某重型車輛空氣濾清器在沙漠地區(qū)的試驗研究

盧進軍，　謝東升，　王建東，　孫　陽，　喬夢華，李繼新，　李文超，　陳克新

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.中國人民解放軍73667部隊，江蘇句容 212400)

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某重型車輛空氣濾清器在沙漠地區(qū)的試驗研究

盧進軍1，謝東升2，王建東1，孫陽1，喬夢華1，李繼新1，李文超1，陳克新1

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.中國人民解放軍73667部隊，江蘇句容 212400)

針對某重型車輛傳統(tǒng)空氣濾清器在沙漠地區(qū)使用過程中出現(xiàn)的使用壽命短和效率下降兩個問題，研制了一種新型緊湊型空氣濾清器.該型空氣濾清器由多種過濾元件組成，并被安裝到某重型車輛上，完成了壓力降、預濾器效率和保養(yǎng)周期等項目的沙漠地區(qū)試驗，試驗結果表明新型緊湊型空氣濾清器達到了在沙漠地區(qū)使用的技術指標要求.

緊湊型空氣濾清器；沙漠地區(qū)；野外試驗；空氣濾清器保養(yǎng)周期；空氣濾清器過濾效率

中國疆域遼闊，沙漠、沙漠化及風沙化土地的分布范圍非常廣，其主要區(qū)域分布在北緯35～50 ℃之間的內(nèi)陸盆地及高原上，形成一條西起塔里木盆地，東至松嫩平原西部，東西長4 500 km，南北寬600 km的沙漠帶，這些土地總面積為267萬平方公里，占國土面積的28.1%，以新疆維吾爾自治區(qū)為例，近70%的面積為沙漠與戈壁地貌.

行駛在沙漠地區(qū)的重型車輛發(fā)動機空氣濾清器，長期暴露在濃度為2～6 kg/m3的沙塵環(huán)境中，使得空氣濾清器的負荷較平原地區(qū)增加了2～3倍[1].該空氣濾清器的預濾器為切線旋風式、二級濾清器(精濾)為油浴鐵絲網(wǎng)結構.二級濾清器的過濾原理是靠鐵絲網(wǎng)浸油后用油吸附沙塵顆粒達到濾清效果的，其效率隨使用時間的延長和油膜的變薄而下降.當機油吸附滿沙粒后鐵絲網(wǎng)濾清器就失去了它的作用，即所謂的濾塵盒擊穿.大量的沙粒直接通過鐵絲網(wǎng)進入到發(fā)動機后，就會出現(xiàn)發(fā)動機最大功率大幅度下降、耗油量明顯上升、排放趨于惡化、機油壓力降低的現(xiàn)象.由于鐵絲網(wǎng)的儲塵能力較差，所以空氣濾清器的保養(yǎng)周期就會相應縮短，嚴重狀態(tài)下還會造成“一半使用，一半保養(yǎng)”的局面，已經(jīng)嚴重影響了該重型車輛的使用效率.因此，工作在沙漠地區(qū)的重型車輛發(fā)動機空氣濾清器主要面臨著使用壽命短和效率下降兩個難題.

基于上述問題，研制了一種高效空氣濾清器，該空氣濾清器由預濾器、抽塵裝置、殼體、二級濾清器等部件組成.其中預濾器是含有多個固定旋轉件的復雜直通離心分離裝置；抽塵裝置是含有高速旋轉件的離心泵；二級濾清器是由濾紙加工的紙質濾芯作為精密過濾分離裝置[2].高效空氣濾清器在沙漠地區(qū)使用的技術指標要求為：原始進氣阻力不大于6 kPa，終了阻力不大于12 kPa，預濾器效率不小于80%(ISO標準細灰，采用質量法)，壽命周期應不小于8 h.

本研究基于模型的仿真結果與臺架試驗數(shù)據(jù)和結論，提出了一種在沙漠地區(qū)使用的新型空氣濾清器試驗方法，通過對沙漠地區(qū)樣車試驗數(shù)據(jù)的分析來判斷該新型空氣濾清器在沙漠地區(qū)的適用性，從而形成空氣濾清器能否在特定地區(qū)使用的結論.試驗結果證明，該新型空氣濾清器能滿足重型車輛在沙漠地區(qū)的使用要求.

1　試驗概況

1.1空氣濾清器布置與試驗項目

新型空氣濾清器在沙漠地區(qū)的試驗系統(tǒng)主要由新型空氣濾清器(見圖1)、新型空氣濾清器阻力測量記錄盒現(xiàn)場測試系統(tǒng)(見圖2)、出氣管路和抽塵管路等組成(見圖3).空氣濾清器出氣口通過連接膠管與發(fā)動機進氣口相連，預濾器的一二級排塵口通過排塵膠管與排塵裝置連接.空氣濾清器阻力測量點布置在濾清器出氣口處.車輛試驗項目主要有越野駕駛，固定科目駕駛，如上拖車、越障等，其中越野駕駛強度較大.空氣濾清器在試驗場全負荷行駛.空氣濾清器試驗項目主要有空氣濾清器的阻力、預濾器在沙漠地區(qū)的過濾效率和空氣濾清器使用壽命.

圖1　新型空氣濾清器總成圖　　　圖2　新型空氣濾清器阻力記錄盒與現(xiàn)場測試系統(tǒng)　　　　圖3　新型空氣濾清器樣機安裝圖

1.2試驗現(xiàn)場

該重型車輛試驗場位于戈壁灘深處，如圖4所示.該地區(qū)常年無雨，年平均降水量低于20 mm；空氣干燥，濕度低于10%，沙塵顆粒細且粘聚性好，極易附著在空氣濾芯表面；早晚溫差大，中午太陽直射，車體表面溫度可以達到近50 ℃，對空氣濾清器的性能是一種嚴峻的考驗.

2　阻力試驗

2.1阻力試驗方法

空氣濾清器阻力記錄盒的測量原理是應用壓力傳感器捕捉空氣濾清器出氣口由于流速差異而引起的靜壓的變化[3].

安裝新型空氣濾清器的重型車輛在野外試驗場行駛.采用了以上兩種測量方案：第一種方案是針對濾芯的不同狀態(tài)和發(fā)動機轉速，分別測量系統(tǒng)阻力值，形成轉速阻力曲線;第二種方案則是隨著車輛長期運行，濾芯表面積灰由少到多逐漸增多，系統(tǒng)阻力亦會由低到高逐漸增加，基于這一基本原理，對空氣濾清器阻力進行長期監(jiān)測，最后形成車輛行駛時間與阻力變化的曲線.

2.2阻力測量結果

第一種方案重點考察了兩種濾芯3種運行狀態(tài)，分別是：1)安裝新濾芯狀態(tài)下車輛原地發(fā)動5 min，發(fā)動機空轉轉速范圍為0～2 000 r/min；2)安裝新濾芯狀態(tài)下車輛行駛5 min，發(fā)動機轉速范圍為0～2 000 r/min；3)安裝舊濾芯(車輛行駛經(jīng)過20 h后的濾芯)狀態(tài)下車輛原地發(fā)動5 min，發(fā)動機空轉轉速范圍為0～2 000 r/min；4)安裝舊濾芯狀態(tài)下車輛行駛5 min，發(fā)動機轉速范圍為0～2 000 r/min；5)舊濾芯保養(yǎng)后，重新安裝到車輛上，原地發(fā)動5 min，發(fā)動機空轉轉速范圍為0～2 000 r/min；6)把保養(yǎng)后的舊濾芯安裝到車輛上，進行野外行駛5 min，發(fā)動機轉速范圍控制在0～2 000 r/min[4].分別記錄各狀態(tài)下的空氣濾清器阻力和發(fā)動機轉速.其中，新型空氣濾清器的濾芯在原地空轉與行駛過程兩種狀態(tài)下的阻力-轉速曲線如圖4所示.

圖4　新濾芯在原地空轉與行駛過程兩種狀態(tài)下的阻力-轉速曲線

舊濾芯經(jīng)清理保養(yǎng)過后在原地空轉和行駛狀態(tài)下的阻力-轉速曲線如圖5所示.

圖5　舊濾芯在原地空轉與行駛狀態(tài)下的阻力-轉速曲線

第二種方案則是反映空氣濾清器在一段行駛時間內(nèi)空氣濾清器阻力變化與時間的關系.通過對阻力記錄盒采集到的數(shù)據(jù)進行分析，形成了安裝新濾芯的空氣濾清器在累計行駛25.5 h的系統(tǒng)阻力與時間變化關系曲線，如圖6所示.由圖6可以看出，安裝新濾芯后，在車輛連續(xù)運行22.5 h后，空氣濾清器最大系統(tǒng)阻力達到了9.3 kPa左右.

圖6　連續(xù)行駛25.5 h，新空氣濾清器濾芯阻力-時間變化關系曲線

由圖4～圖6可知，高效空氣濾清器原始進氣阻力最大值約為5.5 kPa，終了阻力最大值約為9.3 kPa，滿足技術指標要求.

3　預濾器效率試驗

3.1預濾器效率試驗方法

預濾器效率是指預濾器過濾某類型灰塵的能力，通常可以采用計重法表示或粒子計數(shù)法表示.計重法即從重量方面表征濾清器過濾能力，利用預濾器前后端重量的變化來計算.粒子計數(shù)法則是通過預濾器前后端不同尺寸粒子濃度的變化情況來分析預濾器對不同粒徑段粒子的過濾能力.

采用計重法獲取預濾器的過濾效率，其具體操作方法為：首先去除空氣濾清器的預濾器，車輛在僅保留二級濾清器的條件下，在試驗場行駛1 h，停車后，采集濾芯表面土樣本，計算濾芯重量.濾芯重新保養(yǎng)后，裝配預濾器，同樣狀態(tài)行駛1 h，停車后，再次計算濾芯重量.通過對比兩次濾芯的重量，可以計算出預濾器在行駛狀態(tài)下的過濾效率.

粒子計數(shù)方法則是通過采集預濾器前后端粉塵樣本，通過馬爾文激光粒度分析儀對樣本進行粒徑分布分析，得到預濾器前后端的沙塵粒徑分布，通過特定計算方法，可以計算得到預濾器對各粒徑段粉塵的分級過濾效率.

3.2預濾器效率試驗結果

本次試驗中，無預濾器狀態(tài)下濾芯1 h內(nèi)增重3.7 kg，安裝預濾器后濾芯增重為0.585 kg.采用計重法，可計算出在試驗場環(huán)境下預濾器的濾清效率為84.2%.在試驗室用ISO-A2細灰測量同款預濾器測得的濾清效率為85%，與試驗場測試效率基本吻合，滿足技術指標要求.

基于粒徑分布的粒子計數(shù)法效率來源于樣本的粒徑分布分析結果.

采集到的預濾器過濾前的沙塵粒徑分布圖如圖7所示.

采集到的預濾器過濾后的沙塵粒徑分布圖如圖8所示.

通過分級效率計算方法，計算得到的預濾器全粒徑端分級過濾效率如圖9所示.

圖7　預濾器(一級濾清器)過濾前的沙塵粒徑分布圖

圖8　預濾器(一級濾清器)過濾后的沙塵粒徑分布圖

由圖9可以看出：預濾器對不同粒徑沙塵顆粒的過濾效率曲線走勢是符合旋風分離裝置過濾規(guī)律的.其中，預濾器對10 μm以上的灰塵顆粒，其過濾效率為70%，預濾器對大于20 μm的灰塵顆粒，過濾效率大于80%.

4　保養(yǎng)周期試驗

4.1保養(yǎng)周期試驗的方法

重型車輛空氣濾清器的保養(yǎng)周期，即無塵濾芯放入空氣濾清器，車輛使用直至阻力報警器報警，濾芯需要維護所持續(xù)的時間，通?？梢岳斫鉃榭諝鉃V清器在室外環(huán)境使用一段時間的儲塵能力.具體試驗方法為將新型空氣濾清器安裝到車輛上，在野外試驗場地進行行駛試驗，達到阻力報警或者發(fā)現(xiàn)發(fā)動機明顯動力不足時停車進行空氣濾芯的保養(yǎng)，記錄使用時間，使用時間的多少即為該型空氣濾清器的保養(yǎng)周期.

4.2保養(yǎng)周期試驗的試驗結果

表1為安裝新型空氣濾清器的5臺樣車，在一個訓練周期內(nèi)行駛與保養(yǎng)周期的現(xiàn)場記錄統(tǒng)計表.

表1　車輛保養(yǎng)周期試驗統(tǒng)計表

從表1可以得出，新型空氣濾清器的平均保養(yǎng)周期為29 h.以5號車為例，當車輛行駛25.5 h后，分解空氣濾清器總成，經(jīng)計量，濾芯增重為4.66 kg，這時車輛未出現(xiàn)動力不足現(xiàn)象，車輛行駛過程中阻力記錄盒記錄的阻力數(shù)據(jù)最大值為9.3 kPa，未達到阻力報警極限值，未報警.據(jù)此可以分析，空氣濾清器在該環(huán)境下還可以繼續(xù)使用.對比試驗室濾清器容塵能力試驗，當空氣濾清器系統(tǒng)阻力達到報警點12 kPa時，濾芯增重為4.87 kg.可以判斷，空氣濾清器在沙漠試驗場還可以繼續(xù)行駛1 h，即空氣濾清器總保養(yǎng)周期預計可達到26.5 h.

5　結　論

基于濾芯優(yōu)選、殼體改進、新型高效預濾器的空氣濾清器，經(jīng)過為期一年的新疆沙漠地區(qū)野外試驗，得到如下結論：

空氣濾清器試驗樣機在試驗場試驗過程中，系統(tǒng)阻力隨濾芯表面沉積灰塵的增加而緩慢提升，初始阻力滿足技術要求.空氣濾清器的預濾器粗濾效率依據(jù)重量法測試得到的數(shù)值為84.2%，與試驗室應用ISO-A2細灰測得的效率值85%基本吻合.應用粒徑分析法計量預濾器粗濾效率時，10 μm以上粒子過濾效率為70%，20 μm以上粒子過濾效率為80%，40 μm以上粒子基本可以達到100%. 行駛25.5 h后系統(tǒng)阻力未達到報警阻力限值.由此可以得出新型空氣濾清器可以滿足使用要求.

[1]陳曉玉.摩托車空氣濾清器性能檢測方法探討[J].摩托車技術，2005，(7)：25-26

[2]孫陽，王建東，盧進軍，等.一種空氣濾清器仿真分析方法研究[J].車輛與動力技術，2014，(3)：32-49.

[3]Jin Jun Lu，Yang sun，Li Ping Cheng. The applica-bility investigation on two models for porous air filters[C].//FILTECH 2013-G10-POSTER Ⅱ，The Germ-any，2013:8-9.

[4]盧進軍，李繼新，孫陽，等.高原環(huán)境下某裝甲車輛空氣濾清器性能仿真分析與試驗[J].兵工學報，2015，(8)：1556-1561.

Experimental Research on Air Filter of a HDV in Desert Area

LU Jin-jun1，XIE Dong-sheng2，WANG Jian-dong1，SUN Yang1，QIAO Meng-hua1，LI Ji-xin1，LI Wen-chao1，CHEN Ke-xin1

(1.China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China；2. Army 73667，Jiangsu 212400，China)

Focusing on the two serious problems on short usage time and efficiency decrease of the traditional air filters equipped on a certain HDV，a new compact air filter was developed. It was complicated structured and combined by a variety of filter elements. The product was fixed on the vehicle and the tests of the pressure drop， pre-cleaner efficiency and the usage life time duration have been conducted in the desert area. The test results proved that the new product has reached the technical requirements.

compact air filters； desert； field test；the use time of air filter；the efficiency of air filter

1009-4687(2016)03-0016-05

2016-05-14；修回稿日期：2016-06-29.

盧進軍(1980-),男,副研究員，研究方向為過濾技術.

U464.134+.4

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