CN106762036B - 车载尾气温差发电热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的车载尾气温差发电热交换器，其包括安装基体，在安装基体中同时集成有SCR功能与消音功能的装置，以实现回收汽车发动机高温尾气中的热能，同时在热交换器进行热交换过程中，提高汽车尾气温差发电系统与尾气排放系统的兼容性。本发明实现了SCR与消音功能的集成，彻底解决了尾气处理环节上多个装置串联布置的难题，集成度高，易于布置，有利于温差发电装置在商用车上的应用。

Description

车载尾气温差发电热交换器

技术领域

本发明设计温差发电热交换器技术领域，具体涉及一种集成了SCR与消音功能的车载尾气温差发电热交换器。

背景技术

汽车尾气温差发电装置的出现，为提高整车燃油经济性和节能减排提供了新的可能。对于商用车而言，其普遍采用的柴油发动机，柴油发动机的尾气温度高，流量大，颗粒物含量与氮氧化物也较高，为满足排放法规要求，必须安装SCR(选择性催化还原转化器)与消音装置。因此，如果再要安装一个温差发电装置，底盘上的空间就会显得十分紧张，最后导致温差发电装置的体积与形状会受到很大限制，进而影响了温差发电装置在商用车上的应用。不仅如此，现在已有发明专利提出了集成了消音功能的温差发电装置，以及集成了三元催化器或者是SCR的温差发电装置，但仍没有同时集成了消音与SCR功能的温差发电装置出现，最主要的原因就在于，集成了SCR之后，在保证温差发电装置的热交换器换热性能的同时，将难以在其内部布置合适的消音装置，使其消音效果与原消音器相同。这既是设计中的难点，也是本发明的重要发明内容之一。

温差发电技术是利用某些半导体材料的塞贝克效应将热能转换为电能的技术。当这种材料的冷端和热端有一定的温差时，两端就会建立起一定的电势差，如果再形成回路的话，那么电路中就会有电流产生。此时，半导体材料的作用就相当于直流电源。在其他条件给定时，在一定范围内，冷端和热端的温差越大，发电效率越高，而且温差一定时，在一定范围内，越处于低温区，发电效率越高。温差发电装置具有结构简单、寿命长、无噪声、无运动件等优点，受到了越来越多的关注，并在诸多领域得到了应用。

在温差发电装置中，热交换器是重要组成部件之一，决定了整个温差发电装置的形状和尺寸。针对前面提及的问题，本发明提出了一种集成了SCR与消音功能的车载尾气温差发电热交换器装置。该装置集成了柴油发动机的尾气排放系统中的SCR与消音功能，集成度高，结构紧凑，空间利用率高，布置在底盘上时干涉小，提高了汽车尾气温差发电系统与尾气排放系统的兼容性，有利于温差发电装置在商用车上的应用与普及，能为我国的节能减排与环境保护工作做出巨大贡献。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种集成了SCR与消音功能的车载尾气温差发电热交换器，在实现回收柴油发动机高温尾气中的热能的同时，将尾气排放系统中的SCR和消音功能集成到了热交换器中，提高了汽车尾气温差发电系统与尾气排放系统的兼容性，集成度高，结构紧凑，布置在底盘上时干涉小，提高了汽车底盘的空间利用率。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的车载尾气温差发电热交换器，包括安装基体，在安装基体中同时集成有SCR功能与消音功能的装置，以实现回收汽车发动机高温尾气中的热能，同时在热交换器进行热交换过程中，提高汽车尾气温差发电系统与尾气排放系统的兼容性。

所述的具有消音功能的装置，其包括一个消音挡板与一个多孔管，以及由机架上的开孔、内部的挡板及具有SCR功能的装置内部的孔洞构成的复杂的通道，于此共同起到消音的作用。

所述的具有SCR功能的装置是用于处理尾气中的氮氧化物的催化器，其装在后机架环形加强板和催化器环形固定板主体、催化器环形固定板隔片之间的腔室中，并固定在相邻的两块挡板和机架上。

所述的催化器为圆柱体形状，其内部是多孔介质，净化尾气的同时也具有一定的消音作用，并保证安装时其回转轴线与热交换器回转轴线相重合。

所述的安装基体，是由热交换器两端的外隔板，沿热交换器周向布置的机架构成。

所述的机架，由多根在热交换器侧边和底部的位置上开有气孔的凹槽型钢板组成，这些钢板间隔地布置在热交换器周围，且其两端分别焊接在热交换器两端的入口侧外隔板、出口侧外隔板上，为其它部件的安装提供支撑。

所述的机架，沿其外侧环形布置有前部换热翅片、中部长换热翅片、中部短换热翅片、后部换热翅片，这些翅片围成腔体，腔体内部设置具有SCR功能的装置与具有消音功能的装置。

所述的前部换热翅片、中部长换热翅片、中部短换热翅片、后部换热翅片，紧贴在构成热交换器表面的多块基板的下方，这些基板的外表面装有热电模块；其中，中部的换热翅片的一端被加工成了尖角状，便于气体流向机架侧边上的开孔；这些换热翅片外侧平整，内侧密布了许多鳍片。

所述的热交换器，其两端的外隔板分别设有热交换器尾气入口管和尾气出口管，沿着气体的流向，内部依次设置了消音挡板、前机架环形加强板、后机架环形加强板和SCR催化器环形固定板，这四个挡板将热交换器内部分成了五个腔室，其中，消音挡板和SCR催化器环形固定板具有改变气体流向的作用。

所述的热交换器尾气入口管，其管壁上设有一个尿素喷嘴和一个前温度传感器；所述的热交换器尾气出口管，其管壁上设有一个氮氧化物传感器和一个后温度传感器。

本发明的有益效果主要表现在：

1.可以降低排放噪音，同时能实现尾气净化。

相对于以前的汽车尾气系统而言，如果在其基础上安装一个尾气温差发电器，它会占据较大的底盘空间。考虑到汽车尾气系统上的消音器和SCR催化器都有着圆筒型的外形，因此可以将这两个功能集成到圆筒式的温差发电器的热交换器内部。集成之后，该装置在实现发动机尾气废热回收的同时，还能进一步实现消音和SCR催化转化的功能，既能降低排放噪音，又能实现尾气净化。

2.集成度高，节约底盘空间。

由于该热交换器内部设有复杂尾气通道，因此既能高效地吸收足够的尾气，又能起到较好的消音作用，结构巧妙，集成度高。若将其安装在汽车的尾气系统上，则可以省去原系统上的SCR催化器和消音器，进一步提高底盘空间利用率，而且使得该温差发电装置的体积能做得更大一些，容纳更多的模块，增强废热回收的效果，提高能源利用率。

3.热交换器表面温度较高，消音性能良好。

根据对原型装置的测试结果，该装置的外表面的平均温度仍能达到230℃，最高温度能达到270℃，满足所选用的热电模块的使用要求。在对该装置的消音性能进行测试后，发现其对发动机的中频噪音能起到良好的过滤与吸收，传递损失基本能达到50dB，基本与原发动机上的消音器性能持平。而SCR催化器只是一个多孔管的结构，其整体结构在本例中得到了完整的保留。

附图说明

图1是本发明实施例中的集成了SCR催化器与消音功能的车载尾气温差发电热交换器装置的外形图。

图2是本发明实施例中的热交换器装置去除了最外侧的基板后的结构示意图。

图3是本发明实施例中的热交换器装置去除了最外侧的基板和基板下的换热翅片后的结构示意图。

图4-7是本发明实施例中的换热翅片。其中，图4是前部换热翅片，图5和图6为中部换热翅片的两种结构，图7是后部换热翅片。

图8是本发明实施例中的机架所采用的凹槽型钢板的结构。

图9是本发明实施例中所采用的消音挡板的结构

图10是本发明实施例中所采用的前机架环形加强板与后机架环形加强板的结构。

图11是本发明实施例中所采用的SCR催化器环形固定板的结构，它由SCR催化器环形固定板主体与SCR催化器环形固定板隔片组成。

图中：1.热交换器尾气入口管，2.入口侧外隔板，3.多孔管，4.消音挡板，5.凹槽型钢板，6.前机架环形加强板，7.后机架环形加强板，8.催化器,9.催化器环形固定板主体,10.催化器环形固定板隔片,11.出口侧外隔板，12.热交换器尾气出口管，13.前部换热翅片，14.中部长换热翅片，15.中部短换热翅片，16.后部换热翅片，17.基板，18.尿素喷嘴，19.前温度传感器，20.氮氧化物传感器，21.后温度传感器。

具体实施方式

本发明提供的是一种集成SCR功能与消音功能的车载尾气温差发电热交换器装置，包括SCR(选择性催化还原转化器)、消音装置、换热翅片、机架和基板。热交换器两端的外隔板与周向布置的机架构成了安装基体。换热翅片沿机架外侧环形布置，外侧依次安装基板和热电模块，内部设置SCR催化器与消音装置。热交换器两端分别设进、出气口，内部设置多块隔板。消音装置包括消音挡板与多孔管，以及由机架上的开孔、内部的挡板及SCR催化器内部的孔洞构成的复杂的通道。SCR催化器安装在热交换器末端的内腔中。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的车载尾气温差发电热交换器，是一种集成了SCR功能与消音功能的车载尾气温差发电热交换器(简称热交换器)，其结构如图1-图11所示，包括消音装置、机架，催化器8、前部换热翅片13、中部长换热翅片14、中部短换热翅片15、后部换热翅片16、基板17，以及位于热交换器两端的入口侧外隔板2、出口侧外隔板11，其中：入口侧外隔板2、出口侧外隔板11和周向布置的机架构成了该热交换器的安装基体。然后，前部换热翅片13、中部长换热翅片14、中部短换热翅片15、后部换热翅片16沿机架外侧环形布置，围成腔体，腔体内部设置催化器8与消音装置，基板17贴在前部换热翅片13、中部长换热翅片14、中部短换热翅片15、后部换热翅片16的外侧，用于安放热电模块。入口侧外隔板2、出口侧外隔板11分别设有热交换器尾气入口管1和热交换器尾气出口管12，沿着气体的流向，内部依次设置了消音挡板4、前机架环形加强板6、后机架环形加强板7和催化器环形固定板隔片10，这四个挡板将热交换器内部分成了五个腔室。消音装置包括一个消音挡板4与一个多孔管3，以及由机架上的开孔、内部的挡板及催化器内部的孔洞构成的复杂的通道，这些机械结构共同起到消音的作用。催化器8安放在后机架环形加强板7和催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10之间的腔室，并固定在相邻的两块挡板和机架上。

本发明热交换器的外形设计成横截面为正十八边形的柱体。柱体的外表面是十八块导热良好的长方体状的基板17，使用导热硅胶将其紧贴在前部换热翅片13、中部长换热翅片14、中部短换热翅片15、后部换热翅片16上，从而将整个热交换器的侧围密封起来，平整的基板外表面用于安装热电模块。

热交换器的两端均采用的是正十八边形的入口侧外隔板2、出口侧外隔板11，并与上述的十八块基板17有着良好的密封。这两个外隔板中部开有圆孔，分别用作进气口与出气口。

外侧基板17下安装的是异形的前部换热翅片13、中部长换热翅片14、中部短换热翅片15、后部换热翅片16。这四片换热翅片均被设计成分段式的，共分成三段，按照从进气向出气的方向可分为前部换热翅片13、中部长换热翅片14、中部短换热翅片15和后部换热翅片16，且一共有四种结构，均安装固定在机架上。其中，前部换热翅片有九个，间隔安装；中部换热翅片有两种结构，每种结构均有九个，这两种换热翅片间隔安装，而且靠近后部的一端都被加工成了尖角状；后部换热翅片有十八个，安装在催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10与出口侧外隔板11之间形成的空腔外侧的机架上。这些换热翅片外侧平整，利于向基板传递热量，内侧密布了许多鳍片，以便与热交换器内部的高温尾气充分接触。

所述的机架是由九根在热交换器侧边和底部的特定位置开有气孔的凹槽型钢板5组成，这九根钢板间隔地布置在热交换器周围，且两端分别焊接在热交换器两端的入口侧外隔板2、出口侧外隔板11上，为其它部件的安装提供支撑。

热交换器内部一共设置了四个挡板，从进气向排气方向依次为消音挡板4、前机架环形加强板6、后机架环形加强板7和催化器环形固定板，这四个挡板将热交换器内部分成了五个腔室。其中，消音挡板4中部与入口处的多孔管3的焊接，作用在于将多孔管的一端堵死，其形状是一个比热交换器两端的外隔板略小的正十八边形，并在机架经过的位置开了相应的凹槽，且与机架密封良好；前机架环形加强板6和后机架环形加强板7均为中部开有大圆孔的正十八边形钢板，并与入口侧外隔板2、出口侧外隔板11平行地布置与热交换器内部，起到支撑九根凹槽型钢板5的作用，中部的圆孔的半径比催化器8的外圆半径稍小；催化器环形固定板由两部分组成，分为催化器环形固定板主体9与催化器环形固定板隔片10，催化器环形固定板主体结构与消音挡板4相同，但是在催化器环形固定板主体的中部开有一个大圆孔，其半径与中部的环形加强板中部的圆孔相同，催化器环形固定板隔片10共有九个，安装在凹槽型钢板5的凹槽内，与催化器环形固定板主体9处于同一个平面上，且与凹槽型钢板5的凹槽之间有着良好的密封，起到隔绝气体、改变气体流向的作用。

按照上述方案，这些凹槽型钢板5与上述的挡板共同构成了内部的气体通道。气体从入口处的多孔管3出来后，从机架底部和侧边的气孔进入机架5，向后方流动，在受到催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10的阻挡后，从机架侧边的气孔进入相邻两个机架间的区域，并反向流动，继续前进后又受到消音挡板4的阻挡，气体再次反向流动，在通过SCR催化器8后，从热交换器出口排出。

热交换器内部集成了SCR功能。

催化器8是SCR催化器，是一个圆柱体，其内部是多孔介质，主要用于处理尾气中的氮氧化物。该催化器固定在后机架环形加强板7和催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10之间，并且回转轴线与热交换器回转轴线相重合，其内部的多孔介质也会起到一定的消音作用。

按照上述方案，为适应该热交换器的结构，需要对原SCR系统上进行了一些改造。热交换器尾气入口管1的管壁上设置有一个尿素喷嘴18和一个前温度传感器19，热交换器尾气出口管12的管壁上设置有一个氮氧化物传感器20和一个后温度传感器21，SCR系统的其它元件的安装与原系统相同。

热交换器内部集成了消音功能。本发明采用的是阻抗复合式的消音方式，在入口侧外隔板与消音挡板4形成的消音腔内设置有一个具有消音作用的多孔管3，尾气从热交换器尾气入口管1进入热交换器后，从多孔管3上的孔进入该消音腔，然后再通过机架的凹槽型钢板5前端的底边和侧边的开孔进入较长的中部散热翅片14与凹槽型钢板5之间的空隙，接着尾气受到安装在凹槽型钢板5的凹槽内的SCR催化器环形固定板隔片10的阻挡，于是，尾气从凹槽型钢板5尾端侧边的开孔流入到相邻的未安装凹槽型钢板的区域，在较短的中部换热翅片15内侧流动，并在该区域内向热交换器入口方向流动，之后又受到了消音挡板4的阻挡，尾气便流入消音挡板4与前机架环形加强板6之间的空腔内，并通过后机架环形加强板7中部的大圆孔进入SCR催化器8多孔介质中，经处理后，尾气从催化器8中流出，进入催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10与出口侧外隔板11之间形成的空腔，这段空腔是为了进一步达到消音的目的而设置的膨胀室，最后，气体流向热交换器尾气出口管12。

该热交换器装置实现了SCR与消音功能的集成，充分利用了热交换器内部的空腔，彻底解决了尾气处理环节上多个筒状装置串联布置的难题，集成度高，易于布置，提高了汽车底盘的空间利用率，有利于温差发电装置在商用车上的应用。

本发明提供的上述的车载尾气温差发电热交换器装置，其与现有技术相比，具有以下主要的创新的技术方案：

1)巧妙地将SCR催化器塞入了该温差发电热交换器装置中；

2)该装置内部设计有复杂的结构，可以实现消音的功能；

3)在热交换器内部设计了一条复杂的高温尾气通道，保证了换热性能，同时又增强了对尾气的噪音的吸收；

4)将消音功能和SCR催化的功能集成在了一起，集成度高，提高了汽车底盘空间利用率。

本发明提供的上述的车载尾气温差发电热交换器装置，其工作过程是：发动机的高温尾气从热交换器一端的入口侧外隔板2上的热交换器尾气入口管1流入该热交换器，然后流入入口处的多孔管3内。气体从入口处的多孔管3出来后，从机架底部和侧边的气孔进入机架的凹槽内，并继续向后方流动，在受到催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10的阻挡后，从机架侧边的气孔进入相邻两个机架间的区域，并反向流动。高温尾气在设计的通道中不断流动，并与内侧密布了许多鳍片的前部换热翅片13、中部长换热翅片14和中部短换热翅片15充分换热，翅片外侧十分平整，利于向基板传递热量，用作热电模块的热端。高温尾气继续前进后又受到消音挡板4的阻挡，再次反向流动，在经过SCR催化器8后，进入催化器环形固定板主体9、催化器环形固定板隔片10与出口侧外隔板11之间形成的空腔，这段空腔是为了进一步达到消音的目的而设置的膨胀室。最后，气体流向热交换器尾气出口管12，从热交换器出口排出。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种车载尾气温差发电热交换器，包括安装基体，其特征是在安装基体中同时集成有SCR功能与消音功能的装置，以实现回收汽车发动机高温尾气中的热能，同时在热交换器进行热交换过程中，提高汽车尾气温差发电系统与尾气排放系统的兼容性；所述的热交换器，其两端的外隔板分别设有热交换器尾气入口管（1）和尾气出口管（12），沿着气体的流向，内部依次设置了消音挡板（4）、前机架环形加强板（6）、后机架环形加强板（7）和SCR催化器环形固定板，这四个挡板将热交换器内部分成了五个腔室，其中，消音挡板和SCR催化器环形固定板具有改变气体流向的作用。

2.根据权利要求1所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的具有消音功能的装置，其包括一个消音挡板（4）与一个多孔管（3），以及由机架上的开孔、内部的挡板及具有SCR功能的装置内部的孔洞构成的复杂的通道，于此共同起到消音的作用。

3.根据权利要求1所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的具有SCR功能的装置是用于处理尾气中的氮氧化物的催化器（8），其装在后机架环形加强板（7）和催化器环形固定板主体（9）、催化器环形固定板隔片（10）之间的腔室中，并固定在相邻的两块挡板和机架上。

4.根据权利要求3所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的催化器（8）为圆柱体形状，其内部是多孔介质，净化尾气的同时也具有一定的消音作用，并保证安装时其回转轴线与热交换器回转轴线相重合。

5.根据权利要求1所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的安装基体，是由热交换器两端的外隔板，沿热交换器周向布置的机架构成。

6.根据权利要求5所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的机架，由多根在热交换器侧边和底部的位置上开有气孔的凹槽型钢板（5）组成，这些钢板间隔地布置在热交换器周围，且其两端分别焊接在热交换器两端的入口侧外隔板（2）、出口侧外隔板（11）上，为其它部件的安装提供支撑。

7.根据权利要求6所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的机架，沿其外侧环形布置有前部换热翅片（13）、中部长换热翅片（14）、中部短换热翅片（15）、后部换热翅片（16），这些翅片围成腔体，腔体内部设置具有SCR功能的装置与具有消音功能的装置。

8.根据权利要求7所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的前部换热翅片（13）、中部长换热翅片（14）、中部短换热翅片（15）、后部换热翅片（16），紧贴在构成热交换器表面的多块基板（17）的下方，这些基板（17）的外表面装有热电模块；其中，中部的换热翅片的一端被加工成了尖角状，便于气体流向机架侧边上的开孔；这些换热翅片外侧平整，内侧密布了许多鳍片。

9.根据权利要求1所述的车载尾气温差发电热交换器，其特征在于所述的热交换器尾气入口管（1），其管壁上设有一个尿素喷嘴（18）和一个前温度传感器（19）；所述的热交换器尾气出口管（12），其管壁上设有一个氮氧化物传感器（20）和一个后温度传感器（21）。