汽車空氣濾清器的性能改進(jìn)優(yōu)化淺析

張博 夏琰 原宗悅 胡振琦 郭輝

摘要：空氣濾清器作為汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分之一，不僅可以進(jìn)行過(guò)濾空氣，更能降低進(jìn)氣噪聲，對(duì)提高汽車的動(dòng)力性和舒適性有很大的幫助。本文首先通過(guò)對(duì)空氣過(guò)濾器效率的分析，總結(jié)了影響空氣過(guò)濾器正常性能的因素;其次，探討了提高汽車空氣過(guò)濾器效率的有效措施;最后利用Sysnoise軟件對(duì)某轎車空氣濾清器的降噪性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了較為細(xì)致的優(yōu)化方案，并對(duì)其流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣濾清器的性能進(jìn)行優(yōu)化的目的。

關(guān)鍵詞：汽車;空氣濾清器;性能改進(jìn);優(yōu)化

1. 引言

隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，用戶對(duì)降噪性能的要求也越來(lái)越高。因此噪聲也已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車輛等級(jí)管理水平的重要指標(biāo)。目前，進(jìn)氣噪聲是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲來(lái)源之一，關(guān)系到整車的乘坐舒適性。進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲主要是指進(jìn)氣口處的噪聲，當(dāng)噪音源離汽車很近時(shí)，會(huì)加大對(duì)汽車的噪音影響。過(guò)去對(duì)本身只有一個(gè)進(jìn)氣消聲器的空氣濾清器的研究更注重的是濾清器進(jìn)氣的功能，而對(duì)它在降噪性能的理論和結(jié)構(gòu)實(shí)踐上還不夠深入，再者就是空氣過(guò)濾器壁板非常薄，當(dāng)有高速氣流通過(guò)時(shí)，很容易被激發(fā)而產(chǎn)生輻射噪聲等，使得空氣濾清器的降噪功能還未被全面開(kāi)發(fā)、應(yīng)用出來(lái)。本文將在物理結(jié)構(gòu)層面上開(kāi)展研究，基于空氣濾清器噪聲降低方面進(jìn)行優(yōu)化。

2. 汽車空氣濾清器效能的提高途徑

2.1汽車空氣濾清器概述

目前，作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)主要部件的空氣濾清器，它不僅可以清除空氣進(jìn)氣中的微粒雜質(zhì)，更具有降低吸氣噪音的作用。當(dāng)空氣濾清器不能正常發(fā)揮其效能時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，導(dǎo)致燃油燃燒不完全，產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定，動(dòng)力下降、耗油量增加的現(xiàn)象，也會(huì)使進(jìn)氣口吸入空氣中含有過(guò)多的灰塵等其它雜質(zhì)，加劇發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損;甚至還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪音明顯增強(qiáng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，降低了乘客乘坐的舒適性以及汽車本身的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2提高汽車空氣濾清器過(guò)濾空氣雜質(zhì)的措施

（1）選用合適的濾芯

空氣濾清器的濾芯類型較多，根據(jù)不同材質(zhì)將其分為傳統(tǒng)紙質(zhì)、織物和油浴等三類，不同類型濾芯在其材質(zhì)方面也具有不同程度差異，再使用時(shí)需要進(jìn)行考慮與空氣濾清器外殼的匹配分析的問(wèn)題，因此我們切忌不能隨意的去更換濾芯。在選擇空氣過(guò)濾元件時(shí)，還要考慮業(yè)主的預(yù)算等問(wèn)題，以更好地發(fā)揮空氣過(guò)濾器的效率。

（2）及時(shí)更換濾芯

不同企業(yè)所生產(chǎn)的濾芯器更換的周期時(shí)間不相同，一般來(lái)說(shuō)我國(guó)大多數(shù)的轎車可以采用傳統(tǒng)紙質(zhì)或織物濾芯的種類，其更換周期管理一般在20000km左右，一些生活品質(zhì)較差的紙質(zhì)濾芯更換周期分析可縮短至5000～10000km左右。如果對(duì)汽車上的濾芯更換周期不清楚，可以通過(guò)以下方法判斷目前是否需要更換濾芯。

①檢查濾芯有無(wú)明顯的損壞或變形，若存在須更換濾芯，有時(shí)即使濾芯的破損或變形情況并不明顯，也應(yīng)立即去更換濾芯;

②觀察濾芯上是否有水或油漬，如有水或油漬，需要立即更換濾芯;

③查看進(jìn)氣歧管側(cè)附近的濾芯的顏色。白色為正?，F(xiàn)象，但如果大面積變黑，說(shuō)明灰塵已經(jīng)滲透到整個(gè)濾芯，需要更換濾芯。

2.3提高空氣濾清器降噪效能的措施

（1）輕量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

目前，當(dāng)改變空氣過(guò)濾器上下殼體的厚度時(shí)，會(huì)使它的固有頻率發(fā)生一定的變化。相關(guān)研究試驗(yàn)比較結(jié)果可以說(shuō)明，空氣濾清器壁厚度每增加0.5mm，其固有工作頻率將大約需要增加10Hz。空氣濾清器的壁厚通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)的共同轉(zhuǎn)速下計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率來(lái)確定。為了減少共振，采取減少濾清器外的振動(dòng)激勵(lì)等措施實(shí)現(xiàn)。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣過(guò)濾時(shí)，其下殼總有車身的固定支撐，因此引起的振動(dòng)和噪音一般較少由進(jìn)氣氣流撞擊產(chǎn)生，共振聲源主要是指那些沒(méi)有固定支撐的上殼?，F(xiàn)如今，一般都是采用增加筋數(shù)來(lái)提高上殼的剛度從而減少這種噪音的產(chǎn)生。

（3）選用合適的殼體材質(zhì)

空氣濾清器的殼體材質(zhì)選擇的不同會(huì)使得其機(jī)械系統(tǒng)性能和耐沖擊作用強(qiáng)度也不同。目前，為了進(jìn)一步改進(jìn)它的機(jī)械性能和沖擊強(qiáng)度，空氣濾清器殼體大多以PP+TD20為原材料。部分車型對(duì)汽車性能有較高的要求。為了提高殼體的力學(xué)性能和沖擊強(qiáng)度，PP+GF30的殼體對(duì)PP+GF30的殼體的耐熱性有顯著的改善，這有助于延緩殼體的老化。延長(zhǎng)外殼的使用壽命。

3. 汽車空氣濾清器降噪性能的改進(jìn)

3.1降噪性能的分析

在進(jìn)氣系統(tǒng)中，過(guò)濾器不但可以凈化空氣，還能夠作為一個(gè)擴(kuò)展室。由于當(dāng)前的空氣濾清器體積大，再加上形狀不規(guī)則，導(dǎo)致一維平面波的理論計(jì)算逐漸被三維有限元法和邊界元法所取代，而且三維計(jì)算方法在低頻段的計(jì)算結(jié)果具有較高的精度，所以采納以上兩種方法會(huì)降低誤差。在優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之前，需要進(jìn)行大量的模擬試驗(yàn)，并借助隔音措施對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)可以進(jìn)行管理優(yōu)化，提取進(jìn)氣管口的純?cè)肼?，為后續(xù)噪聲優(yōu)化提供理論依據(jù)。

3.2 降噪性能的改進(jìn)

目前，主要研究2/4/6/8級(jí)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲。改進(jìn)的方法是在保持原有空氣濾清器總?cè)莘e的前提下，將原空氣濾清器改為6L空氣過(guò)濾器和1.3L膨脹室串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。保持它的寬度不變，降低它的高度，增加它的長(zhǎng)度。出口直徑保持不變的原因是，增加的膨脹比不會(huì)發(fā)生改變進(jìn)行降噪的中心工作頻率，并會(huì)增加進(jìn)氣阻力。我們將使用有限元法對(duì)空氣濾清器進(jìn)行分析，使用Sysnoise軟件分析和計(jì)算其性能。通過(guò)我們仿真結(jié)果表明，在50～1500Hz的全頻段內(nèi)，降噪效果明顯提高，其中800Hz由原來(lái)的降噪谷變?yōu)榻翟敕澹?0～850Hz的中低頻降噪有明顯的改善。因此，我們的改善措施是有效的。

4. 流場(chǎng)性能分析及優(yōu)化方案

4.1 流場(chǎng)性能分析

當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)，對(duì)于大多數(shù)汽車而言，因?yàn)閷?duì)空氣濾清器的體積要求較為嚴(yán)格，所以它通常安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。但對(duì)于空氣濾清器而言，一定的體積范圍內(nèi)，較大的流通能力和較小的壓力差將對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大改善。因此，為了能夠提高空氣濾清器內(nèi)的流場(chǎng)均勻性，減小氣流阻力，需要對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。以下內(nèi)容就是對(duì)它的優(yōu)化方案。

4.2 流場(chǎng)性能優(yōu)化方案

（1）增大進(jìn)出口面積

空氣過(guò)濾器的進(jìn)、出口面積對(duì)過(guò)濾器腔內(nèi)壓力有極大的影響。當(dāng)空氣吸入面積較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入過(guò)濾器腔的速度過(guò)快，從而氣流會(huì)高速?zèng)_擊進(jìn)氣口對(duì)面的壁面并且反彈形成高壓區(qū)，最后導(dǎo)致其能量損失和功率流動(dòng)，甚至還產(chǎn)生漩渦狀現(xiàn)象。增大進(jìn)出口面積反而使其速度減緩，抑制了原來(lái)的高壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)了能量損失最低化。

（2）修正進(jìn)出口位置

原來(lái)的濾清器的進(jìn)氣口設(shè)置在殼體中央時(shí)，會(huì)使氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口后呈現(xiàn)為散開(kāi)的趨勢(shì)，此時(shí)，入口處的附近會(huì)因此產(chǎn)生低壓區(qū);而且會(huì)抑制進(jìn)氣口進(jìn)入的氣流會(huì)向氣口方向流動(dòng)，當(dāng)進(jìn)氣口位置過(guò)高時(shí)，甚至?xí)屍錄](méi)有空間引導(dǎo)進(jìn)風(fēng)。基于以上情況，采用引管設(shè)計(jì)使得進(jìn)氣管的進(jìn)氣口位置向下輕調(diào)，將其設(shè)置在出氣口的側(cè)面并略靠近邊壁，這樣會(huì)更容易引導(dǎo)氣流沿殼底和邊壁順利流動(dòng)。最后，讓濾清器的出氣口向尾部向上略微抬起，保證出氣口位置升高，使得整個(gè)裝置更符合氣流流動(dòng)特性。

經(jīng)以上分析與改進(jìn)，改進(jìn)后的空氣濾清器阻力為△P=P2-P1=3.33-1.56=1.77kPa，滿足設(shè)計(jì)要求的≤2kPa。然而，空氣過(guò)濾器下殼體局部阻力較大，且在過(guò)濾元件的中部形成明顯的渦流，使得過(guò)濾元件的利用率較低。為解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)，在下殼體上增加四個(gè)長(zhǎng)×高×厚的導(dǎo)流板95mm×40mm×2mm，長(zhǎng)度方向與氣流方向一致。增加可以倒流片后的下殼體，再次進(jìn)行CFD流場(chǎng)分析。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的空氣濾清器阻力為ΔP=P2-P1=3.27-1.43=1.84kPa，滿足設(shè)計(jì)要求的≤2kPa。下殼體增加倒流片，下殼體的局部阻力明顯提高，濾芯中部的渦流也向三個(gè)角度轉(zhuǎn)移，提高了濾芯的利用率。

結(jié)論

通過(guò)汽車空氣過(guò)濾器效率的分析，總結(jié)了影響效率的正常發(fā)揮的一些因素。通過(guò)專業(yè)知識(shí)的結(jié)合，提出了選擇合適的過(guò)濾器，加強(qiáng)空氣凈化器的日常維護(hù)保養(yǎng)等。根據(jù)空氣濾清器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和改善。利用三維有限元法和邊界元法對(duì)它的計(jì)算結(jié)果與原有的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，結(jié)果有效。空濾器可以經(jīng)過(guò)物理分塊后，將原設(shè)計(jì)的空濾器進(jìn)行分塊成一個(gè)新空濾器和一個(gè)新擴(kuò)張腔，最終，在滿足進(jìn)氣阻力以及要求的前提下，大大提升了系統(tǒng)降噪技術(shù)特性，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上細(xì)節(jié)需要改進(jìn)，進(jìn)一步提升了其流場(chǎng)特性，但本次設(shè)計(jì)未能考慮其它外界因素，需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)、計(jì)算、比較和驗(yàn)證，為進(jìn)一步的深化研究提供理論性基礎(chǔ)。

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