汽车空气滤清器的性能改进优化浅析

张博 夏琰 原宗悦 胡振琦 郭辉

摘要：空气滤清器作为汽车进气系统的重要组成部分之一，不仅可以进行过滤空气，更能降低进气噪声，对提高汽车的动力性和舒适性有很大的帮助。本文首先通过对空气过滤器效率的分析，总结了影响空气过滤器正常性能的因素;其次，探讨了提高汽车空气过滤器效率的有效措施;最后利用Sysnoise软件对某轿车空气滤清器的降噪性能进行了系统分析，提出了较为细致的优化方案，并对其流场特性进行了仿真分析，实现了对空气滤清器的性能进行优化的目的。

关键词：汽车;空气滤清器;性能改进;优化

1. 引言

随着汽车技术的不断进步，用户对降噪性能的要求也越来越高。因此噪声也已经发展成为一个评价机动车辆等级管理水平的重要指标。目前，进气噪声是汽车发动机的主要噪声来源之一，关系到整车的乘坐舒适性。进气系统的噪声主要是指进气口处的噪声，当噪音源离汽车很近时，会加大对汽车的噪音影响。过去对本身只有一个进气消声器的空气滤清器的研究更注重的是滤清器进气的功能，而对它在降噪性能的理论和结构实践上还不够深入，再者就是空气过滤器壁板非常薄，当有高速气流通过时，很容易被激发而产生辐射噪声等，使得空气滤清器的降噪功能还未被全面开发、应用出来。本文将在物理结构层面上开展研究，基于空气滤清器噪声降低方面进行优化。

2. 汽车空气滤清器效能的提高途径

2.1汽车空气滤清器概述

目前，作为发动机进气系统主要部件的空气滤清器，它不仅可以清除空气进气中的微粒杂质，更具有降低吸气噪音的作用。当空气滤清器不能正常发挥其效能时，会使发动机进气不足，导致燃油燃烧不完全，产生发动机工作不稳定，动力下降、耗油量增加的现象，也会使进气口吸入空气中含有过多的灰尘等其它杂质，加剧发动机零件的磨损;甚至还会导致发动机的进气噪音明显增强出现共振现象，降低了乘客乘坐的舒适性以及汽车本身的经济效益。

2.2提高汽车空气滤清器过滤空气杂质的措施

（1）选用合适的滤芯

空气滤清器的滤芯类型较多，根据不同材质将其分为传统纸质、织物和油浴等三类，不同类型滤芯在其材质方面也具有不同程度差异，再使用时需要进行考虑与空气滤清器外壳的匹配分析的问题，因此我们切忌不能随意的去更换滤芯。在选择空气过滤元件时，还要考虑业主的预算等问题，以更好地发挥空气过滤器的效率。

（2）及时更换滤芯

不同企业所生产的滤芯器更换的周期时间不相同，一般来说我国大多数的轿车可以采用传统纸质或织物滤芯的种类，其更换周期管理一般在20000km左右，一些生活品质较差的纸质滤芯更换周期分析可缩短至5000～10000km左右。如果对汽车上的滤芯更换周期不清楚，可以通过以下方法判断目前是否需要更换滤芯。

①检查滤芯有无明显的损坏或变形，若存在须更换滤芯，有时即使滤芯的破损或变形情况并不明显，也应立即去更换滤芯;

②观察滤芯上是否有水或油渍，如有水或油渍，需要立即更换滤芯;

③查看进气歧管侧附近的滤芯的颜色。白色为正常现象，但如果大面积变黑，说明灰尘已经渗透到整个滤芯，需要更换滤芯。

2.3提高空气滤清器降噪效能的措施

（1）轻量优化设计

目前，当改变空气过滤器上下壳体的厚度时，会使它的固有频率发生一定的变化。相关研究试验比较结果可以说明，空气滤清器壁厚度每增加0.5mm，其固有工作频率将大约需要增加10Hz。空气滤清器的壁厚通过在发动机的共同转速下计算发动机的振动频率来确定。为了减少共振，采取减少滤清器外的振动激励等措施实现。

（2）结构优化设计

经研究发现，当空气过滤时，其下壳总有车身的固定支撑，因此引起的振动和噪音一般较少由进气气流撞击产生，共振声源主要是指那些没有固定支撑的上壳。现如今，一般都是采用增加筋数来提高上壳的刚度从而减少这种噪音的产生。

（3）选用合适的壳体材质

空气滤清器的壳体材质选择的不同会使得其机械系统性能和耐冲击作用强度也不同。目前，为了进一步改进它的机械性能和冲击强度，空气滤清器壳体大多以PP+TD20为原材料。部分车型对汽车性能有较高的要求。为了提高壳体的力学性能和冲击强度，PP+GF30的壳体对PP+GF30的壳体的耐热性有显著的改善，这有助于延缓壳体的老化。延长外壳的使用寿命。

3. 汽车空气滤清器降噪性能的改进

3.1降噪性能的分析

在进气系统中，过滤器不但可以净化空气，还能够作为一个扩展室。由于当前的空气滤清器体积大，再加上形状不规则，导致一维平面波的理论计算逐渐被三维有限元法和边界元法所取代，而且三维计算方法在低频段的计算结果具有较高的精度，所以采纳以上两种方法会降低误差。在优化进气系统结构之前，需要进行大量的模拟试验，并借助隔音措施对进气系统可以进行管理优化，提取进气管口的纯噪声，为后续噪声优化提供理论依据。

3.2 降噪性能的改进

目前，主要研究2/4/6/8级四缸发动机的进气噪声。改进的方法是在保持原有空气滤清器总容积的前提下，将原空气滤清器改为6L空气过滤器和1.3L膨胀室串联的结构。保持它的宽度不变，降低它的高度，增加它的长度。出口直径保持不变的原因是，增加的膨胀比不会发生改变进行降噪的中心工作頻率，并会增加进气阻力。我们将使用有限元法对空气滤清器进行分析，使用Sysnoise软件分析和计算其性能。通过我们仿真结果表明，在50～1500Hz的全频段内，降噪效果明显提高，其中800Hz由原来的降噪谷变为降噪峰，50～850Hz的中低频降噪有明显的改善。因此，我们的改善措施是有效的。

4. 流场性能分析及优化方案

4.1 流场性能分析

当今汽车产业，对于大多数汽车而言，因为对空气滤清器的体积要求较为严格，所以它通常安装在发动机舱内。但对于空气滤清器而言，一定的体积范围内，较大的流通能力和较小的压力差将对汽车发动机性能有较大改善。因此，为了能够提高空气滤清器内的流场均匀性，减小气流阻力，需要对它的结构进行改善。以下内容就是对它的优化方案。

4.2 流场性能优化方案

（1）增大进出口面积

空氣过滤器的进、出口面积对过滤器腔内压力有极大的影响。当空气吸入面积较小时，会导致空气进入过滤器腔的速度过快，从而气流会高速冲击进气口对面的壁面并且反弹形成高压区，最后导致其能量损失和功率流动，甚至还产生漩涡状现象。增大进出口面积反而使其速度减缓，抑制了原来的高压区，实现了能量损失最低化。

（2）修正进出口位置

原来的滤清器的进气口设置在壳体中央时，会使气流经过进气口后呈现为散开的趋势，此时，入口处的附近会因此产生低压区;而且会抑制进气口进入的气流会向气口方向流动，当进气口位置过高时，甚至会让其没有空间引导进风。基于以上情况，采用引管设计使得进气管的进气口位置向下轻调，将其设置在出气口的侧面并略靠近边壁，这样会更容易引导气流沿壳底和边壁顺利流动。最后，让滤清器的出气口向尾部向上略微抬起，保证出气口位置升高，使得整个装置更符合气流流动特性。

经以上分析与改进，改进后的空气滤清器阻力为△P=P2-P1=3.33-1.56=1.77kPa，满足设计要求的≤2kPa。然而，空气过滤器下壳体局部阻力较大，且在过滤元件的中部形成明显的涡流，使得过滤元件的利用率较低。为解决上述问题，进一步优化空气过滤器的结构，在下壳体上增加四个长×高×厚的导流板95mm×40mm×2mm，长度方向与气流方向一致。增加可以倒流片后的下壳体，再次进行CFD流场分析。结构优化后的空气滤清器阻力为ΔP=P2-P1=3.27-1.43=1.84kPa，满足设计要求的≤2kPa。下壳体增加倒流片，下壳体的局部阻力明显提高，滤芯中部的涡流也向三个角度转移，提高了滤芯的利用率。

结论

通过汽车空气过滤器效率的分析，总结了影响效率的正常发挥的一些因素。通过专业知识的结合，提出了选择合适的过滤器，加强空气净化器的日常维护保养等。根据空气滤清器的结构特点，对其进行结构上的优化和改善。利用三维有限元法和边界元法对它的计算结果与原有的计算结果进行分析比较，结果有效。空滤器可以经过物理分块后，将原设计的空滤器进行分块成一个新空滤器和一个新扩张腔，最终，在满足进气阻力以及要求的前提下，大大提升了系统降噪技术特性，并通过网络结构上细节需要改进，进一步提升了其流场特性，但本次设计未能考虑其它外界因素，需要进一步进行改进、计算、比较和验证，为进一步的深化研究提供理论性基础。

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