趙永東，趙文柱，王憲成，和 穆

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

空氣濾清器的主要作用是濾清進(jìn)入氣缸的空氣，除去空氣中所攜帶的塵土等雜質(zhì)，減輕發(fā)動機(jī)內(nèi)各零件之間的磨損。隨著空氣濾清器內(nèi)塵土的增加，進(jìn)氣阻力會增大，甚至發(fā)生空氣濾清器擊穿，將嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)正常工作。因此，必須定期對空氣濾清器進(jìn)行保養(yǎng)。目前，對某重型柴油機(jī)空氣濾清器技術(shù)狀況的檢測僅通過阻力指示器的報警實(shí)現(xiàn)。測試時，原位穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，當(dāng)空氣濾清器進(jìn)氣阻力達(dá)到(8±0．6)kPa時，信號燈亮，指示器報警。但是該方法只適用于原位測試，在車輛行駛過程中無法有效地監(jiān)測空氣濾清器的技術(shù)狀況。根據(jù)某地實(shí)際調(diào)研情況可知:大多數(shù)空氣濾清器擊穿都是由于不能實(shí)時監(jiān)測其使用情況，在行駛過程中發(fā)生的。

在車輛行駛過程中對空氣濾清器進(jìn)行監(jiān)測可以實(shí)時了解其技術(shù)狀況，防止因無法預(yù)知空氣濾清器擊穿而造成的嚴(yán)重事故。為此，筆者通過分析空氣濾清器內(nèi)部氣體流動過程，選用經(jīng)驗(yàn)公式計算各部件壓降損失，推導(dǎo)出了空氣濾清器的技術(shù)狀況監(jiān)測數(shù)學(xué)模型。通過臺架和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型能夠準(zhǔn)確地反映空氣濾清器的使用情況，可實(shí)時監(jiān)測空氣濾清器的技術(shù)狀況，為其及時保養(yǎng)提供依據(jù)。

1 空氣濾清器監(jiān)測模型建立

1．1 氣體流動過程假設(shè)

空氣濾清器內(nèi)部流動為氣固兩相流動，但是分析和計算兩相流動問題比較復(fù)雜，為了方便計算，將空氣濾清器內(nèi)部流動簡化為空氣的單相流動，對內(nèi)部氣體作如下假設(shè)［1-3］:1)空氣中塵土對空氣流動的影響忽略不計，空氣運(yùn)動不受塵土的影響;2)空氣流動過程為定常流動;3)忽略溫度的影響，認(rèn)為整個流動過程為等溫過程;4)二級濾清器(金屬濾網(wǎng))采用多孔介質(zhì)模型，在流動過程中金屬濾網(wǎng)完全固定，空氣濾清器內(nèi)部構(gòu)件為絕對剛體。

1．2 等效流通截面積模型公式推導(dǎo)

某重型柴油機(jī)空氣濾清器主要由一級濾清器(旋風(fēng)筒)、二級濾清器(濾塵絲盒)、蓋板、頭部等部分組成，其結(jié)構(gòu)簡化模型圖1所示。

圖1 空氣濾清器結(jié)構(gòu)簡化模型

忽略空氣濾清器進(jìn)氣口至旋風(fēng)筒的損失，即整個空氣濾清器的壓降ΔP由旋風(fēng)筒壓降ΔP1、濾網(wǎng)壓降ΔP2和進(jìn)氣連接管處局部阻力損失ΔP3組成:

1．2．1 旋風(fēng)筒壓降計算模型

軸向旋風(fēng)筒主要由中心管、旋流葉片、導(dǎo)流管組成。在旋流葉片的導(dǎo)流作用下，空氣沿葉片高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在超出導(dǎo)流管端口時改變方向，中心導(dǎo)流管急速逆向流動。在離心力和慣性力的作用下，大顆粒的塵土被收集到集塵箱，較清潔的空氣進(jìn)入二級濾清器。

旋風(fēng)筒的壓力損失主要包括旋風(fēng)筒形狀壓力損失、氣體流動摩擦損失和內(nèi)部漩渦耗散損失［4-5］。在旋風(fēng)筒壓降計算方面，國外學(xué)者做了大量的研究，根

式中:Ad為旋風(fēng)筒進(jìn)氣口面積(m2);De為旋風(fēng)筒出氣口直徑(m);ρ為氣體密度(kg/m3);V1為進(jìn)氣口氣流平均流速(m/s)。

1．2．2 金屬濾網(wǎng)壓降計算模型

金屬濾網(wǎng)由24層粗濾網(wǎng)和20層細(xì)濾網(wǎng)疊加而成，網(wǎng)孔尺度一般是絲網(wǎng)直徑的幾十倍。為了計算壓降，必須簡化模型。在實(shí)際計算中，將金屬濾網(wǎng)區(qū)域等效為多孔介質(zhì)模型，根據(jù)Darcy-Stoke方程［7］，可得據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了適用于旋風(fēng)筒壓降的經(jīng)驗(yàn)公式，本文采用Lapple建立的計算式［6］:

其中

式中:1/α為黏性阻力系數(shù);C2為慣性阻力系數(shù);μ為氣體動力黏度(Pa·s);V2為通過濾芯的氣流流速(m/s);DP為濾芯孔隙平均直徑(m);ε為濾芯孔隙率。其中，DP可以從材質(zhì)報告中得到，ε指材料內(nèi)空孔的體積與總體積之比。對于油浴式空氣濾清器，一般絲網(wǎng)直徑不大于0．30 mm，孔隙率不大于97%［8］。

1．2．3 進(jìn)氣連接管處局部阻力損失

清潔空氣由空氣濾清器到進(jìn)氣連接管時，流通面積突然縮小，流動狀態(tài)發(fā)生急劇變化，造成了能量的損失，根據(jù)工程流體力學(xué)知識，局部損失表示為［9］

其中

式中:ζ為局部阻力系數(shù);V3為空氣濾清器出口處流速(m/s);g為重力加速度(m/s2);A1為空氣濾清器截面積(m2);A2為進(jìn)氣連接管截面積(m2)。

1．2．4 空氣濾清器等效流通截面積數(shù)學(xué)模型

氣體質(zhì)量流量為

氣體體積流量為

式中:A為氣體流通截面積(m2);V為氣體流速(m/s)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，聯(lián)立式(1)、(2)、(6)、

(8)，代入濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)，可得將式(10)代入到式(3)中，聯(lián)立式(4)、(5)、(9)可得到空氣濾清器流通截面積:

式中:Aφ為空氣濾清器等效流通截面積(m2);μφ=，為空氣濾清器流量系數(shù)。

氣體動力黏度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式近似計算［9］:

式中:μ0為氣體在0℃時的動力黏度(空氣為1．71×10-3Pa·s);T為氣體熱力學(xué)溫度(K);K為依氣體種類而定的系數(shù)(空氣為111)。

氣體密度計算公式:

圖2 不同轉(zhuǎn)速下等效流通截面積

式中:P 為氣體壓強(qiáng)(MPa);ρ0=1．293 kg/m3，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0℃時空氣密度;t為氣體溫度(℃)。

目前，該型柴油機(jī)空氣濾清器并沒有高原條件下進(jìn)氣阻力閾值的規(guī)定，但是根據(jù)數(shù)學(xué)模型的定義，無論在高原地區(qū)還是平原地區(qū)，等效流通截面積的值是不變的。因此，根據(jù)某型柴油機(jī)《空氣濾清器使用維護(hù)說明書》的規(guī)范，平原地區(qū)標(biāo)定工況下進(jìn)氣流量達(dá)到最大值1．24 kg/s時，濾清器阻力最大值為 13．72 kPa，最小值為 3．63 kPa，由此，可以計算出該空氣濾清器等效流通截面積的極限值分別為0．008 9 m2和 0．031 6 m2。器的等效流通截面積，5組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為4．49×10-4，誤差為4．82%，通過數(shù)值可以看出:不同轉(zhuǎn)速下的等效流通截面積變化不大，且都在極限值范圍之內(nèi)。由此證明了推導(dǎo)出的空氣濾清器等效流通截面積模型穩(wěn)定性較好，適用于高原地區(qū)。

表1 臺架試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

2 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

2．2 模型單調(diào)性驗(yàn)證

空氣濾清器的等效流通截面積在實(shí)體上進(jìn)行測量比較困難，難以得到其真實(shí)值。通過開展臺架試驗(yàn)，對模型的穩(wěn)定性和單調(diào)性進(jìn)行檢驗(yàn)，從而驗(yàn)證模型的正確性。

2．1 模型穩(wěn)定性驗(yàn)證

試驗(yàn)在車輛動力性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境條件:大氣壓力88．9 kPa;大氣溫度34℃。測取不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)入到發(fā)動機(jī)的空氣質(zhì)量流量以及濾清器的壓降，通過式(12)計算濾清器的等效流通截面積，計算結(jié)果如圖2所示。表1為臺架試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

由圖1可見:空氣濾清器等效流通截面積不隨轉(zhuǎn)速升高而增大，不同工況下其數(shù)值變化不大。取5次不同工況下的平均值0．014 m2為該空氣濾清

在空氣濾清器試驗(yàn)臺架上進(jìn)行空氣濾清器容塵試驗(yàn)，試驗(yàn)選用國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)粉塵。試驗(yàn)環(huán)境溫度20℃，大氣壓力86．65 kPa。試驗(yàn)時調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量為1．24 kg/s，按照含塵濃度2 g/m3對被試驗(yàn)的空氣濾清器進(jìn)行均勻連續(xù)加灰塵10 min，然后記錄下進(jìn)氣阻力，每10 min做一組記錄，直至進(jìn)氣阻力達(dá)到13．72 kPa左右為止。圖3為進(jìn)氣阻力隨時間變化的曲線，可以看出:隨著灰塵的不斷增加，進(jìn)氣阻力不斷增大，由6．86 kPa增加到13．83 kPa。圖4為根據(jù)模型計算出的等效流通截面積隨時間變化的曲線，可以看出:空氣濾清器等效流通截面積隨時間單調(diào)下降，在440 min內(nèi)由0．015 4 m2減小到 0．009 2 m2，減小了 0．006 2 m2，整個容塵試驗(yàn)中等效流通截面積都在所計算的極限值范圍之內(nèi)變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性。

圖3 進(jìn)氣阻力隨時間變化的曲線

圖4 等效流通截面積隨時間變化的曲線

3 實(shí)車試驗(yàn)

3．1 實(shí)車原位空轉(zhuǎn)試驗(yàn)

在北京某地區(qū)對該型柴油機(jī)進(jìn)行實(shí)車原位空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，環(huán)境溫度20℃，大氣壓力100 kPa。試驗(yàn)時，穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在 600～2 000 r/min，每升高200 r/min測試1次，分別測量大氣壓力、大氣溫度、濾清器后壓力、壓氣機(jī)前壓力、壓氣機(jī)前溫度等參數(shù)。進(jìn)氣流量參照文獻(xiàn)［10］中的方法計算，得出每個工況點(diǎn)下的等效流通截面積如圖5所示，計算得出其平均值為0．012 8 m2，相對平均值最大波動為0．000 6 m2，誤差為 4．98%。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下實(shí)車原位試驗(yàn)等效流通截面積

3．2 實(shí)車跑車試驗(yàn)

在新疆葉城某訓(xùn)練場進(jìn)行實(shí)車跑車試驗(yàn)，場地含塵量為2．0 ～7．0 g/m3，環(huán)境溫度10 ℃，大氣壓力86．82 kPa。試驗(yàn)使用同一臺車連續(xù)行駛3 h，每行駛1 h后進(jìn)行原位測試。測試時，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在600～2 000 r/min，每升高200 r/min測試1次。行駛不同時間后，原位空轉(zhuǎn)不同轉(zhuǎn)速下空氣濾清器壓降如圖6所示。從圖6中可知:原位空轉(zhuǎn)相同轉(zhuǎn)速下，行駛時間越長，空氣濾清器壓降越大。不同行駛時間后空氣濾清器等效流通截面積如圖7所示，對每次計算的不同轉(zhuǎn)速下的值取平均，得到3次等效流通截面積的平均值。隨著跑車時間的增長，空氣濾清器等效流通截面積單調(diào)減小，平均值由0．012 7 m2減小到 0．009 9 m2。

圖6 不同行駛時間后原位空轉(zhuǎn)空氣濾清器壓降

圖7 不同行駛時間后空氣濾清器等效流通截面積

在西藏某場地進(jìn)行實(shí)車在線監(jiān)測試驗(yàn)，場地內(nèi)有土嶺、溝壕等路障，路面浮土高度約20 cm，環(huán)境溫度28℃，大氣壓力59．6 kPa。試驗(yàn)使用同一臺車連續(xù)行駛約40 min。行駛過程中進(jìn)氣流量和進(jìn)氣阻力隨時間的變化曲線分別如圖8、9所示，可以看出:由于行駛過程中工況、負(fù)荷的不同，進(jìn)氣流量和進(jìn)氣阻力呈現(xiàn)上下波動的情況，進(jìn)氣流量最大值為0．58 kg/s，最小值為 0．43 kg/s，進(jìn)氣阻力最大值為 1．845 kPa，最小值為1．020 kPa。根據(jù)推導(dǎo)出的空氣濾清器監(jiān)測模型，求出等效流通截面積，其實(shí)測值與擬合值隨時間變化曲線對比如圖10所示。由于實(shí)際行駛中工況不穩(wěn)定以及振動等其他因素的影響，等效流通截面積存在一定波動。由擬合曲線可知:隨著行駛時間的增長，等效流通截面積呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，從0．017 m2減小到0．014 m2，約減少了0．003 m2。由此驗(yàn)證了該模型實(shí)車監(jiān)測的可行性和準(zhǔn)確性。

圖8 進(jìn)氣流量隨時間的變化曲線

圖9 進(jìn)氣阻力隨時間的變化曲線

圖10 等效流通截面積實(shí)測值與擬合值隨時間的變化曲線對比

4 結(jié)論

本文通過簡化空氣濾清器物理模型，運(yùn)用流體力學(xué)相關(guān)知識，參考經(jīng)驗(yàn)公式，建立了空氣濾清器等效流通截面積數(shù)學(xué)模型。通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型具有較好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及單調(diào)性，能夠反映出空氣濾清器技術(shù)狀況的優(yōu)劣程度。在不同海拔開展了實(shí)車試驗(yàn)，結(jié)果表明:該模型同時適用于平原地區(qū)和高原地區(qū)，可以用于原位狀態(tài)監(jiān)測，也可以用于實(shí)車在線監(jiān)測。模型的運(yùn)用對及時清洗空氣濾清器、合理安排保養(yǎng)周期具有重要意義，能夠有效預(yù)防因進(jìn)氣阻力增大造成工作惡化以及因空氣濾清器擊穿造成磨損加劇等現(xiàn)象的發(fā)生。

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