(武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院;b.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室低速機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)
柴油機(jī)微粒(particulate matter,PM)排放量在同等條件下遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽油機(jī),是柴油機(jī)主要的排氣污染物之一[1]。微粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)是目前公認(rèn)減少柴油機(jī)尾氣排放中顆粒物含量的高效、便捷方法之一[2]。雖然DPF產(chǎn)品發(fā)展已較為成熟,但微孔直徑、孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)捕集特性重要程度(評(píng)價(jià))的計(jì)算分析未見(jiàn)報(bào)道。本文在參數(shù)分析的基礎(chǔ)上分析各因素相互關(guān)系和相對(duì)重要程度評(píng)價(jià),為DPF結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真試驗(yàn)提供依據(jù)。
通常,衡量DPF性能的2個(gè)重要指標(biāo)是壓降[3-4]和捕集效率[5]。在此基礎(chǔ)上又增加壁面捕集質(zhì)量作為評(píng)價(jià)的第三指標(biāo)。
影響DPF捕集特性的主要因素有:微孔直徑、壁厚、過(guò)濾體長(zhǎng)度、孔隙率、通道密度、排氣量和排氣溫度。
1)微孔直徑。微孔直徑的改變更多的影響了捕集效率,但這并不能說(shuō)明微孔直徑越小越好,較小的直徑同樣會(huì)加大材料的選擇和制造難度,因此,微孔直徑的取值要處于合理的范圍,通常微孔直徑處于10~20 μm[6]。
2)壁厚增大。過(guò)濾體壁厚的選取需要在一定的范圍內(nèi),壁厚過(guò)小時(shí),雖然壓降降低,但捕集效率可能會(huì)低于90%,當(dāng)壁厚過(guò)大時(shí)捕集效率通常達(dá)到95%以上,甚至更高。這已經(jīng)很接近100%,再增加壁厚也不會(huì)有很大的提升,反而壓降的急劇增加會(huì)影響柴油機(jī)性能。
3)過(guò)濾體長(zhǎng)度。理論上過(guò)濾體長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)柴油機(jī)性能越有利,但同時(shí)要結(jié)合柴油機(jī)所在的環(huán)境因素。
4)孔隙率??紫堵手饕绊憠航档淖兓?,因此孔隙率的取值要以壓降為主。
5)通道密度。較大的通道密度可以增加捕集效率和減少壓降。
6)排氣量。排氣量受柴油機(jī)工況的影響。
7)排氣溫度。排氣溫度受柴油機(jī)工況的影響。
根據(jù)DPF捕集特性,對(duì)DPF的捕集性能建立兩級(jí)三層模糊評(píng)價(jià)。底層是捕集特性的影響因素,中間層為3個(gè)捕集特性的評(píng)價(jià)指標(biāo),頂層為捕集性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)所用DPF主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1,柴油機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。通過(guò)GT-Power軟件建立DPF的仿真模型見(jiàn)圖1。搭建的試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖2。試驗(yàn)采用DW260電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,AVL SPC472測(cè)量?jī)x測(cè)量碳煙排放量,HORIBA MEXA-7000系列的7000SLE分析儀測(cè)量排氣中NOx和HC等氣體含量。
表1 DPF裝置參數(shù)
表2 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)
圖1 DPF仿真模型
圖2 試驗(yàn)臺(tái)架
根據(jù)捕集特性選取3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí):好、中、差;選擇DPF裝置初始結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。
柴油機(jī)額定工況點(diǎn):轉(zhuǎn)速1 500 r/min、轉(zhuǎn)矩370 N·m、排氣流率為220 L/s、排氣溫度550 K。
通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得柴油機(jī)加裝DPF裝置后的壓降為7.16 kPa,捕集效率為93.09%,壁面捕集微粒的質(zhì)量為4.61 g。
采用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定權(quán)重矩陣。微孔直徑對(duì)DPF壓降損失較小,但他對(duì)捕集效率的影響較大;壁厚和孔隙率增加時(shí),過(guò)濾體壓降和捕集效率都有所增加;過(guò)濾體長(zhǎng)度和通道密度增加時(shí),壓降降低,捕集效率升高;壁面捕集質(zhì)量會(huì)隨著微孔直徑、壁厚、孔隙率、過(guò)濾體長(zhǎng)度和通道密度5項(xiàng)參數(shù)的增加而增大. 柴油機(jī)排氣流量的增大會(huì)導(dǎo)致DPF壓降升高、捕集效率降低,排氣溫度的升高增加了捕集效率,但對(duì)DPF壓降并無(wú)太大影響[7-10]。根據(jù)采用單一變量法的仿真結(jié)果分析各因素對(duì)性能指標(biāo)的重要程度,根據(jù)表3所示的判斷矩陣的標(biāo)度假設(shè)出判斷矩陣。構(gòu)造出的判斷矩陣的相對(duì)值見(jiàn)表4~7。
表3 判斷矩陣準(zhǔn)則和標(biāo)度[11]
表4 壓降判斷矩陣
表5 捕集效率判斷矩陣
表6 壁面捕集質(zhì)量判斷矩陣
表7 捕集性能判斷矩陣
判斷矩陣一致性檢驗(yàn)由式(1)計(jì)算驗(yàn)證[12]。
(1)
式中:λ為所構(gòu)造判斷矩陣的最大特征值;n為判斷矩陣的階次;R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo);C.R.為隨機(jī)一致性比率。
若C.R.<0.1,則判斷矩陣滿足一致性。根據(jù)式(1)計(jì)算可得壓降、捕集效率、壁面捕集質(zhì)量和捕集性能的一致性比率C.R.的值分別為:0.016、0.023、0.024、0.009。判斷矩陣均滿足一致性要求。
AHP權(quán)重計(jì)算如下。
(2)
式中:W為判斷矩陣所對(duì)應(yīng)因素的權(quán)重;n為判斷矩陣的階次;aij為判斷矩陣i行j列的元素。
各因素對(duì)壓降的權(quán)重矩陣為
Wpressure=(0.389 3,0.250 5,0.103 7,
0.069 9,0.142 7,0.043 9)
同理,捕集效率的權(quán)重為
Wefficiency=(0.462 1,0.231 7,0.061 4,
0.109 4,0.045 8,0.089 6)
壁面捕集質(zhì)量的權(quán)重計(jì)算得
Wmass=(0.465 3,0.061 8,0.090 2,
0.110 2,0.224 7,0.047 8)
捕集性能指標(biāo)的權(quán)重矩陣為
Wperformance=(0.539 6,0.296 9,0.163 5)
選用模糊分布法中的嶺型分布來(lái)確定隸屬度值矩陣R。
(3)
(4)
(5)
式中:xi為第i個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)度值;xi0,…,xi5為第i個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的界限值,取值根據(jù)各質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)和性質(zhì)確定。對(duì)于越大越好的指標(biāo)排列順序從大到小,對(duì)于越小越好的指標(biāo)排列順序從小到大;對(duì)于定量參數(shù),直接取實(shí)際值,對(duì)于非定量參數(shù),采取打分衡量的形式確定。
根據(jù)捕集特性選取了3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí):好、中、差。即V={Vi},當(dāng)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)取本產(chǎn)品初始值時(shí),對(duì)壓降、捕集效率、壁面捕集質(zhì)量的隸屬度矩陣為
中間層3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(壓降、捕集效率和壁面捕集質(zhì)量)對(duì)頂層評(píng)價(jià)指標(biāo)(捕集性能)的模糊關(guān)系矩陣為
采用加權(quán)平均型模糊算子進(jìn)行中間層3個(gè)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算[13]。
(6)
由此,壓降的評(píng)價(jià)結(jié)果為
Epressure-drop=(0.662 9,0.356 8,0.199 1)。
同理,捕集效率和壁面捕集質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為
Eefficiency=(0.318 5,0.434 1,0.440 4);
Emass=(0.063 5,0.364 7,0.778 1)。
捕集性能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為
Eperformance=(0.462 4,0.381 7,0.365 4)。
傳遞函數(shù):第一層與第二層之間為隸屬度函數(shù),第二、三層之間的傳遞函數(shù)為purelin。
訓(xùn)練函數(shù):初步選擇trainscg函數(shù)為訓(xùn)練函數(shù)。
性能函數(shù):均方誤差函數(shù)mse[14]。
學(xué)習(xí)函數(shù):learndg函數(shù),采用梯度下降法對(duì)權(quán)值進(jìn)行調(diào)整。
樣本數(shù)據(jù)分為輸入與輸出兩部分(見(jiàn)表8),輸入是微孔直徑、壁厚孔隙率、過(guò)濾體長(zhǎng)度、通道密度、排氣流量和排氣溫度這7個(gè)因素的取值,輸出為捕集性能的評(píng)價(jià)。將500組樣本數(shù)據(jù)帶入仿真模型中得出相應(yīng)的性能指標(biāo)值。
表8 樣本數(shù)據(jù)
圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及與目標(biāo)差值對(duì)比
建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后,設(shè)定目標(biāo)誤差值為10-2,通過(guò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù),模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差見(jiàn)圖3。
由圖3可知,訓(xùn)練經(jīng)過(guò)88次樣本集數(shù)據(jù)的迭代計(jì)算后,訓(xùn)練減少到了設(shè)定誤差。
在保持柴油機(jī)工況一定時(shí),5組DPF結(jié)構(gòu)優(yōu)化測(cè)試方案見(jiàn)表9。
測(cè)試數(shù)據(jù)捕集性能的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)和訓(xùn)練結(jié)果、數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果和模糊綜合評(píng)價(jià)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表10。
表9 測(cè)試數(shù)據(jù)
表10 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比
由表10可知,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)結(jié)果與模糊評(píng)價(jià)的結(jié)果基本吻合,說(shuō)明所建立的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型,可以根據(jù)DPF微孔直徑、壁厚、過(guò)濾體長(zhǎng)度、孔隙率、通道密度、排氣量和排氣溫度等因素的取值計(jì)算分析微粒捕集器捕集特性。
1)根據(jù)權(quán)重分析結(jié)果,首先要考慮壓降。增加壁厚是微粒捕集器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要考慮,增加壁厚同時(shí)可以增加捕集效率和壁面捕集質(zhì)量。增加壁厚、減小微孔直徑和適當(dāng)減小孔隙率應(yīng)該是首要措施。柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí),在保證轉(zhuǎn)矩的情況下,保持較小的排氣流量。
2)在DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)在初始值的條件下,壓降的評(píng)價(jià)等級(jí)為“好”;捕集效率的評(píng)價(jià)等級(jí)為“中”;壁面捕集質(zhì)量的評(píng)價(jià)等級(jí)為差。模糊綜合評(píng)價(jià)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)對(duì)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果誤差較小,在柴油機(jī)工況(排氣流量和排氣溫度)一定時(shí),5組結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)比表明,評(píng)價(jià)等級(jí)中“好”的值隨著微孔直徑減小、壁厚增大、通道密度增大而增大。