基于模糊灰色关联的微粒捕集器劣化性能结构参数分析

郭瑞瑞　曹福来　袁培佩

摘 要：在对微粒捕集器的劣化机理分析的基础上，以压降和最大壁面温度两个与性能劣化最相关的参数作为评价指标，运用模糊灰色关联分析方法对于壁面厚度、平均微孔孔径、孔隙率和孔道宽度四个結构参数对劣化性能影响进行分析，获得了相关数据支持，为微粒捕集器性能的进一步优化和改进大气环境质量提供参考依据。关键词：微粒捕集器;劣化性能;结构参数;模糊灰色关联中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）08-138-03

Abstract： In order to effectively analyze structural influence factors of deterioration performance in the diesel particulate filter， and investigate the influence degree of each factor， the deterioration mechanism was analyzed in this paper. The pressure drop and maximum wall temperature were viewed as evaluation parameters of deterioration performance.then， grey relation alanalysis was studied based on grey relational theory， and the data of the influence degree of the main structure parameters on the degradation are obtained. Finally， the result provides a reference for the further optimization of the performance of the particulate trap and the improvement of the atmospheric environmental quality.Keywords： Diesel particulate filter; Deterioration performance; Structural parameter; Grey relational analysisCLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）08-138-03

1 微粒捕集器的劣化机理

过滤体对微粒物捕集器的净化效果及使用寿命起到决定作用。随着使用时间的增加，过滤体性能会出现劣化，这主要体现在过滤体孔道堵塞和热老化两个方面[1]，已成为目前研究微粒捕集器研究的热点。在后处理装置劣化问题方面，国外学者Matsunagas等[2]在研究催化剂化学中毒机理的基础上，对三效催化转化器劣化性能进行了研究。Zarvalis等[3]评估了灰烬沉积对微粒捕集器性能和使用寿命的影响，并建立了一种基于灰烬沉积的微粒捕集器老化快速评估的方法。国内学者龚金科、田蝉等[4]采用灰色关联法对影响可旋转径向式微粒捕集器消声特性的结构参数进行了研究。上述研究为微粒捕集器的性能劣化提供了一定理论参考。本文采用模糊灰色关联理论对柴油机添加催化剂的复合再生微粒捕集器劣化性能结构参数进行数据化分析，量化其影响程度，为提升使用寿命提供参考。

2 模糊灰色关联分析数学模型的建立

模糊聚类分析法适用于分析界限具有模糊性特征的研究对象的一种多元性分析方法。灰色关联分析是评估各种因素对系统性能影响的一种已被广泛采用有效方法。考虑到当微粒捕集器各结构参数作为研究对象时，同时具有一定的灰色特征和模糊性，因此本文拟通过建立模糊灰色关联分析模型来评价微粒捕集器各结构参数对性能劣化影响重要程度 [5，6]，基本思路是：以被评价方案的各项评价指标（结构参数）作为比较序列，以压降?P和壁面温度TW这两个与微粒捕集器性能劣化最相关的评价参数作为参考数列，进行关联度计算，如果某参数的关联度越大，则说明该参数对劣化性能的影响程度越大。

根据夹角余弦法对数据线性比例关系不敏感的优势建立模糊相似矩阵，可以很好地表达出两参数之间的相似程度，即为模糊隶属度，计算表达式为（6）。在此基础上各因素的模糊灰色关联度可由公式（7）计算得出，其中Rij表示参考序列和比较序列间的相关性水平，代表xj和yi之间的模糊灰色关联度，以此可对各因素对微粒捕集器劣化性能影响程度进行排序。

3 结构参数模糊灰色关联度的计算与结果分析

3.1 结构参数模糊灰色关联度的计算

为研究微粒捕集器劣化性能的结构参数影响因素，本文参照相关文献的仿真结果[1]，选取壁面厚度、平均微孔孔径、孔隙率、孔道宽度以及压降、最大壁面温度等参数为研究对象进行模糊灰色关联分析。关于复合再生结构参数的试验结果如表1所示。

参考序列和比较序列经公式（2）无量纲处理后得到如下系数矩阵：

下面以压降作为参考序列为例来说明具体的求解过程，参考序列（压降）与比较序列的绝对差矩阵为：

由于各工况相互独立，则公式（6）中由模糊层次分析法确定的各因素权重Wij在不同工况下可以认为是相等的，则Wij=1/9。然后，通过（6）、（7）和（8）式计算得到四个结构参数分别对参考序列（压降）和参考序列（最大壁面温度）的欧式灰色关联度、模糊隶属度、模糊关联度结果如表2和表3所示。

3.1 结构参数模糊灰色关联度的结果分析

对于结构参数来說，壁面厚度、平均微孔孔径、孔隙率和孔道宽度对压降的模糊灰色关联度分别为0.8086、0.7208、0.7155、0.7799，说明4个结构参数对压降（即过滤体堵塞）的影响程度排序为：壁面厚度>孔道宽度>微孔孔径>孔隙率。壁面厚度、平均微孔孔径、孔隙率和孔道宽度对最大壁面温度的模糊灰色关联度分别为0.6700、0.6650、0.6682、0.9461，说明4个结构参数对最大壁温（即热老化）的影响程度排序为：孔道宽度>壁面厚度>孔隙率>微孔孔径。

上述四个参数的模糊灰色关联度均超过0.5，说明了均为捕集器性能劣化的主要影响因素。其中，壁面厚度和孔道宽度分别对压降和最大壁温的影响最为显著。因此，在微粒捕集器设计阶段须首先考虑对过滤体壁厚和孔道宽度的优化，以获得较低的压降和壁面温度，推迟发生性能劣化，延长整体使用寿命。

参考文献

[1] 张彬.柴油机微粒捕集器性能劣化辨析与优化研究[D].湖南：湖南大学，2017.

[2] MatsunagasS，YokotaK.Thermaldeterioration mechanismofPt/Rhthree -waycatalysts[R].Toyota：ToyotaCentralR&DLabs，Inc，1998：1-5.

[3] ZarvalisD，LorentzouS，KonstandopoulosAG.A method ology for the fast evaluation of the effect of ashaging on the diesel particulate filter performance[J].SAEPaper，2009.

[4] 龚金科，田婵，王曙等.可旋转径向式微粒捕集器消声特性影响因素灰色关联分析[J].环境工程学报，2013，7（2）：643-648.

[5] 左青松.柴微粒捕集器复合再生与场协同机理辨析及优化控制研究[D].湖南：湖南大学，2014.

[6] 左青松，龚金科，王曙辉等.柴油机微粒捕集器复合再生性能及其场协同分析[J].环境工程学报，2014，8（6）：2509 - 2513.

[7] 吴钢，龚金科，王曙辉，等.采用微波和铈-锰基添加剂的柴油机微粒捕集器复合再生的研究[J].汽车工程，2011（7）：623-627.