汽车排放后处理器带热介质振动试验系统

刘浩，刘玥，芮鹏，罗旺

（1.天津航天瑞莱科技有限公司,武汉 430056； 2.北京强度环境研究所，北京 100076）

引言

EGP（Exhaust Gas Processor）是汽车排放后处理系统中的重要部件，由氨扩散器、催化器、消声装置三个串联、独立的单元组成，主要功能为处理发动机排出的高温有害气体。EGP在工作过程中，其催化器内化学过程最低温度为200 ℃，最高温度可达600 ℃；EGP在实际工作状态时需要避免遭受剧烈震动。

EGP的工作环境决定在其验证试验中，必须进行随机振动试验以考核产品在汽车运行过程中的结构强度和耐久能力。由于工作中气流温度高达600 ℃，不便在试验室内实现，因此目前国内EGP的振动试验通常在常温下进行，未考虑热气流对产品的影响，在考核程度上存在严重不足[1，2]。

1 EGP产品介绍

1.1 EGP典型产品参数

图1 国五典型EGP产品图

商用车国五EGP质量通常15～30 kg左右，典型尺寸如图1所示。EGP在工作状态下，高温燃气由进口流入，出口流出。2018年，商用车国六标准出台，为满足更高要求的排放标准，EGP中普遍增加了DOC、DPF处理单元[3]，使得其外形变得复杂，传感器和管路明显增多，但其使用环境并未发生变化，因此试验考核条件仍与国五EGP一致。本文以国五EGP为例，详细阐述EGP带热介质振动试验系统。

1.2 试验进气要求

1）空气流量：（500±5 %）kg/h；

2）进气温度：（600±5）℃；

3）进气压力：（31±5 %）kPa。

1.3 振动要求

振动量级：Grms=5.76 g。

2 EGP带热介质振动试验系统设计方案

2.1 设计思路

EGP振动试验的介质为高温空气，气体进入EGP时最高温度要达到（600±5）℃，空气流量要达到（500±5 %）kg/h。这样大的流量、这么高的温度下，温度控制精度要达到±5 ℃，其控制精度的要求很高，且对加热器、流量计的要求也较高。对于这样大流量、高温度的气体加热要求，其能耗必然很大，考虑到经济效益和节能要求，系统设置了回热换热器，将高温废气循环利用于新风气加热，以降低加热器功耗。

2.2 系统组成

试验系统由供气分系统、加热分系统、测控分系统等组成。其中，供气分系统用于产生试验用的气体，主要由罗茨风机系统、稳压罐、相关管路及阀门等组成；加热分系统用于加热试验用的气体，主要由电加热器、回热换热器、相关管路及阀门组成；测控分系统用于测控气体的流量、温度、压力等参数，主要由传感器、采集器等组成。

本试验时间较长（单方向4～16 h），高温可通过夹具传递至振动台工作台面，影响振动台正常运行。因此本方案设计了水冷隔热工装，为单点支撑形式，利用循环水降低夹具向振动台工作台面的热量传递。系统工作原理图如图2。

2.3 系统工作流程

系统主要工作流程如图3所示。系统工作时，空气进入罗茨风机，风机自带过滤器可过滤空气中的杂质，产生的高压气体进入稳压罐，通过调节阀调节压力进入电加热器，升温后的气体进入试验件，并直接排出。

图2 系统工作原理图

图3 工作流程图

因为产品出口的气体温度较高，在出口设置了备用的回热换热器，压缩机产生的常温气体也可进入回热换热器预热，再进入电加热器，以实现节能的目的。若试验件对出口背压有严格要求，可关闭回热换热器支路。

3 系统设计选型

3.1 供气分系统设备设计选型

1）风机

根据技术指标，空气流量要求为（500±5 %）kg/h（标准条件下密度按1.293 kg/m3），体积流量为6.5 m3/min，压力为（31±5 %） kPa。考虑管路、弯头、电加热器等流阻，以及使用回热换热器的工况，选择罗茨风机作为供气源。供气分系统由罗茨风机产生压缩气体，风机具备干燥、过滤、除油功能。

考虑到系统使用的扩展要求，罗茨鼓风机选用SSR125型，以皮带形式传动，流量范围为5.9～11.8 m3/min，升压31 kPa，迷宫密封，空冷。风机系统含进出口消声器、安全阀、压力传感器等设备。系统选用310S材质，管径出口变径为DN100，通过加装放气管路来满足其他流量的使用要求。

空气经过罗茨风机进气口，过滤后通过风机压缩成流量为（500±5 %）kg/h，体积流量为6.5 m3/min，压力为31 kPa的压缩空气。空气流量及压力由单向阀后管路上压力传感器及流量计测得，并将信号传至控制柜终端显示，控制系统依据要求通过调节电机来控制风机的出气量。并在风机后管路上配置放空旁路以排放多余气体，该放空管路上配置电动放空阀及消音器。风机尺寸为2 500×860 mm（长×宽）。

2）稳压罐

在风机系统后管路设置一个稳压罐，该稳压罐能存贮压缩空气，减少风机排气不连续产生的压力脉动，实现供气和用气的平衡。

空压机最大流量为12 m3/min（0.2 m3/s），取其十倍体积，稳压罐选取2 m3容量，耐压0.09 MPa，Q345R材质，尺寸为Φ1 200×3 407 mm。

3）电加热器

空气比热容CP=1.4 kJ/（kg·K），流量500 kg/h，温升范围：20～600 ℃，升温时间：t=60 min=3 600 s。

根据能量守恒公式，空气升温的热能：

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。所以流量为500 kg/h时功率理论值为113 kW，考虑到加热器发散效率、散热余量，最终加热器功率120 kW。进出口管径DN150。当气体流量大于500 kg/h，或系统散热过快时，启用回热换热器以使加热器功率满足要求。

电加热器选用定制型电加热器380 V/120 kW，加热温度可达600 ℃，功率120 kW，风量7.66.5 m3/min，外壳Q235，内膛304不锈钢，加热管310S。外部用200 mm厚优质硅酸铝棉做保温。尺寸2 050×505 mm（长×宽）。

4）回热换热器（如图4）

通过上述计算，如果使用电加热器对常温气体加热至试验要求温度，功率为120 kW，对厂房电负荷要求较高，且会造成试验费用的增加。

回热换热器是利用产品排出气体携带的热量，对新进空气预热，实现降低电加热功率的目的。假设回热换热率为50 %，则加热功率可降低为60 kW；假设换热功率为70 %，则加热功率可降低为36 kW。

回热换热器缺点是造成排气具有一定流阻，产生备压。此外，排气温度较高，对换热器的性能要求高，也造成系统建设初期成本明显增加。

换热器选择YR-LZ30I型，热气进口温度600 ℃，出口温度200 ℃；冷气进口温度20 ℃，出口温度415 ℃。流量500 kg/h，压力损失500 Pa，传热量57 kW。尺寸2 140×950×1 050 mm（长×宽×高）。

5）管路及阀门

加热器后管路选用310S型不锈钢材质，管径DN100，管路做硅酸铝棉保温处理。其余管路选择碳钢Q235A无缝钢管，管径DN100，采用电阻焊或埋弧焊，管材满足GBT 3091-2008要求。

3.2 测试及控制系统设计选型

测控分系统负责实现供气温度及压力的闭环控制，同时对监测参数、设备运行状态进行数据采集，并实现数据存储和安全保护等功能。测控系统包括数据采集分系统、控制分系统和测控软件。

流量计采用A+K平衡流量计，辅助流量测量采用国产体积流量计，温度传感器采用铂电阻，压力传感器采用压阻式。

测控分系统由计算机和控制器两部分组成，计算机布置在控制室内，计算机主要完成控制指令的下发，试验工位控制点状态、监控点数据实时显示，试验数据的存储等工作，控制器主要完成试验的过程控制、数据通讯和安全保护等工作。

计算机与控制器之间采用千兆以太网连接和通讯，具备高速的网络通讯能力。高空模拟试验系统的传感器和阀门以及管路中的阀门状态信号与PLC的I/O模块连接，并通过以太网上传至计算机。经PLC运算后的控制信号发送至控制风机、加热器等被控对象。

该试验器的数据采集系统主要由PLC控制器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、传感器及隔离模块等组成，该结构组成框图如图5所示。

图4 回热换热器

图5 控制框架

数据采集分系统主要采集被测产品及管路关键节点的温度、压力、流量以及加热系统、风机的状态参数。

测量分系统包括流量传感器及变送器、温度传感器及变送器、压力传感器及变送器、屏蔽测试电缆及多通道数据采集系统等。

4 试验系统及结果分析

4.1 试验系统

按照系统试验原理图，组建EGP带热介质振动试验系统。系统部分设备如图6所示。

图6 系统部分设备图

4.2 系统试验结果分析

试验过程场景图如图7所示。

图7 试验场景图

通过试验件外观可以看出其正在经过高温考查。试验过程数据如图8、9以所示。

图8 500 ℃30 Hz时监控画面

图9 试验过程温度、压力、流量数据曲线图

图8为设定温度500 ℃，风机30 Hz运行时控制程序显示画面，图9为试验过程中温度、压力、流量记录曲线。试验后对系统的极限流量进行了摸排，结果如表1所示，在设定温度500 ℃时，系统最大流量为635.5 kg/h。

表1 试验系统实测数据

通过数据曲线可以分析出供气温度、压力、流量满足试验件设计方要求，温度控制精度、压力控制精度、流量控制精度均满足使用需求。系统研制成功。

5 结论

1）EGP带热介质振动试验系统研制的难点在于温度的控制，高达500 ℃的大流量气体温度控制精度要满足要求，需要在控制程序和设备选型上严格要求；

2）回热换热器的使用有助于减少耗电量，但使用时需要注意背压；

3）缓冲罐的采用证明可以过滤空压机的压力波动，有助于提高压力控制精度。