空气滤清器滤芯的进气顺畅性及稳健性试验技术研究

陈士杰 尤妍娴

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

空气滤清器滤芯的进气顺畅性及稳健性试验技术研究

陈士杰 尤妍娴

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

基于台架试验提出了一套完整的空气滤清器滤芯测试方法和评价标准，并将该试验规范应用于某车型进气系统。局部堵塞试验中，当空滤有效面积减小1/3时，顺畅性影响不明显，背压最大增量约为1 kPa，5区最易引起稳健性的下降；整体加灰试验中，加灰量分别为50 g、100 g、150 g、200 g，进气顺畅性及稳健性的恶化状况与加灰量成正比，且该空滤的容灰极限在100 g。

1 前言

空气滤清器滤芯能滤除空气中的灰尘和沙粒，从而保证气缸中进入足量清洁的空气，其对发动机的动力性能及使用寿命有很大影响。针对轿车的进气系统，国内也在开展相关研究，姜大军综述了进气系统的几种核心试验方法[1]；由文献[2]～文献[4]可知，针对进气空气流量传感器的试验方法和检测设备在国内外已有较为广泛的应用；庞剑等主要从流场及噪声的角度介绍了进气系统及赫尔姆兹腔的设计要求[5]。目前还没有专门针对空气滤清器滤芯且符合通用标准的试验规范。为了给国内空气滤清器滤芯制造厂商提供一套可靠的、符合测试标准的评价系统，同时也为新型滤芯的研发提供试验平台，本文提出了一套可适用于各种空气滤清器滤芯的试验流程。

2 计算模型及测试流程

2.1 计算模型

空气滤清器滤芯通常由滤纸、塑料件和橡胶胶体组成。其中，滤纸需要承担高效率的空气清洁工作，其将绝大部分杂质阻挡并粘附在滤纸上，且不能给空气流通增加过多的阻力，因此其通常被加工出许多细小的褶皱。需要注意的是，只要滤芯没有出现破损或坍塌，随着孔隙逐渐被灰尘填充，过滤效率和进气阻力都会上升。塑料件相当于滤芯的骨骼，主要为滤纸提供支撑和保护。橡胶胶体主要作用是密封，防止未经过滤的空气进入发动机。

研究滤芯堵塞对发动机的影响主要是考核进气系统的两大指标：顺畅性及稳健性。

顺畅性主要与进气系统的形状有关，表征滤芯进灰后一定压力下空气的通过能力，通常用背压来衡量。背压计算公式为：

式中，Pabs为绝对压力；Patm为大气压。

进气系统的稳健性主要通过流量偏差和噪信比（N/S）来进行评估，这两项指标都通过空气流量传感器（Mass Airflow Sensor,MAF）获取。MAF位于节气门前，用于测量进气容量和密度，并将信号传递给ECU，其检测结果是ECU计算并控制喷油量和喷油时间的主要依据。稳健性的评估通常针对多次重复性试验进行，如果证明进气系统对这些噪声因子是稳定的，则其对于更小的噪声会有更高的稳健性，如滤芯材质微小瑕疵、褶皱等都不会影响发动机的信号采集和喷油量计算。

流量偏差指实际流量和目标流量之间偏差的百分比，用以衡量滤芯的散差。噪信比是指原信号中并不存在的无规则的额外扰动信号与原信号的比值，反映某一流速点下流场的变化。

试验开始后，根据发动机的工作流量范围设定测试流速点，由MAF采集目标流速下的频率数据。通常MAF的采样频率可达500 Hz以上，同一个流速下取样6 000个点，因此输出频率实际是6 000个采样点的均值。在每根单次试验的曲线上，通过曲线拟合获得目标流速下的频率值ft；以滤芯正常状态下的测试结果f0为基准并在其曲线上取调整流量点的±0.5%，将相应的频率值求得其斜率i，则流量偏差的计算公式为：

噪信比计算公式为：

式中，σ为标准差；n为样本个数，此处取为6 000；fi为样本频率值；为样本均值；置信区间为2σ，代表95%的置信度。

2.2 测试流程

滤芯在各种实际工况下，发生堵塞的位置及程度差异很大，试验中无法如实模拟各种堵塞状况，但可粗略归纳为局部进灰和整体进灰两种工况，因此对滤芯在试验室条件下的测试可以分别采用局部堵塞和滤芯均匀加灰来进行模拟。

首先进行局部堵塞试验，试验前需对样件进行处理。将滤芯沿纵向及横向依次用布基胶带贴去1/3面积，根据公式（2）和公式（3），以MAF的频率信号与正常状态下的试验结果对比，由田口（Taguchi）原理可知，偏差及噪信比若小于一定的范围，则认为整个进气系统对一般及更小的滤芯堵塞状况完全不敏感。胶布也需同时将被封闭侧的滤芯边缘（侧面滤纸）密封，以考核其顺畅性及稳健性。

现对某车型的进气系统滤芯进行划分。整块滤芯分两次划分，每次划分成3块，区域1～3为垂直滤纸的方向，区域4～6为沿滤纸分布方向，其中1区为进气管从大气中进气区域，其平面模型如图1所示。

图1 滤芯划分平面图

将完成局部试验后的滤芯从进气系统中取出，清理正面及侧面的所有胶痕，随后进行整体加灰试验。使用加灰器在滤芯表面均匀喷上一定量的灰尘，同样考核加灰前后背压、偏差及噪信比3项参数的变化情况。本次试验的加灰量分别为50 g、100 g、150 g、200 g。

3 测试系统的构成和工作原理

试验所使用的试验台架为美国Flow Systems公司生产的进气系统流量试验台，核心部件是音速文丘利喷嘴，其结构如图2所示。

气体从前端进口进入，到达喉部后由于管径迅速减小，此时气体流速上升而密度下降，随后喷管管径逐渐增大。由于这种特殊结构，气体到达喉部后流速可达到最大值，理想速度甚至可以达到声速。通常音速喷嘴进口处与出口处的压力之比可达到1.4以上。音速喷嘴流量公式为：

式中，P1为进口前的绝对压力；A为音速喷嘴的喉部截面积；C*为临界流函数；Cd为流量系数；R为气体常数；T1为进口前绝对温度。

冷流试验台的原理如图3所示。将不同口径的音速喷嘴安装在主管的各路歧管内，从而使通过各歧管的空气流量不同，当喷嘴后的电磁阀打开后，喉部流速一旦达到音速条件，气流流量将是一个定值。音速喷嘴后的压力传感器用来监测其是否达到音速条件。

图3 试验台原理示意

通过喷管的气流主要决定因素有4项：气流温度、大气压力、空气湿度、喷管尺寸。所用传感器的型号及参数见表1。

表1 传感器型号及参数

试验开始后，由真空泵抽吸作用产生负压，以此来模拟发动机的吸气工作过程，系统经过计算后，自动按照流量的设置打开一根或多根音速喷管，以匹配目标流量，从而模拟汽车发动机进气管道内的空气流量环境，由于发动机的最大进气量通常都在450 g/s以下，因此12根不同口径的音速喷嘴即可通过互相组合来满足450 g/s以下的所有流量。由于真空泵产生的负压，使空气流从进气口处进入，经过进气系统、试验台、真空泵最后进入大气，完成一个循环的过程。各传感器的信号由PC机的数据采集模块统一记录并存储，试验台整体结构如图4所示。

图4 试验台整体结构示意

试验台的操作界面如图5所示，其特点是界面友好，功能齐全。

图5 系统软件操作界面

试验进行过程中，需要注意以下几点：

a.进气系统通过底座夹具固定，且各固定点之间相对位置需与实车一致；

b.波纹管应处于自然状态，无明显扭曲；

c.适配器的内径需与发动机喉部的尺寸相同；

4 试验测试

运用该试验流程对某车型进气系统进行测试。

4.1 局部堵塞试验

局部堵塞试验共分7组，试验前先按照图1的方法将其滤芯依次划分成6个区。第1组试验测试中滤芯处于正常状态，第2～7组试验执行前逐次将滤芯堵塞1～6区。根据该车型发动机工作流量的范围，流速控制在1～250 g/s内。实车上，进入发动机的空气质量小表示轿车处于怠速工况或减速状态，反之则表示轿车处于高负荷或加速状态。测试结果如图6～图8所示，其中流量偏差以第1组测试结果为基准。

图6 局部堵塞试验背压测试结果

由图6可知，滤芯局部区域堵塞对进气系统背压的影响与流速成正比。在1～100 g/s内，分区堵塞后背压几乎没有明显的变化；当流速在100～200 g/s范围内，滤芯气流面积减小的影响逐渐显现，其中尤以1区、3区和5区较为明显，与正常滤芯结果差值可达0.5 kPa以上；当流速进一步增大至200 g/s以上时，进气将趋于困难，在极限的250 g/s工况下，3区的局部堵塞可造成背压增幅达15%以上。但从整体上来看，该滤芯有效通过面积减小1/3，背压增幅未超过1 kPa，顺畅性仍可满意。

图7 局部堵塞试验流量偏差结果

图8 局部堵塞试验噪信比结果

由图7和图8可以看出，5区的堵塞极易引起进气系统稳健性的下降，流量偏差和噪信比2项关键指标在中高流速下均有明显上升。图7中，2区在1 g/s下偏差可达5.2%，但这种偏差在实际中对轿车的影响非常有限，原因在于怠速工况下进气量通常可达到3 g/s左右，1 g/s是微进气的极端工况。整体上看，除5区在中高流速下流量偏差略大外，其它曲线的值均控制在目标±2.5%以内，结果基本令人满意。

由图8可知，在10～120 g/s流速内，5区测试结果超过了2.5%的一般标准，而6区在10～60 g/s内同样超标，表明这2个区域的堵塞更易引起MAF的干扰信号，进而导致发动机误判断、误操作，因此在整个进气系统的设计中需进行优化。

4.2 整体加灰试验

试验所用灰尘的种类为最常见的细灰，试验基准为正常滤芯（不加灰）下的测试结果，试验结果如图9～图11所示。

由图9可以看出，当加灰量≤100 g时，背压几乎没有明显上升；当加灰量到达150 g时，背压增长显著，且增幅与流速成正比；当滤芯继续积灰至200 g时，背压呈现几何增长的趋势，增幅同样与流速成正比。在250 g/s的大进气量工况下，压降值几乎是正常情况下的2倍，发动机会呈现明显的进气困难、负荷增大的现象，顺畅性无法满足工作要求。试验结果表明，该滤芯正常工作所能承受的积灰量极限大约为100 g。

图9 整体加灰试验背压结果

图10 整体加灰试验流量偏差结果

图11 整体加灰试验噪信比结果

由图6和图9均可发现，当流速在1 g/s的微小进气过程中，背压呈现0.003 kPa左右的极小负值，这主要是因为进气系统与台架相连的适配器内表面加工精度略低，小气流条件下表面粗糙引起的阻力无法忽略；同样，如果进气系统结构不够合理或内表面壁光滑度不足，也会引起相同的情况。

由图10和图11可以看出，当加灰量在50 g、100 g、150 g条件下，偏差和噪信比变化趋势基本上随加灰量的增加而上升，其中150 g加灰条件下流量偏差在40～250 g/s的中高流速下可达3%以上，而信噪比在5～50 g/s的中低流速下同样超越3%的极限标准，证明滤芯容灰量一旦到达150 g，整体稳健性将无法达标。而加灰量到达200 g时，流量偏差和信噪比两项参数较150 g时有一定程度的下降，出现这种现象的原因是灰沙过多时，滤纸的褶皱将无法有效固定灰尘，在气流作用下呈现进气管内粉尘飞扬的场景，引起气场的紊乱。

需要说明的是，在进气系统的设计阶段，通常会对稳健性的两项指标提出设计标准，通常局部堵塞试验中的流量偏差和信噪比标准可定为±2.5%，而整体加灰试验的稳健性标准目前行业内还没有较为明确的定论，建议流量偏差在±3%、信噪比3%左右，具体可根据实际车型的发动机设计要求而定。顺畅性的试验标准则完全根据发动机的负荷要求来制定。

5 结束语

a.当滤芯发生局部堵塞且堵塞面积不超过滤芯有效面积的1/3时，进气顺畅性不会有明显下降，最大流量下背压仅增大1 kPa左右；

b.若滤芯局部堵塞，5区的堵塞最易引起进气系统的稳健性下降。5区的位置刚好与进气管和波纹管（滤芯出气管）重合，因此该区域发生堵塞易引起气流紊乱，与试验结果相吻合；

c.普通滤芯正常工作所能承受的积灰量大约为100 g，超过100 g后整个进气系统的背压明显上升，进气条件恶化；

d.当加灰量大于100 g时，进气系统的稳健性无法达标，表明滤芯的容灰极限为100 g，且进灰量越多，滤芯性能越差。

1 姜大军.乘用车进气系统核心试验方法解读.上海汽车,2013（12）：45～47.

2 张媛媛,徐科军,滕勤.热式MAF传感器动态实验和性能评定方法.合肥工业大学学报,2009,32(8)：1271～1274.

3 薛光明,郑伟,姚喜贵.汽车空气流量计在线检测评价系统的设计与研究.内燃机工程,2010,31(3)：96～99.

4 Caron R W.Response time test apparatus for a mass air flow sensor.US Patent，5307667，1994-05-03.

5 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动.北京:北京理工大学出版社,2006.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2016年10月9日。

Research on Test Technology of Intake Air Smoothness and Robustness for Air Filter Element

Chen Shijie,You Yanxian
（Pan Asia Technical Automotive Center Corporation Limited,Shanghai 201201）

A complete set of testing procedure and evaluating standard of air filter element was proposed based on bench test,and this procedure was applied to intake system of a car.In the local plugging test,when the effective area of air filter is reduced by one third,the smoothness is affected slightly and the highest increase of back pressure is 1 kPa,and the 5th area most easily causes a decline of robustness.The deterioration of smoothness and robustness are in direct proportion to the quantity of dust in overall dust filling test(50 g,100 g,150 g,200 g dust).The limit of dust filling for this air filter is 100 g.

Air filter,Filter element,Smoothness,Robustness

空气滤清器 滤芯 顺畅性 稳健性

U464.134 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）08-0049-05