某发动机空气滤清器结构优化设计

刘连明

1 前言

空气滤清器为发动机提供充足、干净的空气，其性能优劣不但影响发动机的可靠性和使用寿命，而且很大程度上影响发动机的动力性、经济性和排放性[1]。如何改善滤清器内部流场特性，降低流动阻力损失是提高过滤效率、延长过滤寿命、提高发动机动力性与燃油经济性的关键[2,3]。

A.Al-Sarkhi等对多种不同结构的空气滤清器进行了研究，通过计算机模拟和试验测量的方法获得了速度分布情况结果并进行科学分析，然后进行相对应的结构优化，得到了更加均匀的内部流场[4]。韩青等模拟空气滤清器内部的空气流动情况，发现有不均匀流动现象，通过改进空气滤清器外部壳体结构的设计，得到了更为均匀的内部流场特性[5]。

本文通过对某发动机空滤器内部流场进行仿真分析，依据所得的分析结果提出结构优化方案。对滤清器进出气口面积、进气口位置以及进出气管与壳体连接处的直角等进行优化设计，经试验验证，优化后的滤清器进气阻力明显降低。

2 原空气滤清器分析

2.1 建立模型

应用UG软件建立原空气滤清器的三维模型，其结构如图1所示，主要由进气口、出气口、上壳体和下壳体组成，其中进气口管径为80mm，出气口管径为75mm。由于滤芯也选定，且空气滤清器进气阻力主要来源于壳体，滤芯影响较小，所以只考虑对空气滤清器壳体结构进行优化[6]。

图1 空气滤清器结构

由于空气滤清器内的气流流动是复杂多变的湍流形式，需要对模型先作必要的简化和假设，所以作如下假设：①流体的物性参数为常数，是一种不可压缩的单相牛顿流体；②假设该空气滤清器模型内的固体构件分布均匀而且不发生形变；③当空气滤清器工作在稳定状态时，温度基本保持不变，或者说温度的变化可以忽略不计[7]。

2.2 边界条件设定

设定滤清器的进气口为速度入口，出气口为压力出口。设空气在滤清器进气口处的流动速度分布均匀，其空气流量为600m3/h，速度为30m/s，水力直径为88mm，湍流强度为1%，方向垂直于边界；出气口背压为0Pa，水力直径为80mm[8]。

2.3 仿真结果与分析

使用ANSYS-FLURNT 软件进行数值模拟分析，采用RNG 非平衡壁面函数k-ε湍流模型，利用SIM⁃PLEC算法实现压力与速度的耦合求解，得到如下结果。

（1）速度分析

滤清器内部速度不均匀，对流动阻力和滤清效率影响较大。速度矢量如图2所示，空气经进气口流入后，直接冲击进气口对面的壳体，由于受到壳体的冲击反弹作用气流又向相反的方向流动。反弹的空气与新进入的空气相互碰撞而产生涡流，涡流的产生使得此处发生了能量的损失。另外，由于空气源源不断地从进气口进入，然后从出口流出，使得许多空气在出口处堆积，造成出口处比较紊乱，产生湍流现象，导致流动阻力变大。

图2 速度矢量图

出口处状态如图3所示，越靠近下方边壁流动速度越慢，导致出口处下方与上方压力不一致，当出口的空气流入发动机进气总管时，分布不均的压力将导致出现紊流现象。

图3 出口处速度矢量图

（2）压力分析

压力云如图4所示，由于进气口进入空气的直接冲击，使得最高压力出现在与进气口相对的边壁上。高速气流与壳体的冲击以及涡流的产生使得能量损失较大，压力在流动过程中逐渐地衰减。在出口处，由于流速比较急，又经过一次能量损失，使得最低压力出现在出气口下缘。计算得到空气滤清器内的最大压差约为4.36×103Pa。

图4 压力云图

进出气口压力散点图数据如图5所示，由压力散点图数据可以计算得出该空气滤清器的进气口和出气口的压差约为2.88kpa，压差值明显偏高。

图5 进出口压力散点图

最后，对优化前的空气滤清器试制样品进行试验，试验结果显示原始进气阻力为3.28kpa，大于标准允许值2.4kpa。

3 结构优化分析

3.1 结构优化方案

为了改善其内部流动状态，降低压力损失，综合考虑从进出气口截面积、进出气口空间位置和进出气管与壳体连接处的圆角设计等进行优化，具体结构优化方案如下：

（1）增大进出口面积

进气口管径增大为85mm，降低气流进入滤清器内腔后的速度，减弱高速气流冲击壁面后反弹形成涡流而发生能量损失；出气口管径增大为80mm，减少气体在出口处堆积。

（2）调整进出气口位置

根据流体流动特性，空气滤清器的进气口的空间位置应尽可能低一些，而出气口空间位置应尽可能高一些，以更充分地利用滤清器腔体内的容积。如图6 所示，将进气口设置在出气方向相对的侧面，且增设了引管,使其位置尽可能低，布置更靠近边壁，对气流起到一定的引导作用；出气口往上抬起，使其尽可能的高一些，更符合气流流动特性。

图6 进出气口位置调整后的模型

（3）进出口处的圆角处理

如图7所示，对进气口与壳体连接处进行圆角设计，进气更平顺，减小进气阻力，提高进气效率。如图8 所示，将出气口与壳体交接处也进行圆角设计，使气流从出气口流出时就更加地顺畅，减少气体堆积。

图7 进气口圆角设计

图8 出气口圆角设计

3.2 结构优化结果分析

对优化后的滤清器模型进行数值模拟计算，得出相应结果。

（1）速度分析

如图9所示，优化后的气流没有高速冲击进气口对面的壳体，而是沿着边壁向出气口的方向往上流动，内部湍流强度明显减弱，流场分布更为均匀。

图9 优化后速度矢量图

出口处速度分布如图10 所示，气流比较顺畅地从出气口流出，没有大量的空气在出口处堆积而造成紊乱现象。

图10 优化后出口处速度矢量图

（2）压力分析

压力云如图11所示，结构优化后，滤清器内部没有大面积的高压区，气流流动阻力明显变小，总成最大压差约为3.17×103Pa，流动阻力损失明显降低。

图11 优化后压力云图

优化后的进出气口压力散点图数据如图12 所示，计算得到优化后进出口压差约为1.50kpa。

图12 进出口压力散点图

4 试验验证

为了进一步验证滤清器结构优化方案的合理性，根据优化后的滤清器结构模型进行了样品实物试制，如图13所示。

图13 优化后的滤清器样品实物

依据QC/T32-2006《汽车用空气滤清器试验方法》对试制样品进行试验。试验结果显示结构优化后的空气滤清器原始进气阻力为1.92kpa，优化后的原始进气阻力小于标准允许值2.4kpa，符合规定。

优化前后空气滤清器的压力值变化情况见表1。通过对比可知，优化后滤清器内部的最大压差、进出口压差和原始进气阻力都明显减小，且主要评价指标原始进气阻力的降幅达41.46%，达到了降低空气滤清器原始进气阻力的目的。

表1 优化前后压力变化情况

5 结束语

利用计算流体力学数值模拟计算，分析了空气滤清器内部的速度场和压力场，依据分析结果对滤清器进行结构优化。通过增大进出气口管径、调整进出气口位置、对进出气口与壳体连接处进行圆角设计，优化后的空气滤清器内部流场分布更为均匀，湍流强度明显减弱。对试制样品进行试验验证，试验结果表明原始进气阻力小于标准允许值，由此证明，空气滤清器的结构优化方案有效。