輕卡進(jìn)氣水分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.01.007

DesignofAir IntakeWaterSeparationStructure forLightTruck

Abstract：Toaddressthewaterseparationissuintheairintakesystemoflightruckthispaperdevelopsanoelcompsitesparation structure based ongas-liquid two-phaseflow principlesand water separationmechanisms.The structure adoptsa two-stage separatinmethodcombiningcentrfugalandfiterelementsachievingaseparationeficiencyabove95%whilemaintainingapsure drop within 2.0kPa Throughoptimized design of intake channels，separation chambers，drainage devices，andfilterstructures，the water separator maintains stable performance under complex operating conditions within a temperature range of -40^°C to 120^°C ，meeting the requirements oflight truck.The research results have significant engineeringapplication value.

Key words： Light Truck；Air Intake System；Water Separation；Composite Separation

0引言

隨著輕卡技術(shù)的快速發(fā)展，其進(jìn)氣系統(tǒng)的可靠性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和使用壽命有著直接影響。進(jìn)氣系統(tǒng)中若存在水分，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕、積碳等一系列問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)高效的水分離裝置顯得尤為重要。本文針對(duì)輕卡進(jìn)氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過(guò)分析水分離機(jī)理，提出了一種創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以提升水分離效率和系統(tǒng)整體可靠性。

1理論基礎(chǔ)

1.1氣液兩相流動(dòng)基本原理

在垂直管中的氣液兩相流動(dòng)主要存在4種流態(tài)，即泡狀流、段塞流、過(guò)渡流和霧狀流。泡狀流中，油管幾乎全部被液相充滿，游離的氣相以小氣泡的形式出現(xiàn)，這些氣泡對(duì)壓力梯度的影響很小。段塞流中，氣體和液體都對(duì)壓力梯度有顯著影響，氣泡合并形成段塞狀，但液相仍然是連續(xù)的。過(guò)渡流中，液相從連續(xù)相逐漸過(guò)渡到分散相，而氣相則從分散相過(guò)渡到連續(xù)相，此時(shí)液相對(duì)壓力梯度的影響仍存在，但氣相的作用已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。

1.2水分離機(jī)理分析

1.2.1慣性分離

慣性分離是進(jìn)氣系統(tǒng)水分離過(guò)程中的一種主要方式。通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋形通道或切向入口，利用離心力使密度較大的液滴向壁面運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在流道中設(shè)置障礙物，利用液滴的慣性特性實(shí)現(xiàn)撞擊分離。由于慣性分離效率與液滴粒徑的平方成正比，因此該方法對(duì)大液滴的分離效果尤為顯著，這為分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

1.2.2過(guò)濾分離

過(guò)濾分離是水分離器中不可或缺的重要機(jī)制，主要通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的捕集。當(dāng)氣液混合物通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，液滴通過(guò)直接攔截、慣性碰撞和布朗擴(kuò)散3種基本作用機(jī)制被捕獲。直接攔截發(fā)生在液滴直徑大于過(guò)濾介質(zhì)孔隙時(shí)，慣性碰撞主要作用于較大液滴，使其偏離流線碰撞在過(guò)濾纖維上；布朗擴(kuò)散則主要影響微小液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其更容易被過(guò)濾介質(zhì)捕獲。過(guò)濾效率與過(guò)濾介質(zhì)的孔隙率、纖維直徑、層厚等結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。

1.3水分分離效率評(píng)價(jià)方法

1.3.1分離效率定義

水分分離效率 （η） 用于表示裝置對(duì)水分的分離能力，其數(shù)學(xué)定義如下：

式中 M_in 一入口水分含量Mout -出口水分含量

通過(guò)比較分離過(guò)程前后水分含量的變化，直接反映水分去除的效率。

1.3.2測(cè)試方法

（1）重量法。重量法是一種應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)測(cè)試方法。該方法通過(guò)測(cè)量分離前后的水分重量來(lái)計(jì)算分離效率，操作簡(jiǎn)單直觀，適用于較大液滴的分離效率測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低；但由于受到稱重精度的限制，對(duì)微小液滴的測(cè)量效果較差，且無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分離過(guò)程。

（2）光學(xué)法。光學(xué)法是一種精度較高的測(cè)試方法，主要采用激光粒度分析技術(shù)。通過(guò)激光對(duì)液滴的散射特性，不僅能夠測(cè)量分離效率，還能獲得液滴的粒徑分布信息。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量精度高，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但對(duì)測(cè)試設(shè)備要求較高，且成本相對(duì)較大。

（3）示蹤法。示蹤法通過(guò)向氣流中添加示蹤物來(lái)進(jìn)行定量分析。這種方法可以實(shí)現(xiàn)分離過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)跟蹤示蹤物的濃度變化來(lái)評(píng)估分離效率。示蹤法的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)監(jiān)測(cè)分離過(guò)程，便于研究不同工況下的分離效果，但需要選擇合適的示蹤物，且測(cè)試過(guò)程較為復(fù)雜。

2需求分析與技術(shù)要求

2.1輕卡進(jìn)氣系統(tǒng)特點(diǎn)

輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)的功率通常為 80～150kW 這一特點(diǎn)要求進(jìn)氣系統(tǒng)必須能夠匹配不同工況下的進(jìn)氣量和壓力要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局方面，由于空間緊湊性和成本控制的雙重約束，進(jìn)氣系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)需要在保證性能的同時(shí)兼顧維修的便利性。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，輕卡經(jīng)常面臨頻繁啟停、大角度爬坡以及復(fù)雜路況等工況，這對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的密封性能和抗振性能提出了更高要求[2]。

2.2水分離性能指標(biāo)

在分離效率方面，要求標(biāo)準(zhǔn)工況下整體分離效率不低于 95% 其中，大于 液滴的分離效率應(yīng)達(dá)到 99% ， 5～10μm 液滴的分離效率不低于 90% ， 2～5μm 液滴的分離效率需達(dá)到85% 。在流動(dòng)阻力控制上，新品狀態(tài)下壓降應(yīng)控制在 2kPa 以內(nèi)，滿負(fù)荷工況下不超過(guò) 3kPa ，即使在極限工況下也要保證壓降不超過(guò) 4kPa 在儲(chǔ)水能力方面，要求正常工況下具備不少于 200mL 的儲(chǔ)水容量，并必須具備及時(shí)排水功能，同時(shí)采取有效措施防止儲(chǔ)水回流，以確保水分離器在各種工況下的穩(wěn)定工作性能。

2.3安裝空間約束

在外形尺寸上，水分離器的總長(zhǎng)度需控制在 250mm 以內(nèi)，最大直徑不超過(guò) 150mm 。同時(shí)，需要合理預(yù)留安裝固定點(diǎn)的空間。對(duì)于接口布置，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮進(jìn)出口方向的可調(diào)節(jié)性，采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口形式，以確保與管路連接的通用性和便利性。在維修空間設(shè)計(jì)方面，需要充分考慮濾芯更換的操作便利性，為排水操作預(yù)留足夠空間，并確保日常檢查維護(hù)能夠順利進(jìn)行。這些空間約束要求在設(shè)計(jì)階段就需要統(tǒng)籌考慮，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能要求的平衡。

2.4使用環(huán)境要求

2.4.1溫度適應(yīng)性

輕卡進(jìn)氣系統(tǒng)水分離器的溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)需要覆蓋 -40～ 120^°C 的工作溫度范圍。在低溫啟動(dòng)性能方面，要求 -40^°C 時(shí)密封圈材料仍具有足夠的彈性形變能力，硬度值不超過(guò)邵爾A90；密封圈截面壓縮率需保持在 15%～25% 。在高溫工況下，需確保復(fù)合材料殼體的熱變形溫度（HDT）不低于 140^°C ，金屬部件則需采用耐高溫表面處理（如高溫發(fā)黑或鍍鉻）以防止氧化。在溫度循環(huán)條件下 （-40-120^°C ，循環(huán)500次），密封圈壓縮永久變形率需控制在 15% 以內(nèi)，接口處的密封面粗糙度應(yīng)保持在 Ral.6μm 以下。

2.4.2振動(dòng)條件

在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和行駛工況下，水分離器需要承受10＼～200Hz的復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境。其中，怠速振動(dòng)主要集中在 10～50Hz 頻段，振幅控制在 ±0.5mm 范圍內(nèi)；行駛振動(dòng)則覆蓋更寬的頻率范圍，加速度峰值可達(dá) 。此外，系統(tǒng)還需具備承受50g瞬時(shí)沖擊的能力，脈沖持續(xù)時(shí)間在 6～9ms 在疲勞壽命方面，整體結(jié)構(gòu)需在100萬(wàn)次振動(dòng)循環(huán)考核后保持完好性，具體表現(xiàn)為固定支架焊接接頭無(wú)裂紋、緊固件扭矩保持率在 85% 以上、密封壓縮量衰減控制在 20% 以內(nèi)、關(guān)鍵功能部件如濾芯安裝架的變形量不超過(guò) 0.1mm 。

2.4.3密封要求

水分離器的密封系統(tǒng)需滿足靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和介質(zhì)耐受性的綜合要求。靜態(tài)密封采用凸臺(tái)密封面和雙道密封圈結(jié)構(gòu)，密封圈壓縮率控制在 20%±5% 范圍內(nèi)，密封面粗糙度不超過(guò) 在動(dòng)態(tài)工況下，需確保系統(tǒng)在振動(dòng)、溫度循環(huán) （-40-120^°C ）和壓力脈動(dòng) （0～0.3MPa） 條件下保持穩(wěn)定密封，瞬時(shí)泄漏量控制在 以內(nèi)。密封材料選用氟橡膠（FKM），硬度75±5 邵爾A，具備優(yōu)異的耐油、耐鹽霧和抗老化性能。整機(jī)密封性在 2.0kPa 壓力下，30秒泄漏量不超過(guò) 100mL ，以保證系統(tǒng)在各種工況下的可靠運(yùn)行[4。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1總體方案設(shè)計(jì)

3.1.1方案比較與選擇

針對(duì)輕型商用車進(jìn)氣系統(tǒng)水分離器的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了以下3種基本結(jié)構(gòu)方案。

（1）離心分離式：采用切向進(jìn)氣，利用氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力進(jìn)行分離，分離效率為 90% ，壓降為 3.5kPa 。

（②濾芯分離式：采用疏水濾材，利用表面張力進(jìn)行分離，分離效率為 92% ，壓降為 1.8kPa 。

（③）復(fù)合分離式：結(jié)合一級(jí)離心二級(jí)濾芯分離，分離效率為 95% ，壓降為 2.01kPa_c 0

通過(guò)對(duì)3種方案的性能測(cè)試和成本分析，復(fù)合分離式在分離效率、壓力損失和制造成本等方面展現(xiàn)出綜合優(yōu)勢(shì)，最終確定采用該方案。

3.1.2關(guān)鍵參數(shù)確定

整機(jī)采用緊湊型設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)度控制在 230mm 以內(nèi)，最大直徑不超過(guò) 140mm ，滿足輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)艙的安裝空間要求。旋流室作為核心分離部件，其直徑設(shè)定為 80mm ，高徑比優(yōu)化至1.2，該比例在計(jì)算和試驗(yàn)中表現(xiàn)出最佳的離心分離效果和壓力損失平衡。濾芯結(jié)構(gòu)通過(guò)參數(shù)化建模優(yōu)化，確定有效過(guò)濾面積為 800cm² ，設(shè)置120個(gè)均勻分布的褶皺，褶高為 25mm 。這組參數(shù)組合在保證過(guò)濾效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較低的流動(dòng)阻力。進(jìn)氣通道的設(shè)計(jì)采用 400mm² 的橫截面積和 35^° 的切向進(jìn)氣角度，該組合能夠在額定工況下產(chǎn)生穩(wěn)定的旋流場(chǎng)，確保氣液兩相有效分離。

3.2具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1進(jìn)氣通道設(shè)計(jì)

進(jìn)氣系統(tǒng)采用切向進(jìn)氣、軸向出氣的布置形式構(gòu)造旋流場(chǎng)。進(jìn)氣管道采用 ?32mm 內(nèi)徑設(shè)計(jì)，壁厚為 3mm ，以確保足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。進(jìn)口速度通過(guò)橫截面積優(yōu)化控制在 15m/s ，該速度既能保證良好的離心分離效果，又不會(huì)造成過(guò)大的壓力損失。通道內(nèi)壁面采用精加工處理，將粗糙度控制在Ra1.6以下，以減少壁面摩擦損失。在關(guān)鍵流道轉(zhuǎn)角處設(shè)置整流導(dǎo)流片，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化導(dǎo)流片的數(shù)量和角度，確保氣流均勻分布，提高分離效率。

3.2.2分離腔體設(shè)計(jì)

內(nèi)層成型精確的旋流通道，通過(guò)流場(chǎng)仿真優(yōu)化旋流室的幾何參數(shù)。底部設(shè)計(jì) 120^° 錐角，以減小流動(dòng)損失并提高水分收集效率。外層形成環(huán)形水分收集空間，收集槽容積設(shè)計(jì)為250ml ，滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行無(wú)需頻繁排水的要求。整體殼體采用PA66+30% 玻纖增強(qiáng)材料制成，在保證強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，具有優(yōu)異的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，滿足 -40～120^°C 的工作溫度要求5。

3.2.3排水裝置設(shè)計(jì)

排水系統(tǒng)采用浮球控制式自動(dòng)排水方案，確保系統(tǒng)可靠排水同時(shí)防止氣體泄漏。浮球選用密度 的工程塑料材質(zhì)，能夠準(zhǔn)確感知水位變化。系統(tǒng)開(kāi)啟壓力設(shè)定為 0.02MPa 5在該壓力下能夠克服管路阻力實(shí)現(xiàn)順暢排水。單次排水量控制在 50ml 以內(nèi)，避免瞬時(shí)排水過(guò)多影響系統(tǒng)壓力平衡。排水通道采用 $＼$ 12＼ m m$ 的標(biāo)準(zhǔn)口徑，并配備快拆接頭設(shè)計(jì)，便于維護(hù)清理。

3.2.4濾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾芯采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效分級(jí)過(guò)濾。外層采用100μm 孔徑的不銹鋼絲網(wǎng)，用于截留大顆粒雜質(zhì)和初步聚集水滴；中層使用特殊疏水處理的濾紙，孔徑精確控制在 10μm 以內(nèi)，具有優(yōu)異的油水分離能力；內(nèi)層采用 2min×2min 網(wǎng)格的支撐網(wǎng)架，提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度。端蓋選用TPV熱塑性彈性體材料制成，具有良好的密封性能和耐久性，通過(guò)獨(dú)特的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保濾芯與殼體的可靠密封。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)輕卡進(jìn)氣系統(tǒng)水分離器的系統(tǒng)研究，提出了一種基于復(fù)合分離原理的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案在滿足輕卡使用環(huán)境和性能要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較高的分離效率和使用可靠性。本研究成果對(duì)于提升輕卡進(jìn)氣系統(tǒng)的整體性能和可靠性具有重要的參考價(jià)值。

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