(fā)動機的共同轉(zhuǎn)速下計算發(fā)動機的振動頻率來確定。為了減少共振，采取減少濾清器外的振動激勵等措施實現(xiàn)。

（2）結構優(yōu)化設計

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當空氣過濾時，其下殼總有車身的固定支撐，因此引起的振動和噪音一般較少由進氣氣流撞擊產(chǎn)生，共振聲源主要是指那些沒有固定支撐的上殼。現(xiàn)如今，一般都是采用增加筋數(shù)來提高上殼的剛度從而減少這種噪音的產(chǎn)生。

（3）選用合適的殼體材質(zhì)

空氣濾清器的殼體材質(zhì)選擇的不同會使得其機械系統(tǒng)性能和耐沖擊作用強度也不同。目前，為了進一步改進它的機械性能和沖擊強度，空氣濾清器殼體大多以PP+TD20為原材料。部分車型對汽車性能有較高的要求。為了提高殼體的力學性能和沖擊強度，PP+GF30的殼體對PP+GF30的殼體的耐熱性有顯著的改善，這有助于延緩殼體的老化。延長外殼的使用壽命。

3. 汽車空氣濾清器降噪性能的改進

3.1降噪性能的分析

在進氣系統(tǒng)中，過濾器不但可以凈化空氣，還能夠作為一個擴展室。由于當前的空氣濾清器體積大，再加上形狀不規(guī)則，導致一維平面波的理論計算逐漸被三維有限元法和邊界元法所取代，而且三維計算方法在低頻段的計算結果具有較高的精度，所以采納以上兩種方法會降低誤差。在優(yōu)化進氣系統(tǒng)結構之前，需要進行大量的模擬試驗，并借助隔音措施對進氣系統(tǒng)可以進行管理優(yōu)化，提取進氣管口的純噪聲，為后續(xù)噪聲優(yōu)化提供理論依據(jù)。

3.2 降噪性能的改進

目前，主要研究2/4/6/8級四缸發(fā)動機的進氣噪聲。改進的方法是在保持原有空氣濾清器總容積的前提下，將原空氣濾清器改為6L空氣過濾器和1.3L膨脹室串聯(lián)的結構。保持它的寬度不變，降低它的高度，增加它的長度。出口直徑保持不變的原因是，增加的膨脹比不會發(fā)生改變進行降噪的中心工作頻率，并會增加進氣阻力。我們將使用有限元法對空氣濾清器進行分析，使用Sysnoise軟件分析和計算其性能。通過我們仿真結果表明，在50～1500Hz的全頻段內(nèi)，降噪效果明顯提高，其中800Hz由原來的降噪谷變?yōu)榻翟敕澹?0～850Hz的中低頻降噪有明顯的改善。因此，我們的改善措施是有效的。

4. 流場性能分析及優(yōu)化方案

4.1 流場性能分析

當今汽車產(chǎn)業(yè)，對于大多數(shù)汽車而言，因為對空氣濾清器的體積要求較為嚴格，所以它通常安裝在發(fā)動機艙內(nèi)。但對于空氣濾清器而言，一定的體積范圍內(nèi)，較大的流通能力和較小的壓力差將對汽車發(fā)動機性能有較大改善。因此，為了能夠提高空氣濾清器內(nèi)的流場均勻性，減小氣流阻力，需要對它的結構進行改善。以下內(nèi)容就是對它的優(yōu)化方案。

4.2 流場性能優(yōu)化方案

（1）增大進出口面積

空氣過濾器的進、出口面積對過濾器腔內(nèi)壓力有極大的影響。當空氣吸入面積較小時，會導致空氣進入過濾器腔的速度過快，從而氣流會高速沖擊進氣口對面的壁面并且反彈形成高壓區(qū)，最后導致其能量損失和功率流動，甚至還產(chǎn)生漩渦狀現(xiàn)象。增大進出口面積反而使其速度減緩，抑制了原來的高壓區(qū)，實現(xiàn)了能量損失最低化。

（2）修正進出口位置

原來的濾清器的進氣口設置在殼體中央時，會使氣流經(jīng)過進氣口后呈現(xiàn)為散開的趨勢，此時，入口處的附近會因此產(chǎn)生低壓區(qū);而且會抑制進氣口進入的氣流會向氣口方向流動，當進氣口位置過高時，甚至會讓其沒有空間引導進風。基于以上情況，采用引管設計使得進氣管的進氣口位置向下輕調(diào)，將其設置在出氣口的側面并略靠近邊壁，這樣會更容易引導氣流沿殼底和邊壁順利流動。最后，讓濾清器的出氣口向尾部向上略微抬起，保證出氣口位置升高，使得整個裝置更符合氣流流動特性。

經(jīng)以上分析與改進，改進后的空氣濾清器阻力為△P=P2-P1=3.33-1.56=1.77kPa，滿足設計要求的≤2kPa。然而，空氣過濾器下殼體局部阻力較大，且在過濾元件的中部形成明顯的渦流，使得過濾元件的利用率較低。為解決上述問題，進一步優(yōu)化空氣過濾器的結構，在下殼體上增加四個長×高×厚的導流板95mm×40mm×2mm，長度方向與氣流方向一致。增加可以倒流片后的下殼體，再次進行CFD流場分析。結構優(yōu)化后的空氣濾清器阻力為ΔP=P2-P1=3.27-1.43=1.84kPa，滿足設計要求的≤2kPa。下殼體增加倒流片，下殼體的局部阻力明顯提高，濾芯中部的渦流也向三個角度轉(zhuǎn)移，提高了濾芯的利用率。

結論

通過汽車空氣過濾器效率的分析，總結了影響效率的正常發(fā)揮的一些因素。通過專業(yè)知識的結合，提出了選擇合適的過濾器，加強空氣凈化器的日常維護保養(yǎng)等。根據(jù)空氣濾清器的結構特點，對其進行結構上的優(yōu)化和改善。利用三維有限元法和邊界元法對它的計算結果與原有的計算結果進行分析比較，結果有效。空濾器可以經(jīng)過物理分塊后，將原設計的空濾器進行分塊成一個新空濾器和一個新擴張腔，最終，在滿足進氣阻力以及要求的前提下，大大提升了系統(tǒng)降噪技術特性，并通過網(wǎng)絡結構上細節(jié)需要改進，進一步提升了其流場特性，但本次設計未能考慮其它外界因素，需要進一步進行改進、計算、比較和驗證，為進一步的深化研究提供理論性基礎。

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