冷却液温度对尿素溶液低温解冻量的影响研究

高殿朋，容祖龙，陈兴通，郭士琦，刘德文

(凯龙高科技股份有限公司，江苏无锡 214153)

0 引言

为了使柴油发动机满足国六排放法规要求，柴油整车的CH/NOx/PM等的排放量需要进一步降低。其中，在降低柴油整车尾气中有害气体NOx的含量方面，选择性催化还原(SCR)是一项不可或缺的有效技术路线[1]。一套选择性催化还原(SCR)系统主要由尿素溶液供给罐(简称“尿素罐”)、尿素品质液位温度传感器总成(简称“尿素传感器”)、尿素溶液供给泵总成(简称“尿素泵”)、尿素溶液喷嘴总成(简称“喷嘴”)、载体及催化剂总成、封装及混合器总成、后处理控制单元总成(简称“DCU”)以及管路等附件组成。其中，尿素泵根据DCU的指令将符合尿素传感器检测要求的尿素溶液从尿素罐中抽取并以一定的稳定压力(一般0.5～0.9 MPa)输送至喷嘴，喷嘴根据DCU的指令以一定的雾化特性将尿素溶液定时定量喷射至混合器，雾化后的尿素溶液与柴油机尾气混合后在载体上发生化学反应[2-3]，生成无害气体排出。

标准车用尿素水溶液(32.5%)的凝固点为-11 ℃。在冬季，特别是寒区，尿素罐内尿素溶液结冰是一种常态，也是整车冷启动时需要着重考虑的一个问题。尿素罐是通过引入温度较高的发动机冷却液来实现罐内尿素溶液解冻的。只有被解冻的尿素溶液达到一定的体积之后，整个尿素溶液供给系统(尿素泵、尿素传感器、喷嘴及控制单元)才能正常工作，否则系统会向ECU发送故障报告[4]。因为尿素溶液供给系统在进入正常工作工况之前要先进行系统本身的排空，即需要有一定体积量的液态尿素溶液来充满液力系统本身的容腔(各内部流道及腔体)，把空气排除干净，之后才能进入正常的工作模式。鉴于尿素罐内尿素溶液的解冻量对整车正常运行的重要性，提高尿素溶液解冻量具有重要意义。

影响尿素罐内尿素溶液解冻量的因素有很多，主要有发动机冷却液温度，冷却液流速，冷却液流道管路材质、壁厚及布置，尿素罐容积及形状等因素。文中着重研究发动机冷却液温度对尿素罐内尿素溶液解冻量(简称“解冻量”)的影响。考虑到解冻量这一参数很难通过传感器类元器件直接测得，目前最常用的方法是通过尿素罐内温度情况来间接推算解冻量。所以，在产品的实际开发过程中，研究解冻量与尿素罐温度值之间的关系具有重要意义。

作为国内柴油整车后处理系统及零部件的核心供应商，公司在尿素罐解冻量与尿素罐温度值之间的关系进行过相关的试验验证。现利用公司现有试验条件，结合尿素罐的解冻量与温度两个因素，开展一项基础性的研究实验，探究冷却液温度对尿素罐解冻量的影响。一方面希望借此得出使尿素罐解冻量最大的温度点，同时，对涉及到低温解冻的其他行业与领域，为正确利用温度与解冻量之间的关系提供数值依据。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备

(1)高低温环境仓。该设备为数显程控式高低温箱，可以根据试验要求设置其仓内温度始终维持在-40～85 ℃区间任一温度点稳定运行。在实验中该设备主要用于尿素罐的低温冷冻，使尿素罐内液体完全处于结冰状态。

(2)冷却液加热炉，用于尿素罐解冻用冷却液的加热和温度的维持。

(3)电子秤，用于计量指定冷却液温度下尿素溶液的解冻量。

(4)JK3016多路温度记录仪，用于记录冷却液温度及尿素罐内部温度值。

(5)20 L尿素箱及管路用于存储尿素溶液。

1.2 试验方案

将高低温环境仓的温度设置为-40 ℃，把加满标准尿素溶液的尿素罐连接好管路等附件后放置于环境仓内，持续低温冷冻48 h后，通过液位传感器向尿素罐内导入特定温度的冷却液，给尿素罐内处于结冰状态的尿素溶液加热解冻，同时记录尿素罐内温度变化情况，待罐内温度由-40 ℃上升到5 ℃时停止冷却液流动，同时使用电子秤记录此次从尿素罐内流出的液态尿素溶液。按照表1的实验方案，重复以上操作，并依次记录不同冷却液温度下的解冻量。

表1 冷却液温度影响解冻量试验方案

2 试验结果与分析

按照第1.2节所述试验方案，在每循环解冻时，依次给尿素罐导入温度分别为50、55、60、65、70、75、80 ℃的冷却液，待尿素罐温度达到5 ℃时，各循环的实验结果如表2所示。

表2 冷却液温度影响解冻量试验结果记录

2.1 冷却液温度对尿素罐温升速度的影响

从表2和图1所示可以看出,当依次给处于-40 ℃下的尿素罐导入50、55、60、65、70、75、80 ℃的冷却液时,尿素罐内温度达到目标温度5 ℃时的解冻时间呈减少趋势,且降幅明显，即解冻速率有明显提升。同时也可以看出，当冷却液温度以5 ℃的温差等值升高时，完成解冻的时间虽然在减少，但是减少的幅度逐渐收窄。

图1 不同冷却液温度下的解冻速率

2.2 冷却液温度对尿素溶液解冻量的影响

在记录尿素罐内固态尿素解冻时间的同时，记录尿素溶液的解冻量，从表2和图2可以看出，冷却液温度在50～65 ℃之间逐渐升高时，虽然尿素罐的解冻时间在降低，但是尿素溶液的解冻量在逐渐增加，冷却液温度在60～80 ℃之间继续升高时，尿素溶液的解冻量开始逐渐减少，至85 ℃时有趋于平稳的趋势。

图2 不同冷却液温度下的解冻量

根据热力学知识可知，尿素溶液解冻量主要受解冻时间(冷却水加热时间)和解冻温度(决定温差大小)影响。结合试验结果可得，基于当前开展试验的尿素罐，在要求达到相同解冻温度(5 ℃)的情况下，冷却液温度在50～65 ℃之间时，冷却液的温度升高对尿素溶液解冻量的增加有促进作用；冷却液温度在70～85 ℃之间时，冷却液的温度升高对尿素溶液解冻量有“抑制”作用。根据文中引言的说明可知，在实际的产品应用层面，判断解冻完成与否的基准只能通过尿素罐是否解冻至目标温度值来判定。另外，从第2.1节分析的结果可知，冷却液温度越高，达到目标解冻温度所用的时间就越短，即冷却液和尿素溶液之间的换热时间就越短，当温度的增加值对换热量的贡献无法弥补换热时间的减少值对换热量的贡献时，整个解冻过程的换热量就会减少，被解冻的尿素溶液的量也会随之减少。

3 结论

基于公司现有的低温解冻实验设备和产品，开展了不同冷却液温度对尿素罐低温解冻时间和解冻量影响的研究。主要结论有：

(1)在发动机热负荷允许的情况下,冷却液温度越高,尿素罐解冻至目标温度所用时间越短,但是随着冷却液温度的升高,解冻时间缩短的幅度在逐渐减小。

(2)在发动机热负荷允许的情况下,在50～80 ℃的范围内,随着冷却液温度的不断升高,尿素罐内尿素溶液的解冻量先增加,增加到一定量后趋于平稳,之后随着冷却液温度的进一步升高,受加热时间缩短的影响,尿素解冻量出现减少的趋势。