劉阿龍,劉帥帥
(陜西華臻車輛部件有限公司,陜西 西安 710200)
空氣濾清器主要用于氣動機械、內(nèi)燃機械等領域,作用是為這些機械設備提供清潔的空氣,以防這些機械設備在工作中吸入帶有雜質(zhì)顆粒的空氣而被磨蝕和損壞。
空氣濾清器主要指標為原始進氣阻力、原始濾清效率、粗濾效率、實驗室壽命,原始進氣阻力決定整車油耗,原始濾清效率決定著發(fā)動機的壽命周期[1],現(xiàn)在對原始濾清器效率要求越來越高,粗濾效率及實驗室壽命決定空氣濾清器整個壽命周期,關系到用戶車輛使用成本,而空氣濾清器產(chǎn)品開發(fā)過程中,必須通過相應措施,確保產(chǎn)品滿足要求,本文列出了產(chǎn)品開發(fā)過程中要點,從產(chǎn)品設計、分析驗證、實驗驗證進行要點控制,確保產(chǎn)品性能滿足要求。
依據(jù)公式對各部位流速進行計算,確定合理的各部位尺寸。
各部位面積計算方式如下:
(1)進氣口面積:按照實際形狀計算面積;
(2)中心管面積:3.14*(中心管內(nèi)徑/2)2*中心管數(shù)量;
(3)中心管與旋流管之間面積:3.14*(中心管內(nèi)徑/2)2*中心管數(shù)量-3.14*(葉輪外徑/2)2*中心管數(shù)量;
(4)粗細濾結合部位面積:按照實際形狀計算面積;
(5)出氣口面積:3.14*(出氣口內(nèi)徑/2)2;流速(m/s)=(額定流量/面積m2)/3600。
另外濾芯是決定進氣阻力的另一主要部件,濾芯在結構一定的情況下,取決于濾材,濾材透氣性直接影響過濾器成品的流量阻力。國際上測定透氣性指標的方法多種多樣,但基本的方式是相同的,即一定流量的清潔氣體通過一定面積濾材時的阻力大小。不同之處是:有的規(guī)定阻力值,測定流量大?。挥械囊?guī)定流量值,測定阻力大??;規(guī)定值或通過濾材的面積也有不同,需要選用合適的濾材用于產(chǎn)品。
原始濾清效率是指裝有新濾芯的總成按規(guī)定的試驗方法濾除特定試驗灰塵的能力,以濾除灰塵的質(zhì)量占加入灰塵的質(zhì)量百分比(%)來表示。
原始濾清效率標準要求仍是采用《QC/T770-2006汽車用干式空氣濾清器總成技術條件》[2]中的要求,效率為99.7% ,但是好多主機廠對目前效率要求越來越高,阻力要求越來越低,大流量成發(fā)展趨勢。
空氣濾清器原始濾清效率要求高于標準要求,提高至99.8%以上;國六階段車型進氣系統(tǒng)更是要求空氣濾清器最大通過顆粒直徑達到 20um;傳統(tǒng)濾紙已經(jīng)無法滿足設計需求,納米濾紙由此而生,設計開發(fā)過程中必須充分了解客戶需求,注意濾紙的選擇。
粗濾功能起著非常重要的作用,能夠延長濾芯壽命,降低用戶使用成本。當預濾效率提高 1%,紙質(zhì)濾芯負荷減少10%;當預濾效率為90%時,紙質(zhì)濾芯會接收10%的灰塵,由此看來,粗濾功能起著非常重要的作用。
一般,粗濾效率與旋風分離器有直接關系,而旋風分離器的結構一直是同行業(yè)甚至是其他行業(yè)人員不斷研究的重點項目,依據(jù)旋風分離器原理通過計算,確定旋流分離器結構,保證特定的流速下分離效率最高。
在達到試驗終止條件時,總成的加灰量,以額定流量和相同的加灰率(1g/m3)為依據(jù),對不同類型空氣濾清器總成實驗室壽命進行計算,以便與不同類型空氣濾清器間試驗室壽命指標的比較。
實驗室壽命決定著用戶的使用成本,通過對實驗室壽命定義的理解,空氣濾清器的實驗室壽命與粗濾效率及濾芯容塵量有直接關系,粗濾效率高,進入濾芯的灰塵就小,濾芯的容塵量大,空濾器就可以過濾更多灰塵。
在粗濾效率一定的條件下,選用優(yōu)質(zhì)的濾材是提高空氣濾清器實驗室壽命的唯一手段,以雙級沙漠空氣濾清器為例,要求實驗室壽命為22h,那么在額定流量2000 M3/h,需要加入的灰塵為44kg,按照標準要求,粗濾效率為91%指標下,達到濾芯的灰塵有接近4kg灰塵,那么就需要對濾芯的容塵量進行分析,設計出滿足容塵量的灰塵。
而濾芯的主要性能取決于濾材,故需要對濾芯進行進一步分析,本文對不同的濾材進行實驗室容塵量測試,發(fā)現(xiàn)市場濾材容塵量偏差很大,故需要設計人員選用可靠已知的濾材用于產(chǎn)品,保證產(chǎn)品質(zhì)量,以下是實驗室對不用濾紙進行試驗得出的記錄數(shù)據(jù),如表1。
不同濾紙(做成濾芯)在相同空濾器上時,性能對比試驗:
表1 加灰100g后,阻力增量數(shù)據(jù)表
小結:容納相同數(shù)量試驗灰后,阻力增量:A(21)<B(40)=D(40)=G(40)<F(80)<C(89)<E(91)<H(175)
由此可見,濾紙差異很大,產(chǎn)品設計人員需要不斷調(diào)研濾材,選擇合適的濾材用于設計產(chǎn)品,保證滿足客戶要求。
原始進氣阻力是額定空氣流量時,新的完整試驗件的進氣阻力/壓力損失,原始進氣阻力直接關系到整車油耗,為了降低開發(fā)費用,需要通過軟件進行CFD分析,來確定設計的產(chǎn)品是否可行,而通常進氣系統(tǒng) CFD常規(guī)軟件有 ANSYS Fluent、STAR-CCM, 通過軟件對設計的產(chǎn)品進行分析,得出圖1進氣壓降及壓力云圖,對產(chǎn)品設計優(yōu)化提供重要理論支撐。
圖1 進氣壓降及壓力云圖
此性能指標區(qū)別于濾材,濾材相關參數(shù)有定量、厚度、透氣度、最大孔徑、耐破度等,在建立濾材標準時,過濾精度概念都與顆粒直徑聯(lián)系起來,不論是液體過濾還是氣體過濾,過濾精度值都是指某尺寸以上顆粒被濾除的效率,而濾材孔徑直接決定著過濾效率[3],故設計人員需要通過試驗挑選合適的濾材選用即可。
粗濾效率是預濾器分離出特定試驗灰塵的能力,實際也是旋風分離器分離灰塵的能力,目前行業(yè)已經(jīng)能夠進行特定的氣、固兩相流分析,模擬出產(chǎn)品的分離效率。
目前有很大進展,國內(nèi)技術已經(jīng)成熟,但是分析結果往往與實際出入較大,我國專業(yè)人士,通過不斷優(yōu)化分析條件,但是至今仍未有能夠準確定量的方法,特別是在進氣系統(tǒng)的CFD分析中,牽扯到產(chǎn)品成型工藝,從而分析結果與實際出入較大;而軟件分析能夠?qū)Ξa(chǎn)品設計階段提供有力支撐[4],但是產(chǎn)品性能最終仍需試驗驗證。
正所謂,產(chǎn)品質(zhì)量,源于設計,而空氣濾清器的設計是否可行,唯一準確的檢測手段就是試驗;
遵循PDCA循環(huán)[5],試驗驗證是空氣濾清器開發(fā)必不可少的環(huán)節(jié),是驗證整個目標是否完成的唯一手段,空氣濾清器的指標定義來源于試驗,指標結果來源于試驗,論試驗重要性。
空氣濾清器試驗方法,依據(jù)標準《QC/T32-2017 汽車用空氣濾清器試驗方法》[6]對空氣濾清器的預濾效率試驗方法作出了規(guī)定,可以完全依據(jù)標準進行。
(1)產(chǎn)品性能至關重要,設計階段,原始進氣阻力設計時,必須識別各個脖頸部位,通過理論計算,控制各部位空氣流速,降低進氣阻力;
(2)選用納米濾材保證產(chǎn)品原始濾清效率;
(3)合理設計旋風分離器,提高粗濾效率;
(4)綜合考慮,粗濾效率一定的情況下,選用高容塵量的濾材,保證產(chǎn)品實驗室壽命;
(5)分析階段,不斷優(yōu)化分析條件,降低分析結果偏差,保證結果可靠性;
(6)試驗階段,空氣濾清器試驗方法,依據(jù)標準《QC/T32-2017汽車用空氣濾清器試驗方法》對空氣濾清器的預濾效率試驗方法作出了規(guī)定,可以完全依據(jù)標準進行。