基于小流量空滤器流量特性参数的检测技术探讨和应用

文 /卞朝晖 王志斌

一、空气滤清器额定流量的概念

空气滤清器（以下简称“空滤器”）是摩托车、汽车、内燃机以及空压机等工程机械不可缺少的部件，其指标的优劣直接影响整个系统的性能。就摩托车而言，因其车辆本身结构和工作环境的关系，空滤器不仅是为发动机燃烧提供干净清洁的空气，对发动机有重要的保护作用，而且由于电喷技术在摩托车上的广泛应用，车辆电子控制单元（ECU）的空燃比标定中涉及空气流量与歧管压力等方面，更是与空滤器的性能息息相关。所以，良好的空滤器对于摩托车发动机的高效运作和车辆的排放环保都具有重要的意义。

在空滤器产品的各项参数中，额定流量是最重要最基本的参数。它一般由用户或者制造商确定，以在标准大气状况下流过空滤器的出气口的空气体积流量作为空滤器的额定流量，标准中一般采用m3/h作为计量单位。在实际试验中，也有根据用户的要求，采用质量流量（计量单位kg/h或者g/s）进行测试。

对用于发动机的空滤器而言，额定流量可用相应的发动机台架测定，也可以根据以下方法进行推算：

qve=0.06×n×Vh×ηv×ε（适用于二冲程发动机）…………………………………………… （1）

qve=0.03×n×Vh×ηv×ε（适用于四冲程发动机）…………………………………………… （2）

式中：

qve——额定空气体积流量，m3/h；

n ——发动机转速，r/min；

Vh——发动机排量，L；

ηv——发动机充气系数，其数值推荐如下：二冲程，ηv=0.45；四冲程，ηv=0.71，

ε ——脉冲系数（见表1）。

表1 脉冲系数（ε）

充气系数ηv是按照QC/T 793-2007《摩托车和轻便摩托车空气滤清器技术条件与试验方法》而确定的，对用于汽车、柴油机等较大流量的空滤器，公式中推荐的充气系数有所不同（0.70～0.85都有），具体可以参考QC/T 32-2007《汽车用空气滤清器试验方法》附录A中所示。本文主要讨论小流量空滤器，更多带预滤器、增压的柴油机的空滤器额定流量计算，本文不展开讨论。

从上述公式可以看出，因为摩托车发动机的排量相对于汽车和工程机械较小，所以空滤器的额定流量也较小，加以实际测试中依据QC/T 793-2007和ISO 5011:2014《内燃机和空压机空气滤清器 性能试验》的要求，需要测量50%的额定流量工况点的压力降。因其流量偏小，故在实际测试中普通空滤器试验台有可能遇到流量低于量程的问题。

二、小流量空滤器额定流量的概念与探讨

在目前的检测实践和标准修订中，并没有明确小流量空滤器这一概念。对于试验空滤器流量的差异，只有在进行容灰和效率测试时，选择喷射器的形制有所区别（参见ISO 5011:2014 6.2.3）。相关的标准中针对大流量和小流量的空滤器有不同要求，并规定当流量足够大，需要更大的喷灰量时，可以增加喷射器。这显然是为柴油机等重型机械的大流量空滤器而做的专门要求，不在我们讨论的范围内。随着新能源技术在机动车上的发展和环保要求的日益提高，出现了许多新型的空滤器。

1.油箱通风系统空滤器

此空滤器在油箱通风系统中有着较小的空气流量，碳罐的吸附管路、脱附管路以及通大气管路的额定空气流量均在 22.7 L/min～70 L/min 之间。同时，碳罐的通大气管路在与外界空气接口处，有空气过滤器以保护油箱通风系统避免灰尘污染。在实施汽车国六排放标准以后，新增加的CVS/DMTL等泄露检测阀更是对此处的空气过滤器有了明确的性能要求。有关主机厂对碳罐通风管路与脱附空气过滤器标准的要求，不仅规定了此类空滤器试验额定流量的范围在12 L/min～70 L/min之间，并且还按照碳罐在吸附状态下有对空滤器进行反吹的气流，这就是典型的小流量空滤器。

2.曲轴箱通风系统空滤器

曲轴箱通风系统负责平衡窜气导致的曲轴箱压力升高，同时还要将汽油与机油分离，以减少机油的过量消耗和大气污染，因此需要小流量空滤器。

3.车载空气净化器的空滤器

近年来，车载空气净化器也成为市场的热点，因使用空间和电源功率小，制约了其空气流量，故小流量空滤器可发挥作用。

以上产品的共同特点是流量偏小，额定流量普遍都小于 20 m3/h ～30 m3/h，对微小流量空滤器的检测就其自身特点而言，有着现实的意义。

4.小排量摩托车空滤器

摩托车空滤器有其特殊性。对于大排量的摩托车而言，它们的空滤器检测类似于汽车内燃机空滤器等检测，而对于小排量的摩托车而言，其空滤器的流量就偏于小流量空滤器的类型。

5.其他设备

与摩托车空滤器类似，广泛应用于小型通用内燃机的空滤器，如果发动机是小排量，其空滤器也有不少属于小流量空滤器。

即便是在汽车空滤器试验中，有时也会遇到较小空滤器流量的情况。例如：主机厂对进气系统的最新测试标准有测量空滤器最小5%额定流量工况点处压力损失的要求，这样小的流量测量要求实际上已经很接近小流量的概念。

三、小流量空滤器检测的特点

小流量空滤器的检测与传统空滤器的检测有共通之处，但是各自也有一些特点。

1.对于试验环境的要求更加严格

因为测试流量较小，环境温度湿度的微小变化都会对测试结果产生相当显著的影响。故小流量空滤器对样件测试用灰和绝对滤芯环境的恒温恒湿要求，要比一般的空滤器试验更严格。其中湿度的影响比较显著，因为绝对滤芯吸收空气中的湿气，其重量的变化会影响小流量空滤器滤清效率测试的准确性。

2.测试管路对试验结果的影响

对于普通的汽车摩托车用空滤器检测而言，测压管路段的压力降与整个进气系统的压力降相比较，是可以忽略不计的。但对于小流量空滤器而言，由于其压力降相对较小（数量级一般为几十到几百帕），故管路的影响不可忽略。实际测试中往往预先要测量一下管路阻力，以便在测试以后减去其影响。

3.进气口阻力的影响

这是一个相对复杂的问题。因为，进口阻力影响主要是动压的损失，对于一般的带有进气端（脏管段）的空滤器总成而言，压力降测试一般是不用考虑管口阻力的影响（参见QC/T 32-2006和ISO 5011:2014）。因为空滤器在台架上进行测量，本身的工作状态就类似于实际车载的设置，这样测试就已经全面考虑了进口阻力的影响。在摩托车空滤器的测试中，根据QC/T 793-2007和JB/T 9755.5-2013 《内燃机 空气滤清器 第 5部分：性能试验方法》的要求，以静压差作为压力损失，更不必考虑进口阻力的影响。因此，如果小流量空滤器本身就是类似车辆空滤器那样的结构，或者测试的总成有着完整的进气管道，则进口阻力可以不予考虑。

但，有不少小流量空滤器的工作位置是处在整个完整的管路中，或者只是需要测试单个空滤器本体的压力损失，测试结果用全压降表示，则要用动压进行修正，需考虑进口阻力的影响。

管口进气流动复杂，通过计算方法得到管口进气阻力的大小，可以流体有限元法进行分析，更多的是采用HG/T 20570.9-2017 《工艺系统工程设计技术规定 设备进出管口压力损失计算》和经验公式计算[1]：

式中：

Δp ——管路进气阻力，Pa；

r ——空气密度，kg/m3。标准状态（温度为20 ℃；大气压为101.3 kPa）下数值为1.200 5 kg/m3；

v ——进气速度，m/s；

K ——阻力损失系数。

对于常用的空滤器锐缘管口进气端K，可参照 0.78[1]、0.85[2]。

流线型管口的K则要小得多，可参照0.06～0.005[1]、0.04、0.03[2]。

如果在实际小流量空滤器测试中要考虑管口进气阻力的影响，本文提出实际测量中可以做如下考虑：

① 可以采用测量上下游压力降的方法解决，可参照QC/T 32-2006和ISO 5011:2014中推荐的方法。

② 根据公式（3）可知，加装流线形管口可以大大减少管口进气阻力的影响。有关计算可以参照公式（3），JB/T 9755.5-2013中有关理想喷嘴的阻力计算做类似处理，当然也可以直接通过公式（3）计算管口进气阻力，然后进行修正。

4.小流量空滤器试验的其他要求

在小流量空滤器的实际检测中，因为测试流量较小，喷灰口到空滤器进气口的距离远近相当重要，距离太远不足以保证测试喷灰的有效全部吸入；而距离太近，喷灰气流会干扰正常的空滤器进气，所以在实际操作中要仔细调整这段距离。

小流量空滤器对于加灰要求进行更精确的计量。在实践中多采用气溶胶发生器进行控制，既可以采用直接称量法，也可以采用绝对滤清器法测量。一般测试时加灰机/气溶胶发生器的喷灰器空气流量，通常在2 m3/hr左右。当测试样件的试验流量小于喷灰器的空气流量时，会出现灰尘从试样样件进气口倒灌的现象。如遇此类情况，建议采用多个试件并联安装，并通过歧管分别连接取气口和试验台架，对歧管的设计要考虑阻力的影响，以保证测试样件的差异最小化，通常可以用计算流体动力学（CFD）仿真先行模拟一次。

从目前的发展态势来看，粒子计数器直接测量过滤效率是以后测试发展的大趋势，它可以消除绝对滤芯处理和称量误差对测试的影响，并有利于数据采集和试验过程的精确可控。目前，燃油箱泄漏诊断模块（DMTL）的泄漏检测阀对空滤器的粒子计数过滤效率提出了明确的指标，而且作为去除PM2.5的车载净化器测试也应纳入粒子计数器的测试内容。另外，对于分级滤清效率的测试，粒子计数器也是必要的测试工具。

四、小流量空滤器有关测试标准与发展趋势

从上所述得知，小流量空滤器有着自身的一些特点，针对它们的测试应该有相应的标准。然而，目前小流量空滤器的测试标准极不完善。如：对于油箱通风过滤器，有QC/T 1008-2015《油箱通风用过滤器技术条件》可以作为测试参考标准，但是其适用范围较小，测试要求和相关规定也较原则，不能满足目前小流量空滤器产品多样化和测试要求的日益发展。零部件厂和主机厂采用ISO 5011:2014作为测试标准居多，摩托车空滤器依旧采用QC/T 793-2007，其他空滤器还有采用用户或者制造商制定的内部标准进行测试的情况。

小流量空滤器测试目前存在一些尚待解决的问题，对小流量空滤器的概念和范围缺少界定，性能测试方法也需要统一和完善，许多细节尚待厘清，如：测量压力降是采用静压差还是全压差，对测量样件进气口阻力损失的处理，等等。

目前，正进行试验室共建项目，其中就包括小流量微颗粒污染物过滤性能试验台，并在此基础上对小流量空滤器的检测做了有益的探索，如：正在进行相关领域的检测研究测试工作，研发测试范围包括燃油系统通风管路、发动机曲轴箱通风系统、碳罐、泄漏检测阀、碳罐滤清器和车载空气净化器等方面，对于摩托车空滤器的测试也有所涉及。已经修订完成的QC/T 793-2017在“6.8”中就有针对摩托车空滤器泄漏量试验的规定。