CN111706421A - 一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，包括：动力加热端；以及连接台，其固定在动力加热端外侧，连接台与动力加热端相连接；涡轮传动轴，其包括依次同轴设置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分；所述第四部分穿过所述连接台与动力加热端相连接；涡轮，其固定在所述第二部分上；涡轮壳体，其为两端开口的容纳腔结构，所述涡轮壳体的一端与所述连接台相连接；其中，所述涡轮可转动的设置在所述容纳腔中，所述容纳腔与汽车发动机的排气总管相连接；尾气传热管路，其一端与所述涡轮壳体的另一端相连接，另一侧流经汽车的尿素罐外壁与尾气排放管相连。本发明具有节约能源，提高行车效率的特点。
Description
技术领域
本发明涉及尾气利用与冬季商用车车用尿素解冻技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置。
背景技术
经济的快速发展以及道路交通的日益便捷，很大程度地加大了人们对道路运输的需求量，商用汽车作为道路运输中主要的能源消耗者以及污染排放者，在自身的节能减排方面还存在着许多需要改进之处。
随着国家第五阶段机动车污染物排放标准的实施，单车污染减少了30％-50％。为了实现上述节能减排的目标，汽油发动机通常使用三元催化器来将排出的废气转化为氮气，而三元催化器无法大量催化柴油发动机生成的NOX和PM，且柴油发动机缸内排气压力，热值都比汽车发动机高得多，三元催化器无法承受其高温高压。
因此针对商用车减排的车用尿素溶液成为了使卡车、客车符合国五以上排放标准的必备产品，国家规定的国五排放标准车用尿素溶液在正常温度低于-11℃时开始结冰。个别生产厂商通过添加剂(乙醇或乙二醇)降低车用尿素的冰点，从而达到防冻目的，但添加剂中的乙醇属于易燃易爆物质，高浓度的乙醇在高温环境下极易对排气管造成损坏与腐蚀；且-35℃的车用尿素溶液在市场价格上比普通的尿素溶液贵40％左右，大幅增加了商用车的运输成本。虽然在目前市面上销售的商用车通常自带尿素罐解冻加热功能，其多通过发动机冷却液循环来解冻尿素罐内结晶的尿素液体，但由于采用冷却液升温的单一途径，整个解冻过程较慢，而且在怠速驻车时对尿素溶液的保温效果差。
不仅如此，商用车发动机动力输出占燃料燃烧总能量的35％～45％，大部分能量被以废气、冷却水等形式排出。发动机尾气的余热具有温度高、压强大、流速快的特点，且所含能量占浪费热量中的主要部分，因此充分利用尾气资源，变废为宝，具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，通过涡轮与涡轮传动轴的配合将尾气转化为机械能，涡轮传动轴与发电机的配合将机械能转化为电能，蓄电池与导热片的配合将电能转化为热能，从而通过二次加热后的尾气对尿素罐进行加热和保温，大幅提高行车效率。
本发明提供的技术方案为：
一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，包括如下步骤：
动力加热端；以及
连接台，其固定在动力加热端外侧，并且所述连接台与动力加热端相连接；
涡轮传动轴，其包括依次同轴设置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分；
其中，所述第一部分、第二部分、第四部分的直径依次增大，所述第三部分的直径大于第四部分，用于将所述第二部分和第四部分隔离，所述第四部分穿过所述连接台与动力加热端相连接；
涡轮，其固定在所述第二部分上；
涡轮壳体，其为两端开口的容纳腔结构，所述涡轮壳体的一端与所述连接台相连接；
其中，所述涡轮可转动的设置在所述容纳腔中，所述容纳腔与汽车发动机的排气总管相连接；
尾气传热管路，其一端与所述涡轮壳体的另一端相连接，另一侧流经汽车的尿素罐外壁与尾气排放管相连。
优选的是，还包括：
第一涡盖，其可转动的设置在所述第四部分上，且所述第一涡盖设置在所述连接台和涡轮壳体之间。
优选的是，还包括：
第二涡盖，其为管道型结构，并且所述第二涡盖设置在所述涡轮壳体与汽车发动机排气总管之间。
优选的是，所述动力加热端包括：
发电机，其输入端与所述第四部分相连接；
整流器，其与所述发电机的输出端相连接；
蓄电池，其输入端与所述整流器相连接。
优选的是，还包括：
温度传感器，其设置在汽车尿素罐内；
发动机状态传感器，其与汽车发动机相连接；
尾气加热控制器，其与所述温度传感器、发动机状态传感器和蓄电池的输出端相连接，用于控制所述蓄电池的输出功率。
优选的是，还包括：
导热片，其为环形结构，所述导热片设置在所述连接台上，并且所述导热片与所述尾气加热控制器相连接。
优选的是，还包括：
锁紧装置，其设置在所述第一部分，用于将所述涡轮固定。
优选的是，所述蓄电池输出功率满足：
若尿素溶液温度低于-15℃，且此时发动机处于工作状态，所述尾气加热控制器向蓄电池发送指令，蓄电池输出功率为900W，在尿素溶液温度高于5℃时终止加热过程；
若尿素溶液温度低于-5℃，且此时发动机处于工作状态，所述尾气加热控制器向蓄电池发送指令，蓄电池输出功率为500W，在尿素溶液温度高于5℃时终止加热过程。
优选的是，所述涡轮的材质为低偏析镍基合金M38G。
优选的是，所述发电机为同步交流发电机。
本发明所述的有益效果：
本发明设计开发的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，根据商用车内尿素溶液的状态实时调节尾气温度，在实现废物利用的同时解决了在我国北方冬天商用车尿素解冻慢，影响运输效率的问题，其提供的保温功能也使商用车驾驶员在一定的驻车条件下，不用再担心尿素溶液接近低温的不佳状态，这会在商用车公路运输领域产生实际的经济价值；本装置的所有供能均来自于尾气排放，不需要消耗额外的车用能源，节约能源。并且本装置主体部分安装简便，成本低廉，工作可靠性高，不需要驾驶员任何的手动操作，使用过程极其方便。
附图说明
图1为本发明所述装置的整体装配结构示意图。
图2为本发明所述装置的整体结构示意图。
图3为本发明所述动力加热端的结构示意图。
图4为本发明所述第一涡盖的结构示意图。
图5为本发明所述涡轮传动轴的结构示意图。
图6为本发明所述涡轮与涡轮传动轴零件定位中心旋转部分装配结构示意图。
图7为本发明所述涡轮壳体的结构示意图。
图8为本发明所述第二涡盖的结构示意图。
图9为本发明所述装置的工作流程图。
图10为本发明所述尾气传热管路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，通过对尾气的二次加热达到对尿素罐的加热和保温，从而提高行车效率。
本专利的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置100主要分为两个子系统，电力储能子系统和热控制子系统，该整体装置的起始部分是电力储能子系统，如图1、图2所示，电力储能子系统设计主要包括：动力加热端110、连接台120、第一涡盖140、轴承150、涡轮传动轴160、涡轮壳体170、涡轮180、垫片181、螺母182和第二涡盖190。
其中，如图3所示，动力加热端110包括发电机111、整流器112和蓄电池113，发电机111的输出端与所述整流器112相连接；蓄电池113，其输入端与所述整流器112相连接；连接台120，其固定在所述动力加热端110的外部，在连接台120上具有环形凹槽、第一中心通孔和多个螺纹孔，所述导热片121呈环形结构作为尾气加热装置设置在连接台120上的环形凹槽中，并且导热片121与所述尾气加热控制器相连接，能够对尾气进行加热。
如图4所示，第一涡盖140包括同轴设置的第一连接端141和第二连接端142，在第一连接端141上具有多个螺纹孔，并且能够与连接台120上的螺纹孔一一对应相固定，在第一连接端141上具有第二中心通孔，且第二中心通孔与第一中心通孔相对应设置，第二连接端142与第一连接端141形成第一容纳室，且第二连接端142上具有多个螺纹孔。
如图5、图6所示，涡轮传动轴160包括依次同轴设置的第一部分161、第二部分162、第三部分163和第四部分164；所述第一部分161、第二部分162、第四部分164的直径依次减小，所述第四部分164通过设置在第一容纳室中的轴承150可转动的穿过第一中心通孔和第二中心通孔，然后第四部分164与发电机的输入端相连接；所述第三部分163的直径大于第四部分164，用于将所述第二部分162和第三部分163隔离，在本实施例中第三部分163为轴肩，用于与涡轮180配合，涡轮180通过平键固定在所述第二部分162上；在第一部分161上设置有螺纹，其与垫片181和螺母182固定涡轮180，综上所述，涡轮180的具体定位有三部分构成，涡轮180一侧设置的轴肩，涡轮传动轴160上的一个平键，涡轮180一侧设置的垫片181和螺母182固定，在本实施例中平键的类型选用圆底型式，涡轮传动轴160的定位有第三部分163和第一涡盖140共同固定。
如图7所示，涡轮壳体170为内部具有第二容纳腔173的管道型结构，并且所述涡轮壳体170包括第三连接端171、第四连接端172和外接管道174，所述涡轮180可转动的设置在所述第二容纳腔173中，并且所述涡轮壳体170的第三连接端171和第四连接端172之间的部分为圆弧形结构，即第二容纳腔173的外侧为圆弧形结构，其尺寸设计主要考虑涡轮180的宽度及直径等参数与涡轮壳体170的配合。所述第三连接端171上部具有多个螺纹孔，其与第二连接端142上的多个螺纹孔一一对应相连接，第四连接端172上具有多个螺纹孔，且第三连接端171的端面开口直径大于第四连接端172的端面开口直径，所述外接管道174一端与第二容纳腔173相连接，另一端与汽车发动机的排气总管相连接，用于尾气进入装置。
如图8、图10所示，第二涡盖190包括第五连接端191和第六连接端193，在第五连接端191上具有多个螺纹孔，用于连接尾气传热管路220，第六连接端193上具有多个螺纹孔，用于与第四连接端172上的多个螺纹孔一一对应相连接，在第五连接端191和第六连接端193之间形成管道型通路192；尾气传热管路220，其一端与第五连接端191相连接，另一端流经汽车的尿素罐外壁210a和210b与尾气排放管230相连。
热控制子系统设计主要包括：温度传感器、发动机状态传感器(图中未示出)和尾气加热控制器130，其中，温度传感器，其设置在汽车尿素罐内，用来获取尿素溶液的温度；发动机状态传感器，其与汽车发动机相连接，用来获取发动机的工况信息；尾气加热控制器130，其与所述温度传感器、发动机状态传感器和蓄电池113的输出端相连接，接收所述温度传感器和发动机状态传感器的信号，用于控制蓄电池113的输出功率，判断对尿素溶液进行加热或者保温。
由于本装置是安装在排气系统上的外部装置，必然对排气背压产生一定的影响，会导致气缸在吸排气量过少或过多，直接使发动机性能降低。因此，采用去除原有排气消音器的方式，以确保较低的背压，进而保证发动机的性能。
如图9、图10所示，本发明所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置的具体工作过程为：
(1)发动机内的高温高压气体在流过汽车发动机的排气总管240后进入与排气系统直接相连的外接管道174，并进入工作起始阶段；
(2)尾气流入涡轮壳体170后尾气压力降低，加上涡轮壳体170形状及管道空间缩小的影响，导致流速快速增大，高流速的废气在涡轮壳体170内冲击涡轮180叶片，叶片在废气作用下快速转动，涡轮传动轴160同时随着涡轮180转动，由此完成从气体与传动轴之间机械能的传递；
(3)涡轮传动轴160一端外接的发电机111与涡轮180做同轴转动，发电机111被推动工作产生电能；
(4)由于发动机间歇性工作以及排气管路形状的影响等原因，发电机111产生的电能波动较大，故将发电机111与整流器112相连，将电流整流稳压后再存储至蓄电池113，实现从机械能到电能的转化；
(5)温度传感器和发动机状态传感器把信息传递给尾气加热控制器130，从而使尾气加热控制器130判断此刻是否需要对尿素溶液进行加热或保温；
具体的判断逻辑为：
若尿素溶液温度低于-15℃，且此时发动机处于工作状态，尾气加热控制器130向蓄电池113发送指令并通过导热片121对尾气进行加热，加热功率为900W，在尿素溶液温度高于5℃时终止加热过程；
若尿素溶液温度低于-5℃，且此时发动机处于工作状态，尾气加热控制器130向蓄电池113发送指令通过导热片121对尾气进行保温，此时加热功率为500W，在尿素溶液温度高于5℃时终止加热过程。
(6)涡轮壳体170内加热后的尾气经第二涡盖190的管道型通路192排出，最终进入尾气传热管路220，该管路流经尿素溶液罐外壁与尾气排放管230相连，满足热交换条件，高温尾气在这里将热能传递给尿素溶液完成解冻或保温过程。
在另一种实施例中，涡轮180选择径流式涡轮，镍基合金具有耐高温耐腐蚀的特性，且在一定温度下其力学性能变化不大，因此选用低偏析镍基合金M38G作为涡轮的设计材料；发电机选用同步交流发电机，其型号为高速永磁发电机ZYKWS-12，发电机发出的电流经桥式整流后由蓄电池收集。
本发明设计开发的一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，根据商用车内尿素溶液的状态实时调节尾气温度，在实现废物利用的同时解决了在我国北方冬天商用车尿素解冻慢，影响运输效率的问题，其提供的保温功能也使商用车驾驶员在一定的驻车条件下，不用再担心尿素溶液接近低温的不佳状态，这会在商用车公路运输领域产生实际的经济价值，具有重要的应用意义。
并且本发明所提供的装置不需要过多的传感器，不仅可以降低该商用车尿素溶液解冻及保温装置的结构复杂程度，也可以降低产品的成本；本发明所提供的装置主体部分安装简便，工作可靠性高，不需要驾驶员任何的手动操作，使用过程极其方便；本装置的所有供能均来自于尾气排放，不需要消耗额外的车用能源，节约能源。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，包括：
动力加热端；以及
连接台，其固定在动力加热端外侧，并且所述连接台与动力加热端相连接；
涡轮传动轴，其包括依次同轴设置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分；
其中，所述第一部分、第二部分、第四部分的直径依次增大，所述第三部分的直径大于第四部分，用于将所述第二部分和第四部分隔离，所述第四部分穿过所述连接台与动力加热端相连接；
涡轮，其固定在所述第二部分上；
涡轮壳体，其为两端开口的容纳腔结构，所述涡轮壳体的一端与所述连接台相连接；
其中，所述涡轮可转动的设置在所述容纳腔中，所述容纳腔与汽车发动机的排气总管相连接；
尾气传热管路，其一端与所述涡轮壳体的另一端相连接，另一侧流经汽车的尿素罐外壁与尾气排放管相连。
2.如权利要求1所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，还包括：
第一涡盖，其可转动的设置在所述第四部分上，且所述第一涡盖设置在所述连接台和涡轮壳体之间。
3.如权利要求2所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，还包括：
第二涡盖，其为管道型结构，并且所述第二涡盖设置在所述涡轮壳体与汽车发动机排气总管之间。
4.如权利要求3所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，所述动力加热端包括：
发电机，其输入端与所述第四部分相连接；
整流器，其与所述发电机的输出端相连接；
蓄电池，其输入端与所述整流器相连接。
5.如权利要求4所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，还包括：
温度传感器，其设置在汽车尿素罐内；
发动机状态传感器，其与汽车发动机相连接；
尾气加热控制器，其与所述温度传感器、发动机状态传感器和蓄电池的输出端相连接，用于控制所述蓄电池的输出功率。
6.如权利要求5所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，还包括：
导热片，其为环形结构，所述导热片设置在所述连接台上，并且所述导热片与所述尾气加热控制器相连接。
7.如权利要求6所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，还包括：
锁紧装置，其设置在所述第一部分，用于将所述涡轮固定。
8.如权利要求7所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，所述蓄电池输出功率满足：
若尿素溶液温度低于-15℃，且此时发动机处于工作状态，所述尾气加热控制器向蓄电池发送指令，蓄电池输出功率为900W，在尿素溶液温度高于5℃时终止加热过程；
若尿素溶液温度低于-5℃，且此时发动机处于工作状态，所述尾气加热控制器向蓄电池发送指令，蓄电池输出功率为500W，在尿素溶液温度高于5℃时终止加热过程。
9.如权利要求8所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，所述涡轮的材质为低偏析镍基合金M38G。
10.如权利要求9所述的基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置，其特征在于，所述发电机为同步交流发电机。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010667707.3A CN111706421A (zh) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 一种基于尾气加热的商用车尿素溶液解冻及保温装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN111706421A true CN111706421A (zh) | 2020-09-25 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111706421A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114995549A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-02 | 上海三一重机股份有限公司 | 尿素加热控制方法、装置、系统及作业机械 |
-
2020
- 2020-07-13 CN CN202010667707.3A patent/CN111706421A/zh active Pending
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