高殿朋，容祖龍，陳興通，郭士琦，劉德文

(凱龍高科技股份有限公司，江蘇無錫 214153)

0 引言

為了使柴油發(fā)動機滿足國六排放法規(guī)要求，柴油整車的CH/NOx/PM等的排放量需要進一步降低。其中，在降低柴油整車尾氣中有害氣體NOx的含量方面，選擇性催化還原(SCR)是一項不可或缺的有效技術(shù)路線[1]。一套選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)主要由尿素溶液供給罐(簡稱“尿素罐”)、尿素品質(zhì)液位溫度傳感器總成(簡稱“尿素傳感器”)、尿素溶液供給泵總成(簡稱“尿素泵”)、尿素溶液噴嘴總成(簡稱“噴嘴”)、載體及催化劑總成、封裝及混合器總成、后處理控制單元總成(簡稱“DCU”)以及管路等附件組成。其中，尿素泵根據(jù)DCU的指令將符合尿素傳感器檢測要求的尿素溶液從尿素罐中抽取并以一定的穩(wěn)定壓力(一般0.5～0.9 MPa)輸送至噴嘴，噴嘴根據(jù)DCU的指令以一定的霧化特性將尿素溶液定時定量噴射至混合器，霧化后的尿素溶液與柴油機尾氣混合后在載體上發(fā)生化學反應[2-3]，生成無害氣體排出。

標準車用尿素水溶液(32.5%)的凝固點為-11 ℃。在冬季，特別是寒區(qū)，尿素罐內(nèi)尿素溶液結(jié)冰是一種常態(tài)，也是整車冷啟動時需要著重考慮的一個問題。尿素罐是通過引入溫度較高的發(fā)動機冷卻液來實現(xiàn)罐內(nèi)尿素溶液解凍的。只有被解凍的尿素溶液達到一定的體積之后，整個尿素溶液供給系統(tǒng)(尿素泵、尿素傳感器、噴嘴及控制單元)才能正常工作，否則系統(tǒng)會向ECU發(fā)送故障報告[4]。因為尿素溶液供給系統(tǒng)在進入正常工作工況之前要先進行系統(tǒng)本身的排空，即需要有一定體積量的液態(tài)尿素溶液來充滿液力系統(tǒng)本身的容腔(各內(nèi)部流道及腔體)，把空氣排除干凈，之后才能進入正常的工作模式。鑒于尿素罐內(nèi)尿素溶液的解凍量對整車正常運行的重要性，提高尿素溶液解凍量具有重要意義。

影響尿素罐內(nèi)尿素溶液解凍量的因素有很多，主要有發(fā)動機冷卻液溫度，冷卻液流速，冷卻液流道管路材質(zhì)、壁厚及布置，尿素罐容積及形狀等因素。文中著重研究發(fā)動機冷卻液溫度對尿素罐內(nèi)尿素溶液解凍量(簡稱“解凍量”)的影響。考慮到解凍量這一參數(shù)很難通過傳感器類元器件直接測得，目前最常用的方法是通過尿素罐內(nèi)溫度情況來間接推算解凍量。所以，在產(chǎn)品的實際開發(fā)過程中，研究解凍量與尿素罐溫度值之間的關(guān)系具有重要意義。

作為國內(nèi)柴油整車后處理系統(tǒng)及零部件的核心供應商，公司在尿素罐解凍量與尿素罐溫度值之間的關(guān)系進行過相關(guān)的試驗驗證?，F(xiàn)利用公司現(xiàn)有試驗條件，結(jié)合尿素罐的解凍量與溫度兩個因素，開展一項基礎(chǔ)性的研究實驗，探究冷卻液溫度對尿素罐解凍量的影響。一方面希望借此得出使尿素罐解凍量最大的溫度點，同時，對涉及到低溫解凍的其他行業(yè)與領(lǐng)域，為正確利用溫度與解凍量之間的關(guān)系提供數(shù)值依據(jù)。

1 試驗設(shè)備與方案

1.1 試驗設(shè)備

(1)高低溫環(huán)境倉。該設(shè)備為數(shù)顯程控式高低溫箱，可以根據(jù)試驗要求設(shè)置其倉內(nèi)溫度始終維持在-40～85 ℃區(qū)間任一溫度點穩(wěn)定運行。在實驗中該設(shè)備主要用于尿素罐的低溫冷凍，使尿素罐內(nèi)液體完全處于結(jié)冰狀態(tài)。

(2)冷卻液加熱爐，用于尿素罐解凍用冷卻液的加熱和溫度的維持。

(3)電子秤，用于計量指定冷卻液溫度下尿素溶液的解凍量。

(4)JK3016多路溫度記錄儀，用于記錄冷卻液溫度及尿素罐內(nèi)部溫度值。

(5)20 L尿素箱及管路用于存儲尿素溶液。

1.2 試驗方案

將高低溫環(huán)境倉的溫度設(shè)置為-40 ℃，把加滿標準尿素溶液的尿素罐連接好管路等附件后放置于環(huán)境倉內(nèi)，持續(xù)低溫冷凍48 h后，通過液位傳感器向尿素罐內(nèi)導入特定溫度的冷卻液，給尿素罐內(nèi)處于結(jié)冰狀態(tài)的尿素溶液加熱解凍，同時記錄尿素罐內(nèi)溫度變化情況，待罐內(nèi)溫度由-40 ℃上升到5 ℃時停止冷卻液流動，同時使用電子秤記錄此次從尿素罐內(nèi)流出的液態(tài)尿素溶液。按照表1的實驗方案，重復以上操作，并依次記錄不同冷卻液溫度下的解凍量。

表1 冷卻液溫度影響解凍量試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

按照第1.2節(jié)所述試驗方案，在每循環(huán)解凍時，依次給尿素罐導入溫度分別為50、55、60、65、70、75、80 ℃的冷卻液，待尿素罐溫度達到5 ℃時，各循環(huán)的實驗結(jié)果如表2所示。

表2 冷卻液溫度影響解凍量試驗結(jié)果記錄

2.1 冷卻液溫度對尿素罐溫升速度的影響

從表2和圖1所示可以看出,當依次給處于-40 ℃下的尿素罐導入50、55、60、65、70、75、80 ℃的冷卻液時,尿素罐內(nèi)溫度達到目標溫度5 ℃時的解凍時間呈減少趨勢,且降幅明顯，即解凍速率有明顯提升。同時也可以看出，當冷卻液溫度以5 ℃的溫差等值升高時，完成解凍的時間雖然在減少，但是減少的幅度逐漸收窄。

圖1 不同冷卻液溫度下的解凍速率

2.2 冷卻液溫度對尿素溶液解凍量的影響

在記錄尿素罐內(nèi)固態(tài)尿素解凍時間的同時，記錄尿素溶液的解凍量，從表2和圖2可以看出，冷卻液溫度在50～65 ℃之間逐漸升高時，雖然尿素罐的解凍時間在降低，但是尿素溶液的解凍量在逐漸增加，冷卻液溫度在60～80 ℃之間繼續(xù)升高時，尿素溶液的解凍量開始逐漸減少，至85 ℃時有趨于平穩(wěn)的趨勢。

圖2 不同冷卻液溫度下的解凍量

根據(jù)熱力學知識可知，尿素溶液解凍量主要受解凍時間(冷卻水加熱時間)和解凍溫度(決定溫差大小)影響。結(jié)合試驗結(jié)果可得，基于當前開展試驗的尿素罐，在要求達到相同解凍溫度(5 ℃)的情況下，冷卻液溫度在50～65 ℃之間時，冷卻液的溫度升高對尿素溶液解凍量的增加有促進作用；冷卻液溫度在70～85 ℃之間時，冷卻液的溫度升高對尿素溶液解凍量有“抑制”作用。根據(jù)文中引言的說明可知，在實際的產(chǎn)品應用層面，判斷解凍完成與否的基準只能通過尿素罐是否解凍至目標溫度值來判定。另外，從第2.1節(jié)分析的結(jié)果可知，冷卻液溫度越高，達到目標解凍溫度所用的時間就越短，即冷卻液和尿素溶液之間的換熱時間就越短，當溫度的增加值對換熱量的貢獻無法彌補換熱時間的減少值對換熱量的貢獻時，整個解凍過程的換熱量就會減少，被解凍的尿素溶液的量也會隨之減少。

3 結(jié)論

基于公司現(xiàn)有的低溫解凍實驗設(shè)備和產(chǎn)品，開展了不同冷卻液溫度對尿素罐低溫解凍時間和解凍量影響的研究。主要結(jié)論有：

(1)在發(fā)動機熱負荷允許的情況下,冷卻液溫度越高,尿素罐解凍至目標溫度所用時間越短,但是隨著冷卻液溫度的升高,解凍時間縮短的幅度在逐漸減小。

(2)在發(fā)動機熱負荷允許的情況下,在50～80 ℃的范圍內(nèi),隨著冷卻液溫度的不斷升高,尿素罐內(nèi)尿素溶液的解凍量先增加,增加到一定量后趨于平穩(wěn),之后隨著冷卻液溫度的進一步升高,受加熱時間縮短的影響,尿素解凍量出現(xiàn)減少的趨勢。