微粒捕集器劣化性能参数的关联度分析

郭瑞瑞

（许昌学院 电气与机械工程学院（工程训练中心），河南 许昌 461000）

1 微粒捕集器性能劣化原因

微粒捕集器在控制柴油机颗粒物排放方面有着不可替代的作用。其中壁流式过滤体是微粒捕集器目前研究和应用最广泛的过滤体，它一般是由碳化硅或堇青石挤压、烧结制成构成的多孔介质，对过滤效率、工作可靠性、使用寿命等具有重要影响，随着颗粒物捕集器不断的工作，过滤体孔道会发生堵塞降低捕集性能甚至导致柴油机排气背压升高，即为劣化。结合以往研究的基础上，归纳微粒捕集器性能发生劣化的原因主要有三个：过滤体堵塞、化学与热老化、机械损伤等[1]。随着捕集的持续进行，沉积的微粒过滤体内压强不断增大，当超过一定限值时，必须对颗粒物进行再生燃烧，以防止排气背压过大影响发动机性能。

此外，沉积的微粒再生时存在润滑油及磨损产生的金属碎屑等无法燃烧的灰分，累积在多孔介质过滤表面造成过滤体堵塞，降低过滤效果，从而造成了过滤体的堵塞。车辆在使用过程中工况突变不可避免，尤其是在高速和突变工作条件下，可能致使出现过滤体破裂、灰烬的烧结和粘附、过滤体材料熔化等不可控的再生现象，这使得捕集器出现热老化。车辆和柴油机的振动可能对颗粒物捕集器的过滤体产生机械冲击出现裂纹或开裂，这会加剧劣化性能。

2 微粒捕集器主动再生影响因素

随着微粒以扩散、拦截、重力捕集等方式不断的被捕集在捕集器过滤体内，捕集器的净化效果也下降，因此需要对过滤体进行加热以实现再生。其中，主动再生技术的主要优势在于能够控制再生时机和再生时间、减少主动热源的能耗、控制再生温度范围的优势，达到较高的再生效率，目前被广泛研究和应用。微波再生技术作为主动再生方式的一种，它主要是利用微波对过滤体的选择性加热原理进行再生的，其再生时的影响因素包含以下几个方面[1-2]。

2.1 微波功率

随着微波功率的增加，再生效率和再生峰温度显著增加，再生时间缩短，所以在实际再生过程中，增加微波功率应以确保滤波器的峰值温度不超过其限值为前提，避免出现过热致使过滤体机械损坏的现象。

2.2 排气氧含量

碳烟在燃烧时需要一定量的氧气，流经过滤体的气流若氧含量过低会使捕集器再生不完全甚至不能再生。排气中含氧量越高，再生效率越高，再生时间越短。而当排气含氧量大于一定数值，提高再生效率和缩短再生时间的效果减弱。

2.3 通道密度

过滤体通道密度即每平方英寸上进、排气通道个数，初始捕集效率随着通道密度的增加而增长，压降增加也越慢。随着捕集的进行，捕集效率也会相应增加而后接近稳定。

2.4 壁面厚度

过滤体壁面越薄，过滤体的有效过滤体积就越小，沉积在过滤体壁面内的颗粒就越少。因此，在最初阶段过滤体的捕集效率较低。随着壁厚的增加，压降的增加幅度越大，对发动机性能的影响也在增加。

2.5 过滤体微孔直径

指过滤体多孔介质材料的孔径，随着碳烟的加载微孔直径越小，捕集效率越高，压降反而也越小，考虑微孔直径对压降和捕集效率的影响，在生产成本和可实现工艺范围内孔径越小捕集器的性能越好。

另外，微粒沉积量、气流速度与温度、孔隙率、多孔介质渗透率等对微粒捕集器再生时的效率也有不同程度的影响。

3 微粒捕集器关联度计算模型

灰色关联度分析模型具对样本数据的规律性要求不高、所需样本数据量少、相关联分析结果容易定性的优点，能更具有方向性的解决问题，为微粒捕集器关联度的计算提供了重要参考。利用计算得出的关联程度值，可实现对各因素相互影响程度强弱进行排序[1,3-4]。关联度的取值范围为[0，1]，该值越大表示比较序列和参考序列越接近，说明该因素对微粒捕集器性能劣化的影响越大[5]。具体步骤如下：

第一步：参考序列及比较序列的确定。参考序列由不同仿真统计数据构成，记为Y1（k），k为实验的次数，k=1，2，…，n。比较序列为对研究对象有不同影响程度的因素，若该研究对象含有m个影响因素，并且每个影响因素包含有n种工况，则比较序列表达式如（1）所示。

第二步：利用式（2）对原始数据进行无量纲化处理得到一个新序列，便于计算及减少误差。

第三步：计算灰色关联系数。参考序列和各个比较序列的关联系数的计算公式为（3）：

其中，ζij(k)为比较和参考序列的关联系数（j=1,2,…,m；k=1,2,…,n）；△min和△max分别为最小绝对差和最大绝对差，△min=min｜yi(k)－xj(k)｜，△max=max｜yi(k)－xj(k)｜；△ij(k)=｜yi(k)－xj(k)｜；ρ为分辨系数，取值要求是要满足关联度的整体性和抗干扰性，求解方法如下：

第四步：计算灰色关联度。由于比较序列和参考序列在第K次的仿真相对差值是关联系数，所以关联系数的数值呈现出分散特点，给整体比较造成不便。故通过式（5）将各次仿真的关联系数通过求平均值集中为一个来表示各影响因素与结果的关联程度。其一般表达式如公式（5）所示。

4 应用案例及结果分析

以某主动再生的微波再生捕集器为研究对象，以体现过滤体堵塞的压降为评价指标并作为参考序列，以壁面厚度、平均微孔孔径、孔隙率和孔道宽度等为主要计算参数。为了便于评价再生性能，试验数据参考张彬等人的数据[1,6]（实验条件在排气流量Q=100 g/s，排气氧浓度Y0=15%、微波功率P=0.6 kW、催化添加剂的质量浓度Ca=20 mg/L和灰烬沉积量m=15 g/L的环境下进行），如表1所示，利用建立的灰色关联度计算模型进行求解[7]。

表1 微粒捕集器结构参数的试验结果

计算出关联系数矩阵为：

将关联系数值带入公式（4）可得四个结构参数对微粒捕集器劣化性能的关联程度值分别为r1=0.7041，r2=0.6449，r3=0.6318，r4=0.6989，即对压降（即过滤体堵塞）的影响程度为：壁面厚度＞孔道宽度＞微孔孔径＞孔隙率。孔径和孔隙率两个关联度值较接近，即对压降的影响基本相同。整体上看，上述四个参数的模糊灰色关联度均超过0.5，也从数据上说明了均为捕集器性能劣化的主要影响因素，在微粒捕集 器抗劣化性能结构设计时均不能忽视上述四个参数产生的影响。

5 结论

在微粒捕集器设计阶段须首先考虑为了获得较低的压降、推迟捕集器劣化的发生，应着重对过滤体壁厚进行优化，提高整体的耐久性和使用寿命。这也表明了灰色关联理论可为微粒捕集器的抗劣化优化设计提供理论依据。