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)技術學院 陜西 咸陽 712000）

引言

研究表明，機動車尾氣排放，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，降低機動車的污染物排放，我國發(fā)布了2 個非常嚴格的機動車污染物排放標準，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排放標準）。其中，關于重型柴油車國Ⅵ排放標準，要求自2019 年7 月1 日起強制實施。

針對當前嚴峻的排放形勢，國外發(fā)動機生產(chǎn)廠商使用的技術路線為缸內(nèi)燃燒優(yōu)化+DPF+SCR[5]。但是，在實際應用過程中，柴油顆粒過濾器（DPF）的性能會受到結構參數(shù)的影響。本文對影響DPF 過濾性能的各結構參數(shù)進行了研究，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

柴油機顆粒過濾器（DPF）是指采用過濾材料對柴油機排氣中的PM 進行過濾捕集的裝置，壁流式顆粒過濾器（WF-DPF）是其中的一種。WF-DPF 的結構參數(shù)分為微觀結構參數(shù)和宏觀結構參數(shù)[6]，其中，微觀結構參數(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；宏觀結構參數(shù)包括通道密度、過濾器的直徑和長度等。不同的結構參數(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。當壓降增大到一定程度時，柴油機的性能開始下降。

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)設置見表1[9]。

表1 模型主要參數(shù)

2 仿真試驗的設計

本文應用正交試驗法來設計仿真方案。正交試驗法是一個可以解決多因素、多水平及多指標等問題的方法，該方法通過一部分試驗就能相當準確地反映全面試驗可能出現(xiàn)的各種情況，可解決因素主次、因素與指標關系、較好條件的選擇等問題。

在本試驗中，選擇DPF 的7 個結構參數(shù)作為影響因素，這7 個結構參數(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。試驗時，不考慮兩兩因素間的交互作用。各因素在試驗中的具體水平見表2。

表2 仿真試驗的因素水平表

通過分析可知，本試驗所包含的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，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)。本試驗所用正交表見表3。表3 中，試驗號表示試驗的組數(shù)，本文共做18 組模擬試驗；各因素列中的1、2 和3 表示各因素在各組試驗中的水平，各水平所對應的水平值見表2。

表3 正交試驗表

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

表4 具體仿真試驗方案表

在上述試驗方案表中，每種因素的不同水平在試驗中出現(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 個特點可知，該試驗方案具有代表性，能較全面地反映每種因素每種水平對所研究指標的影響情況[10]。

3 仿真試驗結果與分析

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

對表5 的模擬結果進行分析，結果見表6。表6中，Ki表示表5 中對應的因素列（長度A，直徑B，…，滲透率G 等）中水平為i（i=1，2 或3）時所對應的指標的試驗結果之和。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表示對應的因素列中取i 水平時所得試驗結果的算數(shù)平均值，ki=Ki/s，其中s 為對應因素列中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結果的影響不一樣。極差越大，表示該因素的水平在試驗范圍內(nèi)變化時，會使試驗指標變化越大。所以，極差最大的那一因素列，就是對試驗指標影響最大的因素，也就是主要因素[11]。

表5 仿真試驗結果

表6 仿真試驗結果分析

4 結論

為了能夠通過改變部分結構參數(shù)使柴油顆粒過濾器在空間尺寸及性能效果上達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行了研究，得到以下結論。

1）影響初始過濾效率的結構參數(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）影響壓降的結構參數(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）實際生產(chǎn)過程中，能提高初始過濾效率的主要結構參數(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構參數(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。