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【小创科普】汽车进气系统的基本原理和技术要求

2018年03月18日

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今天小创想向大家介绍一下汽车进气系统的基本原理和技术要求。在正式进入主题前,首先要明确这样一个概念,什么是汽车进气系统?现代汽车的进气系统,指将空气导入到发动机的零件集合体,即从导入空气的进气管(脏空气管)至节气门体或涡轮增压器前所有零部件的总称。一般包括进气管(脏空气管)、空滤器、干净空气管、以及消声器、空气流量计等零件。在过去,由于进气系统的主要功能为过滤,因此一般也用“空滤器”指代进气系统。但随着现代汽车的发展,除了过滤功能之外,又发展出了很多新的功能,并成为了整个系统中不可分割的部分。“进气系统”终于正名,越来越多的在行业内使用。

图1 进气系统

一、进气系统的传统功能和技术要求——过滤
pc幸运28 一台1.5L排量的中型发动机工作时,每分钟大约吸入1.5m3空气。如果空气质量或者滤清效果不佳,空气中混入的沙粒会造成增压器叶轮破碎,灰尘颗粒将会进入发动机,气门密封面也会被划伤,部分灰尘会进入机油,而机油会把灰尘带到一些关键机械区域,例如:缸套、活塞、活塞环和连杆之间的运动间隙中,导致零部件的磨损。(图2)

图2 灰尘、沙粒对涡轮增压器和发动机部件造成的危害

此外,现代汽车的进气系统越来越多的使用的空气流量传感器对灰尘、纤维非常敏感,如果有颗粒物沉积在传感器上,使该传感器信号产生偏差,将会导致发动机功率损失、增加燃油消耗以及增加有害物质的排放。

那么,如果没有过滤的话,一台轿车在使用寿命期限内将会吸入多少灰尘呢?我们可以这么计算:理论上完全燃烧1kg燃油需要14.7kg空气,约11.8m3的空气,假设汽车每年行驶里程20000km,百公里油耗为8L,车辆使用年限为10年,则发动机吸入的空气总量约为141600m3。由于中国国土面积大,汽车的行驶环境不尽相同,道路灰尘浓度差异较大,尚无权威数据。我们以欧洲为例,根据经验,欧洲地区城市道路一般灰尘浓度在0.6mg/m3(离地1米高度,下同),灰尘较多的地区浓度约为3.5mg/m3,而建筑工地据统计为8mg/m3左右。据此我们判断中国城市道路大概在4~6mg/m3左右。可以计算出,这台轿车在整个生命周期吸入的灰尘大约为567g~851g。

在此我们需要引出进气系统过滤功能的两个主要技术指标:容尘量和过滤效率。所谓容尘量,即为在一定条件下进气系统内的滤芯能够最大阻拦并容纳的灰尘总量。至于过滤效率,顾名思义,是指阻拦灰尘的效率。过滤效率主要由滤材本身的性能决定,一般轿车采用滤材的过滤效率在97%~99%左右。

了解这两个技术指标的基础之上,再分析上面的例子:我们已经计算出吸入灰尘总量为567g~851g,如果我们1万公里换一次滤芯,则单个滤芯至少需要42.5容尘量;而从过滤效率一般为97%~99%可以算出上述车型每年仅吸入1.3g左右灰尘颗粒。

当然,汽车实际驾驶路况并不是一成不变的,还要考虑到恶劣条件驾驶(例如,多沙地区,多雨地区)、扬尘环境影响、道路其他车辆影响,这些都对容尘量提出了更高的要求。另外实际设计容尘量时也不能仅考虑更换里程一个因素,还要同时考虑到轿车定位、发动机工作效率、维护策略、品牌特征等因素的影响。
目前国内主机厂一般定义的容尘量范围在90g~200g之间,应对普通城市工况是绰绰有余的。

影响容尘量和过滤效率的主要因素有哪些呢?主要分为以下几个方面:
pc幸运28 1.选材。汽车进气系统内滤芯的介质目前均采用干式,主要有两种:纸质和合成纤维(俗称无纺布)。两种材料各项性能大相径庭,各有优劣,通常,使用无纺布滤芯其容尘量较高,但由于辅件较多,价格较昂贵。不管是无纺布还是纸质滤芯,其过滤效率性能和单位面积容尘量性能往往是相互矛盾的。这是由材质内部空隙的大小、多少引起的。一般而言,较大较多的空隙对过滤效率不利,但对容尘量有利。为了解决该矛盾,可以通过分级密度、纳米涂层、浸渍处理等工艺极大地提升单项或全部性能的效果,但同时也会造成成本的上升。

图3 纸质滤芯(上)和无纺布滤芯(下)

pc幸运282.灰尘颗粒大小。空气中的灰尘颗粒直径基本上在0.1~2000μm之间(图4),其重量、数量不一。我们可以从图中的案例看到,占70%以上数量的颗粒其重量只占了不到20%。因此,如果用颗粒直径差异较大的两种灰尘来计算容尘量的话,其结果也是相差较大的,因为即使滤芯容纳的两种灰尘总体积一致,其重量也是不同的,而容尘量仅以重量作为单位。由于不同地区、气候、路况下的灰尘分布是难以判断的,在判断容尘量的大小时,必须严格规定针对的灰尘颗粒大小及分布,采用同一种灰尘标准的容尘量才有横向比较的意义。

pc幸运28图4 某地空气中的灰尘颗粒分布

3.压差。滤芯所使用的滤材依靠纤维与纤维之间的空隙容纳灰尘颗粒,在过滤过程中,其空间被颗粒不断填充,空隙越来越小,空气也越来越难以通过,造成了滤芯两侧压力差增大。当压差增加到一定程度时,不仅会损失发动机功率,也会造成滤芯破损的危险。为避免这些情况,必须规定一个压差的数值,在此压差时必须更换新的滤芯,该压差对应的容尘量即为滤芯的设计最大容尘量。该压差的数值既不能影响发动机性能过多,也不能过于限制滤芯的容尘效果。

图5 压差影响

pc幸运284.气流分布。绝大多数进气系统在滤芯之前的进气通道存在着各种截面变化、方向变化、阻碍结构,造成了气流吹到滤芯表面时并非均匀分布的。通过CFD仿真(图6)我们可以很清晰的看到气流的分布情况。图中颜色较深的部分气流比较集中,反之颜色较浅的部分空气经过较少。我们可以把空气想象成游客,这些游客“喜欢”逛深色区域的“景点”。但是随着时间的推移,热门“景点”的“游客”带来了越来越多的“垃圾”,后续的“游客”越来越不喜欢这些地方,慢慢的向其他地方转移。整个过程是动态发展的。如果有些区域由于种种原因使气流分布不均匀,始终处于“冷门景点”的状态,会导致这一部分始终利用不上,相对于气流分布均匀的滤芯,较少的灰尘导致了较大的压差,最终影响容尘量。

图6 滤芯表面气流分布

除了容尘量和过滤效率这两个的主要指标之外,还有一些性能要求也是需要在设计过程中考虑到的。
1.高温稳定性。一般而言,进气系统内部滤芯的工作温度大约在90℃,过滤介质必须需有较高的热稳定性。
pc幸运28 2.防水性。当使用滤纸作为过滤材质时,需考虑滤芯的防水性能。纸质滤芯被水打湿后,纸褶变形,强度和挺度减小,当经过滤芯的气流流速较大时,滤纸可能会被气流击穿,从而失去过滤功能。因此,除了选用具有较好防水性能的材质外,滤芯的设计也需要考虑是否增加辅助结构例如热熔胶筋、无纺布防水层、塑料网格框架等。(图7)

图7 浸水后的滤芯

pc幸运283.阻燃性。为防止发动机回火或者吸入烟头、火星可能导致的滤材燃烧起火,滤芯材质需具有阻燃性。一般采用添加阻燃剂的方法,需要注意的是有些阻燃剂是水溶性的,在浸水后会失去阻燃性。具体采用哪种需结合使用环境,涉水性能等综合考虑。

好了,对于进气系统中传统的过滤功能及其主要技术指标,小创今天就介绍到这里。随着法律法规的进一步规范和最终用户体验要求的逐步提高,汽车技术也日新月异,传统的过滤性能进一步扩展,具体增加了些什么内容呢?小创今天先卖个关子,且听下回分解。

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