陳士杰 尤妍嫻

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

空氣濾清器濾芯的進(jìn)氣順暢性及穩(wěn)健性試驗(yàn)技術(shù)研究

陳士杰 尤妍嫻

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

基于臺(tái)架試驗(yàn)提出了一套完整的空氣濾清器濾芯測(cè)試方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并將該試驗(yàn)規(guī)范應(yīng)用于某車型進(jìn)氣系統(tǒng)。局部堵塞試驗(yàn)中，當(dāng)空濾有效面積減小1/3時(shí)，順暢性影響不明顯，背壓最大增量約為1 kPa，5區(qū)最易引起穩(wěn)健性的下降；整體加灰試驗(yàn)中，加灰量分別為50 g、100 g、150 g、200 g，進(jìn)氣順暢性及穩(wěn)健性的惡化狀況與加灰量成正比，且該空濾的容灰極限在100 g。

1 前言

空氣濾清器濾芯能濾除空氣中的灰塵和沙粒，從而保證氣缸中進(jìn)入足量清潔的空氣，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能及使用壽命有很大影響。針對(duì)轎車的進(jìn)氣系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也在開展相關(guān)研究，姜大軍綜述了進(jìn)氣系統(tǒng)的幾種核心試驗(yàn)方法[1]；由文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[4]可知，針對(duì)進(jìn)氣空氣流量傳感器的試驗(yàn)方法和檢測(cè)設(shè)備在國(guó)內(nèi)外已有較為廣泛的應(yīng)用；龐劍等主要從流場(chǎng)及噪聲的角度介紹了進(jìn)氣系統(tǒng)及赫爾姆茲腔的設(shè)計(jì)要求[5]。目前還沒(méi)有專門針對(duì)空氣濾清器濾芯且符合通用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)規(guī)范。為了給國(guó)內(nèi)空氣濾清器濾芯制造廠商提供一套可靠的、符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，同時(shí)也為新型濾芯的研發(fā)提供試驗(yàn)平臺(tái)，本文提出了一套可適用于各種空氣濾清器濾芯的試驗(yàn)流程。

2 計(jì)算模型及測(cè)試流程

2.1 計(jì)算模型

空氣濾清器濾芯通常由濾紙、塑料件和橡膠膠體組成。其中，濾紙需要承擔(dān)高效率的空氣清潔工作，其將絕大部分雜質(zhì)阻擋并粘附在濾紙上，且不能給空氣流通增加過(guò)多的阻力，因此其通常被加工出許多細(xì)小的褶皺。需要注意的是，只要濾芯沒(méi)有出現(xiàn)破損或坍塌，隨著孔隙逐漸被灰塵填充，過(guò)濾效率和進(jìn)氣阻力都會(huì)上升。塑料件相當(dāng)于濾芯的骨骼，主要為濾紙?zhí)峁┲魏捅Ｗo(hù)。橡膠膠體主要作用是密封，防止未經(jīng)過(guò)濾的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

研究濾芯堵塞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響主要是考核進(jìn)氣系統(tǒng)的兩大指標(biāo)：順暢性及穩(wěn)健性。

順暢性主要與進(jìn)氣系統(tǒng)的形狀有關(guān)，表征濾芯進(jìn)灰后一定壓力下空氣的通過(guò)能力，通常用背壓來(lái)衡量。背壓計(jì)算公式為：

式中，Pabs為絕對(duì)壓力；Patm為大氣壓。

進(jìn)氣系統(tǒng)的穩(wěn)健性主要通過(guò)流量偏差和噪信比（N/S）來(lái)進(jìn)行評(píng)估，這兩項(xiàng)指標(biāo)都通過(guò)空氣流量傳感器（Mass Airflow Sensor,MAF）獲取。MAF位于節(jié)氣門前，用于測(cè)量進(jìn)氣容量和密度，并將信號(hào)傳遞給ECU，其檢測(cè)結(jié)果是ECU計(jì)算并控制噴油量和噴油時(shí)間的主要依據(jù)。穩(wěn)健性的評(píng)估通常針對(duì)多次重復(fù)性試驗(yàn)進(jìn)行，如果證明進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)這些噪聲因子是穩(wěn)定的，則其對(duì)于更小的噪聲會(huì)有更高的穩(wěn)健性，如濾芯材質(zhì)微小瑕疵、褶皺等都不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)采集和噴油量計(jì)算。

流量偏差指實(shí)際流量和目標(biāo)流量之間偏差的百分比，用以衡量濾芯的散差。噪信比是指原信號(hào)中并不存在的無(wú)規(guī)則的額外擾動(dòng)信號(hào)與原信號(hào)的比值，反映某一流速點(diǎn)下流場(chǎng)的變化。

試驗(yàn)開始后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流量范圍設(shè)定測(cè)試流速點(diǎn)，由MAF采集目標(biāo)流速下的頻率數(shù)據(jù)。通常MAF的采樣頻率可達(dá)500 Hz以上，同一個(gè)流速下取樣6 000個(gè)點(diǎn)，因此輸出頻率實(shí)際是6 000個(gè)采樣點(diǎn)的均值。在每根單次試驗(yàn)的曲線上，通過(guò)曲線擬合獲得目標(biāo)流速下的頻率值ft；以濾芯正常狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果f0為基準(zhǔn)并在其曲線上取調(diào)整流量點(diǎn)的±0.5%，將相應(yīng)的頻率值求得其斜率i，則流量偏差的計(jì)算公式為：

噪信比計(jì)算公式為：

式中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本個(gè)數(shù)，此處取為6 000；fi為樣本頻率值；為樣本均值；置信區(qū)間為2σ，代表95%的置信度。

2.2 測(cè)試流程

濾芯在各種實(shí)際工況下，發(fā)生堵塞的位置及程度差異很大，試驗(yàn)中無(wú)法如實(shí)模擬各種堵塞狀況，但可粗略歸納為局部進(jìn)灰和整體進(jìn)灰兩種工況，因此對(duì)濾芯在試驗(yàn)室條件下的測(cè)試可以分別采用局部堵塞和濾芯均勻加灰來(lái)進(jìn)行模擬。

首先進(jìn)行局部堵塞試驗(yàn)，試驗(yàn)前需對(duì)樣件進(jìn)行處理。將濾芯沿縱向及橫向依次用布基膠帶貼去1/3面積，根據(jù)公式（2）和公式（3），以MAF的頻率信號(hào)與正常狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，由田口（Taguchi）原理可知，偏差及噪信比若小于一定的范圍，則認(rèn)為整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)一般及更小的濾芯堵塞狀況完全不敏感。膠布也需同時(shí)將被封閉側(cè)的濾芯邊緣（側(cè)面濾紙）密封，以考核其順暢性及穩(wěn)健性。

現(xiàn)對(duì)某車型的進(jìn)氣系統(tǒng)濾芯進(jìn)行劃分。整塊濾芯分兩次劃分，每次劃分成3塊，區(qū)域1～3為垂直濾紙的方向，區(qū)域4～6為沿濾紙分布方向，其中1區(qū)為進(jìn)氣管從大氣中進(jìn)氣區(qū)域，其平面模型如圖1所示。

圖1 濾芯劃分平面圖

將完成局部試驗(yàn)后的濾芯從進(jìn)氣系統(tǒng)中取出，清理正面及側(cè)面的所有膠痕，隨后進(jìn)行整體加灰試驗(yàn)。使用加灰器在濾芯表面均勻噴上一定量的灰塵，同樣考核加灰前后背壓、偏差及噪信比3項(xiàng)參數(shù)的變化情況。本次試驗(yàn)的加灰量分別為50 g、100 g、150 g、200 g。

3 測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)臺(tái)架為美國(guó)Flow Systems公司生產(chǎn)的進(jìn)氣系統(tǒng)流量試驗(yàn)臺(tái)，核心部件是音速文丘利噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

氣體從前端進(jìn)口進(jìn)入，到達(dá)喉部后由于管徑迅速減小，此時(shí)氣體流速上升而密度下降，隨后噴管管徑逐漸增大。由于這種特殊結(jié)構(gòu)，氣體到達(dá)喉部后流速可達(dá)到最大值，理想速度甚至可以達(dá)到聲速。通常音速噴嘴進(jìn)口處與出口處的壓力之比可達(dá)到1.4以上。音速噴嘴流量公式為：

式中，P1為進(jìn)口前的絕對(duì)壓力；A為音速噴嘴的喉部截面積；C*為臨界流函數(shù)；Cd為流量系數(shù)；R為氣體常數(shù)；T1為進(jìn)口前絕對(duì)溫度。

冷流試驗(yàn)臺(tái)的原理如圖3所示。將不同口徑的音速噴嘴安裝在主管的各路歧管內(nèi)，從而使通過(guò)各歧管的空氣流量不同，當(dāng)噴嘴后的電磁閥打開后，喉部流速一旦達(dá)到音速條件，氣流流量將是一個(gè)定值。音速噴嘴后的壓力傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)其是否達(dá)到音速條件。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)原理示意

通過(guò)噴管的氣流主要決定因素有4項(xiàng)：氣流溫度、大氣壓力、空氣濕度、噴管尺寸。所用傳感器的型號(hào)及參數(shù)見表1。

表1 傳感器型號(hào)及參數(shù)

試驗(yàn)開始后，由真空泵抽吸作用產(chǎn)生負(fù)壓，以此來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣工作過(guò)程，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，自動(dòng)按照流量的設(shè)置打開一根或多根音速噴管，以匹配目標(biāo)流量，從而模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)的空氣流量環(huán)境，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大進(jìn)氣量通常都在450 g/s以下，因此12根不同口徑的音速噴嘴即可通過(guò)互相組合來(lái)滿足450 g/s以下的所有流量。由于真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓，使空氣流從進(jìn)氣口處進(jìn)入，經(jīng)過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)、真空泵最后進(jìn)入大氣，完成一個(gè)循環(huán)的過(guò)程。各傳感器的信號(hào)由PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊統(tǒng)一記錄并存儲(chǔ)，試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)臺(tái)的操作界面如圖5所示，其特點(diǎn)是界面友好，功能齊全。

圖5 系統(tǒng)軟件操作界面

試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

a.進(jìn)氣系統(tǒng)通過(guò)底座夾具固定，且各固定點(diǎn)之間相對(duì)位置需與實(shí)車一致；

b.波紋管應(yīng)處于自然狀態(tài)，無(wú)明顯扭曲；

c.適配器的內(nèi)徑需與發(fā)動(dòng)機(jī)喉部的尺寸相同；

4 試驗(yàn)測(cè)試

運(yùn)用該試驗(yàn)流程對(duì)某車型進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

4.1 局部堵塞試驗(yàn)

局部堵塞試驗(yàn)共分7組，試驗(yàn)前先按照?qǐng)D1的方法將其濾芯依次劃分成6個(gè)區(qū)。第1組試驗(yàn)測(cè)試中濾芯處于正常狀態(tài)，第2～7組試驗(yàn)執(zhí)行前逐次將濾芯堵塞1～6區(qū)。根據(jù)該車型發(fā)動(dòng)機(jī)工作流量的范圍，流速控制在1～250 g/s內(nèi)。實(shí)車上，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量小表示轎車處于怠速工況或減速狀態(tài)，反之則表示轎車處于高負(fù)荷或加速狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果如圖6～圖8所示，其中流量偏差以第1組測(cè)試結(jié)果為基準(zhǔn)。

圖6 局部堵塞試驗(yàn)背壓測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，濾芯局部區(qū)域堵塞對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)背壓的影響與流速成正比。在1～100 g/s內(nèi)，分區(qū)堵塞后背壓幾乎沒(méi)有明顯的變化；當(dāng)流速在100～200 g/s范圍內(nèi)，濾芯氣流面積減小的影響逐漸顯現(xiàn)，其中尤以1區(qū)、3區(qū)和5區(qū)較為明顯，與正常濾芯結(jié)果差值可達(dá)0.5 kPa以上；當(dāng)流速進(jìn)一步增大至200 g/s以上時(shí)，進(jìn)氣將趨于困難，在極限的250 g/s工況下，3區(qū)的局部堵塞可造成背壓增幅達(dá)15%以上。但從整體上來(lái)看，該濾芯有效通過(guò)面積減小1/3，背壓增幅未超過(guò)1 kPa，順暢性仍可滿意。

圖7 局部堵塞試驗(yàn)流量偏差結(jié)果

圖8 局部堵塞試驗(yàn)噪信比結(jié)果

由圖7和圖8可以看出，5區(qū)的堵塞極易引起進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)健性的下降，流量偏差和噪信比2項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)在中高流速下均有明顯上升。圖7中，2區(qū)在1 g/s下偏差可達(dá)5.2%，但這種偏差在實(shí)際中對(duì)轎車的影響非常有限，原因在于怠速工況下進(jìn)氣量通常可達(dá)到3 g/s左右，1 g/s是微進(jìn)氣的極端工況。整體上看，除5區(qū)在中高流速下流量偏差略大外，其它曲線的值均控制在目標(biāo)±2.5%以內(nèi)，結(jié)果基本令人滿意。

由圖8可知，在10～120 g/s流速內(nèi)，5區(qū)測(cè)試結(jié)果超過(guò)了2.5%的一般標(biāo)準(zhǔn)，而6區(qū)在10～60 g/s內(nèi)同樣超標(biāo)，表明這2個(gè)區(qū)域的堵塞更易引起MAF的干擾信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)誤判斷、誤操作，因此在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 整體加灰試驗(yàn)

試驗(yàn)所用灰塵的種類為最常見的細(xì)灰，試驗(yàn)基準(zhǔn)為正常濾芯（不加灰）下的測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖9～圖11所示。

由圖9可以看出，當(dāng)加灰量≤100 g時(shí)，背壓幾乎沒(méi)有明顯上升；當(dāng)加灰量到達(dá)150 g時(shí)，背壓增長(zhǎng)顯著，且增幅與流速成正比；當(dāng)濾芯繼續(xù)積灰至200 g時(shí)，背壓呈現(xiàn)幾何增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增幅同樣與流速成正比。在250 g/s的大進(jìn)氣量工況下，壓降值幾乎是正常情況下的2倍，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)呈現(xiàn)明顯的進(jìn)氣困難、負(fù)荷增大的現(xiàn)象，順暢性無(wú)法滿足工作要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該濾芯正常工作所能承受的積灰量極限大約為100 g。

圖9 整體加灰試驗(yàn)背壓結(jié)果

圖10 整體加灰試驗(yàn)流量偏差結(jié)果

圖11 整體加灰試驗(yàn)噪信比結(jié)果

由圖6和圖9均可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速在1 g/s的微小進(jìn)氣過(guò)程中，背壓呈現(xiàn)0.003 kPa左右的極小負(fù)值，這主要是因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)與臺(tái)架相連的適配器內(nèi)表面加工精度略低，小氣流條件下表面粗糙引起的阻力無(wú)法忽略；同樣，如果進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠合理或內(nèi)表面壁光滑度不足，也會(huì)引起相同的情況。

由圖10和圖11可以看出，當(dāng)加灰量在50 g、100 g、150 g條件下，偏差和噪信比變化趨勢(shì)基本上隨加灰量的增加而上升，其中150 g加灰條件下流量偏差在40～250 g/s的中高流速下可達(dá)3%以上，而信噪比在5～50 g/s的中低流速下同樣超越3%的極限標(biāo)準(zhǔn)，證明濾芯容灰量一旦到達(dá)150 g，整體穩(wěn)健性將無(wú)法達(dá)標(biāo)。而加灰量到達(dá)200 g時(shí)，流量偏差和信噪比兩項(xiàng)參數(shù)較150 g時(shí)有一定程度的下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是灰沙過(guò)多時(shí)，濾紙的褶皺將無(wú)法有效固定灰塵，在氣流作用下呈現(xiàn)進(jìn)氣管內(nèi)粉塵飛揚(yáng)的場(chǎng)景，引起氣場(chǎng)的紊亂。

需要說(shuō)明的是，在進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，通常會(huì)對(duì)穩(wěn)健性的兩項(xiàng)指標(biāo)提出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通常局部堵塞試驗(yàn)中的流量偏差和信噪比標(biāo)準(zhǔn)可定為±2.5%，而整體加灰試驗(yàn)的穩(wěn)健性標(biāo)準(zhǔn)目前行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有較為明確的定論，建議流量偏差在±3%、信噪比3%左右，具體可根據(jù)實(shí)際車型的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求而定。順暢性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)則完全根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷要求來(lái)制定。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.當(dāng)濾芯發(fā)生局部堵塞且堵塞面積不超過(guò)濾芯有效面積的1/3時(shí)，進(jìn)氣順暢性不會(huì)有明顯下降，最大流量下背壓僅增大1 kPa左右；

b.若濾芯局部堵塞，5區(qū)的堵塞最易引起進(jìn)氣系統(tǒng)的穩(wěn)健性下降。5區(qū)的位置剛好與進(jìn)氣管和波紋管（濾芯出氣管）重合，因此該區(qū)域發(fā)生堵塞易引起氣流紊亂，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合；

c.普通濾芯正常工作所能承受的積灰量大約為100 g，超過(guò)100 g后整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的背壓明顯上升，進(jìn)氣條件惡化；

d.當(dāng)加灰量大于100 g時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)的穩(wěn)健性無(wú)法達(dá)標(biāo)，表明濾芯的容灰極限為100 g，且進(jìn)灰量越多，濾芯性能越差。

1 姜大軍.乘用車進(jìn)氣系統(tǒng)核心試驗(yàn)方法解讀.上海汽車,2013（12）：45～47.

2 張媛媛,徐科軍,滕勤.熱式MAF傳感器動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和性能評(píng)定方法.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(8)：1271～1274.

3 薛光明,鄭偉,姚喜貴.汽車空氣流量計(jì)在線檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.內(nèi)燃機(jī)工程,2010,31(3)：96～99.

4 Caron R W.Response time test apparatus for a mass air flow sensor.US Patent，5307667，1994-05-03.

5 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng).北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年10月9日。

Research on Test Technology of Intake Air Smoothness and Robustness for Air Filter Element

Chen Shijie,You Yanxian
（Pan Asia Technical Automotive Center Corporation Limited,Shanghai 201201）

A complete set of testing procedure and evaluating standard of air filter element was proposed based on bench test,and this procedure was applied to intake system of a car.In the local plugging test,when the effective area of air filter is reduced by one third,the smoothness is affected slightly and the highest increase of back pressure is 1 kPa,and the 5th area most easily causes a decline of robustness.The deterioration of smoothness and robustness are in direct proportion to the quantity of dust in overall dust filling test(50 g,100 g,150 g,200 g dust).The limit of dust filling for this air filter is 100 g.

Air filter,Filter element,Smoothness,Robustness

空氣濾清器 濾芯 順暢性 穩(wěn)健性

U464.134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）08-0049-05