一种基于GPF过滤体分形模型的汽油机尾气过滤方法

本发明涉及汽油颗粒捕集，特别涉及一种基于gpf过滤体分形模型的汽油机尾气过滤方法。

背景技术：

1、应用颗粒捕集器的可以有效地减少发动机颗粒物排放。现在，柴油机颗粒捕集器是柴油发动机系统的一个重要组成部分，同时，汽油颗粒捕集器（gpf）在gdi发动机中越来越流行。

2、颗粒过滤器最常见的结构是壁流式结构，该整体结构由一组交替堵塞的多孔壁通道组成。进气道被堵在后面，出气道被堵在前面。发动机排出的废气通过进口通道进入捕集器，并通过出口通道排出，进气道和出气道之间的多孔介质壁能捕获废气中的颗粒。颗粒在壁的多孔空间内沉积，导致过滤效率的提高，但也增加了过滤器的压降。随着这一过程的继续，由于已经沉积的颗粒导致孔隙封闭，进一步的壁内颗粒沉积被阻止。

3、现有技术中，人们基于非均匀多尺度过滤模型（heterogeneous multi-scalefiltering model，hmf）研究了燃料中烟尘颗粒的过滤特性。hmf模型引入了基于概率密度函数(probability density function，pdf)的孔径分布和孔隙度分布来表征非均匀的多尺度孔隙结构，用于计算洁净状态下颗粒过滤器的过滤效率。在不同工况下，模型与实验数据吻合较好。之后有人基于pdf的非均匀多尺度过滤(hmf)模型，证明hmf模型是研究gpf对gdi小颗粒过滤行为的微观结构影响的有效工具。尽管hmf在经典过滤模型的基础上有了改进，但它仍然是用统计方法求解gpf壁面孔径概率密度函数的解析模型。

4、现有技术中曾利用分形理论建立了对柴油机分形微粒的单纤维材料过滤模型，但该模型未考虑过滤体的实际结构，未能进一步实践应用。

5、2018年，在前人提出的非均匀多尺度过滤模型的基础上，又有人除了引入基于概率密度函数的孔径分布外，还引入了非均质孔隙率分布以及渗透率，以描述非均匀多孔介质的壁面微结构。提出了非均匀壁结构汽油机颗粒捕集器 gpf 的捕集数值模型。2020年有人又引入了基于概率密度函数(pdf)的孔径分布和非均匀孔隙分布，描述汽油颗粒过滤器(gpf)多孔壁的微观结构，考虑不同粒径分布的非均质壁结构gpf深床过滤的动态过程。

6、虽然gpf的过滤原理和dpf相同，但它们的再生策略大不相同。dpf由于较高的颗粒物排放量且排气温度较低，过滤孔壁上会形成一层厚厚的碳烟层，进行二次过滤（滤饼层过滤）。而汽油发动机的排气温度通常高于柴油发动机的排气温度，所以用o2对gpf进行被动再生是可能的。汽油机排气温度较容易达到再生温度，足以在实际条件下自发氧化。因此，汽油机尾气后处理系统设计模型的目标应该是尽可能准确地获取新鲜过滤效率，因为几乎在任何驾驶场景下都可能有一个无煤烟gpf。柴油和汽油发动机的颗粒后处理除了新鲜过滤的重要性外，由于废气更热而产生的更高的空速也是其区别所在。所以gpf主要依靠主动再生，过滤模型更多要考虑在较为洁净状态下的，为此，本发明提出一种基于gpf过滤体分形模型的汽油机尾气过滤方法，以实现准确获取新鲜过滤效率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例希望提供一种基于gpf过滤体分形模型的汽油机尾气过滤方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。

2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种基于gpf过滤体分形模型的汽油机尾气过滤方法，包括以下步骤：

3、利用透射电镜获得颗粒物形态参数，结合分形理论计算颗粒物形态参数，重新定义颗粒物粒径参数；

4、利用压汞法获得颗粒捕集器结构参数，结合捕集器图像，利用分形理论重新定义捕集器结构参数；

5、将颗粒物形态参数和捕集器结构参数代入经典过滤模型，获得gpf过滤体分形模型；

6、具体包括：

7、开发包含孔径分布的非均质模型的基础，用颗粒物团聚体分形维数（df）和过滤体固相体孔径分形维数（dt）改写颗粒物当量直径（dp）和过滤纤维直径 （dc），得到gpf过滤体分形模型：

8、。

9、在一些实施例中：所述gpf过滤体分形模型训练时，具体包括以下步骤：

10、s1、将颗粒物形态参数和捕集器结构参数结合分形理论，分别获取颗粒物团聚体分形维数与孔隙面积分形维数和孔道迂曲度分形维数；

11、s2、基于颗粒物团聚体分形维数获取迁移当量直径、球壳当量直径和质量当量直径；

12、s3、基于孔隙面积分形维数和孔道迂曲度分形维数获取捕集器单元、孔径、孔隙率和迂曲度；

13、s4、将迁移当量直径、球壳当量直径、质量当量直径、捕集器单元、孔径、孔隙率和迂曲度代入经典过滤模型；

14、s5、经布朗扩散、直接拦截和惯性碰撞处理后得到gpf过滤体分形模型。

15、在一些实施例中：所述步骤s1中，颗粒物团聚体分形维数获取时，包括以下步骤：

16、量化团聚体形态，使用imagej软件测量易于识别的颗粒物初级粒子的平均直径dp，含有分形维数df的计算公式为:

17、

18、式中：kf为分形因子，dg是颗粒团聚体的回转直径，dp颗粒物初级粒子的平均直径，np为初级粒子的总数量，并用以下公式确定：

19、

20、式中：aa为颗粒物的投影面积，ap初级粒子投影面积；a表示投影面积的经验指数,a取值为1.09。

21、颗粒物回转直径与最大投影长度l之间的关系为:

22、

23、其中：

24、df和kg由拟合直线的斜率和截距决定，拟合直线由绘制np -(dg/dp)的对数坐标图得到。

25、在一些实施例中：所述孔隙面积分形维数获取时，包括以下步骤：

26、根据分形物体中，量度n 与测量的尺度r的基础关系式，尺度关系如下：

27、

28、多孔介质具有分形特征，如孔隙表面和孔径分布等，反映了其复杂的内部结构。gpf是一个与分布在其内部的孔隙共存的固体分形物体。基于分形理论，累积孔隙数n与孔径的比例关系如下:

29、

30、获取孔隙面积分形维数da:

31、

32、de为欧式几何维数。本发明主要以颗粒在二维平面内的布朗扩散，de=2；

33、所述孔道迂曲度分形维数获取时，包括以下步骤：

34、获取多孔介质中孔隙通道迂曲度分形维数dt:

35、

36、

37、其中，l0为多孔介质内部孔道平均直径，含义为gpf内部介质孔道的理想平均直径，为代表长度；a为多孔介质截面上的总孔隙面积，即为gpf内部介质孔道与颗粒物能接触的总面积；

38、其中，迂曲度用于反映多孔介质内部流动路径弯曲程度，孔道迂曲度定义为：

39、。

40、在一些实施例中：还包括颗粒物参数修正：

41、颗粒物团聚体具有分形特征，颗粒物团聚体直径与回转直径的比值满足下列函数关系：

42、

43、式中，为分形团聚体迁移直径;为颗粒物回转直径;为颗粒物团聚体分形维数;为组成团聚体的初级粒子直径；

44、颗粒回转直径与平均直径关系：

45、

46、

47、其中：是初级粒子，和分别定义由n个相同粒子组成的团簇的第i个主粒子中心和重心的位置；

48、根据颗粒的机械迁移率与回转直径，获取；

49、迁移当量直径：

50、分形团聚体迁移当量直径代入颗粒扩散系数修正后：

51、

52、分形团聚体球壳当量直径：

53、

54、拦截系数代入分形团聚体球壳直径修正后：

55、

56、分形团聚体质量当量直径：

57、

58、n，初级粒子数：

59、

60、采用惯性碰撞机理中斯托克斯数代入分形团聚体质量当量直径和外壳当量直径修正：

61、。

62、在一些实施例中：所述步骤s3中，基于孔隙面积分形维数和孔道迂曲度分形维数获取捕集器单元、孔径、孔隙率和迂曲度时，将孔面积和孔道的分形特性引入模型，重新表征孔隙率、孔径、捕集单元以及渗透率的来描述实际gpf过滤介质结构的不均匀性，其中：孔径分布使用对数正态拟合转换为概率密度函数pdf，求出相应捕集器单元pdf函数：

63、

64、ldc：平均面积的根：

65、

66、通过孔径分布的概率pdfdpore后，由捕集器单元直径和孔径推出捕集体直径的概率分布：

67、

68、通过克努森数kn的大小来判断主导机制，kn定义为空间特征长度与气体分子自由行程之间的比值，即：

69、

70、多孔介质有效扩散系数为：

71、

72、其中，pm为颗粒物扩散压强，m为颗粒物质量，kg / mol; r 为气体常数，r =8.314 j/(mol·k )，t为环境温度， p大气压强。

73、在一些实施例中：所述布朗扩散处理中，具有布朗扩散机制的单个捕集器单元的过滤效率ed取决于佩克雷特数，它与扩散和平流过程有关，布朗扩散捕集效率ed的计算公式为：

74、

75、其中：pe定义为颗粒向球表面扩散的速率与颗粒在其截面积内接近球表面的速率之比，计算公式为：

76、

77、其中，u为过滤速度，(v/（1-a）,孔间流速与孔隙率之比)，df为多孔介质单元直径；

78、dd为粒子扩散系数，计算公式为：

79、

80、其中，kb为玻尔兹曼常数，dp为颗粒直径，t为流经壁面的废气温度，ug为废气的动态粘度。斯托克斯-坎宁安因子（stokes−cunningham factor, cc）解释了滑移流体动力学。在这种情况下，cc由克努森数kn(λ指气体的平均自由程)和gpf多孔介质平均孔径计算，cc表示为：

81、

82、kn:

83、

84、球形捕集单元的kuwabara（ku: kuwabara’s number）动力因子数为：

85、。

86、在一些实施例中：所述直接拦截处理中，采用直接拦截过滤机制，直接拦截过滤机制为单个捕集器单元捕集轨迹不偏离流线的颗粒，如果颗粒在捕集器单元的半径内，则颗粒捕集称为拦截，单个捕集单元的拦截过滤效率er计算为：

87、

88、

89、nr为拦截系数：颗粒直径与捕集器纤维直径的比值：

90、。

91、在一些实施例中：所述惯性碰撞处理中，采用惯性过滤机制，所述惯性过滤机制与当颗粒流线接近捕集器单元时粒子无法改变其轨迹有关，这种过滤机制在大直径颗粒中是最重要的，但它也受速度控制，单个捕集器单元的惯性过滤效率ek是斯托克斯数st的函数：

92、

93、其中，a和b为惯性碰撞系数，是由惯性ei所得到的收集效率的相关性实验来确定惯性碰撞系数；

94、惯性ei所得到的收集效率的相关性(定义在公式中)实验确定系数a和b的形式相同，其中a = 2.4363 b = 0.7817；

95、

96、rp描述了以粒径为流动直径的理想球形颗粒的密度。

97、在一些实施例中：所述gpf过滤体分形模型构建时，通过单纤维机理过滤计算单个捕集器的过滤效率，单个捕集单元过滤效率为：

98、

99、预测直径为dc的单个球体（单位收集器）的颗粒收集效率fe，然后在过滤器壁上进行整合，由每个单位收集器单元在介质厚度为lh和孔隙率为a的过滤器壁上的贡献而产生的过滤效率为：

100、

101、采用颗粒物团聚体分形维数（df）和过滤体固相体孔径分形维数（dt）改写颗粒物当量直径（dp）和过滤纤维直径（dc），得到gpf过滤体分形模型：

102、。

103、本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

104、本发明通过透射电子显微镜获得发动机排放颗粒物形貌，通过扫描电子显微镜和压汞法获得gpf微观结构参数，进而通过分形理论获得颗粒物分形维数和gpf结构分形维数，利用以上参数重新定义颗粒物粒径与gpf孔隙参数等，结合经典过滤理论重新表征gpf过滤效率与压降，通过滤效率试验对模型进行验证，本发明的技术方法对于gpf过滤效率的模拟具有良好的效果，能够准确获取汽油颗粒捕集器新鲜过滤效率。

105、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。