汽車排放后處理器帶熱介質振動試驗系統

劉浩，劉玥，芮鵬，羅旺

（1.天津航天瑞萊科技有限公司,武漢 430056； 2.北京強度環境研究所，北京 100076）

引言

EGP（Exhaust Gas Processor）是汽車排放后處理系統中的重要部件，由氨擴散器、催化器、消聲裝置三個串聯、獨立的單元組成，主要功能為處理發動機排出的高溫有害氣體。EGP在工作過程中，其催化器內化學過程最低溫度為200 ℃，最高溫度可達600 ℃；EGP在實際工作狀態時需要避免遭受劇烈震動。

EGP的工作環境決定在其驗證試驗中，必須進行隨機振動試驗以考核產品在汽車運行過程中的結構強度和耐久能力。由于工作中氣流溫度高達600 ℃，不便在試驗室內實現，因此目前國內EGP的振動試驗通常在常溫下進行，未考慮熱氣流對產品的影響，在考核程度上存在嚴重不足[1，2]。

1 EGP產品介紹

1.1 EGP典型產品參數

圖1 國五典型EGP產品圖

商用車國五EGP質量通常15～30 kg左右，典型尺寸如圖1所示。EGP在工作狀態下，高溫燃氣由進口流入，出口流出。2018年，商用車國六標準出臺，為滿足更高要求的排放標準，EGP中普遍增加了DOC、DPF處理單元[3]，使得其外形變得復雜，傳感器和管路明顯增多，但其使用環境并未發生變化，因此試驗考核條件仍與國五EGP一致。本文以國五EGP為例，詳細闡述EGP帶熱介質振動試驗系統。

1.2 試驗進氣要求

1）空氣流量：（500±5 %）kg/h；

2）進氣溫度：（600±5）℃；

3）進氣壓力：（31±5 %）kPa。

1.3 振動要求

振動量級：Grms=5.76 g。

2 EGP帶熱介質振動試驗系統設計方案

2.1 設計思路

EGP振動試驗的介質為高溫空氣，氣體進入EGP時最高溫度要達到（600±5）℃，空氣流量要達到（500±5 %）kg/h。這樣大的流量、這么高的溫度下，溫度控制精度要達到±5 ℃，其控制精度的要求很高，且對加熱器、流量計的要求也較高。對于這樣大流量、高溫度的氣體加熱要求，其能耗必然很大，考慮到經濟效益和節能要求，系統設置了回熱換熱器，將高溫廢氣循環利用于新風氣加熱，以降低加熱器功耗。

2.2 系統組成

試驗系統由供氣分系統、加熱分系統、測控分系統等組成。其中，供氣分系統用于產生試驗用的氣體，主要由羅茨風機系統、穩壓罐、相關管路及閥門等組成；加熱分系統用于加熱試驗用的氣體，主要由電加熱器、回熱換熱器、相關管路及閥門組成；測控分系統用于測控氣體的流量、溫度、壓力等參數，主要由傳感器、采集器等組成。

本試驗時間較長（單方向4～16 h），高溫可通過夾具傳遞至振動臺工作臺面，影響振動臺正常運行。因此本方案設計了水冷隔熱工裝，為單點支撐形式，利用循環水降低夾具向振動臺工作臺面的熱量傳遞。系統工作原理圖如圖2。

2.3 系統工作流程

系統主要工作流程如圖3所示。系統工作時，空氣進入羅茨風機，風機自帶過濾器可過濾空氣中的雜質，產生的高壓氣體進入穩壓罐，通過調節閥調節壓力進入電加熱器，升溫后的氣體進入試驗件，并直接排出。

圖2 系統工作原理圖

圖3 工作流程圖

因為產品出口的氣體溫度較高，在出口設置了備用的回熱換熱器，壓縮機產生的常溫氣體也可進入回熱換熱器預熱，再進入電加熱器，以實現節能的目的。若試驗件對出口背壓有嚴格要求，可關閉回熱換熱器支路。

3 系統設計選型

3.1 供氣分系統設備設計選型

1）風機

根據技術指標，空氣流量要求為（500±5 %）kg/h（標準條件下密度按1.293 kg/m3），體積流量為6.5 m3/min，壓力為（31±5 %） kPa。考慮管路、彎頭、電加熱器等流阻，以及使用回熱換熱器的工況，選擇羅茨風機作為供氣源。供氣分系統由羅茨風機產生壓縮氣體，風機具備干燥、過濾、除油功能。

考慮到系統使用的擴展要求，羅茨鼓風機選用SSR125型，以皮帶形式傳動，流量范圍為5.9～11.8 m3/min，升壓31 kPa，迷宮密封，空冷。風機系統含進出口消聲器、安全閥、壓力傳感器等設備。系統選用310S材質，管徑出口變徑為DN100，通過加裝放氣管路來滿足其他流量的使用要求。

空氣經過羅茨風機進氣口，過濾后通過風機壓縮成流量為（500±5 %）kg/h，體積流量為6.5 m3/min，壓力為31 kPa的壓縮空氣。空氣流量及壓力由單向閥后管路上壓力傳感器及流量計測得，并將信號傳至控制柜終端顯示，控制系統依據要求通過調節電機來控制風機的出氣量。并在風機后管路上配置放空旁路以排放多余氣體，該放空管路上配置電動放空閥及消音器。風機尺寸為2 500×860 mm（長×寬）。

2）穩壓罐

在風機系統后管路設置一個穩壓罐，該穩壓罐能存貯壓縮空氣，減少風機排氣不連續產生的壓力脈動，實現供氣和用氣的平衡。

空壓機最大流量為12 m3/min（0.2 m3/s），取其十倍體積，穩壓罐選取2 m3容量，耐壓0.09 MPa，Q345R材質，尺寸為Φ1 200×3 407 mm。

3）電加熱器

空氣比熱容CP=1.4 kJ/（kg·K），流量500 kg/h，溫升范圍：20～600 ℃，升溫時間：t=60 min=3 600 s。

根據能量守恒公式，空氣升溫的熱能：

其中，ΔT=580 ℃，M=500 kg，那么Q=1.4×500×580=406 000 kJ，P=406 000 kJ/3 600 s=113 kW。所以流量為500 kg/h時功率理論值為113 kW，考慮到加熱器發散效率、散熱余量，最終加熱器功率120 kW。進出口管徑DN150。當氣體流量大于500 kg/h，或系統散熱過快時，啟用回熱換熱器以使加熱器功率滿足要求。

電加熱器選用定制型電加熱器380 V/120 kW，加熱溫度可達600 ℃，功率120 kW，風量7.66.5 m3/min，外殼Q235，內膛304不銹鋼，加熱管310S。外部用200 mm厚優質硅酸鋁棉做保溫。尺寸2 050×505 mm（長×寬）。

4）回熱換熱器（如圖4）

通過上述計算，如果使用電加熱器對常溫氣體加熱至試驗要求溫度，功率為120 kW，對廠房電負荷要求較高，且會造成試驗費用的增加。

回熱換熱器是利用產品排出氣體攜帶的熱量，對新進空氣預熱，實現降低電加熱功率的目的。假設回熱換熱率為50 %，則加熱功率可降低為60 kW；假設換熱功率為70 %，則加熱功率可降低為36 kW。

回熱換熱器缺點是造成排氣具有一定流阻，產生備壓。此外，排氣溫度較高，對換熱器的性能要求高，也造成系統建設初期成本明顯增加。

換熱器選擇YR-LZ30I型，熱氣進口溫度600 ℃，出口溫度200 ℃；冷氣進口溫度20 ℃，出口溫度415 ℃。流量500 kg/h，壓力損失500 Pa，傳熱量57 kW。尺寸2 140×950×1 050 mm（長×寬×高）。

5）管路及閥門

加熱器后管路選用310S型不銹鋼材質，管徑DN100，管路做硅酸鋁棉保溫處理。其余管路選擇碳鋼Q235A無縫鋼管，管徑DN100，采用電阻焊或埋弧焊，管材滿足GBT 3091-2008要求。

3.2 測試及控制系統設計選型

測控分系統負責實現供氣溫度及壓力的閉環控制，同時對監測參數、設備運行狀態進行數據采集，并實現數據存儲和安全保護等功能。測控系統包括數據采集分系統、控制分系統和測控軟件。

流量計采用A+K平衡流量計，輔助流量測量采用國產體積流量計，溫度傳感器采用鉑電阻，壓力傳感器采用壓阻式。

測控分系統由計算機和控制器兩部分組成，計算機布置在控制室內，計算機主要完成控制指令的下發，試驗工位控制點狀態、監控點數據實時顯示，試驗數據的存儲等工作，控制器主要完成試驗的過程控制、數據通訊和安全保護等工作。

計算機與控制器之間采用千兆以太網連接和通訊，具備高速的網絡通訊能力。高空模擬試驗系統的傳感器和閥門以及管路中的閥門狀態信號與PLC的I/O模塊連接，并通過以太網上傳至計算機。經PLC運算后的控制信號發送至控制風機、加熱器等被控對象。

該試驗器的數據采集系統主要由PLC控制器、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、傳感器及隔離模塊等組成，該結構組成框圖如圖5所示。

圖4 回熱換熱器

圖5 控制框架

數據采集分系統主要采集被測產品及管路關鍵節點的溫度、壓力、流量以及加熱系統、風機的狀態參數。

測量分系統包括流量傳感器及變送器、溫度傳感器及變送器、壓力傳感器及變送器、屏蔽測試電纜及多通道數據采集系統等。

4 試驗系統及結果分析

4.1 試驗系統

按照系統試驗原理圖，組建EGP帶熱介質振動試驗系統。系統部分設備如圖6所示。

圖6 系統部分設備圖

4.2 系統試驗結果分析

試驗過程場景圖如圖7所示。

圖7 試驗場景圖

通過試驗件外觀可以看出其正在經過高溫考查。試驗過程數據如圖8、9以所示。

圖8 500 ℃30 Hz時監控畫面

圖9 試驗過程溫度、壓力、流量數據曲線圖

圖8為設定溫度500 ℃，風機30 Hz運行時控制程序顯示畫面，圖9為試驗過程中溫度、壓力、流量記錄曲線。試驗后對系統的極限流量進行了摸排，結果如表1所示，在設定溫度500 ℃時，系統最大流量為635.5 kg/h。

表1 試驗系統實測數據

通過數據曲線可以分析出供氣溫度、壓力、流量滿足試驗件設計方要求，溫度控制精度、壓力控制精度、流量控制精度均滿足使用需求。系統研制成功。

5 結論

1）EGP帶熱介質振動試驗系統研制的難點在于溫度的控制，高達500 ℃的大流量氣體溫度控制精度要滿足要求，需要在控制程序和設備選型上嚴格要求；

2）回熱換熱器的使用有助于減少耗電量，但使用時需要注意背壓；

3）緩沖罐的采用證明可以過濾空壓機的壓力波動，有助于提高壓力控制精度。