基于实际工况的空气滤清器旋风分离效率试验研究提交版0203 副本副本.docx
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基于实际工况的空气滤清器旋风分离效率试验研究提交版0203副本副本
基于实际循环工况的旋风分离空气滤清器效率试验研究
摘要：
为了评价实际工况下旋风分离空气滤清器旋风分离特性,本文基于发动机实际循环工况，针对发动机进气的含尘浓度、颗粒分布、进气流量等不同变化对旋风了有价值结果并得到整车实际路试结果的进一步验证。
此研究结果对发动机进气系统优化匹配、新型旋风分离装置的参数选择及旋风分离空气滤清器实际工况使用寿命的评价具有一定的参考价值。
关键词：
旋风分离空气滤清器实际循环工况旋风分离效率性能试验
1前言
中重型柴油机整车匹配技术向低速小速比发展，以往ISO5011《内燃机和空压机进气空气滤清器性能试验方法》1采用的空气滤清器额定工况流量及变工况流量性能评价方法与发动机实际工况差异巨大，不满足整机进气系统性能匹配优化技术发展要求。
发动机排放测试循环应尽可能接近车辆的实际运行状况,使按照排放标准设计的发动机符合市场的实际需求。
目前世界范围内应用范围最为广泛的发动机测试循环有欧洲标准测试循环工况和美国循环工况I.7，其中欧洲标准测试循环为大多数国家采用。
我国实施的GB17691《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》2等效采用欧洲标准测试循环，规定了ETC瞬态循环工况和ESC稳态循环工况；全球性技术法规（GTR）《适用于天然气或液化石油气点燃式发动机和压燃式发动机的排放污染物测试试验规程》3已经发布，规定了重型发动机WHDC循环试验工况，包含两个具有代表性的试验循环，具有冷、热起动要求的WHTC瞬态测试循环以及具有热起动要求的WHSC稳态试验循环。
建立在对世界范围内重型商用车真实运行模式新的研究基础上，通过收集到的数据，建立了具有代表性的循环试验工况，涵盖了欧盟、美国、日本和澳大利亚等典型驾驶状况，密切地反映了世界各地的公路重型发动机的运行情况3。
根据他人及标准研究成果，GB17691、WHDC测试循环工况与汽车行驶循环工况具有统一性，且均能反映汽车发动机实际运行工况。
重型自卸车行驶工况与重型发动机WHDC测试循环工况的发动机负荷分布比较相近，重型牵引车行驶工况与GB17691测试循环工况相近4。
图1比较了WHSC与ESC发动机稳态循环试验工况在发动机MAP上的分布。
从中不难看出，WHSC测试循环中,发动机工况主要分布在中低转速和中小负荷，而ESC测试循环中，发动机工况主要分布在中高转速。
发动机不同稳态循环试验工况分布特点，为开展基于实际循环工况的旋风分离空气滤清器性能试验研究提供了理论依据。
图1WHSC与ESC发动机稳态循环试验工况在发动机MAP上的分布
旋风分离空气滤清器的特点是，结构简单，制造方便，无运动部件，免维护，成本低，可靠性高，具有分离5～10μm以上粒径的颗粒物能力，是中重型发动机延长空气滤清器寿命周期的首选结构。
影响旋风分离装置过滤效率的因素很多，例如固体颗粒粒径及分布、空气灰尘浓度、颗粒密度，空气密度、黏度、湿度，以及旋风分离装置几何尺寸等，其中进气的流速对过滤效率影响很大，流速越高，过滤效率越高，流速对效率的线性关系尤为重要。
本文依据发动机稳态循环试验工况建立进气量实时循环变化参数，进而研究旋风分离空气滤清器实际性能，提出创新性试验研究方法,即：
1）通过CA6DL2-35E3高压共轨发动机台架试验获得外特性、万有特性及发动机等速负荷耗气量台架试验结果；
2）按照ESC及WHSC柴油机稳态标准测试循环规范，通过计算，采用区间法分别建立重型牵引车及重型自卸车发动机进气循环13工况进气循环试验参数；
3）以CA6DL2-35E3高压共轨发动机及其匹配的NLG-32型旋风分离空气滤清器为研究对象，用空气滤清器性能试验台模拟发动机试验循环工况进气量,进行旋风分离空气滤清器性能试验研究；
4）将台架试验结果与重型工程车新疆多灰路况整车路试试验结果对比，验证基于整车行驶循环工况下的重型自卸车的空滤器效率寿命研究结果的有效性。
2CA6DL2-35E3高压共轨柴油机台架试验
CA6DL2-35E3柴油机主要技术参数及配置见表1。
表1CA6DL2-35E3柴油机主要技术参数
发
动
机
基
本
参
数
发动机规格型号
CA6DL2-35E3
气缸排列型式
直列、六缸
排量（L）
8.6
发火顺序
1-5-3-6-2-4
进气方式
增压中冷
冷却方式
液冷
进气阻力（kPa）
3.5
供油系统形式
电控单体泵
缸数-缸径×行程（mm）
6-112×145
怠速转速（r/min）
700±50
额定功率（转速）
kW（r/min）
261（2100）
最大净扭矩（转速）
N.m（r/min）
1500（1300-1500）
额定功率转速时每冲程燃料供给量（ml）
0.163
最大净扭矩转速时每冲程燃料供给量（ml）
0.203
容积压缩比
17.5：
1
最高空车转速（r/min）
2415±30
2012年3月27日至2012年3月30日在一汽集团技术中心发动机试验室试验进行，性能试验按GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》中的有关规定进行，试验一般条件的控制按GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》中的有关规定，其他试验控制条件见表2。
表2试验控制条件
序号
控制参数
控制值
1
进气阻力（kPa）
≤3.5
2
额定点中冷器压降（kPa）
≤15
3
额定点中冷后进气温度（℃）
50±2
4
额定点排气背压（kPa）
≤18
总功率对比试验结果见图2。
图2CA6DL2-35E3型柴油机霍尔塞特与威孚增压器总功率曲线
万有特性对比试验结果见图3
图3CA6DL2-35E4U2型发动机霍尔塞特与威孚增压器万有特性曲线
CA6DL2-35E3柴油机等速负荷耗气量数据见表3、图4。
表3CA6DL2-35E3柴油机等速负荷耗气量
负荷
转速rpm空燃比
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
100%
19
19
19
19
21
20
21
21
22
23
24
25
26
26
75%
34
31
28
26
25
24
25
29
30
32
32
34
36
36
50%
48
42
36
34
33
32
33
36
38
40
41
43
45
46
25%
62
53
44
42
41
40
41
43
46
48
50
52
54
56
图4CA6DL2-35E3型柴油机等速负荷耗气量曲线
3发动机标准循环工况进气量计算
3.1ESC循环工况进气量计算
发动机ESC稳态标准测试循环工况见表4。
表4ESC试验循环
ESC循环排放试验相关转速参数见表5。
表5ESC循环排放试验相关转速参数
循环工况
转速参数
nidler/min
nlor/min
nhir/min
nrefr/min
ESC
700
1020
2280
2217
其中:
nlo：
最大功率50%的功率所对应的最低发动机转速
nref：
基准转速
nhi：
最大功率70%的功率所对应的最高发动机转速
nidle：
怠速
如图所示。
图5CA6DL2-35E3型柴油机等速负荷耗气量曲线
ESC循环发动机实际速度的确定
发动机转速A、B和C应按下列公式计算：
转速A=nlo+25%（nhi-nlo）
转速B=nlo+50%（nhi-nlo）
转速C=nlo+75%（nhi-nlo）
发动机扭矩的确定
对应的实际转速由前述公式确定。
ESC循环工况进气量计算
对ESC循环13工况对应的转速、扭矩计算得到发动机工况点功率。
以燃油消耗量为目标函数，依据油耗率、发动机气耗量测量值特性等发动机工况点试验测量数据进行计算分析，对代表自卸车典型实际工况的ESC循环进行计算，得到发动机不同循环工况处理后进气量数据。
循环工况处理后进气量数据见表6、图6。
表6CA6DL2-35E3柴油机ESC稳态试验循环工况性能参数
序号
转速（%）
有效扭矩（N.m）
有效功率（Kw）
燃油消耗率（g/KW.h）
空燃比
试验循环%Qe流量
试验循环进气量（kg/h）
工况时间（s）
1
700
0
0.0
223
15
210.0
270
2
1335
1545
216.0
200
22
65
910.0
144
3
1650
750
129.6
196
36
65
910.0
180
4
1650
1125
194.4
195
29
75
1050.0
180
5
1335
772.5
108.0
195
30
45
630.0
90
6
1335
1158.8
162.0
195
25
55
770.0
90
7
1335
386.25
54.0
210
44
35
490.0
90
8
1650
1500
259.2
200
23
80
1120.0
162
9
1650
375
64.8
220
48
45
630.0
180
10
1965
1275
262.3
205
26
95
1330.0
144
11
1965
318.75
65.6
230
54
60
840.0
90
12
1965
956.25
196.8
198
32
90
1260.0
90
13
1965
637.5
131.2
207
41
80
1120.0
90
图6CA6DL2-35E3柴油机ESC稳态试验循环工况归一化进气流量
3.2WHSC循环工况进气量计算
发动机WHDC稳态标准测试循环工况见表7。
表7WHSC试验循环
序号
归一化转速（%）
归一化负荷（%）
加权系数（供参考）
工况时间（s）（包括20s过渡）
0
-
-
0.24
-
1
55
0
17/2
210
2
55
100
0.02
50
3
55
25
0.10
250
4
55
70
0.03
75
5
55
100
0.02
50
6
25
25
0.08
200
7
45
70
0.03
75
8
45
35
0.06
150
9
55
50
0.05
125
10
75
100
0.02
50
11
35
50
0.08
200
12
35
25
0.10
250
13
0
0
0.17/2
210
总计
1.00
1895
WHSC循环排放试验相关转速参数见表8。
表8WHSC循环排放试验相关转速参数
循环工况
转速参数
nidler/min
nlor/min
nhir/min
nprefr/min
WHSC
700
10
升级会员 