一种新型空气滤清器的设计及性能研究

张清奎，王栋,*，徐敏，张学龙，程家磊，汪祥支

（1.安徽华菱汽车有限公司，安徽 马鞍山 243061； 2.安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243002）

1 前言

汽车尾气中含有大量颗粒物，随意排放必将对环境造成严重的污染。将进入发动机的空气通过空气滤清器进行过滤，得到的清洁空气可以使燃料燃烧得更充分，排放的汽车尾气中所含的颗粒物就会减少。此外，发动机气缸的磨损也会得到减轻，进而延长了发动机的使用寿命[1-2]。但同时，空气滤清器也会增大发动机的能耗，为此，众多学者设法通过改进空气滤清器的结构来获得更小的压力损失[3-4]。

AL-sarkhi等[5]通过在入口处加导管的方式来获得更均匀地空气滤清器速度场。赵树恩等[6]将空气滤清器出口处的端管由直拐角改成了圆滑倒角，同时将入口管位置下移，发现其压力损失降低了7.97%。也有部分学者对空气滤清器内部结构的优化展开了研究，张惠等[7]在空气滤清器滤芯内部增加了一个喇叭口结构，喇叭口与出气口相通，研究发现，此举可以改善内部流场的均匀性，且能降低7%的压力损失。何志霞等[8]在空气滤清器的内部增设了插入管结构和内置挡板结构，研究结果表明：插入管结构和内置挡板结构均会破坏滤芯处流场的均匀性，但插入管结构可降低压力损失，而内置挡板结构却会增加压力损失。

除采用数值模拟来研究以外，也有学者通过实验对空气滤清器的结构进行了改进。李荣军[9]对底部开口处增加排尘结构的空气滤清器进行了性能实验测试，测试结果表明，排尘结构的增加可以有效提升过滤效率且减少压损。卢进军等[10]对沙漠型空气滤清器的过滤效率进行了实验研究，首先在实验室内进行测试，效率值为85.3%，然后在沙漠地区进行实地测量，效率值为84.2%，二者相差很小。宋钧[11]设计了一款新型空气滤清器，并对压力损失、过滤效率、使用寿命等性能指标进行了测试，结果表明各项性能指标均能满足要求。

从现有的研究成果来看，更多的工作是针对空气滤清器外壳及内部结构的优化，而从改进内部空腔的角度来解决问题的研究相对较少。因此，本文提出了一种带锥体结构的新型汽车空气滤清器，其不仅可以降低压力损失，还能提高过滤效率和减小体积。

2 新型空气滤清器的结构设计

对于现有的传统空气滤清器，其过滤效率与压力损失难以兼顾，通过改进结构提升了过滤效率也会相应增加压力损失，特别对于重型车，进气的压力损失非常大。除此之外，滤清器中滤芯容易破损，这导致了产品寿命较短，不断更换滤芯，也增加了车辆的保养成本。

为解决传统空气滤清器中客观存在的上述问题，本文提出了在内部增加锥体结构来构建一种新型滤清器的设想，其几何模型如图1所示。图2为新型空气滤清器的实物照片。当空气从滤清器的入口进入后形成旋流，一部分会分散到主滤芯的四周，该部分空气通过主滤芯进行过滤，清洁空气进入滤筒内部，进而由出口排出；另一部分空气流入到滤清器的底部，该部分气体的过滤任务由锥体结构承担，最后再通过出口排出。很显然，这种过滤方式可有效增加过滤面积，对过滤效率的提升提供帮助，还能减低压力损失。此外，过滤面积的增加也减小了单位面积滤芯的过滤负荷，客观上会延长其使用寿命。

图2 新型空气滤清器的实物照片

3 数值模拟

3.1 数学模型

建模时，做了如下假设：空气为定常、不可压缩流体；流体物性与滤芯（多孔介质）的分布为各向同性；恒温流动、无换热。

计算内部气相流场时采用的是标准k-ε湍流模型，满足下式：

式中：xi、xj为位移矢量，m；ρ为流体的密度，kg/m3；ui、uj为速度矢量，m/s；υ为运动粘度，m2/s；p为流体压力，Pa；i和j为张量指标，取值范围为（1，2，3）。

滤纸采用多孔介质模型，在方程（2）中加入动量源项，可得出空气流过滤芯过程中的压力损失[12]。

式中：α为多孔介质渗透率；C2为惯性阻力因子；μ为动力黏度，Pa·s。

3.2 网格划分、初始条件及边界条件的设置

模拟时，利用ICEM软件进行网格划分。考虑到锥体结构中包含有部分曲面，同时，研究的重点为锥体滤芯和主滤芯，所以，划分网格时对该类部件进行了加密处理，而壁面等非重点区域相对稀疏，最终的网格模型如图3所示。

图3 网格模型

依据工程实际情况，滤清器的进气量取1500m3/h，进气口直径为170mm，可计算得出雷诺数Re=2×105＞2000，为湍流，故采用标准k-ε双方程湍流模型。

边界条件为：入口为速度入口；出口为压力出口，取0Pa[13]；壁面采用标准壁面函数处理，壁面无滑移边界条件。

4 新型空气滤清器与传统空气滤清器流场的对比

图4给出了两种空气滤清器的速度云图。具有一定初速度的气流进入到滤清器时，必然会对滤芯产生冲击，一定时间后，就会造成滤芯破损。由图4可以看出，相比于传统滤清器，新型滤清器由于增加了一个椎体结构，减小了风速，这将使得滤芯的寿命得到延长。此外，由图4还可以看出，传统滤清器的壳体四周，气流的速度分布很不均匀，而增加了椎体结构以后，起到了分流作用，很好地改善了均匀性，这也意味着气流得到了更好的分布，充满了整个滤清器，过滤效率将会得到提升。

图4 两种空气滤清器的速度云图

图5 给出了两种滤清器静压分布云图。由图5可以看出，对于传统滤清器，气流从入口处进入后，分布到了壳体周围，压力较高，当通过滤芯后，由于阻力较大，产生明显压力损失，气体在排出滤清器时，由于出口处截面突然变小，气流的静压转变成动压，压力减小。而在滤清器增加了椎体结构以后，加快了气流扩散，减少了气体聚集，压力分布明显更为均匀。

图5 两种空气滤清器的静压分布云图

图6 显示了不同进气量条件下，两种空气滤清器的压力损失对比情况。由图6可知，随着进气量的增加，两种滤清器的压力损失都在变大，但新型滤清器的压力损失明显更小，大约是传统滤清器的80%。这是由于增加了增加锥体结构后，使得气流可扩散到滤清器的四周及底部，可以充分地利用滤芯进行过滤，相当于增大了过滤面积；同时，椎体结构本身也是由滤芯构成，进一步增加了过滤面积。过滤面积的增加必然会减小过滤时的风速，进而降低了过滤时的压力损失。

综合以上的分析可知，锥体结构的增加可以产生2方面的效果：提高流场均匀性；降低压力损失。

图6 两种滤清器的压力损失

5 新型空气滤清器进出口压力损失的实验研究

根据汽车行业空气滤清器试验方法的标准[14]，在实验台上对空气滤清器进出口的压力损失进行实验测试，以验证本文数值计算方法的可行性与准确性。试验台主要由抽气设备、空气流量测量系统、空气流量控制系统、静压和压力降测量系统、空气滤清器等组成，如图7所示。根据压力损失的定义，当空气流过总成之时，压力损失就是其上、下游规定测压点处管道内气流的全压差。因此，在确定压力损失时，先确定被试总成上、下游测压点之间的全压值。

图7 进气总成综合实验装置

图8 新型空气滤清器实验值与模拟值的对比

图8 显示了新型空气滤清器压力损失的实验结果与模拟结果对比情况，很显然，随着进气量的增加，压力损失也在增加，模拟值与实验值的变化趋势一致，但存在着一定误差，误差大小不超过11.32%。这也表明：采用k-ε模型及多孔介质模型对空气滤清器流场进行模拟具有可行性。

6 结论

（1）本文提出了的带有内部锥体结构的新型空气滤清器可提升流场的均匀性，这有利于提高过滤效率，减小过滤负荷，延长产品使用寿命；

（2）新型空气滤清器可显著降低压力损失，降幅可达20%；

（3）采用k-ε模型及多孔介质模型对空气滤清器流场进行模拟具有可行性，模拟结果与实验值之间误差不超过11.32%。