基于模糊灰色關(guān)聯(lián)的微粒捕集器劣化性能結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

郭瑞瑞　曹福來　袁培佩

摘 要：在對(duì)微粒捕集器的劣化機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，以壓降和最大壁面溫度兩個(gè)與性能劣化最相關(guān)的參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)于壁面厚度、平均微孔孔徑、孔隙率和孔道寬度四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)劣化性能影響進(jìn)行分析，獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)支持，為微粒捕集器性能的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)大氣環(huán)境質(zhì)量提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：微粒捕集器;劣化性能;結(jié)構(gòu)參數(shù);模糊灰色關(guān)聯(lián)中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-138-03

Abstract：?In order to effectively analyze structural influence factors of deterioration performance in the diesel particulate filter， and investigate the influence degree of each factor， the deterioration mechanism was analyzed in this paper.?The pressure drop and maximum wall temperature were viewed as evaluation parameters of deterioration performance.then， grey relation alanalysis was studied based on grey relational theory，?and the data of the influence degree of the main structure parameters on the degradation are obtained. Finally，?the result provides a reference for the further optimization of the performance of the particulate trap and the improvement of the atmospheric environmental quality.Keywords： Diesel particulate filter; Deterioration performance; Structural parameter; Grey relational analysisCLC NO.：?U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）08-138-03

1 微粒捕集器的劣化機(jī)理

過濾體對(duì)微粒物捕集器的凈化效果及使用壽命起到?jīng)Q定作用。隨著使用時(shí)間的增加，過濾體性能會(huì)出現(xiàn)劣化，這主要體現(xiàn)在過濾體孔道堵塞和熱老化兩個(gè)方面[1]，已成為目前研究微粒捕集器研究的熱點(diǎn)。在后處理裝置劣化問題方面，國(guó)外學(xué)者M(jìn)atsunagas等[2]在研究催化劑化學(xué)中毒機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)三效催化轉(zhuǎn)化器劣化性能進(jìn)行了研究。Zarvalis等[3]評(píng)估了灰燼沉積對(duì)微粒捕集器性能和使用壽命的影響，并建立了一種基于灰燼沉積的微粒捕集器老化快速評(píng)估的方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者龔金科、田蟬等[4]采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)影響可旋轉(zhuǎn)徑向式微粒捕集器消聲特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。上述研究為微粒捕集器的性能劣化提供了一定理論參考。本文采用模糊灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)柴油機(jī)添加催化劑的復(fù)合再生微粒捕集器劣化性能結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，量化其影響程度，為提升使用壽命提供參考。

2 模糊灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)學(xué)模型的建立

模糊聚類分析法適用于分析界限具有模糊性特征的研究對(duì)象的一種多元性分析方法?；疑P(guān)聯(lián)分析是評(píng)估各種因素對(duì)系統(tǒng)性能影響的一種已被廣泛采用有效方法?？紤]到當(dāng)微粒捕集器各結(jié)構(gòu)參數(shù)作為研究對(duì)象時(shí)，同時(shí)具有一定的灰色特征和模糊性，因此本文擬通過建立模糊灰色關(guān)聯(lián)分析模型來評(píng)價(jià)微粒捕集器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能劣化影響重要程度?[5，6]，基本思路是：以被評(píng)價(jià)方案的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（結(jié)構(gòu)參數(shù)）作為比較序列，以壓降?P和壁面溫度TW這兩個(gè)與微粒捕集器性能劣化最相關(guān)的評(píng)價(jià)參數(shù)作為參考數(shù)列，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，如果某參數(shù)的關(guān)聯(lián)度越大，則說明該參數(shù)對(duì)劣化性能的影響程度越大。

根據(jù)夾角余弦法對(duì)數(shù)據(jù)線性比例關(guān)系不敏感的優(yōu)勢(shì)建立模糊相似矩陣，可以很好地表達(dá)出兩參數(shù)之間的相似程度，即為模糊隸屬度，計(jì)算表達(dá)式為（6）。在此基礎(chǔ)上各因素的模糊灰色關(guān)聯(lián)度可由公式（7）計(jì)算得出，其中Rij表示參考序列和比較序列間的相關(guān)性水平，代表xj和yi之間的模糊灰色關(guān)聯(lián)度，以此可對(duì)各因素對(duì)微粒捕集器劣化性能影響程度進(jìn)行排序。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)模糊灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)模糊灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

為研究微粒捕集器劣化性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素，本文參照相關(guān)文獻(xiàn)的仿真結(jié)果[1]，選取壁面厚度、平均微孔孔徑、孔隙率、孔道寬度以及壓降、最大壁面溫度等參數(shù)為研究對(duì)象進(jìn)行模糊灰色關(guān)聯(lián)分析。關(guān)于復(fù)合再生結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

參考序列和比較序列經(jīng)公式（2）無量綱處理后得到如下系數(shù)矩陣：

下面以壓降作為參考序列為例來說明具體的求解過程，參考序列（壓降）與比較序列的絕對(duì)差矩陣為：

由于各工況相互獨(dú)立，則公式（6）中由模糊層次分析法確定的各因素權(quán)重Wij在不同工況下可以認(rèn)為是相等的，則Wij=1/9。然后，通過（6）、（7）和（8）式計(jì)算得到四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別對(duì)參考序列（壓降）和參考序列（最大壁面溫度）的歐式灰色關(guān)聯(lián)度、模糊隸屬度、模糊關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表2和表3所示。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)模糊灰色關(guān)聯(lián)度的結(jié)果分析

對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)來說，壁面厚度、平均微孔孔徑、孔隙率和孔道寬度對(duì)壓降的模糊灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.8086、0.7208、0.7155、0.7799，說明4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降（即過濾體堵塞）的影響程度排序?yàn)椋罕诿婧穸?孔道寬度>微孔孔徑>孔隙率。壁面厚度、平均微孔孔徑、孔隙率和孔道寬度對(duì)最大壁面溫度的模糊灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.6700、0.6650、0.6682、0.9461，說明4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大壁溫（即熱老化）的影響程度排序?yàn)椋嚎椎缹挾?壁面厚度>孔隙率>微孔孔徑。

上述四個(gè)參數(shù)的模糊灰色關(guān)聯(lián)度均超過0.5，說明了均為捕集器性能劣化的主要影響因素。其中，壁面厚度和孔道寬度分別對(duì)壓降和最大壁溫的影響最為顯著。因此，在微粒捕集器設(shè)計(jì)階段須首先考慮對(duì)過濾體壁厚和孔道寬度的優(yōu)化，以獲得較低的壓降和壁面溫度，推遲發(fā)生性能劣化，延長(zhǎng)整體使用壽命。

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