微粒捕集器劣化性能參數的關聯度分析

郭瑞瑞

（許昌學院 電氣與機械工程學院（工程訓練中心），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用最廣泛的過濾體，它一般是由碳化硅或堇青石擠壓、燒結制成構成的多孔介質，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，過濾體孔道會發生堵塞降低捕集性能甚至導致柴油機排氣背壓升高，即為劣化。結合以往研究的基礎上，歸納微粒捕集器性能發生劣化的原因主要有三個：過濾體堵塞、化學與熱老化、機械損傷等[1]。隨著捕集的持續進行，沉積的微粒過濾體內壓強不斷增大，當超過一定限值時，必須對顆粒物進行再生燃燒，以防止排氣背壓過大影響發動機性能。

此外，沉積的微粒再生時存在潤滑油及磨損產生的金屬碎屑等無法燃燒的灰分，累積在多孔介質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，可能致使出現過濾體破裂、灰燼的燒結和粘附、過濾體材料熔化等不可控的再生現象，這使得捕集器出現熱老化。車輛和柴油機的振動可能對顆粒物捕集器的過濾體產生機械沖擊出現裂紋或開裂，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，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再生。其中，主動再生技術的主要優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勢，達到較高的再生效率，目前被廣泛研究和應用。微波再生技術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，增加微波功率應以確保濾波器的峰值溫度不超過其限值為前提，避免出現過熱致使過濾體機械損壞的現象。

2.2 排氣氧含量

碳煙在燃燒時需要一定量的氧氣，流經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。而當排氣含氧量大于一定數值，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，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，捕集效率也會相應增加而后接近穩定。

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，在生產成本和可實現工藝范圍內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 微粒捕集器關聯度計算模型

灰色關聯度分析模型具對樣本數據的規律性要求不高、所需樣本數據量少、相關聯分析結果容易定性的優點，能更具有方向性的解決問題，為微粒捕集器關聯度的計算提供了重要參考。利用計算得出的關聯程度值，可實現對各因素相互影響程度強弱進行排序[1,3-4]。關聯度的取值范圍為[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計數據構成，記為Y1（k），k為實驗的次數，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）對原始數據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：計算灰色關聯系數。參考序列和各個比較序列的關聯系數的計算公式為（3）：

其中，ζij(k)為比較和參考序列的關聯系數（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，取值要求是要滿足關聯度的整體性和抗干擾性，求解方法如下：

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

4 應用案例及結果分析

以某主動再生的微波再生捕集器為研究對象，以體現過濾體堵塞的壓降為評價指標并作為參考序列，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。為了便于評價再生性能，試驗數據參考張彬等人的數據[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、催化添加劑的質量濃度Ca=20 mg/L和灰燼沉積量m=15 g/L的環境下進行），如表1所示，利用建立的灰色關聯度計算模型進行求解[7]。

表1 微粒捕集器結構參數的試驗結果

計算出關聯系數矩陣為：

將關聯系數值帶入公式（4）可得四個結構參數對微粒捕集器劣化性能的關聯程度值分別為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€關聯度值較接近，即對壓降的影響基本相同。整體上看，上述四個參數的模糊灰色關聯度均超過0.5，也從數據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 器抗劣化性能結構設計時均不能忽視上述四個參數產生的影響。

5 結論

在微粒捕集器設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生，應著重對過濾體壁厚進行優化，提高整體的耐久性和使用壽命。這也表明了灰色關聯理論可為微粒捕集器的抗劣化優化設計提供理論依據。