CN101793015B

CN101793015B - 行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置与方法

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Publication number: CN101793015B
Application number: CN2010101152003A
Authority: CN
Inventors: 冯天扬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: CN101793015A

Abstract

本发明涉及一种行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置与方法，属于清除道路冰雪的技术领域。所述的装置包括尾气导向喷射融化器和发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器；其尾气导向喷射融化器包括尾气管上的开关阀、尾气导向管、布气支管和软体喷射管；其发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器，包括一个方盘和与方盘连接的软体吹扫管。所述的方法是，以尾气导向喷射融化器融化汽车前轮路面上的冰雪；以发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器蒸发前后两排车轮之间的融化雪水。本发明的优点在于，装置结构简单，除冰方法同现有的机械法、加热法和化学法除冰相比，具有节能、环保和节省资源的特点。

Description

行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置与方法，属于清除道路冰雪的技术领域。

背景技术

目前的除冰设备虽然各式各样，但普遍采用的除冰方法是机械除冰法和融解除冰法。

机械除冰法是通过机械直接除冰，按作用方式分为振动式、静碾压裂式、柔性链条击打式、铲剁式、高压水射流等类型。机械式除冰法的主要特点是成本低，对环境无污染，但除净率较低。国内现有的纯机械式除冰设备的效率低，积冰清除不干净，容易损伤道路标记甚至路面。

融解除冰法包括物理融解法和化学融解法。

物理融解除冰法是依靠热作用使冰融化，可细分为电加热、微波加热、红外线加热、喷气发动机加热等方法。如红外线加热法除冰的代表产品是英达科技有限公司生产的称为“加热王”的除冰车。该车用加热板加热冰雪。加热板以液化石油气为燃料，以100％热辐射加热方式对路面加热，加热板分为4个区，可以控制均匀加热。

上述物理融化的方法对于小降雪量和薄冰效果较好。当雪量较大时，要将所有的雪融化掉，融化速度慢，效率低，能耗大，而且融化的大量水也没有办法及时处理掉，当环境温度降低时，水又会再次凝结成冰，影响了除冰雪的效果。

化学融解除冰法是依靠撒布化学药剂固体颗粒或水溶液，通过降低冰点，达到使冰雪融化目的。其特点是除净率高，但这种方法成本高，且对环境造成污染，尤其是钠盐融雪剂对钢筋混凝土结构有破坏作用，易造成混凝土路面和桥梁的表层脱落，使路面桥梁质量受损而缩短其使用寿命，同时，残留的无机盐对植被的损害也较严重。

专利(CN1470708A，2004年)公开了微波加热清除道路结冰的方法和微波除冰车，该方法通过内燃机提供动力，并带动发电机发电向微波加热器提供电力。微波穿透冰层加热与冰连接的地面，地面温度升高，融化了与地面连接处的冰，再用机械的方法，对冰层施加机械力，破碎冰层，脱离地面，达到融冰除冰的目的。其不足是，需要消耗额外燃料发电，融化速度很慢。

专利(CN101285301A，2008年)公开了机动车清除冰雪法，采用燃油、天然气或煤气为燃料，燃烧火焰喷向车轮前方烤化冰雪的方法。此方法的不足是，需要额外消耗燃料，同时直接火焰存在安全隐患，容易损伤沥青路面。同时，经喷火融化的冰雪水，不能及时移除，仍不能保证该除冰雪装置移走后再不结冰。

专利(CN201305835Y，2009年)公开了一种道路除冰雪装置，包括储气罐、输气管和喷火室，火焰自喷火室内喷火口向下前方喷向冰雪路面融冰。同样，此方法的不足是，使用自备燃料，高温火焰易烧损沥青路面，火焰存在安全隐患。同时，经喷火融化的冰雪水，不能及时移除，仍不能保证该除冰雪装置移走后再不结冰。

专利(CN201317924Y，2009年)公开了一种水蒸汽路面除冰除雪车，在车辆底盘上安装水蒸汽锅炉、蓄水箱和空气泵，将压缩空气与水蒸汽混合后，通过蒸汽喷头吹向路面除冰。该机构结构简单，作业效率高，对路面无损，无环境污染。然而，该设备和方法的不足是，需要消耗大量的热能以产生水蒸汽，由于冰的融化热和水的汽化热均较大，因此，此方法受限于车辆载重和容积，不能适应于长距离野外公路除冰作业，也不能保证该除冰雪装置移走后再不结冰。

汽车发动机工作时，气缸内燃烧气体的温度可高达2200-2800K，而燃烧放出的热量只有一部分(大约占1/3)转变成了有用功，其余热量通过三个途径耗散：a.通过冷却介质经散热器散发到大气中的热量；b.通过尾气管随燃烧废气(约600-700℃)排出；c.其他热量损失即少部分热量通过发动机外壳耗散到大气中。

因此，如果能将耗散的废热用于清除路面冰雪，这将是非常有意义的公益事业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置与方法。所述的装置附设在汽车底盘上，结构简单。所述的方法易于实施和可靠。

本发明是通过以下技术方案加以实现的。一种行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置，其特征在于，该装置包括尾气导向喷射融化器和发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器；所述的尾气导向喷射融化器，它是由设置在汽车尾气管内的开关阀1，及连接在开关阀1至汽车消音器8之间汽车尾气管段上的尾气导向管2，和尾气导向管2伸至汽车前排轮胎前方后所连接的布气支管3，还有布气支管3的两端延长至汽车前排轮胎的中心处，并连接开口朝向地面的软体喷射管4构成；所述的发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器，它包括四周边与汽车底盘密封连接的一个方盘5，在方盘5与汽车宽度一致的左右两侧，且位于前后两轮胎中心直线位置处开设排列排气孔，每个排气孔上设置开口朝向路面的软体吹扫管6。

上述的软体喷射管的个数及管径的确定，依据软体喷射管开口总面积≥汽车尾气管流通面积加以确定；软体吹扫管的个数及管径的确定，依据软体吹扫管开口总面积≥汽车底盘排气槽总面积加以确定；方盘的前端靠近汽车车头，其边缘遮挡着汽车底盘排气槽7，方盘的后端至汽车后排轮胎前沿，方盘的左右两侧边缘至汽车左右车体处。

采用上述装置实现清除路面冰雪的方法，其特征在于包括以下过程：

1.汽车在行驶中，遇到冰雪路面，首先通过控制装置，将设置在尾气管内的开关阀1关闭，这时来自消音器8的温度高达500～700℃的汽车尾气通过尾气导向管2及布气支管3和软体喷射管4喷射至汽车前排轮胎前方的冰雪路面上，经快速传热，路面的冰雪快速得以融化；

2.在与步骤1进行的同时，融化的冰雪液固混合物再经汽车前轮胎的碾压，进一步得以融化和疏软，此时由汽车前罩板进入的冷空气经与散热器进行热交换，空气升温至50～70℃，然后由汽车底盘排气槽7排入发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器，并通过软体吹扫管6吹向路面的冰雪液固混合物上，蒸发部分冰雪水实现清除冰雪。

本发明优点在于，装置结构简单，除冰方法同现有的机械法除冰雪和加热法除冰雪相比，具有自身不需要外加任何能量，只是利用汽车自身排出的废热进行工作，因此，具有节能和环保的特点；此外，与现有的化学法除冰雪相比，其过程不损伤路面，不消耗物资，具有环保和节省资源的特点。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为图1的仰视图。

图中，1.尾气管内的开关阀；2.尾气导向管；3.布气支管；4.软体喷射管；

5.方盘；6.软体吹扫管；7.汽车底盘排气槽；8.消音器；9.汽车尾气管。

具体实施方式

下面以广本奥德赛(Odyssey)轿车为例，对本发明加以具体说明如下。

尾气导向喷射融化器的参数设计是：首先在该车的尾气排气管上且距离尾气排气管出口100mm处，设置一个手动或电控的转向开关阀1，在该开关阀1至消音器8之间的汽车尾气管段连接一个内径为65mm的尾气导向管2，该尾气导向管2通过一个90°弧线弯头连接并一直向前伸到前轮胎前方处，该尾气导向管2的开口又连接一个水平的布气支管4，该布气支管内径为65mm，其两端向左右伸至两前轮胎中心线位置，并在该布气支管两端均连接内径为25mm的软体喷射管，每端设置3根软体喷射管。

所述的发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器的设计参数是：方盘5采用铳压而成，长度为2800mm，高度为50mm，宽度为1800mm。在宽度左右两侧各开设11个排气孔，每个排气孔内径95mm，每个排气孔上连接软体喷射管，其内径为100mm。

上述软体喷射管距离地面高度均为50mm，方盘5通过密封橡胶垫及连接螺钉与汽车底盘密封连接。

附设了上述尾气导向喷射融化器和发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器的广本奥德赛轿车行驶在冰雪道路上的清除冰雪的过程是：车辆发动机运行中，高温废热尾气经过消音器8，关闭尾气管内开关阀1，温度高达500～700℃的汽车尾气通过尾气导向管2，及布气支管3和软体喷射管4喷射至汽车前轮胎前方的冰雪路面上，经快速传热，实现融化冰雪的目的；冷空气与散热器进行热交换并升温至50～70℃，再与发动机外壳进行热交换后，由汽车底盘排气槽7排入发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器，并通过软体吹扫管6吹向路面的冰雪液固混合物上，蒸发部分冰雪水实现清除冰雪。

上述除雪过程的效果是：

假定汽车发动机在转速1500r.p.m、输出功率为33KW的工况下，以每小时15km时速行驶在结冰厚度为10mm的冰雪路面上，平均耗油量18L/h，环境温度为-10℃。

该轿车采用水冷式四冲程SOHC VTEC汽油发动机，发动机排量为2.3L。故发动机每小时做功33*3600＝118800KJ/h＝2.84910⁴kcal/h。

根据发动机热平衡表(《发动机原理与汽车理论》p40，张西振，吴良胜主编，人民交通出版社，2004.1)

热平衡各项组成，％	汽油机	柴油机	温度
				转变为有效功的热量	20～30	30～40
冷却介质带走的热量	25～30	20～25
				废气带走的热量	40～45	35～40	500～700℃
其他热量损失	2～10	2～10

(1)高温废热尾气融冰、蒸湿效果计算

该轿车汽油发动机的空燃比按14.5/1(质量比)，由于每小时耗油质量为：18L×0.73kg/L＝13.14kg，故需要空气190.53kg/h，故每小时产生废气203.67kg/h。此工况下，发动机尾气温度500～700℃，取500℃计算燃烧尾气密度为0.457kg/m³。尾气比热取1.047kJ/kg℃。故尾气的体积流量为445.7m³/h，尾气每小时带走的热量：Q＝445.7*0.457*1.047*(500+10)＝108762kJ/h＝2.6*10⁴kcal/h。

故，理论上，如将此高温尾气废热完全利用，则每小时可融冰26000/80＝325kg/h；或者每小时蒸发水分26000/540＝48kg/h。

(2)低温废热空气融冰、蒸湿效果计算

根据水冷内燃机的比散热量q的经验数据：

故，取此发动机的比散热量q＝5000kJ/(kW·h)，此低温废热空气的热量Q＝33*5000＝165000kJ/(kW·h)＝39473kcal/h。环境温度t1＝-10℃，根据Q＝V*ρ*Cp*(t2-t1)，其中，(t1+t2)/2＝35℃下的空气密度ρ＝1.148kg/m³；空气比热Cp＝0.24kcal/kg℃；t2为散热器出口温度，取t2＝60℃。故，每小时通过散热器的空气流量V＝2046m³/h。

理论上，如将此低温废热完全利用，则每小时融冰39473/80＝493kg/h；可蒸发水分73.1kg/h。

气体收集吹扫蒸湿器方盘5的尺寸为：宽度1800mm，高度50mm，长度2800mm。该车散热器采用两台φ300电机风扇降温，故流经风扇的空气流速u＝4m/s。考虑到尽量气体流动阻力，故软体吹扫管6为22个φ100布气孔，软体吹扫管内平均气速为3.3m/s。

对于结冰厚度为10mm的冰雪路面，该车轮胎宽度按200mm，冰的密度为0.9kg/L，故车辆每前行1米道路，两个轮胎碾压的冰质量m＝0.2×1×10×2×0.9＝3.6kg/m。

由上述计算，对于高温废热尾气，如将废热完全利用，则单车每小时可融冰26000/80＝325kg/h，折合路面完全融冰90米；或者每小时蒸发水分26000/540＝48kg/h，折合完全蒸干路面13.3米。

对于低温废热空气，如将此废热完全利用，可蒸发水分73.1kg/h，折合完全蒸干水分的路面长度为20.3米。

假定车辆间距为5.2米，由于车长为4.8米，故按15km/h的车速，每小时可通过本型号车辆1500辆。故，通过车辆接力融冰、蒸湿，如废热完全利用，则此1500辆汽车的高温尾气理论上可融化其轮胎所压路面90*1500＝135km；其低温废热空气可蒸干其轮胎所压路面20*1500＝30km。

事实上，上述高温尾气融冰富余的热量会自行转化为蒸发水分，故高温尾气富余热量可协助蒸干路面17.7km，加之低温废热空气可蒸干路面30km，合计蒸干57.7km。故，如废热实际利用效率为26％即可将15km×200mm×2的冰雪路面完全蒸干，确保了行车安全。

Claims

1.一种行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置，其特征在于，该装置包括尾气导向喷射融化器和发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器；所述的尾气导向喷射融化器，它是由设置在汽车尾气管内的开关阀(1)，及连接在开关阀(1)至汽车消音器(8)之间汽车尾气管段上的尾气导向管(2)，和尾气导向管(2)伸至汽车前排轮胎前方后所连接的布气支管(3)，还有布气支管(3)的两端延长至汽车前排轮胎的中心处，并连接开口朝向地面的软体喷射管(4)构成；所述的发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器，它包括四周边与汽车底盘密封连接的一个方盘(5)，方盘的前端靠近汽车车头，其边缘遮挡着汽车底盘排气槽(7)，方盘的后端至汽车后排轮胎前沿，方盘的左右两侧边缘至汽车左右车体处；在方盘(5)与汽车宽度一致的左右两侧，且位于前后两轮胎中心直线位置处开设排列排气孔，每个排气孔上设置开口朝向路面的软体吹扫管(6)。

2.按权利要求1所述的行驶汽车利用废热清除路面冰雪的装置，其特征在于，软体喷射管的个数及管径的确定，依据软体喷射管开口总面积≥汽车尾气管流通面积加以确定；软体吹扫管的个数及管径的确定，依据软体吹扫管开口总面积≥汽车底盘排气槽总面积加以确定。

3.一种采用权利要求1所述的装置实现清除路面冰雪的方法，其特征在于包括以下过程：

1)汽车在行驶中，遇到冰雪路面，首先通过控制装置，将设置在尾气管内的开关阀(1)关闭，这时来自消音器（8）的温度高达500～700℃的汽车尾气通过尾气导向管(2)及布气支管(3)和软体喷射管(4)喷射至汽车前排轮胎前方的冰雪路面上，经快速传热，路面的冰雪快速得以融化；

2)在与步骤1)进行的同时，融化的冰雪液固混合物再经汽车前轮胎的碾压，进一步得以融化和疏软，此时由汽车前罩板进入的冷空气经与散热器进行热交换，空气升温至50～70℃，然后由汽车底盘排气槽(7)排入发动机换热升温气体收集吹扫蒸湿器，并通过软体吹扫管(6)吹向路面的冰雪液固混合物上，蒸发部分冰雪水实现清除冰雪。