微粒捕集器劣化性能參數(shù)的關(guān)聯(lián)度分析

郭瑞瑞

（許昌學(xué)院 電氣與機械工程學(xué)院（工程訓(xùn)練中心），河南 許昌 461000）

1 微粒捕集器性能劣化原因

微粒捕集器在控制柴油機顆粒物排放方面有著不可替代的作用。其中壁流式過濾體是微粒捕集器目前研究和應(yīng)用最廣泛的過濾體，它一般是由碳化硅或堇青石擠壓、燒結(jié)制成構(gòu)成的多孔介質(zhì)，對過濾效率、工作可靠性、使用壽命等具有重要影響，隨著顆粒物捕集器不斷的工作，過濾體孔道會發(fā)生堵塞降低捕集性能甚至導(dǎo)致柴油機排氣背壓升高，即為劣化。結(jié)合以往研究的基礎(chǔ)上，歸納微粒捕集器性能發(fā)生劣化的原因主要有三個：過濾體堵塞、化學(xué)與熱老化、機械損傷等[1]。隨著捕集的持續(xù)進行，沉積的微粒過濾體內(nèi)壓強不斷增大，當(dāng)超過一定限值時，必須對顆粒物進行再生燃燒，以防止排氣背壓過大影響發(fā)動機性能。

此外，沉積的微粒再生時存在潤滑油及磨損產(chǎn)生的金屬碎屑等無法燃燒的灰分，累積在多孔介質(zhì)過濾表面造成過濾體堵塞，降低過濾效果，從而造成了過濾體的堵塞。車輛在使用過程中工況突變不可避免，尤其是在高速和突變工作條件下，可能致使出現(xiàn)過濾體破裂、灰燼的燒結(jié)和粘附、過濾體材料熔化等不可控的再生現(xiàn)象，這使得捕集器出現(xiàn)熱老化。車輛和柴油機的振動可能對顆粒物捕集器的過濾體產(chǎn)生機械沖擊出現(xiàn)裂紋或開裂，這會加劇劣化性能。

2 微粒捕集器主動再生影響因素

隨著微粒以擴散、攔截、重力捕集等方式不斷的被捕集在捕集器過濾體內(nèi)，捕集器的凈化效果也下降，因此需要對過濾體進行加熱以實現(xiàn)再生。其中，主動再生技術(shù)的主要優(yōu)勢在于能夠控制再生時機和再生時間、減少主動熱源的能耗、控制再生溫度范圍的優(yōu)勢，達到較高的再生效率，目前被廣泛研究和應(yīng)用。微波再生技術(shù)作為主動再生方式的一種，它主要是利用微波對過濾體的選擇性加熱原理進行再生的，其再生時的影響因素包含以下幾個方面[1-2]。

2.1 微波功率

隨著微波功率的增加，再生效率和再生峰溫度顯著增加，再生時間縮短，所以在實際再生過程中，增加微波功率應(yīng)以確保濾波器的峰值溫度不超過其限值為前提，避免出現(xiàn)過熱致使過濾體機械損壞的現(xiàn)象。

2.2 排氣氧含量

碳煙在燃燒時需要一定量的氧氣，流經(jīng)過濾體的氣流若氧含量過低會使捕集器再生不完全甚至不能再生。排氣中含氧量越高，再生效率越高，再生時間越短。而當(dāng)排氣含氧量大于一定數(shù)值，提高再生效率和縮短再生時間的效果減弱。

2.3 通道密度

過濾體通道密度即每平方英寸上進、排氣通道個數(shù)，初始捕集效率隨著通道密度的增加而增長，壓降增加也越慢。隨著捕集的進行，捕集效率也會相應(yīng)增加而后接近穩(wěn)定。

2.4 壁面厚度

過濾體壁面越薄，過濾體的有效過濾體積就越小，沉積在過濾體壁面內(nèi)的顆粒就越少。因此，在最初階段過濾體的捕集效率較低。隨著壁厚的增加，壓降的增加幅度越大，對發(fā)動機性能的影響也在增加。

2.5 過濾體微孔直徑

指過濾體多孔介質(zhì)材料的孔徑，隨著碳煙的加載微孔直徑越小，捕集效率越高，壓降反而也越小，考慮微孔直徑對壓降和捕集效率的影響，在生產(chǎn)成本和可實現(xiàn)工藝范圍內(nèi)孔徑越小捕集器的性能越好。

另外，微粒沉積量、氣流速度與溫度、孔隙率、多孔介質(zhì)滲透率等對微粒捕集器再生時的效率也有不同程度的影響。

3 微粒捕集器關(guān)聯(lián)度計算模型

灰色關(guān)聯(lián)度分析模型具對樣本數(shù)據(jù)的規(guī)律性要求不高、所需樣本數(shù)據(jù)量少、相關(guān)聯(lián)分析結(jié)果容易定性的優(yōu)點，能更具有方向性的解決問題，為微粒捕集器關(guān)聯(lián)度的計算提供了重要參考。利用計算得出的關(guān)聯(lián)程度值，可實現(xiàn)對各因素相互影響程度強弱進行排序[1,3-4]。關(guān)聯(lián)度的取值范圍為[0，1]，該值越大表示比較序列和參考序列越接近，說明該因素對微粒捕集器性能劣化的影響越大[5]。具體步驟如下：

第一步：參考序列及比較序列的確定。參考序列由不同仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)成，記為Y1（k），k為實驗的次數(shù)，k=1，2，…，n。比較序列為對研究對象有不同影響程度的因素，若該研究對象含有m個影響因素，并且每個影響因素包含有n種工況，則比較序列表達式如（1）所示。

第二步：利用式（2）對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理得到一個新序列，便于計算及減少誤差。

第三步：計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。參考序列和各個比較序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算公式為（3）：

其中，ζij(k)為比較和參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)（j=1,2,…,m；k=1,2,…,n）；△min和△max分別為最小絕對差和最大絕對差，△min=min｜yi(k)－xj(k)｜，△max=max｜yi(k)－xj(k)｜；△ij(k)=｜yi(k)－xj(k)｜；ρ為分辨系數(shù)，取值要求是要滿足關(guān)聯(lián)度的整體性和抗干擾性，求解方法如下：

第四步：計算灰色關(guān)聯(lián)度。由于比較序列和參考序列在第K次的仿真相對差值是關(guān)聯(lián)系數(shù)，所以關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)值呈現(xiàn)出分散特點，給整體比較造成不便。故通過式（5）將各次仿真的關(guān)聯(lián)系數(shù)通過求平均值集中為一個來表示各影響因素與結(jié)果的關(guān)聯(lián)程度。其一般表達式如公式（5）所示。

4 應(yīng)用案例及結(jié)果分析

以某主動再生的微波再生捕集器為研究對象，以體現(xiàn)過濾體堵塞的壓降為評價指標(biāo)并作為參考序列，以壁面厚度、平均微孔孔徑、孔隙率和孔道寬度等為主要計算參數(shù)。為了便于評價再生性能，試驗數(shù)據(jù)參考張彬等人的數(shù)據(jù)[1,6]（實驗條件在排氣流量Q=100 g/s，排氣氧濃度Y0=15%、微波功率P=0.6 kW、催化添加劑的質(zhì)量濃度Ca=20 mg/L和灰燼沉積量m=15 g/L的環(huán)境下進行），如表1所示，利用建立的灰色關(guān)聯(lián)度計算模型進行求解[7]。

表1 微粒捕集器結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗結(jié)果

計算出關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：

將關(guān)聯(lián)系數(shù)值帶入公式（4）可得四個結(jié)構(gòu)參數(shù)對微粒捕集器劣化性能的關(guān)聯(lián)程度值分別為r1=0.7041，r2=0.6449，r3=0.6318，r4=0.6989，即對壓降（即過濾體堵塞）的影響程度為：壁面厚度＞孔道寬度＞微孔孔徑＞孔隙率?？讖胶涂紫堵蕛蓚€關(guān)聯(lián)度值較接近，即對壓降的影響基本相同。整體上看，上述四個參數(shù)的模糊灰色關(guān)聯(lián)度均超過0.5，也從數(shù)據(jù)上說明了均為捕集器性能劣化的主要影響因素，在微粒捕集 器抗劣化性能結(jié)構(gòu)設(shè)計時均不能忽視上述四個參數(shù)產(chǎn)生的影響。

5 結(jié)論

在微粒捕集器設(shè)計階段須首先考慮為了獲得較低的壓降、推遲捕集器劣化的發(fā)生，應(yīng)著重對過濾體壁厚進行優(yōu)化，提高整體的耐久性和使用壽命。這也表明了灰色關(guān)聯(lián)理論可為微粒捕集器的抗劣化優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。