振动对尿素罐低温解冻过程的影响研究

2020-06-02赵晓东高殿朋曾伟陈兴通盛林强

汽车零部件 2020年5期

赵晓东，高殿朋，曾伟，陈兴通，盛林强

(凯龙高科技股份有限公司，江苏无锡 214153)

0 引言

SCR是降低柴油车尾气排放物NOx排放的主要措施，主要由催化载体、尿素计量泵、尿素罐、尿素喷嘴等组成，ECU或者尿素计量泵内集成的DCU根据发动机工况，计算出所需要的尿素量，经尿素喷嘴喷射进排气管道与尾气发生反应[1-3]。

尿素溶液凝固点为-11 ℃，在低温地区，尿素罐内尿素结冰成为车辆启动过程中一个必须面对的问题，尿素罐只有成功解冻，车辆才能正常运转，否则OBD系统会向ECU发送故障报告[4]。鉴于尿素解冻对整车正常运行的重要性，提高其解冻速率具有重要意义。

振动测试是尿素泵、尿素罐等SCR系统部件以及许多汽车零部件、总成在开发过程中的重要验证项目[5-6]。在实际装车运行之前，主要通过振动测试台根据采集的路谱信号模拟整车的运行工况，测试开发样件的稳定性。

作为SCR系统提供商，某公司在尿素罐的加热解冻与尿素罐振动测试方面均进行过相关的试验验证。现利用公司现有试验条件，结合尿素罐的解冻与振动两个因素，开展一项基础性的实验研究，探究振动对解冻速率的影响，电动振动台可以细化振动参数，从振动方向、振动加速度、振动频率3个因素进行研究。一方面希望借此提出提高尿素罐低温解冻速度的方法；同时，对涉及到低温解冻的其他行业与领域，为正确利用振动来提高结冰解冻速率提供数值依据。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备

试验用到的设备如图1所示，从左到右分别为振动台控制柜、电动振动台、温度记录仪，放置在振动台上的是尿素罐，通过固定支架安装在振动工装上。

图1 试验设备

振动设备为公司电动振动台，该电动振动台的需求输入参数为振动频率与振动加速度。通过控制软件，可以读取到当前的实际振动频率(Hz)、振动加速度(m/s2)与位移峰峰值(mm)，位移峰峰值即振动幅度，简称振幅。

采用JK3016多路温度记录仪记录尿素罐内部温升曲线，该温度记录仪使用K型热电偶，如图2、图3所示，测温精度0.1 ℃，采样时间1 s，插入U盘即可自动将温度数据拷入。

图2 K3016多路温度记录仪

图3 K型热电偶

此次试验尿素罐规格为16 L，由于主要研究内容为振动对低温解冻速率的影响，因此使用水作为测试介质即可，采用自然解冻方式，每轮试验保持罐内水量为10 L。在罐内布置热电偶，记录尿素罐低温解冻温度升高过程。

1.2 试验方案

在电动振动台上一般按照采集的路谱信号进行尿素罐和尿素泵的标准振动试验，此次试验将从振动方向、振动频率与振动加速度3个因素分别研究振动对尿素罐低温解冻速率的影响。设备与固定尿素罐的安装托架可以承受的振动强度有限，因此需要设置合理的振动频率与振动加速度，保障试验人员的安全与设备的正常运转。实验前先进行不同振动频率与振动加速度组合的设备摸底试验，研究实验设备能承受的最大振动加速度与振动频率的组合，最终设计了如表1所示的试验方案，序号为1、2、3的试验用于对比振动频率对低温解冻速率的影响，序号为1、4、5的试验用于对比振动加速度对低温解冻速率的影响，序号4、6用于对比振动方向对低温解冻速率的影响，每次试验控制环境温度为(20±2) ℃。

表1 振动试验方案

2 试验结果与分析

图4所示为无振动自然状态下尿素罐低温解冻温升曲线，可以看出:在解冻初期，温度上升速度与时间基本呈线性关系;在温度接近-15 ℃时，温度升高速率开始逐渐降低，趋于平缓；在温度升高到0 ℃一直到整个尿素罐内的液体全部解冻完成，温度始终在0°左右。在后文中进行振动方向、振动频率与振动加速度这3个振动因素对尿素罐低温解冻速率影响的试验中，为便于数据对比，统一截取温度起点为-35 ℃、解冻时长为2 h的一段温升曲线。

图4 无振动状态下解冻速率

2.1 振动方向对解冻速率的影响

电动振动台可以沿X、Y、Z三个方向进行振动，Z方向即为垂直振动，X与Y方向均为水平方向。由于X、Y两个水平方向具有对称性，此次试验只进行X方向与Z方向的振动试验，研究垂直方向与水平方向振动对尿素罐低温解冻速率的影响，振动频率为60 Hz，振动加速度为20 m/s2，试验结果如图5所示。可以看出:两个方向的振动均可以加快尿素罐低温解冻速度，垂直方向的振动对于解冻速率的影响更为明显。

图5 不同振动方向下的解冻速率

2.2 振动频率对解冻速率的影响

保持振动加速度为10 m/s2，振动方向为垂直振动，设定振动频率分别为60、120、180 Hz，研究振动频率对尿素罐低温解冻的影响。测温记录仪记录的温升曲线如图6所示。可以看出:随着振动频率的增加，尿素罐解冻速率有所增加，但增加效果随着振动频率的增加而减弱，总体来看，提升频率对于解冻速率的提高效果不是非常明显。振动频率为60、120、180 Hz时，在7 200 s解冻时间点，相比于无振动情况，最终温度分别提高了1.5、2.4和2.8 ℃，振动频率从120 Hz提高到180 Hz时，解冻速率的提升已经非常微弱。

提高振动频率对解冻速率的提升有限，且频率越高，越不明显，这是因为除了振动加速度和振动频率，电动振动台的实际振动效果还受到振动幅度的影响。在此次实验中，振幅是一个不可控制、受到振动频率与振动加速度影响的变量。振动加速度一定，每次振动的速度保持一致，则振动频率越大，每次振动位移时间越少，导致振幅越小。在振动加速度保持10 m/s2的条件下，振动频率与振幅的关系如图7所示，随着振动频率从60 Hz提高到120和180 Hz，振幅从0.14 mm分别降低到0.035与0.016 mm，可见频率从60 Hz提高到2倍与3倍时，振幅下降到原来的25%与11.1%，振幅下降速度大于频率的增加速度，综合之下，对尿素罐低温解冻速度提升效果越来越弱。

图6 不同振动频率下的解冻速率

图7 不同振动频率下的振幅

2.3 振动加速度对解冻速率的影响

保持振动频率为60 Hz，设定振动加速度分别为10、20与30 m/s2，研究振动加速度对尿素罐低温解冻的影响。试验结果如图8所示，可以看出:随着振动加速度的提高，尿素罐解冻速率增加，且振动加速度增幅越大，解冻速率提升效果越明显。在7 200 s解冻时间点，振动加速度分别为10 与20 m/s2时，相比于无振动情况，温度分别升高了1.5和3.8 ℃，振动加速度为30 m/s2时，在解冻时间6 500 s后，温度已处于0 ℃附近。

与提高振动频率对解冻速率的影响相反，随着振动加速度提升，解冻速率提升越来越明显。原因为振动频率一定，每次振动位移的时间一定，振动加速度越大，单次振动的速度越高，则在每次的振动位移时间内位移量越大，即振幅越大。频率为60 Hz时，振动加速度与振幅的关系如图9所示，振幅与振动加速度基本呈线性关系。在试验时，振动台与固定支架的振动程度会随着振动加速度的提高明显增加，当加速度增加到30 m/s2时，固定支架与尿素罐已发生明显抖动，且振动声音显著增加，从固定支架、螺钉的强度、操作人员安全等因素考虑，将振动加速度最大值设置为30 m/s2。