基于PTC材料利用Creo3.0设计客车电加热成型尿素管

2018-03-06钱利军钱柏城

客车技术与研究 2018年1期

钱利军，钱柏城

(1.瑞菲艾伦无锡汽车部件有限公司，江苏无锡 214000; 2.施朗德(无锡)电力科技有限责任公司, 江苏无锡 214000)

在汽车尾气中，主要有害物质有CO、NOx、HC以及PM等[1]，世界各国都制定了相应的排放限值标准[2]。SCR是一种排放清洁技术，尿素水溶液作为其化学反应的输入，当温度低于-5 ℃会出现结晶，易导致尿素管路的堵塞；当温度高于75 ℃会出现水解，释放氨气分子，不仅失去了还原反应的NH3分子而且污染环境[3]。因此，很有必要开发能够维持尿素水溶液温度在5～70 ℃的尿素管路加热系统[3]。PTC材料有独特的性能，在通电的状态下，能够自我调节加热温度，维持温度恒定。选择合理的PTC加热单元，同时利用3D Creo3.0 软件设计合理的成型尿素管结构，能够很好地解决尿素管路系统的过冷过热问题。

1 基于PTC材料选择合理功率的加热单元

1.1 加热成型尿素管路系统组成

加热成型SCR尿素管路系统，主要由管路、满足SAE J2044接头、管路保护装置和加热电阻丝或者其他加热装置组成，其中管路系统包括进液管、回液管、喷射管，如图1所示。

图1 尿素管路系统组成

1.2 SCR尿素管加热方式

目前，SCR尿素管加热方式在市场上主要有电加热和水加热两种类型。在我国普遍使用12 V或者 24 V 电加热方式，如图2所示；日本及欧盟部分国家主要使用发动机循环冷却水作为加热方式，如图3所示。

图2 电加热尿素管结构

图3 水加热尿素管结构

发动机循环水加热具有很好的环保节能优势，但在整车布置空间和性能稳定性方面没有电加热方式简单可靠。由于整车模块化的需求，加热成型尿素管已经成为主流方向。

1.3 电加热单元的选择

电加热尿素管有多种结构，利用电阻丝加热管和PTC伴热带加热是两个主要的加热方式[3]。电阻丝加热就是利用焦耳原理产生热量使尿素管路解冻，当温度升到70 ℃，需要电磁阀关闭电源；当温度低于10 ℃，又需要电磁阀打开电源，一旦电磁阀失效，温度持续上升，将产生着火的安全隐患。而PTC材料具有独特的物理性能，可以使温度恒定，具有很好的安全性。PTC材料的物理特性，如图4所示。因此本文采用PTC自限温伴热带作为尿素管路的加热单元[4]。

图4 PTC加热单元温度电阻特性

1.4 PTC伴热带功率的选择

1.4.1 整车设计要求输入

加热电源电压为24 V，要求在环境温度-40 ℃下，30 min内完全使尿素解冻，其加热尿素管长度不超过4 m。室温状态下，电流要求≤3.5 A，-40 ℃下初始启动电流≤5 A。对于这些要求，需要对加热单元的功率进行选择。

1.4.2 PTC伴热带功率选择

从目前的材料库选择了P1= 12 W、P2= 17 W、P3= 25 W的PTC伴热带(此功率是供应商在室温环境中标定测试每米长的结果)，在-40 ℃下，P-1=18 W、P-2= 20 W、P-3= 35 W。

由于PTC材料独特的物理性，因此需要对PTC伴热带进行模型分析。PTC伴热带在通电状态可以等效看作无数大电阻单元并联组成的加热电路，如图5所示。

图5 PTC加热单元等效模型转换

图5中，PTC每一个加热单元等效地看成图中R，在其范围内R值与温度成正比例关系(图4所示)[5]。由于P=U2/R，即在其范围内功率P和电阻成反比，这样PTC加热单元就成为自我调节温度的加热装置[6]。

在温室环境，利用功率公式计算3种伴热带的电阻值分别为：

R1=U2/P1=242/12=48 Ω；

R2=U2/P2=242/17=33.88 Ω；

R3=U2/P3=242/25=23.04 Ω；

根据欧姆定律I=U/R，得到每一个加热单元的电流值I：

I1=U/R1=24/48=0.5 A;

I2=U/R2=24/33.88=0.708 A;

I3=U/R3=24/23.04=1.042 A;

最后，由于整车输入要求：加热尿素管长度不超过4 m，电流要求≤3.5 A。因此，按照并联电路的总电流是各个支流电路电流总和，4 m的加热单元相当于4个1 m的等值R并联，可得到室温下的PTC伴热带4 m电流总和：

I1总=4I1=4×0.5=2 A;

I2总=4I2=4×0.708=2.832 A;

I3总=4I3=4×1.042=4.168 A;

I1总、I2总满足≤3.5 A的要求，即室温下P1=12 W、P2= 17 W均满足加热带最大电流的要求。

另外，在环境温度-40 ℃下，电流需要≤5 A。由于PTC材料的特殊性，温度越低，其加热速度越快，因此在满足要求电流的情况下，需要选择加热速度更快的伴热带。那么，伴热带在低温下功率应该更高。在PTC伴热带一和PTC伴热带二中，P-2数值较大，用同样的方法算出电流I-2总为3.33 A，远小于5 A。

因此选择PTC伴热带为加热单元，P2=17 W(室温下)，P-2= 20 W(-40 ℃下)。

2 电加热成型尿素管路的结构设计

2.1 加热管路结构的组成

加热尿素管的管路部分结构，采用图2所示结构，有尿素管路(PA12+EFET),收缩包紧管(PVDF)，PTC伴热带，以及最外侧保护层波纹管(PA66)。另外，接头采用SAE J2044标准接头。电器接插件部分，由于整车厂端使用泰克AMP282104-1，故只能使用其对接件AMP282080-1.SAE接头和AMP接插件，均属于标准件。

2.2 管路布置设计

根据整车厂尿素箱、尿素泵以及尿素箱支架的位置，如图6所示，应用三维设计软件Creo3.0来完成成型管路的设计。此文就尿素回液管作为设计开发对象。

图6 尿素箱、尿素泵及尿素箱支架

2.2.1 根据设计环境布置管路走向

在三维CAD开发产品的过程中，管体一般是由管路截面按照管线扫掠得到[7]。在Creo3.0三维环境中，按照整车厂装配的实际状态，进行模型约束装配。根据尿素箱、尿素泵和支架的位置关系，选择好对应的接头，完成设计环境的创建。再利用Creo3.0新建坐标点，选择接头中心作为定位点，利用定位点新建所需的点位。其中要重点考虑制造工艺要求,再依次连接各个点，完成管路中心线绘制。利用这个中心线和图2所示管路截面，扫掠得到管体。这样，最主要的尿素管路的管体已经设计完成。

2.2.2 完成成型尿素管总成设计

尿素管成型管体模型已经设计完成。需要进一步完成PTC伴热带、收缩包紧管、以及保护管体的外层波纹管。

前期在放置管体中心线时，已经考虑到了整个管体外径空间，因此，此时设计总成采用从里到外的方法，这样可以保证整个产品有足够的空间，一次性完成设计总成。绘制方法和成型管绘制方法相似。首先完成PTC加热单元的布置，其次布置包紧收缩管，最后将波纹管布置在最外侧。为了让接头和管路连接部位侧面抗冲击的性能增加，在此位置应用注塑包裹的方式，使得尿素管更加可靠。在设计环境中完成的3D模型如图7所示。

图7 尿素管3D模型

3D模型设计完成，需要进一步输出2D工程图纸[8]。利用Creo3.0，输出2D工程图。2D图纸上需要有以下几点技术要求：

1) 尿素液为32.5%尿素水溶液；尿素液的管路工作压力为0.8 MPa。

2) 0.2 MPa的气压下，管路泄露量≤2 cc/min。

3) 室温状态下，24 V电压，导通电流要求≤0.8 A；-40 ℃下初始导通电流要≤1.25 A。

4) 在环境温度-40 ℃，24 V电压下，要求在30 min内尿素管内的固态尿素完全解冻。

5) 加热单元采用PTC加热单元,能够自我调节，加热管路最大加热温度不超过70 ℃。

6) 接头采用SAE J2044标准接头，电器接插件采用AMP282080-1标准接插件。

7) 产品外形必须满足检具要求。

3 效果验证

3.1 电流值测定

采用高低温交变湿热试验箱，对已经制作好的电加热成型尿素管进行电流值测试。在-40 ℃，24 V的恒定电源电压下，利用电流测试仪测得导通电流值为0.990 A；在室温，24 V的恒定电源电压下，测试电流值为0.70 A。出于对整车安全的考虑，整车厂输入的技术要求：在室温，24 V电压下，导通电流要求≤0.8 A；在-40 ℃，24 V电压下初始导通电流≤1.25 A。此测试电流值，满足整车厂技术要求。

3.2 解冻效果

给制作好的加热成型尿素管管路中注入32.5%的尿素水溶液，然后将其放入-40 ℃的环境中1 h，使得尿素管里的尿素水溶液成为固态。然后，接通24 V的恒定电源电压，在-40 ℃的环境中每5 min测量一次温度。通电30 min，尿素管里的温度变化如图8所示。可以看到，当解冻时间达到30 min时，尿素管内的温度可达到15 ℃，尿素完全解冻，达到预期效果。