汽車排放后處理器帶熱介質(zhì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

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(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

引言

EGP（Exhaust Gas Processor）是汽車排放后處理系統(tǒng)中的重要部件，由氨擴(kuò)散器、催化器、消聲裝置三個(gè)串聯(lián)、獨(dú)立的單元組成，主要功能為處理發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫有害氣體。EGP在工作過(guò)程中，其催化器內(nèi)化學(xué)過(guò)程最低溫度為200 ℃，最高溫度可達(dá)600 ℃；EGP在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)需要避免遭受劇烈震動(dòng)。

EGP的工作環(huán)境決定在其驗(yàn)證試驗(yàn)中，必須進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)以考核產(chǎn)品在汽車運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久能力。由于工作中氣流溫度高達(dá)600 ℃，不便在試驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此目前國(guó)內(nèi)EGP的振動(dòng)試驗(yàn)通常在常溫下進(jìn)行，未考慮熱氣流對(duì)產(chǎn)品的影響，在考核程度上存在嚴(yán)重不足[1，2]。

1 EGP產(chǎn)品介紹

1.1 EGP典型產(chǎn)品參數(shù)

圖1 國(guó)五典型EGP產(chǎn)品圖

商用車國(guó)五EGP質(zhì)量通常15～30 kg左右，典型尺寸如圖1所示。EGP在工作狀態(tài)下，高溫燃?xì)庥蛇M(jìn)口流入，出口流出。2018年，商用車國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，為滿足更高要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，EGP中普遍增加了DOC、DPF處理單元[3]，使得其外形變得復(fù)雜，傳感器和管路明顯增多，但其使用環(huán)境并未發(fā)生變化，因此試驗(yàn)考核條件仍與國(guó)五EGP一致。本文以國(guó)五EGP為例，詳細(xì)闡述EGP帶熱介質(zhì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)進(jìn)氣要求

1）空氣流量：（500±5 %）kg/h；

2）進(jìn)氣溫度：（600±5）℃；

3）進(jìn)氣壓力：（31±5 %）kPa。

1.3 振動(dòng)要求

振動(dòng)量級(jí)：Grms=5.76 g。

2 EGP帶熱介質(zhì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

EGP振動(dòng)試驗(yàn)的介質(zhì)為高溫空氣，氣體進(jìn)入EGP時(shí)最高溫度要達(dá)到（600±5）℃，空氣流量要達(dá)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(dá)到±5 ℃，其控制精度的要求很高，且對(duì)加熱器、流量計(jì)的要求也較高。對(duì)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(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能要求，系統(tǒng)設(shè)置了回?zé)釗Q熱器，將高溫廢氣循環(huán)利用于新風(fēng)氣加熱，以降低加熱器功耗。

2.2 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由供氣分系統(tǒng)、加熱分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)等組成。其中，供氣分系統(tǒng)用于產(chǎn)生試驗(yàn)用的氣體，主要由羅茨風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、穩(wěn)壓罐、相關(guān)管路及閥門等組成；加熱分系統(tǒng)用于加熱試驗(yàn)用的氣體，主要由電加熱器、回?zé)釗Q熱器、相關(guān)管路及閥門組成；測(cè)控分系統(tǒng)用于測(cè)控氣體的流量、溫度、壓力等參數(shù)，主要由傳感器、采集器等組成。

本試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)（單方向4～16 h），高溫可通過(guò)夾具傳遞至振動(dòng)臺(tái)工作臺(tái)面，影響振動(dòng)臺(tái)正常運(yùn)行。因此本方案設(shè)計(jì)了水冷隔熱工裝，為單點(diǎn)支撐形式，利用循環(huán)水降低夾具向振動(dòng)臺(tái)工作臺(tái)面的熱量傳遞。系統(tǒng)工作原理圖如圖2。

2.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)主要工作流程如圖3所示。系統(tǒng)工作時(shí)，空氣進(jìn)入羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)自帶過(guò)濾器可過(guò)濾空氣中的雜質(zhì)，產(chǎn)生的高壓氣體進(jìn)入穩(wěn)壓罐，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力進(jìn)入電加熱器，升溫后的氣體進(jìn)入試驗(yàn)件，并直接排出。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

圖3 工作流程圖

因?yàn)楫a(chǎn)品出口的氣體溫度較高，在出口設(shè)置了備用的回?zé)釗Q熱器，壓縮機(jī)產(chǎn)生的常溫氣體也可進(jìn)入回?zé)釗Q熱器預(yù)熱，再進(jìn)入電加熱器，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。若試驗(yàn)件對(duì)出口背壓有嚴(yán)格要求，可關(guān)閉回?zé)釗Q熱器支路。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

3.1 供氣分系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)選型

1）風(fēng)機(jī)

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，空氣流量要求為（500±5 %）kg/h（標(biāo)準(zhǔn)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?？紤]管路、彎頭、電加熱器等流阻，以及使用回?zé)釗Q熱器的工況，選擇羅茨風(fēng)機(jī)作為供氣源。供氣分系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)生壓縮氣體，風(fēng)機(jī)具備干燥、過(guò)濾、除油功能。

考慮到系統(tǒng)使用的擴(kuò)展要求，羅茨鼓風(fēng)機(jī)選用SSR125型，以皮帶形式傳動(dòng)，流量范圍為5.9～11.8 m3/min，升壓31 kPa，迷宮密封，空冷。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)含進(jìn)出口消聲器、安全閥、壓力傳感器等設(shè)備。系統(tǒng)選用310S材質(zhì)，管徑出口變徑為DN100，通過(guò)加裝放氣管路來(lái)滿足其他流量的使用要求。

空氣經(jīng)過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口，過(guò)濾后通過(guò)風(fēng)機(jī)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?？諝饬髁考皦毫τ蓡蜗蜷y后管路上壓力傳感器及流量計(jì)測(cè)得，并將信號(hào)傳至控制柜終端顯示，控制系統(tǒng)依據(jù)要求通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)來(lái)控制風(fēng)機(jī)的出氣量。并在風(fēng)機(jī)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(dòng)放空閥及消音器。風(fēng)機(jī)尺寸為2 500×860 mm（長(zhǎng)×寬）。

2）穩(wěn)壓罐

在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)后管路設(shè)置一個(gè)穩(wěn)壓罐，該穩(wěn)壓罐能存貯壓縮空氣，減少風(fēng)機(jī)排氣不連續(xù)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)供氣和用氣的平衡。

空壓機(jī)最大流量為12 m3/min（0.2 m3/s），取其十倍體積，穩(wěn)壓罐選取2 m3容量，耐壓0.09 MPa，Q345R材質(zhì)，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(shí)間：t=60 min=3 600 s。

根據(jù)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(shí)功率理論值為113 kW，考慮到加熱器發(fā)散效率、散熱余量，最終加熱器功率120 kW。進(jìn)出口管徑DN150。當(dāng)氣體流量大于500 kg/h，或系統(tǒng)散熱過(guò)快時(shí)，啟用回?zé)釗Q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(dá)600 ℃，功率120 kW，風(fēng)量7.66.5 m3/min，外殼Q235，內(nèi)膛304不銹鋼，加熱管310S。外部用200 mm厚優(yōu)質(zhì)硅酸鋁棉做保溫。尺寸2 050×505 mm（長(zhǎng)×寬）。

4）回?zé)釗Q熱器（如圖4）

通過(guò)上述計(jì)算，如果使用電加熱器對(duì)常溫氣體加熱至試驗(yàn)要求溫度，功率為120 kW，對(duì)廠房電負(fù)荷要求較高，且會(huì)造成試驗(yàn)費(fèi)用的增加。

回?zé)釗Q熱器是利用產(chǎn)品排出氣體攜帶的熱量，對(duì)新進(jìn)空氣預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)降低電加熱功率的目的。假設(shè)回?zé)釗Q熱率為50 %，則加熱功率可降低為60 kW；假設(shè)換熱功率為70 %，則加熱功率可降低為36 kW。

回?zé)釗Q熱器缺點(diǎn)是造成排氣具有一定流阻，產(chǎn)生備壓。此外，排氣溫度較高，對(duì)換熱器的性能要求高，也造成系統(tǒng)建設(shè)初期成本明顯增加。

換熱器選擇YR-LZ30I型，熱氣進(jìn)口溫度600 ℃，出口溫度200 ℃；冷氣進(jìn)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(zhǎng)×寬×高）。

5）管路及閥門

加熱器后管路選用310S型不銹鋼材質(zhì)，管徑DN100，管路做硅酸鋁棉保溫處理。其余管路選擇碳鋼Q235A無(wú)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(cè)試及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

測(cè)控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)供氣溫度及壓力的閉環(huán)控制，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和安全保護(hù)等功能。測(cè)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和測(cè)控軟件。

流量計(jì)采用A+K平衡流量計(jì)，輔助流量測(cè)量采用國(guó)產(chǎn)體積流量計(jì)，溫度傳感器采用鉑電阻，壓力傳感器采用壓阻式。

測(cè)控分系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和控制器兩部分組成，計(jì)算機(jī)布置在控制室內(nèi)，計(jì)算機(jī)主要完成控制指令的下發(fā)，試驗(yàn)工位控制點(diǎn)狀態(tài)、監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等工作，控制器主要完成試驗(yàn)的過(guò)程控制、數(shù)據(jù)通訊和安全保護(hù)等工作。

計(jì)算機(jī)與控制器之間采用千兆以太網(wǎng)連接和通訊，具備高速的網(wǎng)絡(luò)通訊能力。高空模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的傳感器和閥門以及管路中的閥門狀態(tài)信號(hào)與PLC的I/O模塊連接，并通過(guò)以太網(wǎng)上傳至計(jì)算機(jī)。經(jīng)PLC運(yùn)算后的控制信號(hào)發(fā)送至控制風(fēng)機(jī)、加熱器等被控對(duì)象。

該試驗(yàn)器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jié)構(gòu)組成框圖如圖5所示。

圖4 回?zé)釗Q熱器

圖5 控制框架

數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)主要采集被測(cè)產(chǎn)品及管路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流量以及加熱系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。

測(cè)量分系統(tǒng)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(cè)試電纜及多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

按照系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖，組建EGP帶熱介質(zhì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)部分設(shè)備如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)部分設(shè)備圖

4.2 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程場(chǎng)景圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)景圖

通過(guò)試驗(yàn)件外觀可以看出其正在經(jīng)過(guò)高溫考查。試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)如圖8、9以所示。

圖8 500 ℃30 Hz時(shí)監(jiān)控畫面

圖9 試驗(yàn)過(guò)程溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)曲線圖

圖8為設(shè)定溫度500 ℃，風(fēng)機(jī)30 Hz運(yùn)行時(shí)控制程序顯示畫面，圖9為試驗(yàn)過(guò)程中溫度、壓力、流量記錄曲線。試驗(yàn)后對(duì)系統(tǒng)的極限流量進(jìn)行了摸排，結(jié)果如表1所示，在設(shè)定溫度500 ℃時(shí)，系統(tǒng)最大流量為635.5 kg/h。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)曲線可以分析出供氣溫度、壓力、流量滿足試驗(yàn)件設(shè)計(jì)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(tǒng)研制成功。

5 結(jié)論

1）EGP帶熱介質(zhì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)研制的難點(diǎn)在于溫度的控制，高達(dá)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(shè)備選型上嚴(yán)格要求；

2）回?zé)釗Q熱器的使用有助于減少耗電量，但使用時(shí)需要注意背壓；

3）緩沖罐的采用證明可以過(guò)濾空壓機(jī)的壓力波動(dòng)，有助于提高壓力控制精度。