侯峨明，姚 瑤，梁奉典

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

進氣系統(tǒng)的功能是向發(fā)動機盡可能多和盡可能均勻地提供潔凈的空氣，空氣濾清器是進氣系統(tǒng)的核心零部件。重型工程車的工作環(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)很好地解決了這個問題，它是一種組合式的空濾器，由紙質濾清器和預濾器組成，預濾器內布置有切向或者軸向進氣的旋流管，具有濾清效率高、儲灰能力大，結構簡單、保養(yǎng)容易等優(yōu)點[1]。

隨著大功率發(fā)動機的逐漸推廣，重載工程自卸車搭載的發(fā)動機功率逐年提升，市場已出現(xiàn)了375 kW以上的需求。目前整車匹配的沙漠空氣濾清器進氣流量無法滿足，這要求提升空氣濾清器的進氣流量，但是受整車布置空間的影響，空氣濾清器在外形上無法增大，僅能在目前產品的基礎上，從內部進行結構優(yōu)化，提升性能。

1 空氣濾清器設計

1.1 沙漠空氣濾清器的結構

沙漠空氣濾清器由精濾圓筒體、粗濾方筒體、積灰盤三部分組成，如圖1所示。當發(fā)動機工作時，含有灰塵的空氣從空濾器進氣口進入粗濾方筒體內，方筒體內布置有軸向旋流管，旋流管上、下有兩個安裝板，將粗濾方筒體內部格成三個密封的空腔。帶灰塵的空氣從中間空腔進入，在離心力的作用下，灰塵沿旋流管管壁運動，進入到積灰盤內。經過粗濾的空氣沿內管進入精濾圓筒體內，經紙質濾芯過濾后進入發(fā)動機，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到93%，大大地延長了紙質濾芯的使用壽命。

圖1 沙漠空氣濾清器總成的結構

圖2 軸向旋流管工作原理

1.2 沙漠空氣濾清器改進分析

沙漠空氣濾清器雖然有諸多的優(yōu)點，但也存在結構尺寸大，需要較大布置空間、總成進氣阻力高等缺點?？諡V器總成進出氣口之間的壓力差稱之為空濾器的進氣阻力。進氣阻力是由于氣體流經空濾器總成內部結構產生，氣體分子經過濾芯介質材料的撞擊也存在一定的能量損耗。

進氣阻力過高會影響發(fā)動機的進氣量、進一步影響發(fā)動機的油耗。QC/T 700—2006《空氣濾清器總成技術條件》[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濾器的空濾器總成，原始阻力小于等于3.5 kPa，預留下2.5 kPa的增量空間用以保證濾芯儲存足夠數(shù)量的灰塵雜質。所以優(yōu)化空濾器總成的進氣阻力，不僅可以降低發(fā)動機油耗，同時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構可知，影響到進氣阻力的因素有以下五點：空濾器進氣口截面積、粗濾方筒體內旋流管的數(shù)量及布置方式、粗濾方筒體和精濾圓筒體結合處的開口面積、濾芯的濾紙面積、空濾器出氣口的截面積?，F(xiàn)針對以上幾點分別進行分析尋求突破點：

1.2.1 沙漠空氣濾清器進出氣口截面積

粗濾進口氣流速度v1一般取15～25 m/s，過高的流速會造成很大的原始阻力。進氣口截面積可按照下式進行計算：

按沙漠空氣濾清器設計額定流量Q進行校核，現(xiàn)有空濾器設計進出口截面積滿足設計要求。

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合纖維紙，一些要求較高的還會在濾紙表面增加納米涂覆層，以提高過濾精度。根據(jù)經驗，如果空氣通過紙芯表面的流量為0.03 m3/cm2·h，濾芯的原始阻力應在0.5 kPa以內[3]。同樣按設計額定流量Q進行校核，可得濾紙有限面積的經驗值。通過對現(xiàn)有濾芯尺寸進行測量，計算現(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。

通過對比濾芯有效表面積的實際值與經驗值，發(fā)現(xiàn)實際產品的濾芯濾紙有效表面積大于經驗值，濾芯總成的阻力應小于0.5 kPa，無須進行優(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，目前行業(yè)內常用的軸向旋流管的管徑在30 mm至45 mm，尺寸過小制造難度大，且阻力較大。通過對現(xiàn)有成熟產品的幾種軸向旋流管的阻力及預過濾效率進行對比后，選取進氣阻力適中、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，并對影響旋流管排布的一些連接結構進行了優(yōu)化，重新對旋流管進行布置，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合處的開口面積

為保證較低的流阻，粗濾器氣流出口速度v2，一般取10 m/s，對應額定流量進行計算，目前粗濾器的出氣口截面積（即粗濾器和精濾圓筒體結合處的開口面積）略小于設計要求，應加以優(yōu)化。通過改進設計，優(yōu)化殼體連接結構，增大粗濾和精濾結合處的開口面積，增大后的面積為理論經驗值的123.3%，滿足設計要求。

1.3 沙漠空氣濾清器三維數(shù)據(jù)構建

通過對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合處的開口面積兩處進行理論計算優(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)的整車布置分析及性能分析奠定基礎。

2 CFD壓降仿真分析

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是一種用計算機仿真模擬來代替實驗設備對流場中各相流體運動規(guī)律進行分析研究的方法，通過數(shù)值模擬方式實現(xiàn)對描述流體流動規(guī)律的復雜方程組的求解。它以仿真計算及圖像顯示的方式，對有關于流體流動以及熱傳導等類似現(xiàn)象進行研究[4]。計算流體動力學方法能夠計算得到流場各個區(qū)域的信息，為設計初期確定技術方案節(jié)省大量的工作量，縮短設計周期。STAR-CCM+是目前使用較為普遍的計算流體動力學軟件。

利用CATIA軟件將建立的三維幾何模型中不影響分析結果的細節(jié)或結構進行適當簡化。提取流體流經區(qū)域得到流體分析模型，導入hypermesh軟件劃分網格。為了降低計算的工作量并保證一定的計算精度，將相對復雜的幾何結構劃分成不同的集合區(qū)域進行不同精度的網格劃分。

沙漠空氣濾清器總成進氣阻力（壓降）計算時采用κ-ε湍流模型，保留內部結構特征，濾芯設定為多孔介質模型，進出口進口設置一段穩(wěn)壓腔，按額定流量進行計算。得到沙漠空氣濾清器進氣阻力（壓降）計算值滿足改進開發(fā)時設定的目標值。

同時，通過計算分析發(fā)現(xiàn)，在空濾器出氣管道轉彎處圓角不夠平緩，對阻力造成了較大的影響，需要進行結構優(yōu)化，如圖3。

圖3 空濾器出氣口轉彎處壓力云圖

3 臺架試驗驗證

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《汽車用空氣濾清器試驗方法》[5]進行臺架試驗，主要驗證沙漠空氣濾清器總成的進氣阻力及粗濾效率，試驗驗證用灰采用270目石英砂。經過驗證，在額定流量下，性能參數(shù)滿足各項設計要求，且與理論計算相符。

4 結語

本文對沙漠空濾器的改進優(yōu)化過程進行了詳細的描述，通過對沙漠空濾器的結構分析，采用理論計算和CFD分析相結合的方法，確定了總成結構方案。最終結合臺架試驗結果，完成了產品的改進開發(fā)，性能滿足設計預期要求。目前該產品已廣泛應用于公司重型自卸車上，獲得了較好的市場反響。