振動對尿素罐低溫解凍過程的影響研究

趙曉東，高殿朋，曾偉，陳興通，盛林強

(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、尿素計量泵、尿素罐、尿素噴嘴等組成，ECU或者尿素計量泵內集成的DCU根據發動機工況，計算出所需要的尿素量，經尿素噴嘴噴射進排氣管道與尾氣發生反應[1-3]。

尿素溶液凝固點為-11 ℃，在低溫地區，尿素罐內尿素結冰成為車輛啟動過程中一個必須面對的問題，尿素罐只有成功解凍，車輛才能正常運轉，否則OBD系統會向ECU發送故障報告[4]。鑒于尿素解凍對整車正常運行的重要性，提高其解凍速率具有重要意義。

振動測試是尿素泵、尿素罐等SCR系統部件以及許多汽車零部件、總成在開發過程中的重要驗證項目[5-6]。在實際裝車運行之前，主要通過振動測試臺根據采集的路譜信號模擬整車的運行工況，測試開發樣件的穩定性。

作為SCR系統提供商，某公司在尿素罐的加熱解凍與尿素罐振動測試方面均進行過相關的試驗驗證。現利用公司現有試驗條件，結合尿素罐的解凍與振動兩個因素，開展一項基礎性的實驗研究，探究振動對解凍速率的影響，電動振動臺可以細化振動參數，從振動方向、振動加速度、振動頻率3個因素進行研究。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，對涉及到低溫解凍的其他行業與領域，為正確利用振動來提高結冰解凍速率提供數值依據。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

試驗用到的設備如圖1所示，從左到右分別為振動臺控制柜、電動振動臺、溫度記錄儀，放置在振動臺上的是尿素罐，通過固定支架安裝在振動工裝上。

圖1 試驗設備

振動設備為公司電動振動臺，該電動振動臺的需求輸入參數為振動頻率與振動加速度。通過控制軟件，可以讀取到當前的實際振動頻率(Hz)、振動加速度(m/s2)與位移峰峰值(mm)，位移峰峰值即振動幅度，簡稱振幅。

采用JK3016多路溫度記錄儀記錄尿素罐內部溫升曲線，該溫度記錄儀使用K型熱電偶，如圖2、圖3所示，測溫精度0.1 ℃，采樣時間1 s，插入U盤即可自動將溫度數據拷入。

圖2 K3016多路溫度記錄儀

圖3 K型熱電偶

此次試驗尿素罐規格為16 L，由于主要研究內容為振動對低溫解凍速率的影響，因此使用水作為測試介質即可，采用自然解凍方式，每輪試驗保持罐內水量為10 L。在罐內布置熱電偶，記錄尿素罐低溫解凍溫度升高過程。

1.2 試驗方案

在電動振動臺上一般按照采集的路譜信號進行尿素罐和尿素泵的標準振動試驗，此次試驗將從振動方向、振動頻率與振動加速度3個因素分別研究振動對尿素罐低溫解凍速率的影響。設備與固定尿素罐的安裝托架可以承受的振動強度有限，因此需要設置合理的振動頻率與振動加速度，保障試驗人員的安全與設備的正常運轉。實驗前先進行不同振動頻率與振動加速度組合的設備摸底試驗，研究實驗設備能承受的最大振動加速度與振動頻率的組合，最終設計了如表1所示的試驗方案，序號為1、2、3的試驗用于對比振動頻率對低溫解凍速率的影響，序號為1、4、5的試驗用于對比振動加速度對低溫解凍速率的影響，序號4、6用于對比振動方向對低溫解凍速率的影響，每次試驗控制環境溫度為(20±2) ℃。

表1 振動試驗方案

2 試驗結果與分析

圖4所示為無振動自然狀態下尿素罐低溫解凍溫升曲線，可以看出:在解凍初期，溫度上升速度與時間基本呈線性關系;在溫度接近-15 ℃時，溫度升高速率開始逐漸降低，趨于平緩；在溫度升高到0 ℃一直到整個尿素罐內的液體全部解凍完成，溫度始終在0°左右。在后文中進行振動方向、振動頻率與振動加速度這3個振動因素對尿素罐低溫解凍速率影響的試驗中，為便于數據對比，統一截取溫度起點為-35 ℃、解凍時長為2 h的一段溫升曲線。

圖4 無振動狀態下解凍速率

2.1 振動方向對解凍速率的影響

電動振動臺可以沿X、Y、Z三個方向進行振動，Z方向即為垂直振動，X與Y方向均為水平方向。由于X、Y兩個水平方向具有對稱性，此次試驗只進行X方向與Z方向的振動試驗，研究垂直方向與水平方向振動對尿素罐低溫解凍速率的影響，振動頻率為60 Hz，振動加速度為20 m/s2，試驗結果如圖5所示。可以看出:兩個方向的振動均可以加快尿素罐低溫解凍速度，垂直方向的振動對于解凍速率的影響更為明顯。

圖5 不同振動方向下的解凍速率

2.2 振動頻率對解凍速率的影響

保持振動加速度為10 m/s2，振動方向為垂直振動，設定振動頻率分別為60、120、180 Hz，研究振動頻率對尿素罐低溫解凍的影響。測溫記錄儀記錄的溫升曲線如圖6所示。可以看出:隨著振動頻率的增加，尿素罐解凍速率有所增加，但增加效果隨著振動頻率的增加而減弱，總體來看，提升頻率對于解凍速率的提高效果不是非常明顯。振動頻率為60、120、180 Hz時，在7 200 s解凍時間點，相比于無振動情況，最終溫度分別提高了1.5、2.4和2.8 ℃，振動頻率從120 Hz提高到180 Hz時，解凍速率的提升已經非常微弱。

提高振動頻率對解凍速率的提升有限，且頻率越高，越不明顯，這是因為除了振動加速度和振動頻率，電動振動臺的實際振動效果還受到振動幅度的影響。在此次實驗中，振幅是一個不可控制、受到振動頻率與振動加速度影響的變量。振動加速度一定，每次振動的速度保持一致，則振動頻率越大，每次振動位移時間越少，導致振幅越小。在振動加速度保持10 m/s2的條件下，振動頻率與振幅的關系如圖7所示，隨著振動頻率從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，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，對尿素罐低溫解凍速度提升效果越來越弱。

圖6 不同振動頻率下的解凍速率

圖7 不同振動頻率下的振幅

2.3 振動加速度對解凍速率的影響

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

與提高振動頻率對解凍速率的影響相反，隨著振動加速度提升，解凍速率提升越來越明顯。原因為振動頻率一定，每次振動位移的時間一定，振動加速度越大，單次振動的速度越高，則在每次的振動位移時間內位移量越大，即振幅越大。頻率為60 Hz時，振動加速度與振幅的關系如圖9所示，振幅與振動加速度基本呈線性關系。在試驗時，振動臺與固定支架的振動程度會隨著振動加速度的提高明顯增加，當加速度增加到30 m/s2時，固定支架與尿素罐已發生明顯抖動，且振動聲音顯著增加，從固定支架、螺釘的強度、操作人員安全等因素考慮，將振動加速度最大值設置為30 m/s2。

圖8 不同振動加速度下的解凍速率

圖9 不同振動加速度下的振幅

3 結論

基于公司現有尿素罐與電動振動臺，從振動方向、振動頻率和振動加速度3個因素著手研究了振動對低溫解凍速率的影響。主要結論有：

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

(2)垂直方向振動對解凍速率的提升大于水平方向振動。

(3)振動頻率越高，解凍速率越快，但振動頻率越高，對解凍速率的增加效果越弱。主要原因為振動幅度會隨著振動頻率的提高而下降，抵消了振動頻率提高帶來的影響。總體而言，振動頻率對解凍速率的影響較小。

(4)振動加速度對尿素罐低溫解凍速率影響較大，且隨著振動加速度的增加，解凍速率提升越大。主要原因為振動頻率一定時，振動加速度越高，振動幅度越大，但伴隨著噪聲增加以及設備安全性問題。