基于GT-Power 的柴油顆粒過濾器過濾性能優(yōu)化研究*

張博琦

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

研究表明，機(jī)動車尾氣排放，尤其是以NOx和PM 為主的柴油車排放是引起霧霾的原因之一[1-2]。為了改善空氣質(zhì)量，降低機(jī)動車的污染物排放，我國發(fā)布了2 個非常嚴(yán)格的機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，分別是2016 年發(fā)布的GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[3]和2018 年發(fā)布的GB17691-2018 重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[4]（簡稱重型柴油車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)）。其中，關(guān)于重型柴油車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，要求自2019 年7 月1 日起強(qiáng)制實(shí)施。

針對當(dāng)前嚴(yán)峻的排放形勢，國外發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠商使用的技術(shù)路線為缸內(nèi)燃燒優(yōu)化+DPF+SCR[5]。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，柴油顆粒過濾器（DPF）的性能會受到結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。本文對影響DPF 過濾性能的各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，得到了各參數(shù)的影響程度，為DPF 性能的優(yōu)化提供了方向。

1 DPF 仿真模型的建立

柴油機(jī)顆粒過濾器（DPF）是指采用過濾材料對柴油機(jī)排氣中的PM 進(jìn)行過濾捕集的裝置，壁流式顆粒過濾器（WF-DPF）是其中的一種。WF-DPF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)分為微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]，其中，微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)包括過濾器壁厚、過濾器的微孔直徑、孔隙率以及滲透率等；宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)包括通道密度、過濾器的直徑和長度等。不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)會使WFDPF 具有不同的過濾性能。衡量WF-DPF 過濾性能的指標(biāo)包括初始過濾效率和壓降[7]，其中，壓降表現(xiàn)WF-DPF 對流體流動時的阻礙程度。當(dāng)壓降增大到一定程度時，柴油機(jī)的性能開始下降。

為了研究DPF過濾性能的優(yōu)化方向，基于GT-Power的基本系統(tǒng)方程和初始過濾效率方程，建立如圖1 所示的WF-DPF 數(shù)值模型，該模型主要包括WF-DPF、尾氣進(jìn)入、尾氣排出、壓降輸出和初始過濾效率輸出等5 部分[8]。

在本文的模擬研究中，模型的主要參數(shù)設(shè)置見表1[9]。

表1 模型主要參數(shù)

2 仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用正交試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)仿真方案。正交試驗(yàn)法是一個可以解決多因素、多水平及多指標(biāo)等問題的方法，該方法通過一部分試驗(yàn)就能相當(dāng)準(zhǔn)確地反映全面試驗(yàn)可能出現(xiàn)的各種情況，可解決因素主次、因素與指標(biāo)關(guān)系、較好條件的選擇等問題。

在本試驗(yàn)中，選擇DPF 的7 個結(jié)構(gòu)參數(shù)作為影響因素，這7 個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為過濾器長度、過濾器直徑、通道密度、過濾器壁厚、微孔直徑、孔隙率和滲透率等。衡量DPF 過濾性能的指標(biāo)為初始過濾效率和壓降，最佳的過濾性能是初始過濾效率越高而壓降越少。試驗(yàn)時，不考慮兩兩因素間的交互作用。各因素在試驗(yàn)中的具體水平見表2。

表2 仿真試驗(yàn)的因素水平表

通過分析可知，本試驗(yàn)所包含的7 個因素，每個因素選取3 種水平值，也就是一個7 因素3 水平的試驗(yàn)，因此選擇正交表L18（37）。正交表符號的意義為：L 表示正交表，18 表示需做的總試驗(yàn)次數(shù)，3 表示水平個數(shù)，7 表示該正交表中最多可以安排的因素個數(shù)。本試驗(yàn)所用正交表見表3。表3 中，試驗(yàn)號表示試驗(yàn)的組數(shù)，本文共做18 組模擬試驗(yàn)；各因素列中的1、2 和3 表示各因素在各組試驗(yàn)中的水平，各水平所對應(yīng)的水平值見表2。

表3 正交試驗(yàn)表

將數(shù)值模擬選取的各因素及其各水平值對應(yīng)填入表3，得到每組試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方案，見表4。表4中的具體內(nèi)容為各因素在各試驗(yàn)中的水平值。

表4 具體仿真試驗(yàn)方案表

在上述試驗(yàn)方案表中，每種因素的不同水平在試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù)相同，都為6 次，且任意2 個因素中的各種不同水平的搭配出現(xiàn)的次數(shù)也一樣，都為2次。由這2 個特點(diǎn)可知，該試驗(yàn)方案具有代表性，能較全面地反映每種因素每種水平對所研究指標(biāo)的影響情況[10]。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表4 中的試驗(yàn)方案對WF-DPF 的過濾性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到每組試驗(yàn)的初始過濾效率和壓降，結(jié)果見表5。

對表5 的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表6。表6中，Ki表示表5 中對應(yīng)的因素列（長度A，直徑B，…，滲透率G 等）中水平為i（i=1，2 或3）時所對應(yīng)的指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果之和。例如，長度A 因素列中，K1=0.947+0.978+0.991+0.964+0.947+0.996=5.823。ki表示對應(yīng)的因素列中取i 水平時所得試驗(yàn)結(jié)果的算數(shù)平均值，ki=Ki/s，其中s 為對應(yīng)因素列中i 水平出現(xiàn)的次數(shù)。例如，長度A 因素列中，K1=5.823，s=6，故，k1=5.823/6=0.971。R 表示極差，在對應(yīng)列中的R=max{K1，K2，K3}-min{K1，K2，K3}，例如，長度A 因素列中，max{K1，K2，K3}=5.877，min{K1，K2，K3}=5.823，則RA=5.877-5.823=0.054，表示長度A 因素列中的極差。極差不相等，說明改變各因素的水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響不一樣。極差越大，表示該因素的水平在試驗(yàn)范圍內(nèi)變化時，會使試驗(yàn)指標(biāo)變化越大。所以，極差最大的那一因素列，就是對試驗(yàn)指標(biāo)影響最大的因素，也就是主要因素[11]。

表5 仿真試驗(yàn)結(jié)果

表6 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

4 結(jié)論

為了能夠通過改變部分結(jié)構(gòu)參數(shù)使柴油顆粒過濾器在空間尺寸及性能效果上達(dá)到一個較高的匹配度，對壁流式顆粒過濾器（WF-DPF）過濾性能的影響因素進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

1）影響初始過濾效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，影響程度從大到小依次為：過濾器直徑，微孔直徑，過濾器壁厚，孔隙率，過濾器長度，滲透率，通道密度。

2）影響壓降的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，影響程度從大到小依次為：過濾器直徑，通道密度，過濾器壁厚，孔隙率，過濾器長度，滲透率，微孔直徑。

3）實(shí)際生產(chǎn)過程中，能提高初始過濾效率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是過濾器直徑、微孔直徑、過濾器壁厚和孔隙率等；能減少壓降的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是過濾器直徑、通道密度和過濾器壁厚等。

4）增大過濾器直徑，可提高WF-DPF 的過濾性能，即提高初始過濾效率并減少壓降，但對WF-DPF的空間大小有限制。