某重型车辆空气滤清器在沙漠地区的试验研究

卢进军，　谢东升，　王建东，　孙　阳，　乔梦华，李继新，　李文超，　陈克新

(1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.中国人民解放军73667部队，江苏句容 212400)



某重型车辆空气滤清器在沙漠地区的试验研究

卢进军1，谢东升2，王建东1，孙阳1，乔梦华1，李继新1，李文超1，陈克新1

(1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.中国人民解放军73667部队，江苏句容 212400)

针对某重型车辆传统空气滤清器在沙漠地区使用过程中出现的使用寿命短和效率下降两个问题，研制了一种新型紧凑型空气滤清器.该型空气滤清器由多种过滤元件组成，并被安装到某重型车辆上，完成了压力降、预滤器效率和保养周期等项目的沙漠地区试验，试验结果表明新型紧凑型空气滤清器达到了在沙漠地区使用的技术指标要求.

紧凑型空气滤清器；沙漠地区；野外试验；空气滤清器保养周期；空气滤清器过滤效率

中国疆域辽阔，沙漠、沙漠化及风沙化土地的分布范围非常广，其主要区域分布在北纬35～50 ℃之间的内陆盆地及高原上，形成一条西起塔里木盆地，东至松嫩平原西部，东西长4 500 km，南北宽600 km的沙漠带，这些土地总面积为267万平方公里，占国土面积的28.1%，以新疆维吾尔自治区为例，近70%的面积为沙漠与戈壁地貌.

行驶在沙漠地区的重型车辆发动机空气滤清器，长期暴露在浓度为2～6 kg/m3的沙尘环境中，使得空气滤清器的负荷较平原地区增加了2～3倍[1].该空气滤清器的预滤器为切线旋风式、二级滤清器(精滤)为油浴铁丝网结构.二级滤清器的过滤原理是靠铁丝网浸油后用油吸附沙尘颗粒达到滤清效果的，其效率随使用时间的延长和油膜的变薄而下降.当机油吸附满沙粒后铁丝网滤清器就失去了它的作用，即所谓的滤尘盒击穿.大量的沙粒直接通过铁丝网进入到发动机后，就会出现发动机最大功率大幅度下降、耗油量明显上升、排放趋于恶化、机油压力降低的现象.由于铁丝网的储尘能力较差，所以空气滤清器的保养周期就会相应缩短，严重状态下还会造成“一半使用，一半保养”的局面，已经严重影响了该重型车辆的使用效率.因此，工作在沙漠地区的重型车辆发动机空气滤清器主要面临着使用寿命短和效率下降两个难题.

基于上述问题，研制了一种高效空气滤清器，该空气滤清器由预滤器、抽尘装置、壳体、二级滤清器等部件组成.其中预滤器是含有多个固定旋转件的复杂直通离心分离装置；抽尘装置是含有高速旋转件的离心泵；二级滤清器是由滤纸加工的纸质滤芯作为精密过滤分离装置[2].高效空气滤清器在沙漠地区使用的技术指标要求为：原始进气阻力不大于6 kPa，终了阻力不大于12 kPa，预滤器效率不小于80%(ISO标准细灰，采用质量法)，寿命周期应不小于8 h.

本研究基于模型的仿真结果与台架试验数据和结论，提出了一种在沙漠地区使用的新型空气滤清器试验方法，通过对沙漠地区样车试验数据的分析来判断该新型空气滤清器在沙漠地区的适用性，从而形成空气滤清器能否在特定地区使用的结论.试验结果证明，该新型空气滤清器能满足重型车辆在沙漠地区的使用要求.

1　试验概况

1.1空气滤清器布置与试验项目

新型空气滤清器在沙漠地区的试验系统主要由新型空气滤清器(见图1)、新型空气滤清器阻力测量记录盒现场测试系统(见图2)、出气管路和抽尘管路等组成(见图3).空气滤清器出气口通过连接胶管与发动机进气口相连，预滤器的一二级排尘口通过排尘胶管与排尘装置连接.空气滤清器阻力测量点布置在滤清器出气口处.车辆试验项目主要有越野驾驶，固定科目驾驶，如上拖车、越障等，其中越野驾驶强度较大.空气滤清器在试验场全负荷行驶.空气滤清器试验项目主要有空气滤清器的阻力、预滤器在沙漠地区的过滤效率和空气滤清器使用寿命.

图1　新型空气滤清器总成图　　　图2　新型空气滤清器阻力记录盒与现场测试系统　　　　图3　新型空气滤清器样机安装图

1.2试验现场

该重型车辆试验场位于戈壁滩深处，如图4所示.该地区常年无雨，年平均降水量低于20 mm；空气干燥，湿度低于10%，沙尘颗粒细且粘聚性好，极易附着在空气滤芯表面；早晚温差大，中午太阳直射，车体表面温度可以达到近50 ℃，对空气滤清器的性能是一种严峻的考验.

2　阻力试验

2.1阻力试验方法

空气滤清器阻力记录盒的测量原理是应用压力传感器捕捉空气滤清器出气口由于流速差异而引起的静压的变化[3].

安装新型空气滤清器的重型车辆在野外试验场行驶.采用了以上两种测量方案：第一种方案是针对滤芯的不同状态和发动机转速，分别测量系统阻力值，形成转速阻力曲线;第二种方案则是随着车辆长期运行，滤芯表面积灰由少到多逐渐增多，系统阻力亦会由低到高逐渐增加，基于这一基本原理，对空气滤清器阻力进行长期监测，最后形成车辆行驶时间与阻力变化的曲线.

2.2阻力测量结果

第一种方案重点考察了两种滤芯3种运行状态，分别是：1)安装新滤芯状态下车辆原地发动5 min，发动机空转转速范围为0～2 000 r/min；2)安装新滤芯状态下车辆行驶5 min，发动机转速范围为0～2 000 r/min；3)安装旧滤芯(车辆行驶经过20 h后的滤芯)状态下车辆原地发动5 min，发动机空转转速范围为0～2 000 r/min；4)安装旧滤芯状态下车辆行驶5 min，发动机转速范围为0～2 000 r/min；5)旧滤芯保养后，重新安装到车辆上，原地发动5 min，发动机空转转速范围为0～2 000 r/min；6)把保养后的旧滤芯安装到车辆上，进行野外行驶5 min，发动机转速范围控制在0～2 000 r/min[4].分别记录各状态下的空气滤清器阻力和发动机转速.其中，新型空气滤清器的滤芯在原地空转与行驶过程两种状态下的阻力-转速曲线如图4所示.

图4　新滤芯在原地空转与行驶过程两种状态下的阻力-转速曲线

旧滤芯经清理保养过后在原地空转和行驶状态下的阻力-转速曲线如图5所示.

图5　旧滤芯在原地空转与行驶状态下的阻力-转速曲线

第二种方案则是反映空气滤清器在一段行驶时间内空气滤清器阻力变化与时间的关系.通过对阻力记录盒采集到的数据进行分析，形成了安装新滤芯的空气滤清器在累计行驶25.5 h的系统阻力与时间变化关系曲线，如图6所示.由图6可以看出，安装新滤芯后，在车辆连续运行22.5 h后，空气滤清器最大系统阻力达到了9.3 kPa左右.

图6　连续行驶25.5 h，新空气滤清器滤芯阻力-时间变化关系曲线

由图4～图6可知，高效空气滤清器原始进气阻力最大值约为5.5 kPa，终了阻力最大值约为9.3 kPa，满足技术指标要求.

3　预滤器效率试验

3.1预滤器效率试验方法

预滤器效率是指预滤器过滤某类型灰尘的能力，通常可以采用计重法表示或粒子计数法表示.计重法即从重量方面表征滤清器过滤能力，利用预滤器前后端重量的变化来计算.粒子计数法则是通过预滤器前后端不同尺寸粒子浓度的变化情况来分析预滤器对不同粒径段粒子的过滤能力.

采用计重法获取预滤器的过滤效率，其具体操作方法为：首先去除空气滤清器的预滤器，车辆在仅保留二级滤清器的条件下，在试验场行驶1 h，停车后，采集滤芯表面土样本，计算滤芯重量.滤芯重新保养后，装配预滤器，同样状态行驶1 h，停车后，再次计算滤芯重量.通过对比两次滤芯的重量，可以计算出预滤器在行驶状态下的过滤效率.

粒子计数方法则是通过采集预滤器前后端粉尘样本，通过马尔文激光粒度分析仪对样本进行粒径分布分析，得到预滤器前后端的沙尘粒径分布，通过特定计算方法，可以计算得到预滤器对各粒径段粉尘的分级过滤效率.

3.2预滤器效率试验结果

本次试验中，无预滤器状态下滤芯1 h内增重3.7 kg，安装预滤器后滤芯增重为0.585 kg.采用计重法，可计算出在试验场环境下预滤器的滤清效率为84.2%.在试验室用ISO-A2细灰测量同款预滤器测得的滤清效率为85%，与试验场测试效率基本吻合，满足技术指标要求.

基于粒径分布的粒子计数法效率来源于样本的粒径分布分析结果.

采集到的预滤器过滤前的沙尘粒径分布图如图7所示.

采集到的预滤器过滤后的沙尘粒径分布图如图8所示.

通过分级效率计算方法，计算得到的预滤器全粒径端分级过滤效率如图9所示.

图7　预滤器(一级滤清器)过滤前的沙尘粒径分布图

图8　预滤器(一级滤清器)过滤后的沙尘粒径分布图

由图9可以看出：预滤器对不同粒径沙尘颗粒的过滤效率曲线走势是符合旋风分离装置过滤规律的.其中，预滤器对10 μm以上的灰尘颗粒，其过滤效率为70%，预滤器对大于20 μm的灰尘颗粒，过滤效率大于80%.

4　保养周期试验

4.1保养周期试验的方法

重型车辆空气滤清器的保养周期，即无尘滤芯放入空气滤清器，车辆使用直至阻力报警器报警，滤芯需要维护所持续的时间，通常可以理解为空气滤清器在室外环境使用一段时间的储尘能力.具体试验方法为将新型空气滤清器安装到车辆上，在野外试验场地进行行驶试验，达到阻力报警或者发现发动机明显动力不足时停车进行空气滤芯的保养，记录使用时间，使用时间的多少即为该型空气滤清器的保养周期.

4.2保养周期试验的试验结果

表1为安装新型空气滤清器的5台样车，在一个训练周期内行驶与保养周期的现场记录统计表.

表1　车辆保养周期试验统计表

从表1可以得出，新型空气滤清器的平均保养周期为29 h.以5号车为例，当车辆行驶25.5 h后，分解空气滤清器总成，经计量，滤芯增重为4.66 kg，这时车辆未出现动力不足现象，车辆行驶过程中阻力记录盒记录的阻力数据最大值为9.3 kPa，未达到阻力报警极限值，未报警.据此可以分析，空气滤清器在该环境下还可以继续使用.对比试验室滤清器容尘能力试验，当空气滤清器系统阻力达到报警点12 kPa时，滤芯增重为4.87 kg.可以判断，空气滤清器在沙漠试验场还可以继续行驶1 h，即空气滤清器总保养周期预计可达到26.5 h.

5　结　论

基于滤芯优选、壳体改进、新型高效预滤器的空气滤清器，经过为期一年的新疆沙漠地区野外试验，得到如下结论：

空气滤清器试验样机在试验场试验过程中，系统阻力随滤芯表面沉积灰尘的增加而缓慢提升，初始阻力满足技术要求.空气滤清器的预滤器粗滤效率依据重量法测试得到的数值为84.2%，与试验室应用ISO-A2细灰测得的效率值85%基本吻合.应用粒径分析法计量预滤器粗滤效率时，10 μm以上粒子过滤效率为70%，20 μm以上粒子过滤效率为80%，40 μm以上粒子基本可以达到100%. 行驶25.5 h后系统阻力未达到报警阻力限值.由此可以得出新型空气滤清器可以满足使用要求.

[1]陈晓玉.摩托车空气滤清器性能检测方法探讨[J].摩托车技术，2005，(7)：25-26

[2]孙阳，王建东，卢进军，等.一种空气滤清器仿真分析方法研究[J].车辆与动力技术，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]卢进军，李继新，孙阳，等.高原环境下某装甲车辆空气滤清器性能仿真分析与试验[J].兵工学报，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.

卢进军(1980-),男,副研究员，研究方向为过滤技术.

U464.134+.4

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