东风日产阳光轿车空气滤清器的设计Word下载.docx
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因此，空气在进入气缸之前，必须先经过空气滤清器的细密的过滤，才能进入气缸。
空气滤清器是发动机的守护神，空气滤清器状态的好坏关系着发动机的寿命。
如果汽车行驶中使用过脏的空气滤清器，会使发动机进气不足，使燃油燃烧不完全，导致发动机工作不稳定，动力下降、耗油量增加的现象发生。
因此，汽车必须保持空气滤清器的清洁。
空气滤清器由滤芯和壳体两部分组成。
空气滤清器的主要要求是滤清效率高、流动阻力低、能较长时间连续使用且无需保养。
随着中国汽车行业的稳步持续发展，汽车配件业也随着发展起来，作为易耗品的汽车配件滤清器，市场需求量很大。
中国的汽车行业一直处于发展阶段，滤清器行业也处于上升趋势中。
2013年，我国汽车销量接近2200万辆，滤清器的需求量由2006年的3.9亿套增至2013年的约9亿套。
中国的汽车每年平均增长率基本保持在15%左右，因此，滤清器行业的增长点在未来几年将更成为一个持续、稳定、上升发展的产业。
据统计国内现有滤清器企业虽已达到1000多家，但其中多数属小型企业，整个行业中列入国家统计的主要企业仅有20多家，国内现有合资滤清器企业10多家，外商独资滤清器企业也有近10家。
而其中拥有自主品牌和完善销售网络渠道的企业少之又少[1]。
1.2空气滤清器国内现状
近年来，中国汽车产业快速发展，拉动了汽车零部件市场需求，当然不可避免地也给行业带来了商机。
在中国，滤清器行业是一个需要集中力量着重发展的行业。
据统计国内现有滤清器企业虽已达到两千多家，但其中多数属小型企业，整个行业中列入国家统计的主要企业仅有30多家，而其中拥有自主品牌和完善销售网络渠道的企业少之又少。
目前国内滤行业市场竞争十分激烈，虽然民族品牌和自主品牌在售后市场上占有相对而言比较明显的优势，但是国内的滤清器高端市场却主要由外资和合资企业占领。
国内滤清器厂家在产品的价格、品质的提高以及技术研发方面等缺乏明显的竞争优势。
使得滤清器行业直至今日仍然没有形成垄断或近乎垄断的超大型企业。
1.3课题研究目的及意义
随着汽车发动机的不断改进和车辆使用环境的极不相同，促使对各种滤料、各种滤清器的结构及其组合的研究蓬勃开展，是现代车用空气滤清器的结构和性能达到十分完善的地步。
近年来由于环境保护对车用发动机提出的新要求，能适应各种环境的环保型的空气滤清器将是一种新的发展趋势。
对空气滤清器的要求概括来说是：
滤清效率高、过滤阻力小、储灰能力大、结构简单、容易保养、体积小、重量轻。
很明显，这些要求是相互制约、相互矛盾的，必须全面考虑上述的要求，妥善处理它们之间的矛盾，才能研制出理想的空气滤清器。
课题为东风日产阳光轿车空气滤清器的设计，本文对该车型所匹配的空气滤清器进行了性能、结构、过滤方式的等进行了详细认真地分析，最后设计出一款适合该车型的空气滤清器。
2空气滤清器的设计分析
车用空气滤清器的结构和性能好坏主要取决于汽车行驶的环境。
灰尘浓度随着道路状况和气候条件的不同而不同。
良好的公路为0.0003g/m3～0.001g/m3，大多数城市公路为0.0003g/m3～0.0084g/m3，农村石子公路为0.01g/m3～0.13g/m3，恶劣条件下的土路为0.4g/m3～0.45g/m3，建筑工地为0.5g/m3～1g/m3。
研究表明，当空气含尘量为0.8g/m3～1.2g/m3时，就失去了能见度[2]。
就目前来说，国内空气滤清器行业存在以下问题：
（1）国内滤清器企业研发能力和创新能力比较薄弱。
国外一些著名滤清器生产企业都有自己的研发中心，具备很强的自主开发能力，并且能够与主机厂同步开发，甚至能先期开发。
（2）我国滤清器生产设备、试验设备、过滤材料、试验材料、胶粘剂等相关工业相对落后，尤其是过滤材料在很大程度上依赖进口。
（3）大多数滤清器企业规模较小，生产集中度低，低水平重复建设现象严重，低端产品产能过剩。
（4）目前国内滤清器行业专业技术人员、管理人员和髙水平技术工人十分短缺，难以满足行业高速发展对人才的需求，严重制约了滤清器行业技术进步和产品品质提高。
为解决这些问题，尤其是为改变企业分散、资源配置不合理等现象，行业应以市场需求为导向，在政府引导下，通过联合、重组，培育“龙头企业”，加快大企业和产业群的发展。
因此，要想解决以上各种问题，我国必须在引进国外技术的前提下，提高我国自主研发能力，同时还要多培训一些专业技术人员、管理人员和高水平技术工人。
2.1空气滤清器的分类
空气滤清器的型式有二种，即干式空气滤清器和湿式空气滤清器。
干式空气滤清器是通过一个干式滤芯，将空气中的杂质分离出来的空气滤清器。
轻型车所用的空气滤清器一般为单级滤清。
它的形状有扁圆、椭圆及平板式。
过滤材料为滤纸或非织造布。
滤芯端盖有金属或聚氨脂的，外壳材料为金属或塑料。
在额定空气体积流量下，滤芯的原始滤清效率应不低于99.5%。
重型车由于工作环境恶劣，它的空气滤清器必须是多级滤清的。
第一级为旋流式预滤器（如叶片环、旋流管等），用于滤除粗大颗粒杂质，过滤效率在80%以上，第二级细滤是微孔纸滤芯（一般称作主滤芯），其过滤效率达99.5%以上。
主滤芯之后还有一个安全滤芯，其作用是在安装和更换主滤芯时，或在主滤芯偶然损坏时防止灰尘进入发动机[3]。
安全芯的材料多为非织造布，也有使用滤纸的。
湿式空气滤清器包括油浸式和油浴式两种。
油浸式是通过一个油浸过的滤芯，将空气中杂质分离出来，其滤芯材料有金属丝织物的，也有发泡材料。
油浴式是将吸进的含尘空气导入油池而被除去大部分灰尘，再在带油雾的空气向上流经一个由金属丝绕成的滤芯时作进一步过滤，油滴和被拦住的灰尘一起返回到油池。
油浴式空气滤清器一般用于农业机构和船用动力等。
按照过滤方式空气滤清器又分为惯性式、过滤式和油浴式3种方式。
（1）惯性式：
由于杂质的密度比空气的密度大，当杂质随空气旋转或急转弯时，离心惯性力的作用可以使杂质从气流中分离出来。
（2）过滤式：
引导空气流过金属滤网或等，再将杂质阻挡并粘附在上。
（3）油浴式：
在空气滤清器底部设有盘，利用气流急转冲击机油，将杂质分离并粘滞在机油里，而被激荡起的机油雾滴随气流流经滤芯，并粘附在滤芯上。
空气流过滤芯时能进一步吸附杂质，从而达到滤清的目的。
2.2空气滤清器的性能
发动机在工作过程中要吸入大量的空气，如果空气不经过滤，空气中悬浮的尘埃被吸进气缸中，就会增加活塞和气缸的磨损。
较大的颗粒进入活塞与气缸之间，会造成严重的拉缸现象，这在干燥多沙的工作环境中尤为严重。
空气滤清器必须在尽可能少降低发动机功率的条件下，供给发动机干净、充足的空气，减少进气噪声，同时其寿命、耐久性也要好。
这些要求是相互矛盾的，不能都达到最佳，通常通过专门的试验台、发动机台架及实车试验等作出最终结论。
空气滤清器的基本性能有额定空气流量下的进气阻力、滤清效率和储灰能力3项。
2.2.1进气阻力
空气滤清器的进气阻力直接影响发动机的功率和经济效率，同时还关系到空气滤清器的寿命。
发动机进气系统的阻力多由空气滤清器，进气管道和气缸盖上的进气门组成，现在汽车发动机的特点及其发展主要表现在高速化和轻量化。
实现发动机高速化的主要障碍是进气阻力。
现在汽车发动机有采用3气门、4气门和5气门。
通过采用多气门结构来降低进气阻力已被学者们认为是现代轻型汽车发动机发展的新方向。
因此，要求与之配套的空气滤清器和进气道的流动压力损失应尽可能的降低。
相同型号的空气滤清器，在相同额定空气流量下，结构阻力相等，但总阻力大小并不一样，主要是由于滤材阻力不同至使其总阻力不同。
滤材的阻力是由气流通过纤维层时纤维的迎面阻力造成的。
下面介绍滤纸与阻力密切相关的几个主要技术指标：
（1）透气度是滤纸首先考虑的性能指标。
滤纸的透气度越大说明透气性越好，原始阻力也越小，反之则相反。
透气度与原始阻力之间存在着相反的定性关系。
（2）滤纸的厚度能够限制空气滤清器的最大过滤面积，也就是说增大滤纸的有效过滤面积也对空气滤清器的阻力有重要影响，这是因为增大有效过滤面积，穿过单位面积的气流速度就降低，所以空气滤清器的阻力就会变小。
为了增大过滤面积，滤芯做成各种形状，使用最多的是圆柱形和长方形。
（3）如果过滤材料为非织造布，它是以化学纤维为主要原料，它的特点是阻力低、过滤效率高、储灰能力大。
但是挺度、强度差一些。
为了弥补这一缺陷,将滤纸作底衬，形成滤纸和非织造布的复合材料。
比较纤维直径也能辨别阻力大小。
纤维细，则单位体积内的纤维数量就多，气流围绕纤维运动产生的阻力就大，反之，纤维粗产生的阻力就小[4]。
空气滤清器的结构种类多种多样，一般我们主要采用改进空气滤清器出气管的结构形式来降低进气阻力。
采用圆弧过渡形式的出气管，气流经过出气管几乎不产生紊流，可使阻力减小。
空气滤清器出气口的尺寸尽可能的接近空气滤清器内滤芯的出口直径，也就是说空气滤清器出气口与内滤芯的尺寸尽量一致。
这也是降低阻力的一种方式。
若空气滤清器出口（与对方的连接尺寸）比空气滤清器内滤芯的出口直径小的多，可以采用变径管过渡并且变径时必须逐渐过渡，这种出气管结构是降低阻力非常有效的方式。
在空气滤清器进气口布局方便的情况下，进气口可以采用偏心方式，目的是加大气流通道面积，这样能够减小气流在空气滤清器进气口所产生的紊流，从而降低阻力。
影响空气滤清器进气阻力的两个主要因素中，过滤材料的阻力对其进气阻力影响较小，空气滤清器的结构阻力对其进气阻力影响较大。
那么选择阻力低的过滤材料，改进并优化空气滤清器的结构是降低进气阻力非常有效的方法[5]。
在额定空气体积流量下，总成的原始进气阻力应符合表2-1的规定。
表2-1总成原始进气阻力
类别
总成型式
总成原始进气阻力，Kpa
不带安全滤芯
带安全滤芯
A
具有切向或轴向旋流管预虑器的双级总成
3.0
3.5
B
具有直通旋流管预滤器的双级总成
2.6
3.1
C
具有叶片环或切向进气预滤器的双级总成
2.4
2.9
D
具有帽式、盆式预滤器的双级总成
2.2
2.7
E
单级总成
1.2
1.7
数据来源：
2008年《汽车设计》
2.2.2滤清效率
目前，各国空气滤清器的滤清效率是指单位时间内被空气滤清器滤除的尘土量与随空气进入空气滤清器的尘土量比值的百分数。
实质上，进入发动机的颗粒大小与数量直接影响发动机的使用寿命。
小颗粒的尘粒进入发动机是不会造成发动机损坏的，只有尘粒达到一定尺寸时，才会造成发动机损坏。
因此，须改变原来传统的滤清效率概念，而引用一个新的概念，即适宜滤清效率。
所谓适宜滤清效率就是保证发动机可靠工作的最低滤清效率。
适宜滤清效率采用被空气滤清器滤除的尘粒直径大小和数量与随空气进入空气滤清器的尘粒直径大小和数量之比。
适宜滤清效率把空气滤清器的滤清能力与对发动机的保护程度统一起来。
根据适宜滤清效率的新概念，即对发动机提供可靠保护的最低滤清效率，空气滤清器应滤出对发动机造成损坏的粉尘颗粒。
现在的关键是确定某一种空气滤清器到底需要有多大的过滤精度。
普遍认为，空气滤清器应滤除6μm以上的粉尘颗粒，就不会造成发动机的磨损和损坏。
因为一种空气滤清器只能满足某一种发动机的需求，这就要求发动机厂家和滤清器厂家通力合作，发动机厂家设计耐灰尘的材料，能减小磨损，并选择合适的进气口位置，使进入发动机的尘土最少。
空气滤清器有以下四种过滤机理：
（1）离心分离
借助旋转气流，使灰尘粒子在离心力的作用下从空气中分离出来，达到滤清目的。
离心分离是粗滤器设计的理论基础。
（2）机械过滤
气流通过多孔介质滤芯，超过一定尺寸的灰尘留在介质内，类似筛网原理。
按介质厚度，分为表面过滤和深度过滤。
表面过滤的介质薄，滤清仅发生在表面并在表面形成灰饼，性能降低很快。
如：
滤纸、无纺布、滤网。
深度过滤在整个介质体积内都起作用。
滤芯阻力增长慢，储灰能力增加，寿命延长。
（3）粘性吸附
介质浸油后沥干，利用油的粘性吸附粒子。
如金属丝网，发泡聚氨酯等。
（4）静电沉析
静电沉析的滤清效率很高，可以除去小于0.01um的灰尘，但空气滤清器的体积过大，在车辆上不易使用[6]。
在额定空气体积流量下，空气滤清器总成的原始滤清效率应符合表2-2的规定。
表2-2总成原始滤清效率
滤芯的材料
滤清效率
270目石英砂
A4-粗粒
A2-细粒
树脂处理微孔滤芯
99.5
98.5
97.5
非织造布及其他材料
96.0
2008年《过滤介质及其选用》
全寿命滤清效率一般比原始滤清效率高0.5~1.0%。
2.2.3储灰能力
空气滤清器运行过程中，不断地滤出灰尘，积聚在滤芯里，滤芯堵塞，阻力逐渐上升，当灰尘达到一定值时，对发动机性能造成一定下降，因此，需要对滤芯清理或更换。
这段时间，空气滤清器内储存灰尘的多少，或者经历时间的长短，或者行驶的里程间隔称为储灰能力或者寿命，道路灰尘浓度相差悬殊，达到同样的储灰量时车辆间的行驶里程间隔有很大差别，为了使车辆保养同步，轿车推荐定为6000-8000km,固定式发动机定为300h，油浴式定为100h[7]。
现代中小型汽车空气滤清器多采用纸质滤芯。
为节省空间增加过滤面积，其纸质滤芯被折叠成各种各样的形状，以增大过滤面积。
不同使用条件下的单位纸滤芯面积及容灰量见表2-3，它可作为选择空气滤清器尺寸的参考。
负荷状况
单位滤纸容灰量（g/m2）
单位空气所需纸芯面积cm2/（m3
h）
轻负荷
120~130
25~35
中等负荷
180~190
35~45
重负荷
230~240
55~65
越野型
310~320
80~90
特别严重
460~470
150以上
表2-3空气滤清器单位纸滤芯面积及容灰量
2009年《过滤器设计、制造和使用》
2.2.4流量——阻力特性
空气滤清器的阻力：
由于气体流动损失和介质的粘性阻力，在空气滤清器进出口之间形成的压力降。
原始阻力：
新空气滤清器的阻力称为原始阻力，设计时总是希望该阻力尽可能的低。
终了阻力：
空气滤清器在使用过程中，随着滤芯储灰量的增加，阻力不断上升，当阻力达到规定值时，空气滤清器需要保养，这一值称为终了阻力。
终了阻力应按空气滤清器的储灰量和发动机允许的阻力值来确定。
空气滤清器的阻力受出气口尺寸影响较大。
一般来说，空气滤清器出气口一定，通过加大空气滤清器容积和进口，对降低阻力作用并不明显。
2.2.5其他性能
2.2.5.2耐热性
判定滤芯两端粘胶及滤纸耐高温的性能。
一般需要从-40℃~120℃两个循环，共48小时[8]。
2.2.5.3耐油性
主要判定橡胶密封件与金属壳体间的粘结性能。
2.2.5.4声响特性
一般进气噪声占整车噪声比例较小，但要使整车总的噪声功率降低时，对进气噪声应加以控制。
当降低进气噪声的有效方法是采用进气消声器，当前世界上各公司设计的消声器按其机理均可归为抗性消声器、阻性消声器或阻抗复合式消声器。
抗性消声器是利用各种不同形状的管道和共振腔进行适当的组合，使沿通道传播的声能造成阻抗失配。
这种阻抗失配是部分声能向声源反射或在空腔内来回，阻碍部分声能通过消声器向外发散。
抗性消声器比较适用于非增压发动机的进气噪声。
阻性消声器是利用多孔吸声材料，如玻璃棉、泡沫塑料、纤维等以一定的方式不知在管道内，当噪声通过管道时，吸声材料将声能转化为热能，达到消声目的。
阻性消声器的特点是在较宽的频率范围内有较好的消声效果。
因此，它对废气涡轮增压器的压力所产生的中高频噪声有较好的消声效果。
树脂处理微孔滤纸是实现多空分散型消声器及理想的材料，也是有效的吸声材料。
但是要空气滤清器达到不同的形成机理，对症下药，对空气滤清器的结构进行必要的改造，加上必要的消声元件，就成为良好的进气消声器。
就发动机的进气噪声的消声量来说，并非越大越好，不同类型的发动机应当有其恰当的消声量。
实践表明，如果已使发动机的进气噪声低于机械噪声2到3分贝，那么进气噪声对发动机噪声的影响就很小了。
如果再降低进气噪声，势必引起进气阻力的增大[9]。
3空气滤清器设计计算
3.1整体结构设计
空气滤清器的结构在大体上分为两个部分，一部分是空气滤清器的壳体，另一部分是滤芯，其中壳体又包括上壳体和下壳体。
有的空气滤清器还带有进气消声结构。
空气滤清器的壳体一般由具有一定强度的塑料注塑而成，还有少部分采用金属板冲压件焊接组成。
空气滤清器的滤芯滤材主要有3种：
纸质滤芯、泡沫塑料滤芯和金属丝网滤芯。
在壳体内滤芯把空气滤清器分为两部分，一是前腔，二是后腔。
本次所设计的空气滤清器前腔入口装有进气管，外界空气通过进气管进入空气滤清器，经过纸质滤芯的过滤，从上壳体的出气口排出。
空气滤清器按滤清级别有单级滤清和双级滤清两种型式，对多尘砂区使用的发动机或功率较大的汽车应使用双级滤清系统。
因为本次设计车型为阳光轿车，属于一般家庭轿车，所行驶的路段大部分为城市路段，很少在多尘沙区行驶。
另外根据汽车4S店提供数据，我所设计车型发动机最高转速为5600r/min，排量为1.5L，属于小排量，所以根据以上两点选择单级滤清系统。
3.2滤芯设计
3.2.1滤芯材料的选择
空气滤清器性能的好坏，首先是与它所采用的滤料有关，同时也与滤清器本身的结构及滤芯的加工质量有关。
对空气滤清器虑料的要求首先是要透气性好，以保证滤芯的流动阻力小，其次孔隙度适当，以保证有足够的过滤效率和过滤细度。
而且，空气滤清器的过滤效率要高，可以滤出所有较大的颗粒，滤出这些颗粒可以防止发动机出现早期磨损，防止空气流量计损坏。
通过空气滤清器空气的压差要低，确保发动机有最佳的空燃比，降低过滤损失。
如果空气滤清器的过滤面积大，则容灰量高，使用寿命长。
空气滤清器的安装空间要尽可能小，结构要尽可能紧凑，密封性能要可靠，性价比高。
一般空气滤清器材料无金属结构，这样利于环保，可再利用。
这几项要求是相互矛盾的，滤芯就是这一对矛盾的统一体，可以采用不同的滤料以满足不同空气滤清器的要求[10]。
空气滤清器有干式滤芯和湿式滤芯两种滤芯。
干式空气滤清器是通过一个干式滤芯，（如纸滤芯）将空气中的杂质分离出来的滤清器。
轻型车（含轿车、微型车）所用的空气滤清器一般为单级。
它的形状有扁圆或椭圆及平板式。
重型车由于工作环境恶劣，它的空气滤清器必须是多数的。
主滤芯之后还有一个安全滤芯，其作用是在安装和更换主滤芯时，或在主滤芯偶然损坏时防止灰尘进入发动机。
干式滤芯材料为滤纸或无纺布。
为了增加空气通过面积，滤芯大都加工出许多细小的摺皱。
当滤芯轻度污损时，可以使用压缩空气吹净，当滤芯污损严重时应当及时更换新芯。
纸质干式空气滤清器有许多形式和形状，其滤芯是用树脂处理的微孔滤纸制成的。
滤芯呈波折状，具有较大的过滤面积。
滤芯的上下两端有塑料密封圈，以保证滤芯两端的密封性。
发动机工作，空气由盖与外壳之间的空隙进入空气滤清器，经纸质滤芯过滤后，通过外壳上端的出气口进入气缸。
湿式滤芯使用海棉状的聚氨脂类材料制造，装用时应滴加一些机油，用手揉匀，以便吸附空气中的异物。
如果滤芯污损之后，可以用清洗油进行清洗，过分污损也应该更换新滤芯。
油浴式是将吸进的含尘空气导入油池而被除去大部分灰尘，
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