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(huán)境研究所,北京 100076)
EGP(Exhaust Gas Processor)是汽車排放后處理系統(tǒng)中的重要部件,由氨擴散器、催化器、消聲裝置三個串聯(lián)、獨立的單元組成,主要功能為處理發(fā)動機排出的高溫有害氣體。EGP在工作過程中,其催化器內(nèi)化學(xué)過程最低溫度為200 ℃,最高溫度可達600 ℃;EGP在實際工作狀態(tài)時需要避免遭受劇烈震動。
EGP的工作環(huán)境決定在其驗證試驗中,必須進行隨機振動試驗以考核產(chǎn)品在汽車運行過程中的結(jié)構(gòu)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(nèi)實現(xiàn),因此目前國內(nèi)EGP的振動試驗通常在常溫下進行,未考慮熱氣流對產(chǎn)品的影響,在考核程度上存在嚴重不足[1,2]。
圖1 國五典型EGP產(chǎn)品圖
商用車國五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(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(zhì)振動試驗系統(tǒng)。
1)空氣流量:(500±5 %)kg/h;
2)進氣溫度:(600±5)℃;
3)進氣壓力:(31±5 %)kPa。
振動量級:Grms=5.76 g。
EGP振動試驗的介質(zhì)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(jīng)濟效益和節(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。
試驗系統(tǒng)由供氣分系統(tǒng)、加熱分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)等組成。其中,供氣分系統(tǒng)用于產(chǎn)生試驗用的氣體,主要由羅茨風(fēng)機系統(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;測控分系統(tǒng)用于測控氣體的流量、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(shè)計了水冷隔熱工裝,為單點支撐形式,利用循環(huán)水降低夾具向振動臺工作臺面的熱量傳遞。系統(tǒng)工作原理圖如圖2。
系統(tǒng)主要工作流程如圖3所示。系統(tǒng)工作時,空氣進入羅茨風(fēng)機,風(fēng)機自帶過濾器可過濾空氣中的雜質(zhì),產(chǎn)生的高壓氣體進入穩(wěn)壓罐,通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)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(tǒng)工作原理圖
圖3 工作流程圖
因為產(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,壓縮機產(chǎn)生的常溫氣體也可進入回?zé)釗Q熱器預(yù)熱,再進入電加熱器,以實現(xiàn)節(jié)能的目的。若試驗件對出口背壓有嚴格要求,可關(guān)閉回?zé)釗Q熱器支路。
1)風(fēng)機
根據(jù)技術(shù)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??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)機作為供氣源。供氣分系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機產(chǎn)生壓縮氣體,風(fēng)機具備干燥、過濾、除油功能。
考慮到系統(tǒng)使用的擴展要求,羅茨鼓風(fēng)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(fēng)機系統(tǒng)含進出口消聲器、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,通過加裝放氣管路來滿足其他流量的使用要求。
空氣經(jīng)過羅茨風(fēng)機進氣口,過濾后通過風(fēng)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(tǒng)依據(jù)要求通過調(diào)節(jié)電機來控制風(fēng)機的出氣量。并在風(fēng)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(fēng)機尺寸為2 500×860 mm(長×寬)。
2)穩(wěn)壓罐
在風(fēng)機系統(tǒng)后管路設(shè)置一個穩(wěn)壓罐,該穩(wěn)壓罐能存貯壓縮空氣,減少風(fēng)機排氣不連續(xù)產(chǎn)生的壓力脈動,實現(xiàn)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(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。進出口管徑DN150。當(dāng)氣體流量大于500 kg/h,或系統(tǒng)散熱過快時,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×寬)。
4)回?zé)釗Q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?zé)釗Q熱器是利用產(chǎn)品排出氣體攜帶的熱量,對新進空氣預(yù)熱,實現(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(zhì),管徑DN100,管路做硅酸鋁棉保溫處理。其余管路選擇碳鋼Q235A無縫鋼管,管徑DN100,采用電阻焊或埋弧焊,管材滿足GBT 3091-2008要求。
測控分系統(tǒng)負責(zé)實現(xiàn)供氣溫度及壓力的閉環(huán)控制,同時對監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和安全保護等功能。測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)由計算機和控制器兩部分組成,計算機布置在控制室內(nèi),計算機主要完成控制指令的下發(fā),試驗工位控制點狀態(tài)、監(jiān)控點數(shù)據(jù)實時顯示,試驗數(shù)據(jù)的存儲等工作,控制器主要完成試驗的過程控制、數(shù)據(jù)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(wǎng)連接和通訊,具備高速的網(wǎng)絡(luò)通訊能力。高空模擬試驗系統(tǒng)的傳感器和閥門以及管路中的閥門狀態(tài)信號與PLC的I/O模塊連接,并通過以太網(wǎng)上傳至計算機。經(jīng)PLC運算后的控制信號發(fā)送至控制風(fēng)機、加熱器等被控對象。
該試驗器的數(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)主要采集被測產(chǎn)品及管路關(guān)鍵節(jié)點的溫度、壓力、流量以及加熱系統(tǒng)、風(fēng)機的狀態(tài)參數(shù)。
測量分系統(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、屏蔽測試電纜及多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
按照系統(tǒng)試驗原理圖,組建EGP帶熱介質(zhì)振動試驗系統(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
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(jīng)過高溫考查。試驗過程數(shù)據(jù)如圖8、9以所示。
圖8 500 ℃30 Hz時監(jiān)控畫面
圖9 試驗過程溫度、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(tǒng)的極限流量進行了摸排,結(jié)果如表1所示,在設(shè)定溫度500 ℃時,系統(tǒng)最大流量為635.5 kg/h。
表1 試驗系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)
通過數(shù)據(jù)曲線可以分析出供氣溫度、壓力、流量滿足試驗件設(shè)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(tǒng)研制成功。
1)EGP帶熱介質(zhì)振動試驗系統(tǒng)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(shè)備選型上嚴格要求;
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。