趙曉東，高殿朋，曾偉，陳興通，盛林強(qiáng)

(凱龍高科技股份有限公司，江蘇無錫 214153)

0 引言

SCR是降低柴油車尾氣排放物NOx排放的主要措施，主要由催化載體、尿素計(jì)量泵、尿素罐、尿素噴嘴等組成，ECU或者尿素計(jì)量泵內(nèi)集成的DCU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，計(jì)算出所需要的尿素量，經(jīng)尿素噴嘴噴射進(jìn)排氣管道與尾氣發(fā)生反應(yīng)[1-3]。

尿素溶液凝固點(diǎn)為-11 ℃，在低溫地區(qū)，尿素罐內(nèi)尿素結(jié)冰成為車輛啟動(dòng)過程中一個(gè)必須面對(duì)的問題，尿素罐只有成功解凍，車輛才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，否則OBD系統(tǒng)會(huì)向ECU發(fā)送故障報(bào)告[4]。鑒于尿素解凍對(duì)整車正常運(yùn)行的重要性，提高其解凍速率具有重要意義。

振動(dòng)測(cè)試是尿素泵、尿素罐等SCR系統(tǒng)部件以及許多汽車零部件、總成在開發(fā)過程中的重要驗(yàn)證項(xiàng)目[5-6]。在實(shí)際裝車運(yùn)行之前，主要通過振動(dòng)測(cè)試臺(tái)根據(jù)采集的路譜信號(hào)模擬整車的運(yùn)行工況，測(cè)試開發(fā)樣件的穩(wěn)定性。

作為SCR系統(tǒng)提供商，某公司在尿素罐的加熱解凍與尿素罐振動(dòng)測(cè)試方面均進(jìn)行過相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)利用公司現(xiàn)有試驗(yàn)條件，結(jié)合尿素罐的解凍與振動(dòng)兩個(gè)因素，開展一項(xiàng)基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究，探究振動(dòng)對(duì)解凍速率的影響，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)可以細(xì)化振動(dòng)參數(shù)，從振動(dòng)方向、振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率3個(gè)因素進(jìn)行研究。一方面希望借此提出提高尿素罐低溫解凍速度的方法；同時(shí)，對(duì)涉及到低溫解凍的其他行業(yè)與領(lǐng)域，為正確利用振動(dòng)來提高結(jié)冰解凍速率提供數(shù)值依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用到的設(shè)備如圖1所示，從左到右分別為振動(dòng)臺(tái)控制柜、電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、溫度記錄儀，放置在振動(dòng)臺(tái)上的是尿素罐，通過固定支架安裝在振動(dòng)工裝上。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

振動(dòng)設(shè)備為公司電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，該電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的需求輸入?yún)?shù)為振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度。通過控制軟件，可以讀取到當(dāng)前的實(shí)際振動(dòng)頻率(Hz)、振動(dòng)加速度(m/s2)與位移峰峰值(mm)，位移峰峰值即振動(dòng)幅度，簡稱振幅。

采用JK3016多路溫度記錄儀記錄尿素罐內(nèi)部溫升曲線，該溫度記錄儀使用K型熱電偶，如圖2、圖3所示，測(cè)溫精度0.1 ℃，采樣時(shí)間1 s，插入U(xiǎn)盤即可自動(dòng)將溫度數(shù)據(jù)拷入。

圖2 K3016多路溫度記錄儀

圖3 K型熱電偶

此次試驗(yàn)?zāi)蛩毓抟?guī)格為16 L，由于主要研究內(nèi)容為振動(dòng)對(duì)低溫解凍速率的影響，因此使用水作為測(cè)試介質(zhì)即可，采用自然解凍方式，每輪試驗(yàn)保持罐內(nèi)水量為10 L。在罐內(nèi)布置熱電偶，記錄尿素罐低溫解凍溫度升高過程。

1.2 試驗(yàn)方案

在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上一般按照采集的路譜信號(hào)進(jìn)行尿素罐和尿素泵的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)試驗(yàn)，此次試驗(yàn)將從振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度3個(gè)因素分別研究振動(dòng)對(duì)尿素罐低溫解凍速率的影響。設(shè)備與固定尿素罐的安裝托架可以承受的振動(dòng)強(qiáng)度有限，因此需要設(shè)置合理的振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度，保障試驗(yàn)人員的安全與設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行不同振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度組合的設(shè)備摸底試驗(yàn)，研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備能承受的最大振動(dòng)加速度與振動(dòng)頻率的組合，最終設(shè)計(jì)了如表1所示的試驗(yàn)方案，序號(hào)為1、2、3的試驗(yàn)用于對(duì)比振動(dòng)頻率對(duì)低溫解凍速率的影響，序號(hào)為1、4、5的試驗(yàn)用于對(duì)比振動(dòng)加速度對(duì)低溫解凍速率的影響，序號(hào)4、6用于對(duì)比振動(dòng)方向?qū)Φ蜏亟鈨鏊俾实挠绊?，每次試?yàn)控制環(huán)境溫度為(20±2) ℃。

表1 振動(dòng)試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4所示為無振動(dòng)自然狀態(tài)下尿素罐低溫解凍溫升曲線，可以看出:在解凍初期，溫度上升速度與時(shí)間基本呈線性關(guān)系;在溫度接近-15 ℃時(shí)，溫度升高速率開始逐漸降低，趨于平緩；在溫度升高到0 ℃一直到整個(gè)尿素罐內(nèi)的液體全部解凍完成，溫度始終在0°左右。在后文中進(jìn)行振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度這3個(gè)振動(dòng)因素對(duì)尿素罐低溫解凍速率影響的試驗(yàn)中，為便于數(shù)據(jù)對(duì)比，統(tǒng)一截取溫度起點(diǎn)為-35 ℃、解凍時(shí)長為2 h的一段溫升曲線。

圖4 無振動(dòng)狀態(tài)下解凍速率

2.1 振動(dòng)方向?qū)鈨鏊俾实挠绊?/h3>

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)可以沿X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)，Z方向即為垂直振動(dòng)，X與Y方向均為水平方向。由于X、Y兩個(gè)水平方向具有對(duì)稱性，此次試驗(yàn)只進(jìn)行X方向與Z方向的振動(dòng)試驗(yàn)，研究垂直方向與水平方向振動(dòng)對(duì)尿素罐低溫解凍速率的影響，振動(dòng)頻率為60 Hz，振動(dòng)加速度為20 m/s2，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?兩個(gè)方向的振動(dòng)均可以加快尿素罐低溫解凍速度，垂直方向的振動(dòng)對(duì)于解凍速率的影響更為明顯。

圖5 不同振動(dòng)方向下的解凍速率

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)解凍速率的影響

保持振動(dòng)加速度為10 m/s2，振動(dòng)方向?yàn)榇怪闭駝?dòng)，設(shè)定振動(dòng)頻率分別為60、120、180 Hz，研究振動(dòng)頻率對(duì)尿素罐低溫解凍的影響。測(cè)溫記錄儀記錄的溫升曲線如圖6所示?？梢钥闯?隨著振動(dòng)頻率的增加，尿素罐解凍速率有所增加，但增加效果隨著振動(dòng)頻率的增加而減弱，總體來看，提升頻率對(duì)于解凍速率的提高效果不是非常明顯。振動(dòng)頻率為60、120、180 Hz時(shí)，在7 200 s解凍時(shí)間點(diǎn)，相比于無振動(dòng)情況，最終溫度分別提高了1.5、2.4和2.8 ℃，振動(dòng)頻率從120 Hz提高到180 Hz時(shí)，解凍速率的提升已經(jīng)非常微弱。

提高振動(dòng)頻率對(duì)解凍速率的提升有限，且頻率越高，越不明顯，這是因?yàn)槌苏駝?dòng)加速度和振動(dòng)頻率，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的實(shí)際振動(dòng)效果還受到振動(dòng)幅度的影響。在此次實(shí)驗(yàn)中，振幅是一個(gè)不可控制、受到振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度影響的變量。振動(dòng)加速度一定，每次振動(dòng)的速度保持一致，則振動(dòng)頻率越大，每次振動(dòng)位移時(shí)間越少，導(dǎo)致振幅越小。在振動(dòng)加速度保持10 m/s2的條件下，振動(dòng)頻率與振幅的關(guān)系如圖7所示，隨著振動(dòng)頻率從60 Hz提高到120和180 Hz，振幅從0.14 mm分別降低到0.035與0.016 mm，可見頻率從60 Hz提高到2倍與3倍時(shí)，振幅下降到原來的25%與11.1%，振幅下降速度大于頻率的增加速度，綜合之下，對(duì)尿素罐低溫解凍速度提升效果越來越弱。

圖6 不同振動(dòng)頻率下的解凍速率

圖7 不同振動(dòng)頻率下的振幅

2.3 振動(dòng)加速度對(duì)解凍速率的影響

保持振動(dòng)頻率為60 Hz，設(shè)定振動(dòng)加速度分別為10、20與30 m/s2，研究振動(dòng)加速度對(duì)尿素罐低溫解凍的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可以看出:隨著振動(dòng)加速度的提高，尿素罐解凍速率增加，且振動(dòng)加速度增幅越大，解凍速率提升效果越明顯。在7 200 s解凍時(shí)間點(diǎn)，振動(dòng)加速度分別為10 與20 m/s2時(shí)，相比于無振動(dòng)情況，溫度分別升高了1.5和3.8 ℃，振動(dòng)加速度為30 m/s2時(shí)，在解凍時(shí)間6 500 s后，溫度已處于0 ℃附近。

與提高振動(dòng)頻率對(duì)解凍速率的影響相反，隨著振動(dòng)加速度提升，解凍速率提升越來越明顯。原因?yàn)檎駝?dòng)頻率一定，每次振動(dòng)位移的時(shí)間一定，振動(dòng)加速度越大，單次振動(dòng)的速度越高，則在每次的振動(dòng)位移時(shí)間內(nèi)位移量越大，即振幅越大。頻率為60 Hz時(shí)，振動(dòng)加速度與振幅的關(guān)系如圖9所示，振幅與振動(dòng)加速度基本呈線性關(guān)系。在試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)與固定支架的振動(dòng)程度會(huì)隨著振動(dòng)加速度的提高明顯增加，當(dāng)加速度增加到30 m/s2時(shí)，固定支架與尿素罐已發(fā)生明顯抖動(dòng)，且振動(dòng)聲音顯著增加，從固定支架、螺釘?shù)膹?qiáng)度、操作人員安全等因素考慮，將振動(dòng)加速度最大值設(shè)置為30 m/s2。

圖8 不同振動(dòng)加速度下的解凍速率

圖9 不同振動(dòng)加速度下的振幅

3 結(jié)論

基于公司現(xiàn)有尿素罐與電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，從振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度3個(gè)因素著手研究了振動(dòng)對(duì)低溫解凍速率的影響。主要結(jié)論有：

(1)在各種振動(dòng)條件下，尿素罐低溫解凍速率均得到提升，提升的幅度受振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率以及振動(dòng)加速度影響。

(2)垂直方向振動(dòng)對(duì)解凍速率的提升大于水平方向振動(dòng)。

(3)振動(dòng)頻率越高，解凍速率越快，但振動(dòng)頻率越高，對(duì)解凍速率的增加效果越弱。主要原因?yàn)檎駝?dòng)幅度會(huì)隨著振動(dòng)頻率的提高而下降，抵消了振動(dòng)頻率提高帶來的影響?？傮w而言，振動(dòng)頻率對(duì)解凍速率的影響較小。

(4)振動(dòng)加速度對(duì)尿素罐低溫解凍速率影響較大，且隨著振動(dòng)加速度的增加，解凍速率提升越大。主要原因?yàn)檎駝?dòng)頻率一定時(shí)，振動(dòng)加速度越高，振動(dòng)幅度越大，但伴隨著噪聲增加以及設(shè)備安全性問題。