基于GT-Power 的柴油颗粒过滤器过滤性能优化研究*

张博琦

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

引言

研究表明，机动车尾气排放，尤其是以NOx和PM 为主的柴油车排放是引起雾霾的原因之一[1-2]。为了改善空气质量，降低机动车的污染物排放，我国发布了2 个非常严格的机动车污染物排放标准，分别是2016 年发布的GB18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[3]和2018 年发布的GB17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[4]（简称重型柴油车国Ⅵ排放标准）。其中，关于重型柴油车国Ⅵ排放标准，要求自2019 年7 月1 日起强制实施。

针对当前严峻的排放形势，国外发动机生产厂商使用的技术路线为缸内燃烧优化+DPF+SCR[5]。但是，在实际应用过程中，柴油颗粒过滤器（DPF）的性能会受到结构参数的影响。本文对影响DPF 过滤性能的各结构参数进行了研究，得到了各参数的影响程度，为DPF 性能的优化提供了方向。

1 DPF 仿真模型的建立

柴油机颗粒过滤器（DPF）是指采用过滤材料对柴油机排气中的PM 进行过滤捕集的装置，壁流式颗粒过滤器（WF-DPF）是其中的一种。WF-DPF 的结构参数分为微观结构参数和宏观结构参数[6]，其中，微观结构参数包括过滤器壁厚、过滤器的微孔直径、孔隙率以及渗透率等；宏观结构参数包括通道密度、过滤器的直径和长度等。不同的结构参数会使WFDPF 具有不同的过滤性能。衡量WF-DPF 过滤性能的指标包括初始过滤效率和压降[7]，其中，压降表现WF-DPF 对流体流动时的阻碍程度。当压降增大到一定程度时，柴油机的性能开始下降。

为了研究DPF过滤性能的优化方向，基于GT-Power的基本系统方程和初始过滤效率方程，建立如图1 所示的WF-DPF 数值模型，该模型主要包括WF-DPF、尾气进入、尾气排出、压降输出和初始过滤效率输出等5 部分[8]。

在本文的模拟研究中，模型的主要参数设置见表1[9]。

表1 模型主要参数

2 仿真试验的设计

本文应用正交试验法来设计仿真方案。正交试验法是一个可以解决多因素、多水平及多指标等问题的方法，该方法通过一部分试验就能相当准确地反映全面试验可能出现的各种情况，可解决因素主次、因素与指标关系、较好条件的选择等问题。

在本试验中，选择DPF 的7 个结构参数作为影响因素，这7 个结构参数分别为过滤器长度、过滤器直径、通道密度、过滤器壁厚、微孔直径、孔隙率和渗透率等。衡量DPF 过滤性能的指标为初始过滤效率和压降，最佳的过滤性能是初始过滤效率越高而压降越少。试验时，不考虑两两因素间的交互作用。各因素在试验中的具体水平见表2。

表2 仿真试验的因素水平表

通过分析可知，本试验所包含的7 个因素，每个因素选取3 种水平值，也就是一个7 因素3 水平的试验，因此选择正交表L18（37）。正交表符号的意义为：L 表示正交表，18 表示需做的总试验次数，3 表示水平个数，7 表示该正交表中最多可以安排的因素个数。本试验所用正交表见表3。表3 中，试验号表示试验的组数，本文共做18 组模拟试验；各因素列中的1、2 和3 表示各因素在各组试验中的水平，各水平所对应的水平值见表2。

表3 正交试验表

将数值模拟选取的各因素及其各水平值对应填入表3，得到每组试验的具体试验方案，见表4。表4中的具体内容为各因素在各试验中的水平值。

表4 具体仿真试验方案表

在上述试验方案表中，每种因素的不同水平在试验中出现的次数相同，都为6 次，且任意2 个因素中的各种不同水平的搭配出现的次数也一样，都为2次。由这2 个特点可知，该试验方案具有代表性，能较全面地反映每种因素每种水平对所研究指标的影响情况[10]。

3 仿真试验结果与分析

根据表4 中的试验方案对WF-DPF 的过滤性能进行数值模拟，得到每组试验的初始过滤效率和压降，结果见表5。

对表5 的模拟结果进行分析，结果见表6。表6中，Ki表示表5 中对应的因素列（长度A，直径B，…，渗透率G 等）中水平为i（i=1，2 或3）时所对应的指标的试验结果之和。例如，长度A 因素列中，K1=0.947+0.978+0.991+0.964+0.947+0.996=5.823。ki表示对应的因素列中取i 水平时所得试验结果的算数平均值，ki=Ki/s，其中s 为对应因素列中i 水平出现的次数。例如，长度A 因素列中，K1=5.823，s=6，故，k1=5.823/6=0.971。R 表示极差，在对应列中的R=max{K1，K2，K3}-min{K1，K2，K3}，例如，长度A 因素列中，max{K1，K2，K3}=5.877，min{K1，K2，K3}=5.823，则RA=5.877-5.823=0.054，表示长度A 因素列中的极差。极差不相等，说明改变各因素的水平对试验结果的影响不一样。极差越大，表示该因素的水平在试验范围内变化时，会使试验指标变化越大。所以，极差最大的那一因素列，就是对试验指标影响最大的因素，也就是主要因素[11]。

表5 仿真试验结果

表6 仿真试验结果分析

4 结论

为了能够通过改变部分结构参数使柴油颗粒过滤器在空间尺寸及性能效果上达到一个较高的匹配度，对壁流式颗粒过滤器（WF-DPF）过滤性能的影响因素进行了研究，得到以下结论。

1）影响初始过滤效率的结构参数中，影响程度从大到小依次为：过滤器直径，微孔直径，过滤器壁厚，孔隙率，过滤器长度，渗透率，通道密度。

2）影响压降的结构参数中，影响程度从大到小依次为：过滤器直径，通道密度，过滤器壁厚，孔隙率，过滤器长度，渗透率，微孔直径。

3）实际生产过程中，能提高初始过滤效率的主要结构参数是过滤器直径、微孔直径、过滤器壁厚和孔隙率等；能减少压降的主要结构参数是过滤器直径、通道密度和过滤器壁厚等。

4）增大过滤器直径，可提高WF-DPF 的过滤性能，即提高初始过滤效率并减少压降，但对WF-DPF的空间大小有限制。