用于改善空气流量信号质量的系统和方法与流程

相关申请交叉引用

本申请要求在2014年4月17日提交的、申请号为61/980,997、名称为“systemandmethodforimprovingmassairflowsignalquality(用于改善空气流量信号质量的系统和方法)”的美国临时专利申请的优先权和权益，该申请以全文引用的方式并出于所有目的纳入本文。

本申请总体上涉及具有空气流量调节装置的空气过滤系统，空气流量调节装置可以改善空气流量(maf)传感器的信号质量。

背景技术：

内燃机通常燃烧燃料(诸如汽油、柴油、天然气等)和空气的混合物。空气在进入发动机之前通常会穿过空气过滤系统。空气流量(maf)传感器放置在空气过滤器的下游(即在空气过滤介质的干净侧)并向发动机控制模块(ecm)提供反馈。然而，离开过滤元件的空气流动的质量可能不一致，导致maf传感器的信号响应变化大。空气流动中的不一致可能是过滤介质褶皱的随机流向定向导致的，这引起空气直接指向maf传感器窗流动或引起空气背离maf传感器窗流动。空气流动的不一致还可能是过滤介质褶皱上的凸起位置变化的结果。介质褶皱上的凸起起到各介质褶皱之间的隔离片的作用。凸起还阻碍空气从褶皱之间流出。因此，凸起的出现创建了钝体绕流的场景，其中流动结构(诸如漩涡、涡流、气泡等)可能会被引起并因此影响maf传感器的信号质量。此外，凸起还不能相对于过滤框架准确和反复地定位在介质褶皱上(即一些凸起可能靠近框架的一个边缘，而另一些凸起可能远离框架的其他边缘)。因此，凸起的变化引起maf传感器所在的过滤介质下游的流动型态变化。空气流动中的不一致还可能由其他因素(诸如褶皱形状或间隔的变化和不同的褶皱计数)引起。本申请解决这些不一致并因此改善maf传感器输出的信号质量。

技术实现要素：

一个实施例涉及一种过滤组件。所述过滤组件包括支撑框架。所述过滤组件还包括过滤介质，所述过滤介质连接到所述支撑框架，所述过滤介质具有脏侧和干净侧，所述脏侧配置来接纳气流，以及所述干净侧配置来输出已通过过滤介质过滤的气流。所述过滤组件包括调节装置，所述调节装置连接到所述支撑框架，所述调节装置相对于所述气流定位在所述过滤介质的干净侧的下游方向上，所述调节装置从所述过滤介质的干净侧偏移一间隔距离。所述调节装置是辅助装置，该辅助装置在空气流动管道内放置在maf传感器的上游。在具体实施例中，所述调节装置包括网筛。在其它实施例中，所述校正装置包括辅助介质。另一实施例涉及一种过滤气流的方法。所述方法包括提供过滤组件。所述过滤组件包括支撑框架、连接到所述支撑框架的过滤介质以及调节装置，所述调节装置连接到所述支撑框架并相对于所述气流定位在所述过滤介质的干净侧的下游方向上。所述调节装置从所述过滤介质的干净侧偏移一间隔距离。所述方法还包括提供空气流量传感器，所述空气流量传感器相对于所述气流定位在所述调节装置的下游。所述方法包括将所述气流路由通过所述过滤介质，以及然后将所述气流路由穿过所述调节装置。所述方法还包括将所述气流的至少一部分路由穿过所述空气流量传感器。

在结合附图并通过以下详细描述，这些特征和其它特征以及其组织和操作方式将会变得清楚。

附图简要说明

图1示出根据示例实施例的过滤板壳体的立体分解图。

图2示出根据示例实施例的具有变化的孔图案的空气调节网的主视图。

图3示出根据示例实施例的过滤组件的立体分解图。

图4示出根据示例实施例的过滤组件的立体分解图。

图5示出图4的过滤组件的泡沫介质和褶皱介质的立体布置图。

图6-7示出与空气流量调节装置关联的各种测试数据。

图8a至8h示出示例性2d和3d分形布置图，其可以被用作第二空气流量调节装置。

图9a和9b示出空气过滤系统的示意图，辅助过滤器和流量调节装置位于该空气过滤系统中。

图10-13示出根据示例实施例的30孔每英寸(ppi)泡沫介质的特写透视图。

图14-17示出根据示例实施例的45ppi泡沫介质的特写透视图。

图18-21示出根据另一示例实施例的30ppi泡沫介质的特写透视图。

图22-25示出根据另一示例实施例的45ppi泡沫介质的特写透视图。

详细描述

总体上参照附图，本文公开的各实施例涉及空气流量调节装置，其可以改善空气过滤系统中的空气流量(maf)传感器的信号输出质量。调节装置通过降低或消除过滤介质的空气流动下游中的不一致改善maf传感器输出的准确性和一致性。maf传感器可以向内燃机的发动机控制模块(ecm)提供输出，内燃机从空气过滤系统接收已过滤的空气。该调节装置是辅助装置，其在空气过滤系统的空气流动管道内放置于空气过滤介质的下游和maf传感器的上游。调节装置降低离开过滤介质的气流中的缺陷。调节装置可以是网筛、金属丝网、泡沫、多孔板等。这些调节装置根据标准化变化提供改善的maf传感器信号输出，该标准化变化通过以下等式(1)定义。

(1)

在等式(1)中，q是待集成有maf的系统被测试的基准流速，dq是集成有maf的应用的组的maf传感器所报告的流速偏离基准流速q的最大偏差。较好的maf信号性能包括通过流量调节装置来消除或减轻集成有maf应用的组中各应用间偏差，该流量调节装置是本申请的目的。

此外，由于调节装置倾向于通过模具制造或其他制造手段来物理添加到已存在的过滤板框架中，并基于现有结构、潜在变化和修改，因此，其对现有的工具和设计的成本是最小的。

当气流穿过过滤介质，气流会被中断。气流中断的程度高度依赖于过滤介质褶皱的几何形状。这种中断将过滤介质的几何形状的任意局部-至-局部的偏差转移给过滤介质下游的任意maf传感器，其导致从maf传感器到ecm或其它装置的不一致和/或不准确输出。在过滤介质的下游加入具有合适的k-因子的流量调节装置有助于调节气流，从而提供更准确和更一致的maf传感器信号输出。流量调节装置的k-因子由以下等式(2)定义。

(2)

在等式(2)中，δp是流量调节装置引起的压降，ρ是空气密度，以及v是穿过介质的空气流的面速度。如果k-因子为零，则穿过流量调节装置没有压降，这种情况对应未使用流量调节的布置。调节装置的最小k-因子优选是约为8。在一些布置中，最小k-因子约为1-10。最大有用的k-因子估计约为100(超过该最大有用的k-因子，整个过滤器壳体组件所允许的所有δp由流量调节装置单独消耗)。k-因子可能受到调节装置的厚度(诸如泡沫层的厚度)、调节装置的孔隙率(该装置的结构中的空气体积/固体成分体积之比)、调节装置的孔尺寸(如果调节装置包括类泡沫材料)、材料的相对开孔面积(如果材料是诸如穿孔板)的影响。通过使调节装置具有合适的k-因子，过滤介质的不一致(诸如定向效应引起、水中浸泡变形等)引起的不期望的扰动被减轻。

由于多数过滤介质是由介质褶皱构成，流量调节装置和过滤介质之间的间隔距离是另一个关键参数，其引起气流中的不一致。足够的间隔距离允许气流中的不一致在气流进入流量调节装置之前扩散到一定程度。这种间隔距离的范围约为褶皱尖端距离的0.1至100倍。

辅助筛网布置

参照图1，根据示例实施例的过滤板壳体100的分解图被示出。过滤板壳体包括框架102和网104。框架102可以是标准的七英寸x七英寸壳体。壳体100可以插入空气过滤系统内(例如，如图9所示)。空气过滤系统将已过滤的空气提供给诸如内燃机的装置。框架102包括隔室106，隔室106构造来固定过滤介质(未示出)。网104定位在隔室的下游方向。过滤介质可以是泡沫基过滤介质或褶皱过滤介质。安装壳体100的空气过滤系统可以在壳体100的下游包括maf传感器。网104定位在过滤介质和maf传感器之间。网104附连到壳体102的底面上。网104可以是塑料网或金属网。网104可以是平的(诸如平面)或轻微弯曲(诸如向空气流动方向108凹进或凸出)。轻微弯曲的网104增大空气气流流过的面积，从而降低通过网104的面速度和压降。网104用作空气流量调节装置。待过滤的空气沿空气流动方向108通过空气过滤介质。空气在穿过空气过滤介质(以及隔室106)后，穿过网104。

网104在隔室106的下游位置模制(诸如超模压)到框架102中。网104从过滤介质的干净侧偏离一距离110。壳体102的支撑框架112可以支撑网104并将网104保持在远离过滤介质的距离110处。

距离110大于零。距离110是过滤介质的褶皱到褶皱的距离的量级或比过滤介质的褶皱到褶皱的距离更大。如图7所示，距离110可以从从小至褶皱尖端距离的0.1倍起到大至褶皱尖端距离的100倍止。距离110取决于具体应用(诸如尺寸、几何形状等)以及流速。在一些布置中，距离110约为0-10mm。在更具体的布置中，距离110约为6-8mm。在其他一些布置中，距离110可以从过滤介质的褶皱到褶皱距离的零点几至褶皱到褶皱距离的10倍或甚至100倍之间变化。在具有合适的k-因子和间隔距离的布置中，标准化变化(即％)位于±1.5％的范围内。这代表对于没有网104和/或具有零间隔距离110的布置的改善，在没有网104和/或具有零间隔距离110的布置中maf传感器输出的变化实质上更高。因此，网104改善了maf传感器输出的信号质量(诸如至ecm的输出信号质量)。

各种因素影响网104的k-因子。k-因子取决于网图案、开孔尺寸/形状、细丝直径等。如果104是多孔板，k因子又取决于开孔的尺寸/形状、开孔的厚度和图案等。网104的孔图案可以是均匀的或不均匀的。不同孔尺寸和细丝直径组合的具体影响可以通过计算流体动力学(cfd)仿真来测试。cfd仿真能够产生流线，上述流线环绕maf传感器，回溯追踪这些流线能够辨别出这些环绕maf的流线来自调节装置的哪一部分，从而确定过滤板上的哪一部分(或哪些部分)对于maf性能是显著的。

参照图2，根据示例实施例的示例网200的主视图被示出。网200可以用在上文相对网104描述的空气过滤系统中。网200具有变化的孔图案和尺寸。如图2所示，网200包括具有大孔图案的第一部分202、具有中孔图案的第二部分204、以及具有小孔图案的第三部分206。具有大孔图案的第一部分202具有三个部分的最小k-因子，这是因为空气以最小阻力流过第一部分202。具有小孔图案的第三部分206具有三个部分的最高k因子，这是因为空气以最大阻力流过第三部分206。第三部分206可以与定位在网200下游的maf传感器对齐。

因此，最显著影响maf传感器信号质量的气流(即通过第三部分206的空气)是被调节得最多的，而不影响maf传感器信号质量的空气气流(即穿过第一部分202的空气)是被调节得最少的。因此，网200的总k-因子比第三部分206的孔图案用于网200的整个面积时的网200的总k因子更低，，这显著减少对该流量调节装置的限制。

辅助泡沫介质布置

参照图3，根据示例实施例的过滤组件300的立体分解图被示出。过滤组件300包括过滤框架302和泡沫介质304。泡沫介质304被粘合到过滤框架302，以用作过滤器和流量调节器。过滤组件300放置在maf传感器的上游。泡沫介质304被用来过滤气流306和调节气流306。泡沫被用作泡沫介质304，这是因为泡沫仅仅允许空气流动中的小漩涡和小结构通过，从而泡沫通常具有更低的局部-至-局部变化，这显著减小maf传感器的输出信号变化。这些小漩涡/结构是粘性主导的并起到分散任何大尺寸湍流结构的“阻尼器”的作用，大尺寸湍流结构引入更高的空气流动的湍动能并导致更大的maf传感器信号输出变化。然而，泡沫介质通常比褶皱纸过滤介质收集更小颗粒的效率更低。因此，泡沫介质可能经常上油，这可能引起油在介质中的分布问题，这些问题导致泡沫介质下游更大的流动型态变化，从而影响maf传感器的输出并消除泡沫介质304的调节优势。

参照图4，根据示例实施例的过滤组件400的立体分解图被示出。过滤组件400放置在maf传感器的上游。过滤组件包括框架402、泡沫介质404以及褶皱介质406。过滤组件400通过加入位于泡沫介质404上游的褶皱过滤介质406块来在气流进入泡沫介质404之前对气流408进行过滤，从而解决了上述过滤组件303的缺陷。因此，泡沫介质404是辅助介质，因为其主要目的是调节气流408(即将气流408中的不一致去除)，而不是过滤气流408(即不是移除气流408中的颗粒和/或尘土)。由于泡沫介质404不是用来过滤气流408(即气流408已由上游的褶皱介质406过滤)，因此泡沫介质404不需要上油(即，使用干泡沫介质)，从而泡沫介质404用于调节目的。泡沫介质404降低了气流408由褶皱过滤介质406引起的缺陷。泡沫介质404可以由胶水或其它合适的连接固定到框架402(例如，将框架402超模塑到泡沫介质404)。褶皱过滤介质406可以经由胶水或其它合适连接固定到框架。

参照图5，过滤组件400的泡沫介质404和褶皱过滤介质406的布置的立体图被示出。褶皱过滤介质406相对于气流408被放置在泡沫介质404的上游方向上。褶皱过滤介质406具有第一厚度502。褶皱过滤介质406的干净侧从泡沫介质404的第一面偏移间隔距离504。泡沫介质404具有第二厚度506。可以调节泡沫介质404的特性来实现用于泡沫介质404的具体k-因子。泡沫介质404的k-因子主要取决于材料(诸如铝、聚氨酯等)、孔隙度、孔尺寸(诸如ppi等)、厚度、制造工艺(诸如火焰网状成型等)等。在一些布置中，泡沫介质404的k-因子约为8-10。此外，k-因子可以通过调节泡沫介质402和褶皱介质406的各种厚度和定位(诸如列于图5中的第一厚度502、间隔距离504、以及第二厚度506)来改变。在一些布置中，支撑结构(诸如框架或间隔片)定位在泡沫介质404和褶皱介质406之间，从而维持间隔距离504大于零。

参照图10-13，根据示例实施例的30孔每英寸(ppi)的泡沫介质的特写立体图被示出。参照图14-17，根据示例实施例的45ppi泡沫介质的特写立体图被示出。参照图18-21，根据另一示例实施例的30ppi泡沫介质的特写立体图被示出。参照图22-25，根据另一示例实施例的45ppi泡沫介质的特写立体图被示出。

测试数据

参照图6至7，与示例性空气流量调节装置关联的各种测试数据被示出。

其它

在其它布置中，辅助空气流量调节装置可以具有蜂巢结构或类似森林的塑料模制2d或3d结构，或某些种类的2d/3d分形结构。例如，图8a至8f示出示例性2d和3d分形布置图，其可以用作第二空气流量调节装置。图8a示出圆形分形穿孔布置的主视图。图8b和8c示出三角星形分形穿孔布置。图8d和8e示出3d高阶方形穿孔布置，其包括两个间隔开的穿孔调节器。图8f和8g示出基于定位在两个间隔开的穿孔调节器上的旋转方形的3d生根方形分形布置。图8h示出示例性3d分形布置，其具有带有圆形穿孔的两个板。图8h的圆形穿孔相互偏离，使得给定板的孔与先前板的孔在气流方向上偏离。在其他布置中，辅助空气流量调节装置可以是穿孔板。在上面列出的这些布置中，除了调节装置的开孔的尺寸和形状、开孔的布置、以及厚度(例如，蜂巢结构、类森林结构、分形结构、板等)之外，k-因子主要取决于％开孔面积(即总的“孔面积”除以总的“板面积”)。此外，在每一个以上布置中，每一个板可以与其他板依次布置，使得当已过滤的空气流过这些板时，每一个后面的板上的穿孔都比前一个板上的穿孔小。

参照图9a和9b，根据示例实施例的过滤组件900的局部立体图被示出。过滤组件包括辅助调节装置902，辅助调节装置902在空气流动方向908上放置于过滤介质904的下游和maf传感器906的上游。辅助调节装置902可以包括任意上述空气流量调节装置。

本文所使用的如术语“大约”，“约”，“基本上”以及类似术语旨在具有与本公开的主题内容所属领域内的本领域普通技术人员通常的用法一致和可接受的宽泛的含义。本领域的技术人员在阅读了本公开之后应理解，这些术语旨在允许对所描述和所要求保护的某些特征进行描述，而不是将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应该被解释为指示性的，所描述和要求保护的主体内容的非实质性或无关紧要的修改或变化被认为落入本发明的如所附权利要求所述的范围。

应当指出的是，本文用来描述各种实施例的术语“示例性”旨在表示该实施例是可能的示例、代表和/或可能的实施例的说明(以及这些术语并不意在暗示该实施例是特别的或最好的)。

本文所用的术语“联接”，“连接”等意在表示两个构件相互直接或间接接合。这种接合可以是静止的(例如永久的)或可移动的(例如可移动的或可释放的)。这种接合可以由两个构件或两个构件和任意附加的中间构件相互整体形成单个整体来实现，或由两个构件或两个构件和任意附加的中间构件与这两个构件或这两个构件和任意附加的中间构件相互连接来实现。

本文引用的元件的位置(例如，“顶部”，“底部”，“上”，“下”等)仅仅用于描述附图中各元件的方向。应当指出的是，各种元件的方向可以根据其它示例性实施例而不同，并且这种变化被考虑为由本公开所涵盖。

需要特别注意的是，各种示例性实施例的结构和布置仅仅是说明性的。尽管只有几个实施例在本公开被详细描述，本领域的技术人员在阅读了本公开的内容之后将容易理解，不脱离本文描述的主题的新颖性教导和优点的许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、方向等的变化)。例如，示出为整体形成的各元件可以由多个部件或元件构成，各元件的位置可以被相反或以其他方式改变，以及性质、离散元件的数目或位置可以改变或变化。任何加工步骤或方法步骤的顺序或序列可以根据各优选实施例来改变或重新排序。各示例性实施例的设计、操作条件和布置也可以在不脱离本发明的主旨范围内做出其他各种替换、修改、变化和省略。