龔金科 杜佳 鄂加強(qiáng) 劉恒語 張福杰

(湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082)

柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)的再生技術(shù)分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩種［1］.微波再生作為主動(dòng)再生方式的一種，目前，國內(nèi)學(xué)者通過對微波再生的試驗(yàn)研究，建立了微波再生的數(shù)學(xué)模型，單獨(dú)分析了微波功率、排氣質(zhì)量流量、排氣溫度、微粒沉積量、排氣氧含量、二次空氣等對微波再生過程的影響［2-5］.國外則通過數(shù)值與試驗(yàn)相結(jié)合的方法［6-8］深入分析了微波能量、再生起始溫度［9］等因素對再生性能的影響，以及微波加熱下微粒的燃燒特性［10］等.但鮮見各因素對再生過程的相對重要程度的分析.而分析各因素的相互關(guān)系，有助于研究各因素對再生過程的影響機(jī)理，可為再生過程實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制提供重要依據(jù).

目前模糊綜合評價(jià)方法已經(jīng)被應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案評價(jià)［11］、航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康評估［12］、目標(biāo)識別［13］、可再生能源推廣［14］等多個(gè)領(lǐng)域.因此，文中提出了一種基于層次分析法(AHP)和熵值法的模糊綜合評價(jià)法來研究各因素對再生過程的綜合影響效果，以及對再生過程的重要性.

1 微波再生影響因素分析

微波再生過程的主要影響因素有:微波功率、排氣溫度、排氣氧含量、微粒沉積量、排氣質(zhì)量流量［3］.

1.1 微波功率

微波功率增加，再生效率和再生峰值溫度顯著提高，再生時(shí)間縮短，因此在實(shí)際再生過程中，增加微波功率須確保過濾體的峰值溫度不超過其承受極限.

1.2 排氣溫度

排氣溫度越高，再生效率越高，再生時(shí)間越短，再生峰值溫度越高，且需得到較高再生效率時(shí)可選擇的流速范圍越寬.故提高排氣溫度時(shí)需注意再生峰值溫度不能過高［4］.

1.3 排氣氧含量

排氣氧含量越高，再生效率越高，再生時(shí)間越短，再生峰值溫度變化不大，且需得到較高再生效率時(shí)可選擇的流速范圍越寬.排氣氧含量大于一定數(shù)值后，提高再生效率和減少再生時(shí)間的作用減弱;而小于一定數(shù)值后，再生時(shí)間大為延長［2］.

1.4 微粒沉積量

微粒沉積量過少，再生緩慢，再生效率低;微粒沉積量過多，再生效率高，再生次數(shù)減少，但再生速率降低，且再生峰值溫度和溫度梯度過高，會(huì)增大過濾體熱燒熔和熱裂損的幾率［3-4］.

1.5 排氣質(zhì)量流量

排氣質(zhì)量流量對再生過程影響較大.排氣流量較小時(shí)，再生速率快，再生效率高;但排氣流量過小，會(huì)使再生速率減慢，再生峰值溫度升高［2-3］.

基于相關(guān)研究［2-5］，文中采用模糊綜合評價(jià)法分析了微波再生過程中微波功率、排氣溫度、排氣氧含量、微粒沉積量、排氣質(zhì)量流量在再生效率、再生時(shí)間、再生峰值溫度3個(gè)方面對微波再生系統(tǒng)再生性能的影響.文中所指再生效率為600s末再生系統(tǒng)所達(dá)到的效率;再生時(shí)間為達(dá)到最終再生效率90%所耗費(fèi)的時(shí)間;再生峰值溫度為整個(gè)再生過程中微粒捕集器所達(dá)到的最高再生溫度.

2 微波再生性能模糊綜合評價(jià)

2.1 模糊綜合評價(jià)模型

文中根據(jù)DPF微波再生特性，對過濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)為φ190 mm×200 mm的微波再生系統(tǒng)建立了兩級模糊綜合評價(jià)模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，底層為再生過程中的主要影響因素，中間層為再生系統(tǒng)的3個(gè)重要性能評價(jià)指標(biāo)，頂層為再生系統(tǒng)再生性能評價(jià)指標(biāo).

圖1 微波再生模糊綜合評價(jià)模型Fig.1 Fuzzy comprehensive evaluation model of microwave regeneration

選定一組參數(shù)進(jìn)行模糊綜合評價(jià).柴油機(jī)微波再生系統(tǒng)的各項(xiàng)因素初始取值為:微波功率0.9kW、排氣質(zhì)量流量73 kg/h、排氣氧含量14.8%、微粒沉積量28.1g、排氣溫度323℃.

根據(jù)微波的再生特性，文中取3個(gè)評語等級{好，中，差}，構(gòu)成評語集V，對應(yīng)為v1、v2、v3.

2.2 因素隸屬度的確定

結(jié)合微波再生過程中各因素對中間層各再生性能指標(biāo)的影響特性，文中采用典型函數(shù)法確定各因素的隸屬度.隸屬度函數(shù)如下:

式中:x代表各因素的取值;x1，x2，…，x5代表各因素的界限值.對不同的再生性能指標(biāo)，不同因素的界限值各不相同.對于取值越大評價(jià)指標(biāo)越好的因素，其界限值按從小到大排列，取值越小評價(jià)指標(biāo)越好的因素，其界限值按從大到小排列.對于非定量參數(shù)，則采取打分衡量的方法確定.

各因素取初始值時(shí)，對再生效率、再生時(shí)間、再生峰值溫度的模糊關(guān)系矩陣分別為:

2.3 權(quán)重集的確定

為較好地反映評價(jià)對象的背景條件和評價(jià)者意圖，減少不合理現(xiàn)象，文中采用了AHP和熵值法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來確定權(quán)重.

2.3.1 判斷矩陣的建立

采用AHP時(shí)，先根據(jù)表1所示的判斷矩陣標(biāo)度及其含義，通過兩兩對比構(gòu)建判斷矩陣.各因素對再生效率的判斷矩陣見表2.中間層各性能指標(biāo)對頂層再生性能的判斷矩陣見表3.

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Tabel 1 Judgment matrix scale and its meaning

表2 再生效率判斷矩陣Tabel 2 Judgment matrix of regeneration efficiency

表3 再生性能判斷矩陣Tabel 3 Judgment matrix of regeneration property

底層因素微波功率、排氣質(zhì)量流量、排氣氧含量、排氣溫度對再生效率的判斷矩陣Aeff為

式中，i，j分別代表判斷矩陣的i行j列.n代表中間層各再生指標(biāo)對應(yīng)的底層因素個(gè)數(shù).

中間層各因素對再生性能的判斷矩陣Aper為

判斷矩陣一致性檢驗(yàn)［15］可由式(4)計(jì)算驗(yàn)證:

若C＜0.1，則判斷矩陣滿足一致性.再生效率、再生時(shí)間、再生峰值溫度、再生性能的一致性比率C取值依次為0.053、0.076、0.031、0.033，都小于0.1，即判斷矩陣都滿足一致性.

2.3.2 因素權(quán)重集的計(jì)算

AHP主觀權(quán)重集計(jì)算公式為

式中，wp代表判斷矩陣p行所對應(yīng)因素的權(quán)重.

由式(5)得到再生效率的主觀權(quán)重矩陣:

W1-eff=［0.1855 0.2769 0.0984 0.4392］.同理，再生時(shí)間的主觀權(quán)重矩陣為

W1-time=［0.0639 0.3010 0.1436 0.4916］.再生峰值溫度的主觀權(quán)重矩陣為

W1-temp=［0.1143 0.1699 0.0525 0.3924 0.2709］.熵值法計(jì)算公式為:

式中，wHk為判斷矩陣k行所對應(yīng)因素的熵權(quán);Hk為對應(yīng)因素的熵值，k=i.由式(8)計(jì)算綜合權(quán)重:

式中，wFk代表判斷矩陣k行所對應(yīng)因素的綜合權(quán)重值.得到底層各因素對再生效率的綜合權(quán)重:

同理，得到底層各因素對再生時(shí)間、再生峰值溫度的綜合權(quán)重:

中間層各指標(biāo)對再生性能的綜合權(quán)重為

各權(quán)重矩陣中從左到右的數(shù)據(jù)所代表的各因素與圖1及判斷矩陣中所示的因素排序一致.

3 綜合評價(jià)結(jié)果的計(jì)算

為兼顧各因素的權(quán)重，充分利用模糊關(guān)系矩陣的信息，體現(xiàn)再生效率的總體特征，采用了加權(quán)平均型模糊合成算子，即M(·，⊕)模型［15］:

式中:bm代表評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果，即對3個(gè)評語等級的隸屬情況，m=1，2，3;rim代表隸屬度矩陣中第i行m列的元素.

可得再生效率的綜合評價(jià)結(jié)果如下:

同理，可分別計(jì)算得到再生時(shí)間、再生峰值溫度的綜合評價(jià)結(jié)果:

中間層對頂層的模糊關(guān)系矩陣為

綜合評價(jià)結(jié)果為

根據(jù)最大接近度原則，各因素取初始值時(shí)，再生性能的評價(jià)等級為中.但再生性能對于好的隸屬度(0.5771)與中的隸屬度(0.6032)相差不大，因此再生性能的綜合評價(jià)結(jié)果屬于中等偏上.

同理，可以得出再生過程各因素取不同值時(shí)，再生性能的變化情況.各因素取值范圍為:微波功率0.5～1.0 kW、排氣質(zhì)量流量36.5～109.6 kg/h、排氣氧含量7%～20%、微粒沉積量6～40g、排氣溫度25～323℃.再生性能隸屬度隨各因素的變化如圖2所示，圖中兩因素的取值為范圍值，其余因素取值仍為初始值.

由圖2(a)可知:排氣氧含量為20%，排氣質(zhì)量流量為43.8kg/h時(shí)，再生性能最佳;排氣氧含量越高再生性能越好;隨著排氣質(zhì)量流量的增加，對應(yīng)不同的排氣氧含量，變化趨勢不同，但總體呈降低趨勢.綜合來看，再生性能總體趨于中上，對于不同的排氣氧含量有最佳的排氣質(zhì)量流量相對應(yīng).

圖2 各因素對再生性能的影響Fig.2 Influence of various factors on regeneration property

由圖2(b)可知:微波功率為1.0 kW，排氣溫度為323℃時(shí)，再生性能最佳;隨著排氣溫度與微波功率的增大，再生性能增強(qiáng).

由圖2(c)可知:微粒沉積量為6 g，微波功率為1.0kW時(shí)，再生性能最佳;隨著微波功率的增加與微粒沉積量的減小，再生性能增強(qiáng).

4 結(jié)論

利用主觀賦權(quán)法AHP與客觀賦權(quán)法熵值法相結(jié)合，建立了柴油機(jī)微粒捕集器微波再生系統(tǒng)的模糊綜合評價(jià)模型，得出以下結(jié)論:

(1)排氣溫度對再生效率影響最大，占0.4701的權(quán)重，其次為排氣質(zhì)量流量(0.2724)和微波功率(0.1577);排氣溫度對再生時(shí)間的影響最大，占0.5361的權(quán)重，其次為微波功率(0.2942)，排氣質(zhì)量流量與排氣氧含量相差不大;微粒沉積量對再生峰值溫度的影響最大，占0.4244的權(quán)重，其次為排氣溫度(0.2768)和微波功率(0.1555)，排氣質(zhì)量流量與排氣氧含量的權(quán)重較小.

(2)對于再生性能，再生效率所占權(quán)重最大，為0.6162，其次為再生峰值溫度(0.2193)和再生時(shí)間(0.1645).

(3)隨著排氣氧含量、排氣溫度、微波功率的增加，微粒沉積量的減小，再生性能增強(qiáng);而排氣質(zhì)量流量對再生性能的影響較為復(fù)雜.

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