淺談空氣濾清器產(chǎn)品開發(fā)過程

劉阿龍，劉帥帥

（陜西華臻車輛部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

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。

1 設計階段

1.1 原始進氣阻力

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。

1.2 原始濾清效率

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。

1.3 粗濾效率

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。

1.4 實驗室壽命

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。

2 分析階段

2.1 原始進氣阻力

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

2.2 原始濾清效率

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。

2.3 粗濾效率

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。

2.4 軟件分析

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。

3 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。

4 結論

（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。