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Ａｂｓｔｒａｃｔ：This paper introduces the characteristics of EGP products and the significance of the design of EGP vibration test system with thermal medium, describes the design idea of the test system, introduces the design and type selection of each subsystem equipment according to the requirements, and analyzes the test results of the system.
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：EGP vibration test with thermal medium; high temperature; mass flow; high control accuracy
摘要：介绍了汽车排放后处理器（EGP）产品特点及EGP 带热介质振动试验系统研制的意义，叙述了该试验系统设计思路，根据需求介绍了各分系统设备的设计及选型情况，并对应用该系统进行的试验结果做了分析。关键词：EGP 带热介质振动试验；高温；大流量；高控制精度
中图分类号：TB302.3    文献标识码：A      文章编号：1004-7204(2020)03-0104-07
汽车排放后处理器带热介质振动试验系统
EGP Vibration Test System with Thermal Medium
刘浩1，刘玥2，芮鹏2，罗旺1
（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）
LIU Hao 1，LIU Yue 2，RUI Peng 2，LUO Wang 1
(1.Tianjin Aerospace Reliability Technology Co., Ltd., Wuhan 4300562.Beijing Institute of Structure & Environment Engineering, Beijing 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
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
图1  国五典型EGP 产品图
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环境技术/Environmental Technology
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。
图
2  系统工作原理图
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。
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
图
3  工作流程图
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：
汽车消音器
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。
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环境技术/Environmental Technology
图4  回热换热器
图5  控制框架
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。
数据采集分系统主要采集被测产品及管路关键节点
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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。
４．２系统试验结果分析试验过程场景图如图７所示。
通过试验件外观可以看出其正在经过高温考查。试
图6  系统部分设备图
图7  试验场景图
(a)试验台面及管路(c)电加热器(d)换热器(b)风机
(e)
缓冲罐