基于PTC材料利用Creo3.0設(shè)計(jì)客車(chē)電加熱成型尿素管

錢(qián)利軍， 錢(qián)柏城

(1.瑞菲艾倫無(wú)錫汽車(chē)部件有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214000; 2.施朗德(無(wú)錫)電力科技有限責(zé)任公司, 江蘇 無(wú)錫 214000)

在汽車(chē)尾氣中，主要有害物質(zhì)有CO、NOx、HC以及PM等[1]，世界各國(guó)都制定了相應(yīng)的排放限值標(biāo)準(zhǔn)[2]。SCR是一種排放清潔技術(shù)，尿素水溶液作為其化學(xué)反應(yīng)的輸入，當(dāng)溫度低于-5 ℃會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，易導(dǎo)致尿素管路的堵塞；當(dāng)溫度高于75 ℃會(huì)出現(xiàn)水解，釋放氨氣分子，不僅失去了還原反應(yīng)的NH3分子而且污染環(huán)境[3]。因此，很有必要開(kāi)發(fā)能夠維持尿素水溶液溫度在5～70 ℃的尿素管路加熱系統(tǒng)[3]。PTC材料有獨(dú)特的性能，在通電的狀態(tài)下，能夠自我調(diào)節(jié)加熱溫度，維持溫度恒定。選擇合理的PTC加熱單元，同時(shí)利用3D Creo3.0 軟件設(shè)計(jì)合理的成型尿素管結(jié)構(gòu)，能夠很好地解決尿素管路系統(tǒng)的過(guò)冷過(guò)熱問(wèn)題。

1 基于PTC材料選擇合理功率的加熱單元

1.1 加熱成型尿素管路系統(tǒng)組成

加熱成型SCR尿素管路系統(tǒng)，主要由管路、滿足SAE J2044接頭、管路保護(hù)裝置和加熱電阻絲或者其他加熱裝置組成，其中管路系統(tǒng)包括進(jìn)液管、回液管、噴射管，如圖1所示。

圖1 尿素管路系統(tǒng)組成

1.2 SCR尿素管加熱方式

目前，SCR尿素管加熱方式在市場(chǎng)上主要有電加熱和水加熱兩種類(lèi)型。在我國(guó)普遍使用12 V或者 24 V 電加熱方式，如圖2所示；日本及歐盟部分國(guó)家主要使用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)冷卻水作為加熱方式，如圖3所示。

圖2 電加熱尿素管結(jié)構(gòu)

圖3 水加熱尿素管結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水加熱具有很好的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢(shì)，但在整車(chē)布置空間和性能穩(wěn)定性方面沒(méi)有電加熱方式簡(jiǎn)單可靠。由于整車(chē)模塊化的需求，加熱成型尿素管已經(jīng)成為主流方向。

1.3 電加熱單元的選擇

電加熱尿素管有多種結(jié)構(gòu)，利用電阻絲加熱管和PTC伴熱帶加熱是兩個(gè)主要的加熱方式[3]。電阻絲加熱就是利用焦耳原理產(chǎn)生熱量使尿素管路解凍，當(dāng)溫度升到70 ℃，需要電磁閥關(guān)閉電源；當(dāng)溫度低于10 ℃，又需要電磁閥打開(kāi)電源，一旦電磁閥失效，溫度持續(xù)上升，將產(chǎn)生著火的安全隱患。而PTC材料具有獨(dú)特的物理性能，可以使溫度恒定，具有很好的安全性。PTC材料的物理特性，如圖4所示。因此本文采用PTC自限溫伴熱帶作為尿素管路的加熱單元[4]。

圖4 PTC加熱單元溫度電阻特性

1.4 PTC伴熱帶功率的選擇

1.4.1 整車(chē)設(shè)計(jì)要求輸入

加熱電源電壓為24 V，要求在環(huán)境溫度-40 ℃下，30 min內(nèi)完全使尿素解凍，其加熱尿素管長(zhǎng)度不超過(guò)4 m。室溫狀態(tài)下，電流要求≤3.5 A，-40 ℃下初始啟動(dòng)電流≤5 A。對(duì)于這些要求，需要對(duì)加熱單元的功率進(jìn)行選擇。

1.4.2 PTC伴熱帶功率選擇

從目前的材料庫(kù)選擇了P1= 12 W、P2= 17 W、P3= 25 W的PTC伴熱帶(此功率是供應(yīng)商在室溫環(huán)境中標(biāo)定測(cè)試每米長(zhǎng)的結(jié)果)，在-40 ℃下，P-1=18 W、P-2= 20 W、P-3= 35 W。

由于PTC材料獨(dú)特的物理性，因此需要對(duì)PTC伴熱帶進(jìn)行模型分析。PTC伴熱帶在通電狀態(tài)可以等效看作無(wú)數(shù)大電阻單元并聯(lián)組成的加熱電路，如圖5所示。

圖5 PTC加熱單元等效模型轉(zhuǎn)換

圖5中，PTC每一個(gè)加熱單元等效地看成圖中R，在其范圍內(nèi)R值與溫度成正比例關(guān)系(圖4所示)[5]。由于P=U2/R，即在其范圍內(nèi)功率P和電阻成反比，這樣PTC加熱單元就成為自我調(diào)節(jié)溫度的加熱裝置[6]。

在溫室環(huán)境，利用功率公式計(jì)算3種伴熱帶的電阻值分別為：

R1=U2/P1=242/12=48 Ω；

R2=U2/P2=242/17=33.88 Ω；

R3=U2/P3=242/25=23.04 Ω；

根據(jù)歐姆定律I=U/R，得到每一個(gè)加熱單元的電流值I：

I1=U/R1=24/48=0.5 A;

I2=U/R2=24/33.88=0.708 A;

I3=U/R3=24/23.04=1.042 A;

最后，由于整車(chē)輸入要求：加熱尿素管長(zhǎng)度不超過(guò)4 m，電流要求≤3.5 A。因此，按照并聯(lián)電路的總電流是各個(gè)支流電路電流總和，4 m的加熱單元相當(dāng)于4個(gè)1 m的等值R并聯(lián)，可得到室溫下的PTC伴熱帶4 m電流總和：

I1總=4I1=4×0.5=2 A;

I2總=4I2=4×0.708=2.832 A;

I3總=4I3=4×1.042=4.168 A;

I1總、I2總滿足≤3.5 A的要求，即室溫下P1=12 W、P2= 17 W均滿足加熱帶最大電流的要求。

另外，在環(huán)境溫度-40 ℃下，電流需要≤5 A。由于PTC材料的特殊性，溫度越低，其加熱速度越快，因此在滿足要求電流的情況下，需要選擇加熱速度更快的伴熱帶。那么，伴熱帶在低溫下功率應(yīng)該更高。在PTC伴熱帶一和PTC伴熱帶二中，P-2數(shù)值較大，用同樣的方法算出電流I-2總為3.33 A，遠(yuǎn)小于5 A。

因此選擇PTC伴熱帶為加熱單元，P2=17 W(室溫下)，P-2= 20 W(-40 ℃下)。

2 電加熱成型尿素管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 加熱管路結(jié)構(gòu)的組成

加熱尿素管的管路部分結(jié)構(gòu)，采用圖2所示結(jié)構(gòu)，有尿素管路(PA12+EFET),收縮包緊管(PVDF)，PTC伴熱帶，以及最外側(cè)保護(hù)層波紋管(PA66)。另外，接頭采用SAE J2044標(biāo)準(zhǔn)接頭。電器接插件部分，由于整車(chē)廠端使用泰克AMP282104-1，故只能使用其對(duì)接件AMP282080-1.SAE接頭和AMP接插件，均屬于標(biāo)準(zhǔn)件。

2.2 管路布置設(shè)計(jì)

根據(jù)整車(chē)廠尿素箱、尿素泵以及尿素箱支架的位置，如圖6所示，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件Creo3.0來(lái)完成成型管路的設(shè)計(jì)。此文就尿素回液管作為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)象。

圖6 尿素箱、尿素泵及尿素箱支架

2.2.1 根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)境布置管路走向

在三維CAD開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中，管體一般是由管路截面按照管線掃掠得到[7]。在Creo3.0三維環(huán)境中，按照整車(chē)廠裝配的實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)行模型約束裝配。根據(jù)尿素箱、尿素泵和支架的位置關(guān)系，選擇好對(duì)應(yīng)的接頭，完成設(shè)計(jì)環(huán)境的創(chuàng)建。再利用Creo3.0新建坐標(biāo)點(diǎn)，選擇接頭中心作為定位點(diǎn)，利用定位點(diǎn)新建所需的點(diǎn)位。其中要重點(diǎn)考慮制造工藝要求,再依次連接各個(gè)點(diǎn)，完成管路中心線繪制。利用這個(gè)中心線和圖2所示管路截面，掃掠得到管體。這樣，最主要的尿素管路的管體已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。

2.2.2 完成成型尿素管總成設(shè)計(jì)

尿素管成型管體模型已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。需要進(jìn)一步完成PTC伴熱帶、收縮包緊管、以及保護(hù)管體的外層波紋管。

前期在放置管體中心線時(shí)，已經(jīng)考慮到了整個(gè)管體外徑空間，因此，此時(shí)設(shè)計(jì)總成采用從里到外的方法，這樣可以保證整個(gè)產(chǎn)品有足夠的空間，一次性完成設(shè)計(jì)總成。繪制方法和成型管繪制方法相似。首先完成PTC加熱單元的布置，其次布置包緊收縮管，最后將波紋管布置在最外側(cè)。為了讓接頭和管路連接部位側(cè)面抗沖擊的性能增加，在此位置應(yīng)用注塑包裹的方式，使得尿素管更加可靠。在設(shè)計(jì)環(huán)境中完成的3D模型如圖7所示。

圖7 尿素管3D模型

3D模型設(shè)計(jì)完成，需要進(jìn)一步輸出2D工程圖紙[8]。利用Creo3.0，輸出2D工程圖。2D圖紙上需要有以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

1) 尿素液為32.5%尿素水溶液；尿素液的管路工作壓力為0.8 MPa。

2) 0.2 MPa的氣壓下，管路泄露量≤2 cc/min。

3) 室溫狀態(tài)下，24 V電壓，導(dǎo)通電流要求≤0.8 A；-40 ℃下初始導(dǎo)通電流要≤1.25 A。

4) 在環(huán)境溫度-40 ℃，24 V電壓下，要求在30 min內(nèi)尿素管內(nèi)的固態(tài)尿素完全解凍。

5) 加熱單元采用PTC加熱單元,能夠自我調(diào)節(jié)，加熱管路最大加熱溫度不超過(guò)70 ℃。

6) 接頭采用SAE J2044標(biāo)準(zhǔn)接頭，電器接插件采用AMP282080-1標(biāo)準(zhǔn)接插件。

7) 產(chǎn)品外形必須滿足檢具要求。

3 效果驗(yàn)證

3.1 電流值測(cè)定

采用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，對(duì)已經(jīng)制作好的電加熱成型尿素管進(jìn)行電流值測(cè)試。在-40 ℃，24 V的恒定電源電壓下，利用電流測(cè)試儀測(cè)得導(dǎo)通電流值為0.990 A；在室溫，24 V的恒定電源電壓下，測(cè)試電流值為0.70 A。出于對(duì)整車(chē)安全的考慮，整車(chē)廠輸入的技術(shù)要求：在室溫，24 V電壓下，導(dǎo)通電流要求≤0.8 A；在-40 ℃，24 V電壓下初始導(dǎo)通電流≤1.25 A。此測(cè)試電流值，滿足整車(chē)廠技術(shù)要求。

3.2 解凍效果

給制作好的加熱成型尿素管管路中注入32.5%的尿素水溶液，然后將其放入-40 ℃的環(huán)境中1 h，使得尿素管里的尿素水溶液成為固態(tài)。然后，接通24 V的恒定電源電壓，在-40 ℃的環(huán)境中每5 min測(cè)量一次溫度。通電30 min，尿素管里的溫度變化如圖8所示?？梢钥吹?，當(dāng)解凍時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，尿素管內(nèi)的溫度可達(dá)到15 ℃，尿素完全解凍，達(dá)到預(yù)期效果。

圖8 解凍時(shí)間溫度曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

此加熱成型尿素管的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，不僅滿足客車(chē)整車(chē)緊湊性設(shè)計(jì)，而且利用PTC自限溫加熱材料的性能解決了尿素管路過(guò)冷過(guò)熱的問(wèn)題。將來(lái)，PTC電加熱成型尿素管會(huì)更好地應(yīng)用于客車(chē)尾氣處理上[9]。

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