姚強

摘要： 闡述長壽命三級燃油濾清器的設計開發(fā)要素，通過CAE分析來驗證產(chǎn)品的結構強度，并給出道路返回件的分析情況。

關鍵詞： 長壽命燃油濾清器;三級濾設計;CAE分析

【中圖分類號】TG435+.6【文獻標識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）12-0218-03

1引言

柴油濾清器的作用是濾除燃油系統(tǒng)中的有害雜質(zhì)和水分，保護燃油泵和高壓共軌系統(tǒng)的正常工作，減少磨損，避免堵塞，是低壓油路中不可缺少的部件，負責保護燃油系統(tǒng)免除顆粒與雜志的帶來的磨損，水分帶來的腐蝕，穴蝕和微生物的滋生，提高系統(tǒng)壽命。隨著環(huán)保意識的提高以及燃油系統(tǒng)的升級（從直列泵，單體泵，升級到高壓共軌系統(tǒng)），OEM客戶提出要將柴油濾清器的保養(yǎng)里程提升。當前市場上柴油濾清器保養(yǎng)周期為2000～30，000km，客戶要求保養(yǎng)里程達到100，000km。對于濾清器而言，如何保證保養(yǎng)里程以及在濾清器壽命終了時還能有水分離功能來保護泵以及系統(tǒng)是最關鍵的。傳統(tǒng)的一層濾紙的濾清器在壽命終了（2，000～30，000km）的水分離性能在10%～30%@ISO16332，甚至更低，大大的危害燃油泵和燃油系統(tǒng)的正常運行。如果將此種類型的燃油濾清器保養(yǎng)里程提升到100，000km，那水分離功能幾乎就沒有了，大大地危害了燃油系統(tǒng)以及泵，導致輸油泵的磨損。在這種情況下，開發(fā)滿足長壽命應用的三級濾清器-粗濾，就成為一種市場的需求了。本文通過產(chǎn)品設計，試驗驗證以及道路試驗驗證來闡述本設計。

2旋裝濾清器的開發(fā)

旋裝濾清器的開發(fā)主要考慮下面幾點內(nèi)容：

傳統(tǒng)的以一級濾紙為過濾介質(zhì)的濾清器，其除水（過濾水）的能力是由濾紙的抗水性提供的，是濾紙經(jīng)過特殊的化學處理，使濾紙的融噴材料斥水。在應用過程中，這層濾紙需要承擔的作用是顆粒過濾和水過濾。由于是粗濾的應用，所以相對而言，濾紙的纖維結構搭結疏松，以便于能過濾柴油中的較大顆粒和提供高容灰量。在過濾的過程中，柴油里的顆粒雜質(zhì)會將濾紙孔徑堵塞，影響濾紙的表面特性，影響水分離功能。使用里程的延長，勢必需要使濾紙捕捉更多的顆粒雜質(zhì)，濾紙表面疏水性會進一步弱化，造成濾紙水分離的性能下降甚至失去水分離功能。如何在滿足里程的提升要求同時保證水分離的功能是本設計的關鍵。

1）旋裝濾清器設計要點：

（1）旋裝濾清器濾芯的選材：由于燃油系統(tǒng)中的泵壓力已經(jīng)從1000bar左右提升到1600bar，1800bar，甚至到2000bar 以上了，所以系統(tǒng)的精密度更高了，需要過濾的顆粒精度要求變高了。傳統(tǒng)用的10%@4μm和40%@4μm的濾紙已經(jīng)不夠高精度了，需要根據(jù)客戶系統(tǒng)等級的要求選擇80%@4μm或者90%@4μm精度的濾紙，作為第一級---顆粒過濾的材料（過濾層），并且該材料是融噴無紡布+纖維素的梯度結合材料，在滿足顆粒過濾精度的同時具有高容灰能力，并且通過特殊的化學處理，耐油穩(wěn)定性能好;柴油在走向低硫化的要求后，脫硫工藝會將柴油中的潤滑劑帶走，為了保證柴油潤滑性，新的添加劑會加入柴油中，這些添加劑會包裹住柴油中的小水滴，使它們不容易聚集。這個時候本設計中引進了第二級的材料（凝結層），該材料需要選擇透氣度高的聚酯材料，該材料可以以一層或者多層纏繞的形式纏繞在塑料中心管上，并且要求第二級材料緊貼第一級材料。主要作用是燃油中的水分在穿過第一級顆粒過濾材料時由第二級材料吸附，并且在吸附水滴的過程中，將細小水滴積聚為大的水滴。第三級的材料選擇（篩網(wǎng)層），需要選擇透油不透水的聚酯薄膜，經(jīng)過特殊的化學處理，使得燃油能通過，水會被濾下來。該層材料通過模具成型到塑料件上，成為一個整體。3層不同材料通過特殊結構設計成一個濾清器，并在結構上預留出出水的空間，讓水分子積聚變大后通過重力作用下沉，保證顆粒分離功能的同時保證長效的水分離功能，真正保護燃油系統(tǒng)免于顆粒與水分的影響。測試標準的升級。在表1中可以看到，水分離測試標準ISO 16332在2018年4月份頒布了更新版，新版本的標準在測試水滴和液體表面張力上的變化，使得水分變得更難過濾了。

如圖1三級水分離結構-立體設計圖示和圖2三級水分離結構-的平面講解，帶有污染物和水分的燃油，經(jīng)過過濾層過濾污染物，水分穿過過濾層后由凝結層將水分子積聚變大，再由篩網(wǎng)層過濾水分。三級濾清器的產(chǎn)品概念是指在一個濾清器內(nèi)整合不同功能的三種過濾材料，將顆粒過濾與水過濾分離，由不同的材料承擔不同的任務，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的顆粒過濾和水過濾的功能。三種材料有序結合，各司其職，充分發(fā)揮所長，便能將當今柴油濾清器-粗濾所遇到的水分離難的情況得以有效解決。

本設計最大的優(yōu)點：將傳統(tǒng)一層材料需要過濾的雜質(zhì)和水分別由3層不同特性的材料來完成，并且水分離過濾層（篩網(wǎng)層）在最內(nèi)側，保證了雜質(zhì)/污染物不會對這個篩網(wǎng)層的影響和堵塞，從而達到在水分離上長久的高效過濾性能。

本設計的難點：如何平衡3層材料的壓差。三層材料的透氣度有匹配關系，如果第一層顆粒過濾層過濾精度確認后，后面第二，第三層的材料根據(jù)第一層做選擇。如果第二層透氣度很低，那穿過第一層材料的顆粒和雜質(zhì)會攔截在第二層上，導致整個濾芯的壓差快速上升，到達使用壽命卻不能滿足長里程的要求。如果第二層材料的透氣度過高，過于疏松，那顆粒和雜質(zhì)會堵塞第三層的材料，結果也是不能滿足長里程的要求。平衡的匹配關系才能在應用中不會因為壓差的原因堵塞濾芯，最大程度上的發(fā)揮三層材料各自的功能。

（2）在濾芯設計上，需要采用PA6+GF30的塑料材料，用于端蓋以及中心管的設計，目的是保證產(chǎn)品的結構強度以及滿足客戶的清潔度要求。也是輕量化濾清器設計的一部分。第一層星形折紙的紙芯與第二級吸附材料緊貼，與第三級聚酯薄膜材料需要有一定空間的距離，保證在第二級吸附材料上的水滴有足夠的空間和時間落到儲水的空間。帶鍍鋅層的深沖材料DX54D+Z - 1.0306沖壓而成的殼體，將濾芯包裹住，具有高強度的金屬性能。

（3）產(chǎn)品是泵前應用，柴油中會有氣體析出，這是由于在恒定的溫度和壓力下（例如環(huán)境條件下），一定量的空氣以化學的形式溶解于柴油中，這種相關描述可以通過亨利定律來解釋：K = p（gas）/c（gas）

公式中 K是亨利常數(shù)，p是溶液上氣體的局部壓力，c是氣體在溶液中的溶解度。

除了亨利定律之外，也可以說局部的氣體壓力越高（在這里指的是燃油系統(tǒng)的局部的氣體壓力），溶解到柴油中的空氣就越多;氣體壓力變小，那么溶解在柴油中的氣體將會析出，這就是發(fā)生在燃油系統(tǒng)回路里面的現(xiàn)象;柴油箱跟大氣相連，表面氣壓在1bar （絕對壓力）左右，在油箱和輸油泵之間的管道中的壓力<1bar（絕對壓力），當柴油進入到粗濾器中比較大的濾材表面時，局部流量降低，為了達到平衡，氣體將會被析出。我們所看到的粗濾器和透明管中的氣泡是由于溶解在柴油中的氣體在局部壓力低和局部流量低下發(fā)生的析出現(xiàn)象所產(chǎn)生的，而不是因為外部空氣進入到系統(tǒng)中。所以在濾芯的設計中要考慮到排氣結構，防止氣體憋在濾芯臟側，導致液位上不去而形成的濾芯上部的過濾面積不能充分使用，影響產(chǎn)品的壽命或者在一定的壓差下，空氣被擠壓，大段空氣經(jīng)擠壓穿過濾紙，導致一定時間內(nèi)空氣多而燃油少導致的泵不能連續(xù)的工作，引起急停或者泵的損壞。本設計充分考慮到了這一點，所以在濾芯端蓋上設計了特殊小孔結構用于排氣（圖3排氣設計，圖4氣體流向示意圖），并且在小孔上用卡扣結構覆蓋了透氣性很高的纖維素濾紙設計的紙環(huán)用來阻擋小孔帶來的顆粒旁通，保證產(chǎn)品的顆粒過濾能力。同時纖維素紙環(huán)還可以將大氣泡分解為小的氣泡，使氣泡進入濾芯干凈側以后與柴油混合，然后進入泵，這樣的設計保證了濾芯不會由于憋氣而導致的濾紙面積使用不充分，也防止了大氣泡對于燃油泵的啟動/運行造成影響，還保證了濾清器的過濾性能。

3旋裝濾清器-濾座開發(fā)

濾座的功能是旋裝濾清器的接口，燃油進口油道以及出口油道需要經(jīng)過濾座跟燃油系統(tǒng)連接，并且濾座需要集成手泵，電子輸油泵，壓差傳感器，電加熱器等功能，在濾座的設計上集成這些附件的安裝口，滿足終端客戶的不同需求。濾座的內(nèi)部油道需要進/出的油口（需要滿足流量要求），外部需要設計與客戶系統(tǒng)相連接的安裝孔，一般處于應用考慮，會設計上部兩個安裝孔，下部兩個安裝孔，同時在滿足功能的條件下盡量減少材料，降低成本和使產(chǎn)品輕量化。同時滿足集成功能需求，結構非常復雜，必須考慮加工可行性。濾座生產(chǎn)一般采用壓鑄鋁的成型工藝。在概念設計初期，需要與模具生產(chǎn)商討論以下幾點：

1）模具設計的可行性，脫模的可行性

2）確定分型線

3）確定出?；瑝K的形狀和方向

4）確定鑄鋁件的壁厚以及拔模角

5）關鍵幾何特征：如密封區(qū)域、材料堆積區(qū)域、強制脫模區(qū)域的討論

6）澆口位置的確定，是否影響關鍵密封面

在濾座結構設計完成以后，需要通過CAE仿真分析產(chǎn)品上的薄弱點，如圖5仿真模擬金屬件薄弱點所示。然后調(diào)整薄弱點，更改設計，保證足夠的強度，需重點考慮在薄弱處加厚加強筋，增加倒角等處理，如圖6針對潛在實效點的改進所以。

4整體產(chǎn)品的振動分析

通過CAE仿真軟件，在X，Y，Z三個方向上用0～500Hz掃產(chǎn)品共振點，并通過仿真軟件，在濾清器罐體內(nèi)充滿燃油的條件下，做三個方向的振動分析，需要達到三個方向各1千萬次的要求。如圖7，8，9所示。

5試驗驗證

（1）工作環(huán)境：工作環(huán)境溫度：-40℃到100℃;燃油溫度：-30℃到80℃;工作壓力：最大4bar;工作介質(zhì)：柴油

（2）技術要求

1）在共振頻率和加速度下，X，Y，Z方向各振動1000萬次后無泄漏和損壞。

2）在低溫-30°條件下，0-4bar循環(huán)20次;高溫80°條件下，0-4 bar循環(huán)20萬次后無泄漏和損壞。

3）在高溫80°和室溫下，爆破壓力〉10bar;

4） 溫度循環(huán)試驗：分別在-40℃和100℃溫度下進行高低溫循環(huán)保壓試驗，保壓4bar，分別在-40℃和100℃各保壓30分鐘，總循環(huán)次數(shù)達到12次后無泄漏和損壞。

5）泄漏試驗：6bar壓力下水檢，要求無泄漏。

6）壓差試驗：<10kPa@660l/h

7） 過濾效率：根據(jù)應用濾紙，達到80%@4μm或者90%@4μm的顆粒過濾效率

8） 水分離過濾效率：新狀態(tài)下>98%;老化后/返回件要求>80%

9） 高頻脈沖試驗：旋裝濾清器在高溫80°條件下，4bar壓力下，62Hz的高頻脈沖下條件下滿足2千萬次的測試。

10）低頻脈沖試驗：總成產(chǎn)品在高溫80°條件下，4bar壓力下，0.63Hz的低頻脈沖下條件下滿足20萬次的測試。

6道路驗證

與客戶一起進行了道路驗證，返回件的水分離結果滿足80%的目標，測試件外觀良好，無破損泄漏，完全的滿足了客戶的應用需求。如圖10水分離測試圖所示。

7結束語

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和客戶對于長壽命產(chǎn)品的需求，長壽命三級燃油濾清器會得到廣泛的應用。本文介紹了長壽命三級濾清器-粗濾的設計開發(fā)以及驗證，并結合具體項目實例和道路驗證說明了本產(chǎn)品的應用性。

參考文獻

[1]ISO/TS 16332 - 2006.09 燃油濾清器-油水分離測試方法.

[2]ISO 16332– 2018.04燃油濾清器-油水分離測試方法.