马勒空气滤清器——我们认为:清除污浊空气需要创新型解决方案

洁净的进气是发挥发动机理想动力、实现高扭矩、低油耗和低污染排放的最重要条件之一。马勒的空气滤清器能过滤超过99.9%的粉尘、烟灰和轮胎磨损颗粒,同时确保理想的油气混合。高容尘能力确保了较长的使用寿命,即使在极端状态下,如高温、严寒及化学作用的影响下,我们的高品质滤清器能防止气门、汽缸工作表面、活塞环、轴瓦和其它发动机零部件过早磨损。为了确保完美和长久的过滤性能,所有的滤清器都应该按照汽车制造商所规定的要求定期更换。


进气通路中未过滤的空气会堵塞空气流量计,引起测量数据的失真,从而导致燃油喷射系统的故障及发动机零部件的磨损。为防止空气从边缘窜入,我们的滤清器能保证完全密封,其密封材料也是精心挑选的。

由特别开发的PU发泡材料制成的PUR密封材料,确保了脏面和清洁面的持久密封。这种密封材料抗老化和化学影响,在温度变化下能保持稳定,材料的可塑性完全贴合密封区域的几何外形。

对于乘用车,圆形和板式空滤芯是装入安装于发动机或底盘上的空滤器外壳内,依照汽车制造商的技术要求,滤芯的脏面使用热熔胶,清洁面使用支撑骨架进行加固。在灰尘浓度大的地区,脏面将附加一层具有初滤作用的发泡垫。若表面负荷较大,将采用金属或塑料的支撑骨架。

对于商用车,采用的空滤系统是由可回收塑料制成,既坚固又重量轻,同时可以降低进气噪音。为了在高度稳定的情况下获得最大的过滤面积,这种滤清器大多是圆柱形结构。为了提高效率,采用径向密封和轴向支撑。保养和更换滤芯时,附加的圆柱形无纺布安全内芯可保护滤芯的洁净面。

在汽车业发展的前二十年中,发动机故障司空见惯——最主要的原因是当时未经铺设的路面沉积了大量的灰尘。灰尘颗粒进入燃烧室后,会导致活塞环、活塞和汽缸壁之间的剧烈摩擦。从而导致发动机功率下降,甚至发生活塞抱死现象。直到上世纪30年代中期,所谓的空气滤清器刚刚发明时,汽车修理与维护的最长周期才能达到4,000公里。因此,内燃机的成功少不了空气滤清器。但是,从上世纪30年代的第一代油浴空气滤清器发展到今天的现代化进气模块,经历了一个很漫长的过程。

初始阶段:金属丝网
在第一代空气滤清器中,滤芯是一张封闭在金属外壳中的金属丝网。所谓的“油浴式空气滤清器”的工作原理基于气体流动。气流在金属丝网中的偏移产生筛分效应,从而分离了油气中所含的脏污。为便于收集过滤下来的脏污,金属丝网要浸于机油中。此类滤芯必须定期拆卸,并用清洁剂进行清洁,然后再浸于机油中。

随着发动机的效率的逐渐提高和燃料消耗量的逐步降低,对空气的需求量也随之成倍增长。由金属丝网制成的滤芯在性能上已经达到了极限,即使后来在滤芯里加入纺织物也难以达到要求。

此外,对于过滤效果的要求也越来越高。同时,滤清器还必须满足减轻重量、节省空间的要求,并降低维护要求。如果机油滤清器在超负荷工作状态下仍无法满足过滤需求,则有必要开发新型空气滤清器。

重要创新:纸张制成的滤清器
用纸制成的滤芯于1953年问世后,凭借更卓越的过滤性能迅速取代了以前的金属丝网滤芯。

在1957年,当时的Knecht Filterwerke(即现在的马勒滤清器系统)开发出一种特殊的滤纸褶纸技术,并以“MICRO-STAR”为商标申请并获得了专利。时至今日,该滤纸褶纸技术仍然是滤清器技术领域的标准。

空气滤清器的设计始终在变化,以适应同样不断改变的需求。起初使用的是圆形滤芯:该圆形滤芯由滤纸及周边PUR密封胶制成。为使脏污侧与清洁侧在褶纸末端分开,褶纸末端采用含有密封条的PUR泡沫胶进行密封。至今,人们仍在使用这种圆形滤清器。

现在:长度可变的进气歧管和复杂的进气系统
早在上世纪90年代,马勒通过与汽车行业的紧密合作,开发出人们所熟知的长度可变进气歧管。一方面,该成果使发动机在低转速时,仍能获得高扭矩,另一方面,使发动机在高转速时获得高功率。燃烧室中产生的滚流(详见右侧文字内容)可同时改善油气混合物的构成及燃烧过程,从而降低耗油量和废气排放量。

除了过滤空气,现代发动机(含燃料喷射系统)中的完整进气系统还有许多其它功能。如今的空气滤清器外壳通常含有空气流量计、漏气再循环进气口(详见右侧文字内容)以及维护指示器和保护滤清器不受直接热应力影响的防热罩。相应地对身为国际汽车行业合作伙伴与系统供应商的马勒也提出更高要求。

概览:三级共振系统
进气模块技术的另一个里程碑是马勒开发的三级共振系统,可通过进气歧管中集成的两个拍片对该系统进行控制。共振充电的有效速度范围很广泛,在三个发动机速度级别中最高可达7,000 rpm。该共振系统经过优化并通过充电计算获得验证,如今已成功投入实际应用。马勒提供种类齐全的产品与开发服务,其中不仅包括空气滤清器,同时还包括共振系统控制单元、曲轴箱通风系统(含油雾分离器)、压力控制器以及连接到进气模块的进气管线。

安装空间的减少,行人保护的需求增长,——这只是新研发的梅赛德斯-奔驰发动机OM651说明书中的两项。更强劲的4缸双涡轮柴油发动机,目前运用在C级轿车(W204,车型200 CDI,220 CDI 以及250 CDI),E级轿车(W212,车型220 CDI 和250 CDI)以及GLK(功率为125和150kW)车型上。

马勒工程师所面临的挑战是要开发一种可以正好能放进空间有限的发动机舱内的空气滤清器,因为舱内需要安装很多其他设备。与此同时还能符合行人保护装置的相关规定。

行人保护——是什么?
行人保护要求是包含在制造商独立参加欧洲新车安全评定项目的碰撞测试中相关法规。欧洲运输部、汽车协会和保险公司成立了这个欧洲新车安全碰撞测试,它包含三个部分:成人保护、儿童保护和行人保护。

从2005年开始,欧洲的新车必须满足撞击事故中对行人保护的标准。制造商们通过多种手段达到这一目的——比如,更柔软的车前端设计。行人保护的程度是由新车安全协会评估鉴定的,评分可以分为0到4星。

这对空气滤清器的设计师意味着什么?
对于新开发的OM651,发动机罩和空气滤清器外壳最高点的最小距离需要符合行人保护要求。这个设计要求发动机管理系统要装在空气滤清器外壳上,这提出了又一个新的挑战——因此滤清器外壳不仅要非常平坦,还要能负荷发动机管理系统的重量。另外一个重要的问题是空气滤清器的静音表现。

这要求空气滤清器设计师解决以下几个问题:

  • 滤清器总体高度要尽可能降低。
  • 滤清器表面的吸污能力要达到要求。
  • 根据客户要求,清洁面和污浊面要在并行的同一侧(不像通常的分布在两侧)。
  • 拥有高的内在稳定性和静态承载能力。
  • 滤清器材料的最大强度和刚度能承受高温高机械工作负载。
  • 减少噪音以到达客户在声音和噪音方面的要求。
  • 延长使用寿命

不是圆的,不是平的,——而是马蹄形的
采用通常的圆形滤清器或者板型滤芯的设计是不可能达到客户要求的。所以最终的解决方案采用了一种全新的设计原则:马蹄形,它可以完全实现设计上要求的特性。

紧凑而有弹性
几何结构的空气导流作用,且最大程度的利用可安装空间,以及滤清器壳体上适当的设计,较低的总高度实现了它的高内部稳定性和恢复力。马蹄形的皱褶形状用最小的面积提供了较大的滤清器表面积。

耐用持久
这个设计非常关注在操作过程中的滤芯负载情况,来让滤清器可以有更长使用寿命。这是得益于滤清器外壳上特殊的空气引导设计。在早期发展阶段,马勒开发团队创建的理论数学模型来验证过滤器的设计。

低噪音
为了降低噪音,在空气滤清器中间放了一个肋板叫做连接杆。

流动模型展示了空气通过滤清器时的路线。为了达到最大容量,要保证空气进气口在滤清器表面的中部。

高科技也表现在生产上
新颖的设计理念通常也要求创新的生产方式。新型的马蹄形空气滤清器对马勒滤清器专家和他们的生产技术提出的几个新的挑战。

比如,滤纸是塑化的。这就意味着塑料板被加热到糊状,把滤纸压入塑料板,凝固后产生一层坚固的密不透气的物质。这些塑料材质必须能承受压力,而且不能产生变形。这种注射模塑法要求滤纸被非常稳固的压入聚丙烯滤芯的上下盖板内。

为了让纸张和空气流量计的定位板粘合固定,我们开发了新的生产技术。同时这些技术已经申请了专利并且只有马勒可以使用。

为了在使用中让空气流量计和底座紧密相连,就必须保证非常小的公差。在开发期间,塑料注射模型的流动特性和后来的结晶已经经过大量的运算,同时为了确保安全和稳定量产还制作了一系列工具。

不止是干净,而是纯净
即使最小的灰尘在生产制造的时候进入滤清器模型、操作过程中、进而被吸入,都会导致发动机故障。所以需要高标准的残留物清洁过滤模块:为了保护燃油喷射系统,滤清器必须满足高纯度要求、极小的公差,以及和涡轮增压器一样小的喷油孔。为了做到这些,每个滤清器都在洁净室生产,同时通过专门开发的带萃取系统的流程进行清洁。

易保养和可靠
当替换滤清器时,滤清器要从空气流量计中拿出,同时新的滤清器要被重新放进去。O形环特殊的滑动层,能让放入和取出滤清器更方便。

CAE仿真的压力分布图显示了从进气口(红色)到清洁空气的出口(蓝色)的压力阶梯所以即使是在外部(空气进入滤材之前)提供的压力分布图也是非常重要的,对于最大程度得利用滤材的容量。