柴油机微粒捕集器劣化性能运行参数的辨析

郭瑞瑞 曹福来

摘 要：文章在对微粒捕集器的劣化机理分析的基础上，以与性能劣化最相关的参数压降作为评价指标，运用模糊灰色关联分析方法对排气流量、排气氧浓度、微波功率、催化添加剂的质量浓度和灰烬沉积量五个运行参数对劣化性能影响进行分析，为微粒捕集器性能的进一步优化提供参考依据。

关键词：微粒捕集器;劣化性能;结构参数;模糊灰色关联

中图分类号：U464.172  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）14-121-03

Abstract： In order to effectively analyze running parameter influence factors of deterioration performance in the diesel particulate filter， the deterioration mechanism was analyzed in this paper. The pressure drop was viewed as evaluation parameter of deterioration performance. And then， grey relation analysis was studied based on grey relational theory. Finally，the result provides a reference for the further optimization of the performance of the particulate trap.

Keywords： Diesel particulate filter; Deterioration performance; Structural parameter; Grey relational analysis

CLC NO.： U464.172  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）14-121-03

1 微粒捕集器的劣化机理

作为微粒物捕集器的核心构件，多孔介质过滤体对过滤效率、压力损失、工作可靠性、使用寿命以及再生效果起到决定作用。过滤体性能劣化主要体现在过滤体孔道堵塞和热老化两个方面[1]，主要是由于PM再生燃烧后仍有少量来源于润滑油、柴油添加剂的不可燃物质（灰烬）沉积于过滤壁面的表层，经过数百千次的再生循环，过滤体孔道上遗留的灰烬不断累积，直接引起过滤体堵塞，造成过滤体性能的劣化，同时灰烬沉积减少了微粒捕集器的PM承载空间或存储容量。如果运行参数调节不当，将致使微粒捕集器堵塞，使柴油机排气背压升高，动力性和经济性会大大降低，最终引起微粒捕集器多孔介质过滤体性能劣化而无法正常工作[2]。因此，多孔介质过滤体的劣化是成为了目前研究微粒捕集器的热点。本文在以往采用模糊灰色关联理论对添加催化剂的复合再生柴油机微粒捕集器劣化性能研究的基础上[3]，通过计算分辨系数ρ的使求解更合理，研究运行参数对劣化性能的影响，也对微粒捕集器性能的进一步优化提供参考依据。

2 模糊灰色关联分析数学模型的建立

模糊聚类分析法适用于分析界限具有模糊性特征的研究对象的一种多元性分析方法。灰色关联分析是评估各种因素对系统性能影响的一种已被广泛采用有效方法，该方法主要是通过量化分析数据序列间的近似程度及事物间关联度的强弱，且仅需少量的样本容量就可找出问题的主要及次要影响因素。考虑到当微粒捕集器各结构参数作为研究对象时，既具有一定的灰色特征，也有一定模糊性，因此拟通过建立模糊灰色关联分析模型来更精确评价微粒捕集器各运行参数对性能劣化影响重要程度进行分析4，5，其模型算法的基本框架如图1所示。评价劣化性能的基本思路是：以被评价方案的各项评价指标即运行参数作为比较序列，以微粒捕集器性能劣化最相关的评价参数压降?P作为参考数列，进行关联度计算，如果某参数的关联度越大，则说明该参数对劣化性能的影响程度越大。

2.1 參考序列及比较序列的确定

确定参考数据序列和比较数据序列是评价的前提。参考数据序列能够客观反映研究对象的变化规律以及发展趋势，由不同仿真统计数据构成。本文以某复合再生微粒捕集器为例[1]，将压降作为主要劣化性能参考序列，记为Y1（k），k为仿真的次数，k =1，2，…，n。比较序列由能够反映研究对象行为特征的影响因素数据组成，而微粒捕集器劣化性能运行参数方面的影响因素主要有排气流量Q、排气氧浓度Y0、微波功率P、催化添加剂的质量浓度Ca和灰烬沉积量m，因此均选定作为比较序列，并分别记为X1（k），X2（k），X3（k）、X4（k）和X5（k）。对于比较序列，若该研究对象含有m个影响因素，并且每个影响因素包含有n种工况，则比较序列表达式如（1）所示，本文取m=5，n=16。

2.2 原始序列无量纲化

由于各影响因素和参考变量具有不同的量纲、数量级和物理意义，须利用式（2）对原数据据进行规范化变换和无量纲化处理，以消除量纲、便于计算及减少分析误差。

2.3 计算灰色关联系数

3 运行参数模糊灰色关联度的计算与结果分析

3.1 运行参数模糊灰色关联度的计算

为研究微粒捕集器劣化性能的运行参数影响因素，本文参照相关文献的仿真结果[1]，选取排气流量Q、排气氧浓度Y0、微波功率P、催化添加剂的质量浓度Ca和灰烬沉积量m等五个参数为研究对象进行模糊灰色关联分析。关于复合再生运行参数的试验结果如表1所示。

3.2 运行参数模糊灰色关联度的结果分析

对于运行参数来说，排气流量、排气氧浓度、微波功率、催化添加剂的质量浓度和灰烬沉积量对压降的模糊灰色关联度分别为0.8386、0.7243、0.7174、0.7290和0.8196，意味着这5个运行参数对压降（即过滤体堵塞）的影响程度排序为：排气流量>灰烬沉积量>催化添加剂的质量浓度>排气氧浓度>微波功率。上述5个参数的模糊灰色关联度均超过0.5，也从数据上说明了均为捕集器性能劣化的主要影响因素。催化添加剂的质量浓度和排气氧浓度两个参数对压降的影响程度较为接近，而排气流量和灰烬沉积量对压降的影响最显著。

4 结语

以上结果主要是由发动机工况和汽车行驶里程决定的，所以为了阻止微粒捕集器的堵塞，应注意发动机的排气流量，并注意车辆行驶里程、采取有效方法清理过滤体内部的灰烬以降低压降，推迟发生性能劣化，提高微粒捕集器的使用耐久性。

参考文献

[1] 张彬.柴油机微粒捕集器性能劣化辨析与优化研究[D].湖南：湖南大学，2017.

[2] 吴凤英，王站成，徐斌，吴健.柴油机颗粒捕集器（DPF）再生技术分析[J].大气污染防治，2015：67-70.

[3] 郭瑞瑞，曹福来.基于模糊灰色关联的微粒捕集器劣化性能结构参数分析[J].汽车实用技术，2020，4.

[4] 左青松.柴微粒捕集器复合再生与场协同机理辨析及优化控制研究[D].湖南：湖南大学，2014.

[5] 龚金科，田婵，王曙，等.可旋转径向式微粒捕集器消声特性影响因素灰色关联分析[J].环境工程学报，2013，7（2）：643-648.