侯峨明，姚 瑤，梁奉典

（陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

進(jìn)氣系統(tǒng)的功能是向發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣系統(tǒng)的核心零部件。重型工程車(chē)的工作環(huán)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(yǎng)周期短，不能滿足車(chē)輛的使用要求。沙漠空氣濾清器的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，它是一種組合式的空濾器，由紙質(zhì)濾清器和預(yù)濾器組成，預(yù)濾器內(nèi)布置有切向或者軸向進(jìn)氣的旋流管，具有濾清效率高、儲(chǔ)灰能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保養(yǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)[1]。

隨著大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的逐漸推廣，重載工程自卸車(chē)搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)功率逐年提升，市場(chǎng)已出現(xiàn)了375 kW以上的需求。目前整車(chē)匹配的沙漠空氣濾清器進(jìn)氣流量無(wú)法滿足，這要求提升空氣濾清器的進(jìn)氣流量，但是受整車(chē)布置空間的影響，空氣濾清器在外形上無(wú)法增大，僅能在目前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，從內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升性能。

1 空氣濾清器設(shè)計(jì)

1.1 沙漠空氣濾清器的結(jié)構(gòu)

沙漠空氣濾清器由精濾圓筒體、粗濾方筒體、積灰盤(pán)三部分組成，如圖1所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，含有灰塵的空氣從空濾器進(jìn)氣口進(jìn)入粗濾方筒體內(nèi)，方筒體內(nèi)布置有軸向旋流管，旋流管上、下有兩個(gè)安裝板，將粗濾方筒體內(nèi)部格成三個(gè)密封的空腔。帶灰塵的空氣從中間空腔進(jìn)入，在離心力的作用下，灰塵沿旋流管管壁運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到積灰盤(pán)內(nèi)。經(jīng)過(guò)粗濾的空氣沿內(nèi)管進(jìn)入精濾圓筒體內(nèi)，經(jīng)紙質(zhì)濾芯過(guò)濾后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dá)到93%，大大地延長(zhǎng)了紙質(zhì)濾芯的使用壽命。

圖1 沙漠空氣濾清器總成的結(jié)構(gòu)

圖2 軸向旋流管工作原理

1.2 沙漠空氣濾清器改進(jìn)分析

沙漠空氣濾清器雖然有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在結(jié)構(gòu)尺寸大，需要較大布置空間、總成進(jìn)氣阻力高等缺點(diǎn)。空濾器總成進(jìn)出氣口之間的壓力差稱之為空濾器的進(jìn)氣阻力。進(jìn)氣阻力是由于氣體流經(jīng)空濾器總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，氣體分子經(jīng)過(guò)濾芯介質(zhì)材料的撞擊也存在一定的能量損耗。

進(jìn)氣阻力過(guò)高會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、進(jìn)一步影響發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。QC/T 700—2006《空氣濾清器總成技術(shù)條件》[2]規(guī)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(yù)濾器的空濾器總成，原始阻力小于等于3.5 kPa，預(yù)留下2.5 kPa的增量空間用以保證濾芯儲(chǔ)存足夠數(shù)量的灰塵雜質(zhì)。所以優(yōu)化空濾器總成的進(jìn)氣阻力，不僅可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，同時(shí)還可以增加空濾器總成的保養(yǎng)周期，降低客戶的使用成本。

從沙漠空氣濾清器的結(jié)構(gòu)可知，影響到進(jìn)氣阻力的因素有以下五點(diǎn)：空濾器進(jìn)氣口截面積、粗濾方筒體內(nèi)旋流管的數(shù)量及布置方式、粗濾方筒體和精濾圓筒體結(jié)合處的開(kāi)口面積、濾芯的濾紙面積、空濾器出氣口的截面積?，F(xiàn)針對(duì)以上幾點(diǎn)分別進(jìn)行分析尋求突破點(diǎn)：

1.2.1 沙漠空氣濾清器進(jìn)出氣口截面積

粗濾進(jìn)口氣流速度v1一般取15～25 m/s，過(guò)高的流速會(huì)造成很大的原始阻力。進(jìn)氣口截面積可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

按沙漠空氣濾清器設(shè)計(jì)額定流量Q進(jìn)行校核，現(xiàn)有空濾器設(shè)計(jì)進(jìn)出口截面積滿足設(shè)計(jì)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(fù)合纖維紙，一些要求較高的還會(huì)在濾紙表面增加納米涂覆層，以提高過(guò)濾精度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果空氣通過(guò)紙芯表面的流量為0.03 m3/cm2·h，濾芯的原始阻力應(yīng)在0.5 kPa以內(nèi)[3]。同樣按設(shè)計(jì)額定流量Q進(jìn)行校核，可得濾紙有限面積的經(jīng)驗(yàn)值。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有濾芯尺寸進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算現(xiàn)有濾芯濾紙的有效表面積A：

式中：b為折寬；n為折數(shù)；h為濾芯高。

通過(guò)對(duì)比濾芯有效表面積的實(shí)際值與經(jīng)驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品的濾芯濾紙有效表面積大于經(jīng)驗(yàn)值，濾芯總成的阻力應(yīng)小于0.5 kPa，無(wú)須進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.3 粗濾器旋流管的直徑與布置數(shù)量

粗濾器的旋流管的直徑及布置是本次優(yōu)化的重點(diǎn)，目前行業(yè)內(nèi)常用的軸向旋流管的管徑在30 mm至45 mm，尺寸過(guò)小制造難度大，且阻力較大。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的幾種軸向旋流管的阻力及預(yù)過(guò)濾效率進(jìn)行對(duì)比后，選取進(jìn)氣阻力適中、粗濾效率較高的軸向旋流管。采用最節(jié)省空間的正三角形排布，并對(duì)影響旋流管排布的一些連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，重新對(duì)旋流管進(jìn)行布置，使得在現(xiàn)有空間允許的情況下，旋流管的數(shù)量為優(yōu)化前的132.9%。

1.2.4 粗濾方筒體和精濾圓筒體結(jié)合處的開(kāi)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(duì)應(yīng)額定流量進(jìn)行計(jì)算，目前粗濾器的出氣口截面積（即粗濾器和精濾圓筒體結(jié)合處的開(kāi)口面積）略小于設(shè)計(jì)要求，應(yīng)加以優(yōu)化。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化殼體連接結(jié)構(gòu)，增大粗濾和精濾結(jié)合處的開(kāi)口面積，增大后的面積為理論經(jīng)驗(yàn)值的123.3%，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 沙漠空氣濾清器三維數(shù)據(jù)構(gòu)建

通過(guò)對(duì)粗濾器軸向旋流管的直徑及數(shù)量、粗濾方筒體和精濾圓筒體結(jié)合處的開(kāi)口面積兩處進(jìn)行理論計(jì)算優(yōu)化后，利用CATIA軟件初步建立了三維模型數(shù)據(jù)，為后續(xù)的整車(chē)布置分析及性能分析奠定基礎(chǔ)。

2 CFD壓降仿真分析

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是一種用計(jì)算機(jī)仿真模擬來(lái)代替實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)流場(chǎng)中各相流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析研究的方法，通過(guò)數(shù)值模擬方式實(shí)現(xiàn)對(duì)描述流體流動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜方程組的求解。它以仿真計(jì)算及圖像顯示的方式，對(duì)有關(guān)于流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)等類似現(xiàn)象進(jìn)行研究[4]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法能夠計(jì)算得到流場(chǎng)各個(gè)區(qū)域的信息，為設(shè)計(jì)初期確定技術(shù)方案節(jié)省大量的工作量，縮短設(shè)計(jì)周期。STAR-CCM+是目前使用較為普遍的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。

利用CATIA軟件將建立的三維幾何模型中不影響分析結(jié)果的細(xì)節(jié)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。提取流體流經(jīng)區(qū)域得到流體分析模型，導(dǎo)入hypermesh軟件劃分網(wǎng)格。為了降低計(jì)算的工作量并保證一定的計(jì)算精度，將相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)劃分成不同的集合區(qū)域進(jìn)行不同精度的網(wǎng)格劃分。

沙漠空氣濾清器總成進(jìn)氣阻力（壓降）計(jì)算時(shí)采用κ-ε湍流模型，保留內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，濾芯設(shè)定為多孔介質(zhì)模型，進(jìn)出口進(jìn)口設(shè)置一段穩(wěn)壓腔，按額定流量進(jìn)行計(jì)算。得到沙漠空氣濾清器進(jìn)氣阻力（壓降）計(jì)算值滿足改進(jìn)開(kāi)發(fā)時(shí)設(shè)定的目標(biāo)值。

同時(shí)，通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在空濾器出氣管道轉(zhuǎn)彎處圓角不夠平緩，對(duì)阻力造成了較大的影響，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖3。

圖3 空濾器出氣口轉(zhuǎn)彎處壓力云圖

3 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的三維數(shù)據(jù)制作快速樣件，按照QC/T 32—2017《汽車(chē)用空氣濾清器試驗(yàn)方法》[5]進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，主要驗(yàn)證沙漠空氣濾清器總成的進(jìn)氣阻力及粗濾效率，試驗(yàn)驗(yàn)證用灰采用270目石英砂。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在額定流量下，性能參數(shù)滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，且與理論計(jì)算相符。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)沙漠空濾器的改進(jìn)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述，通過(guò)對(duì)沙漠空濾器的結(jié)構(gòu)分析，采用理論計(jì)算和CFD分析相結(jié)合的方法，確定了總成結(jié)構(gòu)方案。最終結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，完成了產(chǎn)品的改進(jìn)開(kāi)發(fā)，性能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。目前該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于公司重型自卸車(chē)上，獲得了較好的市場(chǎng)反響。