汽車廢氣余能回收利用裝置設(shè)計(jì)【含Solid Edge三維及6張CAD圖帶外文翻譯】
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汽車廢氣余能回收利用裝置設(shè)計(jì)摘 要節(jié)能足汽車工業(yè)發(fā)展的三大主題之一。由于能源消耗的加劇，汽車節(jié)能問題備受人們的關(guān)注。有關(guān)研究資料表明，汽車燃料燃燒所發(fā)出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被排放到大氣中，不僅造成了能源的浪費(fèi)，還帶來了不良環(huán)境影響。因此，采用有效手段充分利用汽車排放的廢熱應(yīng)當(dāng)是我們實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能、降低排放的一個(gè)研究方向。本文對(duì)當(dāng)前提出的各種汽車余熱利用手段進(jìn)行了分類，并做了綜合分析比較，提出汽車廢氣渦輪發(fā)電可能是比較理想的汽車余熱利用方式，并進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。本文首先對(duì)汽車廢氣能量進(jìn)行了分析，提出應(yīng)當(dāng)用有效能的能量衡算方法分析汽車廢氣能量，指出了影響廢氣能量的因素并提出了提高廢氣中可用能量的措施。其次，本文分析了不同排氣系統(tǒng)在廢氣能量利用上的差異，提出了能量利用效率較高的排氣系統(tǒng)方案并針對(duì)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。再次，針對(duì)一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)利用編制的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了渦輪部分設(shè)計(jì)。本文還針對(duì)一臺(tái)具體的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了渦輪機(jī)殼，渦輪管道，軸，軸承，對(duì)此部分的設(shè)計(jì)是依照渦輪尺寸來設(shè)計(jì)的。其部分尺寸由渦輪計(jì)算得出。由于能力有限，知識(shí)限制，再者現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)相當(dāng)成熟，本文不再具體針對(duì)發(fā)電系統(tǒng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，本裝置只設(shè)計(jì)到軸部分，軸端可以裝萬向連接器，也可以與要設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)同軸，需要注意的是本裝置設(shè)計(jì)的軸承一端為懸浮，即只有一端軸向固定，另一端的軸向固定還需要電動(dòng)機(jī)里面的軸承來實(shí)現(xiàn)。本文將具體每個(gè)零件三維圖及其 cad 圖已經(jīng)一一畫出，并在本文之中附以三維幾部分平面圖片，一邊讀者心中對(duì)設(shè)計(jì)更加清晰！關(guān)鍵詞：汽車；廢氣；余熱；能量利用；渦輪1From car exhausts to recycle the device designAbstractEnergy conservation is one of three big subjects in automobile industry development．Because energy consumption intensifying，the question of automobile energyconservation prepares people’S attention．The related research material indicated，the energy sending oat from automobile fuel burning only has about 1／3 effectively been used，other energies discharge into the atmosphere，not only has created the energy waste，butalso has brought the poor environmental influence．Therefore，adopting the effectivemethod to fully utilize the waste heat discharging from the automobile has to be a research direction．This article has classified the method of the current from a variety of the use of a classification yure means, and comprehensive analysis and comparison, the turbine generation are more likely to exhaust the car, and yure of the preliminary design. The first to exhaust the energy was analysed and efficiency of energy shall be in a republican way analysis is to exhaust the energy that had to exhaust the energy for the proposed increase in exhaust can use of energy. second, this article analyzes the different systems in the exhaust the energy of differences and energy efficient use of the higher the exhaust system solutions and an engine of the design.This article has analyzed the difference in the exhaust gas energy utilization of different exhaust system，proposed the exhaust system plan which can bring about higher efficiency of energy utilization，and carried on the design which aims at a diesel engine ，This article for a specific the engine exhaust system design, the turbine, the turbine, bearings, shaft, owing to limited ability, knowledge is limited, and furthermore, the generator design skills are quite ripe, and this is no specific system for electricity generation of design. the specific each component three vitou and cad is a picture of a graph and, in this paper attached to a few parts of the 3d images, and the plane was to design more clear!Key words：automobile ；exhaust gas ；waste heat ；energy utilization；turbine2目 錄第一章 引言 .................................................................................................................51.1 、研究背景及意義 ...................................................................................................51.1.1、汽車廢熱利用的空間 ...................................................................................51.1.2、汽車廢熱利用特點(diǎn) .......................................................................................51.2、研究進(jìn)展綜述 ..........................................................................................................61.2.1、渦輪增壓技術(shù) ................................................................................................61.2.2、余熱制冷技術(shù) ................................................................................................61.2.3、余熱發(fā)電 ..........................................................................................................81.2.4、余熱采暖 .......................................................................................................91.3、小結(jié) ........................................................................................................................101.4、本文主要工作 .......................................................................................................10第二章 針對(duì) ZH4100 柴油機(jī)及排氣系統(tǒng)的渦輪部分設(shè)計(jì) ................112.1、ZH4100 柴油機(jī)的相關(guān)資料 ..............................................................................112.2、排氣系統(tǒng)管路圖 ...................................................................................................112.3、渦輪設(shè)計(jì) .................................................................................................................122．3．1、渦輪型式選擇 .......................................................................................122．3．2、渦輪設(shè)計(jì)前需確定的參數(shù) .................................................................132．3．3、具體計(jì)算步驟 ........................................................................................142．3．4、渦輪損失計(jì)算和渦輪參數(shù)的計(jì)算進(jìn)一步確定 ............................17第三章 其他部件的匹配設(shè)計(jì) ..........................................................................193.1、軸設(shè)計(jì) ......................................................................................................................193.1.1 、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................................193.1.2 、軸的材料選擇 ............................................................................................203.1.3 、軸的強(qiáng)度校核 ..........................................................................................2033.2、渦殼設(shè)計(jì) ...............................................................................................................223.3、小端渦蓋設(shè)計(jì) .....................................................................................................233.4、大端渦蓋設(shè)計(jì) ........................................................................................................233.5、部分圖片預(yù)覽 ........................................................................................................24第四章 感謝 ....................................................................................................................24參考文獻(xiàn) .............................................................................................................25附錄 1：符號(hào)表4第一章 引 言1.1 、研究背景及意義社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使能源消耗量急劇增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。由于汽車保有量越來越大，汽車的能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高，汽車節(jié)能問題越來越受到各個(gè)國(guó)家的關(guān)注，成為當(dāng)今世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題。我國(guó)是一個(gè)石油存儲(chǔ)量相對(duì)欠缺的國(guó)家，目前已成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)，而汽車消耗的能源主要是石油燃料。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，提高汽車燃料有效利用率和減少環(huán)境污染在我國(guó)具有更為重要的戰(zhàn)略意義。調(diào)查研究表明，汽車燃料燃燒所發(fā)出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被散發(fā)、排放到大氣中，這造成了能源的浪費(fèi)，并帶來了不良環(huán)境影響。因此有效利用汽車廢熱是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能，降低汽車能源消耗的一個(gè)有效途徑。1.1.1、汽車廢熱利用的空間從目前汽車所用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡來看，用于動(dòng)力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的 30％一 45％(柴油機(jī))或 20％一 30％(汽油機(jī))。以廢熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的 55％一 70％(柴油機(jī))或 80S 一 70S(汽油機(jī))，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱 。??81量表 1.1 為內(nèi)燃機(jī)的熱平衡 ??4表從表 l 中可以看出汽車廢熱利用有較大的空間，其有效利用自然受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，不少人致力于此方面研究。1.1.2、汽車廢熱利用特點(diǎn)由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的使用場(chǎng)合，汽車廢熱利用具有鮮明的特點(diǎn)和特殊的要求，可將這些特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸結(jié)如下 ：一是汽車廢熱的品位較低，能量回收較困難；二是??853廢熱利用裝置要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，效率高：三是廢熱利用裝置要抗震動(dòng)，抗沖擊，適應(yīng)汽車運(yùn)行環(huán)境：四是要保證汽車使用中的安全；五是要不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工熱平衡各分項(xiàng)％ 汽油機(jī) 高速柴油機(jī) 中速柴油機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃? 20～30 30～40 35～45冷卻介質(zhì)帶走的熱量 25～30 20～25 10～20廢氣帶走的熱量 40～45 35～40 30～40其它熱量損失 5～10 5 ～10 10～155作特性，避免降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。由于汽車廢熱利用具有上述特點(diǎn)，使得研究的成果雖多，但投入商業(yè)化生產(chǎn)的不多，只在廢氣渦輪增壓方面取得實(shí)用性進(jìn)展。1.2、研究進(jìn)展綜述目前，國(guó)內(nèi)外汽車余熱利用的技術(shù)，從熱源來看，有利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱和利用排氣余熱兩種，從用途上來看，有廢氣渦輪增壓、制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料等方式。在所有一述方法中，只有廢氣渦輪增壓實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，其他方法由于技術(shù)和其他方面原因，仍處于研制或試驗(yàn)階段，尚未投入商業(yè)化生產(chǎn)。以下從用途上分類介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究狀況 。??81.2.1、渦輪增壓技術(shù)廢氣渦輪增壓技術(shù)是利用廢氣中的部分能量來提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓力進(jìn)而增加充氣量、以改善動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的內(nèi)燃機(jī)性能提高技術(shù)。廢氣渦輪增壓裝置主要由同軸裝配的渦輪和壓氣機(jī)組成，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣經(jīng)排氣管進(jìn)入渦輪推動(dòng)渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)壓氣機(jī)壓縮新鮮空氣并通過進(jìn)氣管送入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)。廢氣渦輪增壓改善了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，但這種處理方法的主要目的是借助廢氣中的部分能量來提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓力增加充氣量，而不是回收再利用廢氣中的能量；另外，由于內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓裝置聯(lián)合工作時(shí)能量傳遞的特點(diǎn)，使增壓內(nèi)燃機(jī)的加速性能和扭矩特性受到影響，給增壓內(nèi)燃機(jī)的使用增加了一些強(qiáng)制附加條件，造成使用上的不便“”；此外，這種技術(shù)和裝置在汽油機(jī)與小型柴油機(jī)上使用時(shí)效果不明顯，目前多在大型柴油機(jī)上使用，使用面向與范圍受到一定限制。隨著汽油機(jī)電子噴射技術(shù)的廣泛運(yùn)用，汽油機(jī)廢氣渦輪增壓也將得到發(fā)展。但是汽油機(jī)廢氣渦輪增壓還需解決發(fā)動(dòng)機(jī)爆震、熱負(fù)荷增加等問題后才能大批量投入使用。1.2.2、余熱制冷技術(shù)目前，在轎車空調(diào)中，占統(tǒng)治地位的是蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，采暖則利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱。轎車空調(diào)一般要消耗 8～12％的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力 ，這一方面增加了油耗，加??5大了廢氣排放量，加劇了空氣的污染；另一方面易引起水箱過熱，影響轎車動(dòng)力性；同時(shí)由于蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氟利昂類化合物，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。因此解決舒適性與制冷功耗之間的矛盾已成為現(xiàn)代轎車空調(diào)研制中的難題?；厥蘸屠冒l(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱來驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轎車空調(diào)，是理想的節(jié)能方案，也是目前世界各國(guó)都在研究的課題。目前提出的這方面技術(shù)主要有吸收式和吸附式兩種?！裎帐街评湮帐街评湓硎且詿崮転閯?dòng)力來完成制冷循環(huán)的，有利用汽車循環(huán)冷卻水余熱和利用排氣余熱兩種途徑 。在相關(guān)文獻(xiàn)中，研究最多的是利用循環(huán)冷卻水余熱來實(shí)??86現(xiàn)吸收式制冷，由于排氣溫度高于冷卻水溫度，且可利用熱量大于冷卻水，當(dāng)然也可6以利用排氣余熱來實(shí)現(xiàn)吸收式循環(huán)。在吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)中，所采用的工質(zhì)有水一溴化鋰、氨一水、R22-ETEG、R22、R22-DMF 等。吸收式制冷系統(tǒng)有較大的 COP(相對(duì)于吸附式而言，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價(jià)高，而且四器(發(fā)生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器)需要自由水平面，不太適用于經(jīng)常處于顛簸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的汽車。●吸附式制冷吸附式制冷是利用某些固體物質(zhì)在一定溫度、壓力下能吸附某種氣體或水蒸汽，在另一種溫度、壓力下又能把它釋放出來的特性。來實(shí)現(xiàn)制冷。這種吸附與解吸過程導(dǎo)致壓力變化，從而起到了壓縮機(jī)的作用。該制冷系統(tǒng)由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流裝置組成。在余熱回收中可以考慮兩種方式 ，利用冷卻水中的熱量和利用發(fā)動(dòng)??8機(jī)排氣中的熱量。如果使用從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水中回收的熱量，由于水與吸附器的換熱效率高于氣體與吸附器的換熱效率，對(duì)熱量回收較為有利；但是熱源溫度相對(duì)較低(低于100℃，與用于冷卻的空氣溫度相差不大，這樣循環(huán)的溫差比較小，使循環(huán)的吸附解吸量較低，對(duì)工作是不利的。如果使用從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中回收的熱量，氣體與吸附器的換熱效率低，造成回收熱量困難，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的溫度較高(汽油機(jī) 500～600℃，遠(yuǎn)高于冷卻水的溫度)，對(duì)熱量回收又是有利的，而且此溫度與冷卻空氣的溫度相差較大，可以使系統(tǒng)循環(huán)溫差較大，從而產(chǎn)生較大的吸附解吸量。吸附式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，在提高床的傳熱傳質(zhì)能力的情況下，可大大提高系統(tǒng)的性能，是較為理想的系統(tǒng)。但吸附式制冷的 COP 不高，需要較長(zhǎng)預(yù)備時(shí)間，單位質(zhì)量的吸附劑產(chǎn)生的制冷功率較小，系統(tǒng)笨重，廢熱利用率不高，而汽車空調(diào)要求體積小、制冷量大、性能可靠、操作方便。這限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。要達(dá)到以上要求，必須提高系統(tǒng) COP 值及單位質(zhì)量吸附劑制冷功率。目前，在吸附制冷系統(tǒng)中，常用的吸附質(zhì)(制冷劑)有氫氣、水、甲醇、氨氣、RJ34a、R22 等?！駠娚涫街评溧崘燮健②w亂成、鐘瓊香等提出了利用以 HCFC--123 為工質(zhì)的汽車余熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)。噴射式制冷循環(huán)的主要特點(diǎn)是以噴射器代替壓縮機(jī)，以消耗熱能作為補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)制冷的 。其工作循環(huán)如下：??543被加熱器加熱的高溫高壓工作蒸汽，通過噴管進(jìn)行絕熱膨脹，形成一股低壓、高速氣流，將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑抽吸到噴射器內(nèi)，并與之混合，在擴(kuò)壓器內(nèi)增壓后進(jìn)入冷凝器，被冷卻介質(zhì)冷凝成液體。然后，一部分凝結(jié)液作為制冷劑通過節(jié)流閥降壓降溫，在蒸發(fā)器中吸熱氣化變成低溫低壓蒸汽；另一部分則通過循環(huán)如下：被加熱器加熱的高溫高壓工作蒸汽，通過噴管進(jìn)行絕熱膨脹，形成一股低壓、高速氣流，將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑抽吸到噴射器內(nèi)，并與之混合，在擴(kuò)壓器內(nèi)增壓后進(jìn)入冷凝器，被冷卻介質(zhì)冷凝成液體。然后，一部分凝結(jié)液作為制冷劑通過節(jié)流閥降壓降溫，在蒸發(fā)器中吸熱氣化變成低溫低壓蒸汽；另一部分則通過循環(huán)泵被提高7壓力后送回加熱器，用作工作蒸汽。噴射式制冷系統(tǒng)除循環(huán)泵外沒有其它運(yùn)動(dòng)部件，而且系統(tǒng)中的工作蒸汽與制冷劑是同～種物質(zhì)，不需要類似吸收式制冷機(jī)中的制冷劑分離設(shè)備，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗功量少。再加上可以利用低品位熱能，所以適用于有余熱可以利用的汽車空調(diào)器。 1.2.3、余熱發(fā)電利用廢氣能量發(fā)電的方法基本有三種，分別為利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電、氟龍透平發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電?！?半導(dǎo)體溫差發(fā)電 o??8隨著半導(dǎo)體材料及其加工技術(shù)的發(fā)展，金屬導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)化效率逐漸提高，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電在動(dòng)力范疇有了應(yīng)用的可能。資料表明：半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的熱電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)3．3％，甚至是7％。吉林大學(xué)的董桂田通過試驗(yàn)證明用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱溫差發(fā)電能夠取代傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機(jī)，且溫差發(fā)電吸熱降溫對(duì)汽車整體性能大有稗益。因?yàn)闇夭畎l(fā)電截流了部分傳入熱楓冷源的熱量使其熱效率有所提高，且溫度降低導(dǎo)致排氣壓力減少也有助于汽車I噪聲水平下降，這可使汽車消音器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化緊湊。同時(shí)溫差發(fā)電本身是靜態(tài)下能量轉(zhuǎn)換，沒有旋轉(zhuǎn)部件，勿需傳動(dòng)系統(tǒng)。但由于熱電轉(zhuǎn)換效率低，此種方法只利用了發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的一小部分，有待于進(jìn)一步提高熱電轉(zhuǎn)換效率和尋找具有更高熱電轉(zhuǎn)換效率的材料?！?龍透平發(fā)電 ??8日本的一色尚次提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的氟龍透平發(fā)電裝置，浚裝置利用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點(diǎn)物質(zhì)(通常為氟利昂)作為工質(zhì)，使其在吸收發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿?dòng)透平機(jī)發(fā)電。此種裝置在利用低品位熱能方面有優(yōu)勢(shì)，其缺陷是系統(tǒng)較為復(fù)雜笨重?！?廢氣渦輪發(fā)電 ??9青島大學(xué)的張鐵柱提出了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了一種新裝置來實(shí)現(xiàn)，獲得專利一項(xiàng)。日本的吉圉佑也曾作過此方面的實(shí)驗(yàn)，證明了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運(yùn)行所需電能，但未做進(jìn)一步研究。此種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生影響。在圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)模型中加入渦輪發(fā)電系統(tǒng)模塊，對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行分析，發(fā)電渦輪模型采用通流模型建立。各種渦輪系統(tǒng)方案如圖1所示。方案A 采用朗肯循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上的換熱器作為朗肯循環(huán)的蒸發(fā)器和過熱器。方案B 采用布雷登循環(huán)，發(fā)電系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啓C(jī)類似。方案C 采用電輔助渦輪增壓器，在增壓器軸上安裝電機(jī)/發(fā)電機(jī)，在排氣能量超過增壓所需能量時(shí)利用發(fā)電機(jī)回收能量。方案D 在排氣系統(tǒng)中加入渦輪發(fā)電機(jī)，與原渦輪增壓器并聯(lián)工作。方案E 同樣也是在排氣系統(tǒng)中加入渦輪發(fā)電機(jī)，但與原渦輪增壓器串聯(lián)工作。8圖一 渦輪發(fā)電系統(tǒng)方案1.2.4、余熱采暖余熱式暖氣裝置利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作剩余熱量供暖，有兩種型式利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的熱量，稱為水暖式；利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的熱量，稱為氣暖式。余熱式暖氣裝置的優(yōu)點(diǎn)是既不需要在汽車上增加熱源，又不增加發(fā)動(dòng)機(jī)本身的熱量消耗，成本較低、經(jīng)濟(jì)性好、使用方便。其缺點(diǎn)是發(fā)熱量的大小受發(fā)動(dòng)機(jī)工況的制約，而且僅在冬季發(fā)揮作用，廢氣能量利用不充分。水暖式暖風(fēng)裝置廣泛應(yīng)用于汽車采暖系統(tǒng)中，但其發(fā)熱量較小，主要用于非嚴(yán)寒地區(qū)取暖容量較小的貨車和轎車。在環(huán)境溫度較低時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)處于過冷狀態(tài)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)不必要的機(jī)械磨損，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。氣暖式暖風(fēng)裝置的發(fā)熱量大，采暖效果較好，受環(huán)境溫度影響小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)：[作影響小，但要注意不要增加排氣背壓，否則將影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。91.3、小結(jié)從上述介紹中我們可以得出如下結(jié)論：1.3.1、對(duì)廢氣渦輪增壓來說，目前存在的最大問題是影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，特別是在低工況下的性能。為解決此問題，不得不使用混合形式的增壓系統(tǒng)，即在低工況下利用蓄電池電能驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器，其他情況下使用廢氣渦輪增壓，并在贏工況時(shí)采用廢氣旁通來解決渦輪轉(zhuǎn)速過高的問題。如果將廢氣能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，這樣一方面可簡(jiǎn)化增壓系統(tǒng)，另一方面高工況時(shí)不必采用旁通方法而充分利用廢氣能量，多余的電能可供給蓄電池和其他用電設(shè)備使用。1.3.2、對(duì)利用廢氣能量實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)來說，無論是吸收式還是吸附式，由于存在coP值較小(對(duì)壓縮式)，體積過大，不適應(yīng)汽車運(yùn)行狀況等致命缺陷，用此科·方法替代現(xiàn)有汽車空調(diào)是不可能的。如果將廢氣能量轉(zhuǎn)換為電能從而驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有的汽車空調(diào)壓縮機(jī)，一‘方面可不必改裝現(xiàn)有的汽車空調(diào)，另一方面可充分利用廢氣能量，實(shí)現(xiàn)以較小的代價(jià)取得較大的效益。1.3.3、對(duì)利用汽車廢熱供暖來說，在非嚴(yán)寒地區(qū)，冬季車內(nèi)供曖利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的余熱就可滿足而不必改裝現(xiàn)有的供暖系統(tǒng)；在嚴(yán)寒地區(qū)利用廢氣余熱供暖存在著明顯的季節(jié)性，廢氣能量的利廂不充分，如廢氣能量轉(zhuǎn)換為電能的效率足夠高，可考慮利用轉(zhuǎn)換得來的電能供熱，一方面可充分利用能量而不僅限于冬季，另一方面可減少供暖系統(tǒng)布置的困難。1.3.4、對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電來說，由于高效率的熱電轉(zhuǎn)換材料尚未發(fā)現(xiàn)，已知的熱電轉(zhuǎn)換材料效率太低，至少在目前此種方法還不十分可行。1.3.5、對(duì)利用廢熱改良燃料來說，這種方法只利用了余熱的極小部分，經(jīng)濟(jì)性較差，不能作為廢氣能量利用主要方向。因此，筆者認(rèn)為利用廢氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能應(yīng)作為廢氣能量利用的主要研究方向。此種方法對(duì)廢氣能量的利用率較高，且通過轉(zhuǎn)換得來的電能可靈活方便地使用，更重要的是這種方法不需對(duì)原有汽車設(shè)備做較大改動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。但此種方法需解決的主要問題有：一是加裝能量回收裝置后會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生影響，如何盡量減少甚至消除這種影響是非常重要的；二是能量轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到多少需要通過試驗(yàn)來明確，轉(zhuǎn)換效率決定其實(shí)用性。1.4、本文主要工作1.4.1、工作目標(biāo)為克服現(xiàn)有汽車廢氣能量回收利用裝置巾存在的能量轉(zhuǎn)換效率不高，實(shí)施過程困難，用途單一，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大等缺陷，設(shè)計(jì)一種將汽車廢氣能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的新型裝置，并將其應(yīng)用到所有內(nèi)燃機(jī)，所提供的動(dòng)力可以完全或部分地驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)10沒有定時(shí)要求的附件，如電動(dòng)機(jī)、蓄電池、水泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、真空泵甚至空調(diào)等。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本裝置擬通過動(dòng)力渦輪實(shí)現(xiàn)廢氣能量的回收和向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。為此本文對(duì)當(dāng)前的廢氣利用做了全面的調(diào)查，指出當(dāng)前廢氣的利用發(fā)展形勢(shì)，利用方式，同時(shí)針對(duì)一臺(tái)具體柴油機(jī)ZH-4100DE 排氣管廢氣能轉(zhuǎn)化的機(jī)械部分做詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括渦輪設(shè)計(jì)計(jì)算，渦殼的匹配設(shè)計(jì)，軸的設(shè)計(jì)等等。11第二章 針對(duì)ZH4100柴油機(jī)及排氣系統(tǒng)的渦輪部分設(shè)計(jì)2.1、ZH4100柴油機(jī)的相關(guān)資料表2.1 柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)2.2、排氣系統(tǒng)管路圖圖-2 排氣系統(tǒng)管路圖2.3、渦輪設(shè)計(jì)2．3．1、渦輪型式選擇 ??81當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中的渦輪主要有三種：軸流式、徑流式和混流式。軸流式渦輪應(yīng)用較早，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但由于其效率低于其他形式渦輪，因而實(shí)際中很少采用。徑流式渦輪效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方法比較成熟，有較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，性能預(yù)測(cè)方便，實(shí)際使用較多。但當(dāng)比轉(zhuǎn)速過高時(shí)，會(huì)造成葉輪出口排氣損失過大，葉輪內(nèi)缸數(shù) 缸徑|行程 （mm） 排量（升） 發(fā)火次序 進(jìn)氣最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩（n.M）（r|min）排溫（攝氏度）4 100|15 3.61 1-3-4-2 自然吸氣 220|1500 500?12部流動(dòng)狀況不佳，使得渦輪性能惡化?；炝魇綔u輪結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造困難，在高比轉(zhuǎn)速時(shí)效率較高，低比轉(zhuǎn)速時(shí)性能與徑流式渦輪相仿。但由于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)欠缺，給設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)造成不便。通過綜合考慮，決定在本文研究中采用徑流式渦輪。2．3．2、渦輪設(shè)計(jì)前需確定的參數(shù)1、渦輪入口廢棄流量G(按最大轉(zhuǎn)速1500r|min計(jì)算）經(jīng)查閱文獻(xiàn)[3]表3-4，設(shè)研究海拔為0m，大氣壓為0.98× pa，大氣溫度為51015攝氏度，且此種情況下大氣密度為1.225kg| ，則計(jì)算公式為：3mG=進(jìn)氣流量+燃料量據(jù)查閱ZH4100資料，其燃?xì)飧酌看螄娚淙剂蠟?g所以：160542.160516.33 ??????G= kg3.2?=0.211kg （2-1）2、入口壓力 0P由于排氣管內(nèi)表面無明顯阻礙裝置，查文獻(xiàn) 得知 與大氣壓基本相等，先取??30P壓力為大氣壓1.033Mpa3、入口絕對(duì)溫度定位 450?TC4、入口絕對(duì)速度smSGC05.4.0125.10 ???=86 （2-2） sm5、渦輪轉(zhuǎn)速參考現(xiàn)有的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速（60000-200000r|min）并考慮渦輪直徑總體大小取n=80000r|min6、出口壓力 （靜壓）2P這里將外界環(huán)境簡(jiǎn)化為與大氣壓相同，且為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓， = =1.033pa2P07、廢棄絕熱指數(shù)K根據(jù)《氣體工業(yè)手冊(cè)》相關(guān)資料，二氧化碳?xì)怏w絕熱系數(shù)為1.2，氮?dú)饣衔锝^熱系數(shù)為1.4，一氧化碳絕熱系數(shù)1.225。綜合廢棄中個(gè)氣成分含量平均計(jì)算，初步定位K=1.3。138、氣體常數(shù)查閱《氣體工業(yè)手冊(cè)》得知R=29.3kg|mol|kg2．3．1、具體計(jì)算步驟如下：1、初步假定參數(shù)值：徑向度 8.0??靜葉氣體流出絕對(duì)角 =1?05動(dòng)葉氣流出口相對(duì)角 =2?靜葉速度損失系數(shù) =0.95?動(dòng)葉速度損失系數(shù) 90.??2、計(jì)算使渦輪達(dá)到最大效率的最優(yōu)參數(shù)?????????????????22142coscos1??????optm=0.31 （2-3） ??22122coscos???????????ptoptptopt mU???=0.37 （2-4）??22241cos1?????????????ptoptopt mU??=0.8 （2-5）3、計(jì)算進(jìn)口速度及其角度（1） 、理想絕熱速度：okOod CpTRkC210212????????????????14=86m|s （2-6） （2） 、渦輪外徑上的圓周速度（2-7）smCUodpt321??（2-8）68.02??注：以上結(jié)果均已經(jīng)圓整，保留至整數(shù)。（3） 、靜葉出口理論速度和實(shí)際速度（2-9） smCoptodt 38.018611 ??????（2-10） t95.?（4） 、工作輪入口相對(duì)速度和相對(duì)速度角11211 cos?CUW???=9.7rad|s=10rad|s （2-11） （2-12） 021 630cos??r??4、靜葉進(jìn)口滯止參數(shù)計(jì)算（1)、進(jìn)口氣流音速；（2-13） 13450.293100 ???KRT?(2)、當(dāng)?shù)伛R赫數(shù);（2-14）6.80CM(3)、進(jìn)口滯止壓力;（2-15）??paMKPK51200 036.1??????????????（4） 、進(jìn)口滯止溫度;（2-16）0200 48)(1???????T5、靜葉出口參數(shù)確定15（1） 、 多變指數(shù)；（2-17） 208.3.195.0122????kn?（2） 、出口壓力 ；（2-18） pappkkotk 5110121 0.2?????????????????????（3） 、出口溫度；（2-19）01011 4??????????nPT6、動(dòng)葉進(jìn)口滯止參數(shù)（1） 、當(dāng)?shù)匾羲伲唬?-20）01129?KRT?（2） 、馬赫數(shù)；（2-21）8.1WM（3）相對(duì)壓力；（2-22） ??pakpKWw 5121 0.??????????????（4） 相對(duì)溫度；（2-23） 02114)(???????wMKT7、動(dòng)葉出口參數(shù)計(jì)算（1） 、多變指數(shù)；（2-24）104.21??kn?（2） 、出口絕對(duì)溫度；（2-25）012124?????????nWPT168、渦輪基本尺寸（1） 、工作輪進(jìn)口直徑；（2-26）mnUD1086??（2） 、工作輪出口直徑；（2-27）4.1??（3） 、 靜葉出口處葉片高度；（2-28） mPCDGRTL15sin11?????（4） 、工作輪出口處葉片高度；（2-29）W28si22?2．3．1、渦輪損失計(jì)算和渦輪參數(shù)的計(jì)算進(jìn)一步確定1、導(dǎo)向器中的損失計(jì)算導(dǎo)向器出口葉片半徑；（2-30） mDr5.6.254.21???根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和渦輪外形尺寸限制初步導(dǎo)向器進(jìn)口葉片半徑 =60mm2r求得導(dǎo)向器葉片數(shù)；（2-31）???????122lnrtbz?式中b|t為直葉柵稠度，將 圓整得tZZ=18返回求得 =60mm2r17圖-3 渦輪的三維立體圖 18第3章 其他部件的匹配設(shè)計(jì)3.1、軸設(shè)計(jì)圖-4 軸 3.1.1 、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸上零件的裝配方案由以上設(shè)計(jì)可知，軸上需裝配的零件從右到左有螺母，墊片，渦輪，軸承。軸承從左端裝入，渦輪從右端裝入。則可將渦輪與軸承之間設(shè)計(jì)一軸肩。軸的各段直徑和長(zhǎng)度確定首先確定右端螺紋長(zhǎng)度，初步定為長(zhǎng)10mm，為考慮渦輪裝入方便將螺紋段尺寸定為13mm。螺距為2mm，螺紋高度為2mm，另外將向左延伸至3mm長(zhǎng)度的無紋區(qū)，作為減載。渦輪輪轂寬度為28mm，則可確定軸此段長(zhǎng)度為28mm，此段軸直徑定為13mm。為考慮渦輪的軸向定位，渦輪左端設(shè)計(jì)一軸肩，肩高為3mm，則此段的直徑為19mm，由于根據(jù)以上渦殼寬度為34mm，為保證渦輪與渦殼壁有足夠的間隙，不致影響正常工作，將渦輪上下端面與渦殼壁間隙設(shè)計(jì)為3mm，由此可將軸此段長(zhǎng)度定為8mm,軸肩的左端裝軸承，根據(jù)選取的軸承的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將此段軸直徑設(shè)計(jì)為15mm，此段長(zhǎng)度定為59mm。軸上的零件定位由以上渦輪左端軸向定位，采用螺紋螺母緊固定位。渦輪的左端采用軸肩定位，渦輪的周向定為采用圓底平鍵定位，鍵長(zhǎng)設(shè)計(jì)為20mm，如圖所示，鍵高為2mm。193.1.2、 軸的材料選擇軸的材料要求為耐高溫，扭矩要求不是很高，而且用于腐蝕條件，經(jīng)查閱文獻(xiàn) ，??10表15-1，將軸的材料定為3Cr13。采用調(diào)制熱處理。軸的補(bǔ)充說明：如上圖所示，該軸左端設(shè)計(jì)未完成，有待于進(jìn)一步改善，該軸的左端設(shè)計(jì)有待于設(shè)計(jì)，若將需要轉(zhuǎn)化的扭矩直接傳遞給發(fā)電機(jī)的線圈，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，則可以將此軸與電動(dòng)機(jī)同軸，這里由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)當(dāng)今較為成熟，加之本人能力有限，再者電動(dòng)機(jī)的軸承設(shè)計(jì)須依據(jù)電動(dòng)機(jī)本身的尺寸來配置，這里就不在設(shè)計(jì)。3.1.2、 軸的強(qiáng)度校核 ??10按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算注：由前面設(shè)計(jì)可知，此軸為傳動(dòng)軸，僅僅承受扭矩，因此按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。（3-1）??tTt dnPW?? ???32.095式中各參數(shù)的確定：n----軸的轉(zhuǎn)速，由前面設(shè)計(jì)確定n=80000r/mind-----計(jì)算截面處軸的直徑，由上圖可知，校核此軸的扭矩強(qiáng)度的截面取承受最弱面即截面半徑最小的面：圖-5 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖20圖-6 軸的載荷分布簡(jiǎn)圖由以上分析確定截面計(jì)算直徑為d=15mmP----軸的傳遞功率以下為能量轉(zhuǎn)化路線：廢氣動(dòng)能-------渦輪角動(dòng)能------外部機(jī)械能-------電能/氣壓能此處軸校核按能量傳遞無損失計(jì)算，即按軸所能承受的極限扭矩計(jì)算，廢氣在管道的動(dòng)能通過渦輪裝置后減少量等于渦輪的角動(dòng)能增加量，本文假設(shè)外部負(fù)載無窮大，既有1S內(nèi)廢氣的所有動(dòng)能減少量即為軸傳遞功率則有：P= （3-2）221vmvW???圖中兩個(gè)質(zhì)量可看做相等，因?yàn)橥ㄟ^渦輪裝置前后管內(nèi)壓力變化不大，其密度也未變，所以質(zhì)量也不變。 kgvshsvm 2107.8605.4.25.121 ???????????（3-3）其中 s861 smv362代入（3-3）式計(jì)算得 P=642.635W=0.643KW查文獻(xiàn) 表15-3可知，取[ ??10??MPaT5??120?A由式（3-1）推得：（3-4）mHAd80643.12330?而實(shí)際軸的直徑為15mm，所以軸的強(qiáng)度完全滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度需求。校核完畢！213.2、渦殼設(shè)計(jì)由以上渦輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可得渦輪直徑最大為108mm，而渦輪要裝入渦殼，并在內(nèi)工作，為保證裝入方便初步確定渦殼直徑為114mm。渦殼厚度則根據(jù)渦輪厚度來定，同樣保證裝入的前提條件下，渦輪厚度為28mm，確定渦輪上下端面離渦殼兩壁距離為3mm，則可確定渦殼直徑為114+28+6=148mm。并且為節(jié)約材料將渦殼表面設(shè)計(jì)為圓弧。其三維圖設(shè)計(jì)如下：圖-7 渦殼3.3、小端渦蓋設(shè)計(jì)小端渦蓋即與渦殼相連，且同時(shí)為廢氣出口的密封端蓋！由以上渦殼設(shè)計(jì)，采用螺釘連接，渦殼小端直徑為 120mm， 則與之匹配的小端渦蓋一側(cè)直徑也為120mm，并設(shè)計(jì)為四個(gè)螺孔，螺孔直徑為10mm，為盡量減少空氣阻力，從120mm的端口直徑過度到40mm的排氣管之間采用圓弧過度，同樣渦蓋壁厚設(shè)計(jì)為5mm，22圖-8 小端渦蓋3.4、大端渦蓋設(shè)計(jì)圖-9 大端渦蓋設(shè)計(jì)3.5、部分圖片預(yù)覽23圖-10 裝配圖圖-11 三維實(shí)體裝配圖24第四章 致謝衷心感謝學(xué)校這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)鍛煉機(jī)會(huì)，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲頗多，知識(shí)面有了很大的提高，綜合運(yùn)用能力得到加強(qiáng)，可以說經(jīng)過這樣一次設(shè)計(jì)，我們才真正達(dá)到了畢業(yè)的要求。首先，我感覺這次設(shè)計(jì)提高了我們解決實(shí)際問題的能力。在一個(gè)實(shí)際題目當(dāng)前，怎樣才能解決問題呢？這不是哪本書上能說清楚的。這就要求我們根據(jù)實(shí)際情況，分析實(shí)際問題，想出解決方案，這就是一個(gè)能力的問題了。平時(shí)我們很少有這樣的機(jī)會(huì)，能把所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于解決實(shí)際問題當(dāng)中，但這次設(shè)計(jì)就給予了我們一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。其次，這次設(shè)計(jì)考驗(yàn)了我的自學(xué)能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，許多知識(shí)都不是我以前所學(xué)過的，特別是軟件的應(yīng)用方面。因此這讓我意識(shí)到學(xué)習(xí)能力的重要性，活學(xué)活用，才能立于不敗之地。再次，這次設(shè)計(jì)鍛煉了我的綜合運(yùn)用知識(shí)能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，我不但要用到機(jī)械方面的知識(shí)，還要用到許多計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)。如何把握許多方面的知識(shí)，綜合運(yùn)用這些知識(shí)，這就要求我們掌握重點(diǎn)，靈活運(yùn)用，不然是難以解決設(shè)計(jì)中的問題的。最后在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，特別感謝我的指導(dǎo)老師朱石砂教授，是他悉心指導(dǎo)，耐心教育，我才得以解決許多百思不得其解的問題，尤其是許多論文的細(xì)節(jié)。所有這些，都讓我內(nèi)心深處感激不盡！25參考文獻(xiàn)：【1】 、張鐵柱，張洪信．汽車安全、節(jié)能與環(huán)保[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004．5【2】 、鐘瓊香．內(nèi)燃機(jī)廢熱制冷與發(fā)電之探討[J]．肉類工業(yè)，1997(3)：4-453、【3】 、袁玉和，高光有，車輛用渦輪增壓器---構(gòu)造、原理、使用與維修[M]。國(guó)防工業(yè)出版社，1990年，1-228【4】 、楊培毅，程林，汽車余熱空凋的研究現(xiàn)狀，流體工程，1993．6 54—59【5】 、汽車用溴化理吸收式制冷裝置[P]．實(shí)用新型專利，ZL99116689．2【6】 、北汽車編輯部．利用汽車排氣與冷卻水的余熱采暖和制冷的兩項(xiàng)專利技術(shù)[J]。 湖托汽車，2001(1、2)：89—9l【7】 、 周良德，朱泗芳等編著，現(xiàn)代工程圖學(xué)[M]。湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2002.9.2-50.【8】 、 朱智富，張鐵柱。汽車廢氣能量回收裝置的研究[J].青島大學(xué)碩士論文， 2005.5.1--53 【9】 、黃衛(wèi)東，廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PPT ，http://www.docin.com/p-44695529.htm.2010.3【10】 、濮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì)第八版[M]，高等教育出版社，2006，5.62-383.【11】 、董桂田．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱的溫差發(fā)電[J]．北京節(jié)能，1997(4)：7—926附錄1：符號(hào)表A： 英文字母： : 效率 ?A: 流通面積 : 反動(dòng)度?A: 喉口寬度 : 徑向度?B: 葉片軸向弦長(zhǎng) : 運(yùn)動(dòng)粘度 ?C: 絕對(duì)速度 : 密度?D: 直徑 : 靜葉損失系數(shù)?G: 流量 : 葉損失系 ?Hu: 輪周功I: 沖角K: 絕熱指數(shù)L: 流道長(zhǎng)度I: 葉片高度M: 馬赫數(shù)N: 功率N: 轉(zhuǎn)速: 入口壓力0P: 入口滯止壓力?: 出口壓力(靜壓)2R: 氣體常數(shù)Re: 雷諾數(shù)R: 半徑: 入口絕對(duì)溫度?0TT: 入口滯止絕對(duì)溫度T: 柵距U: 周向速度W: 相對(duì)速度Z: 葉片數(shù)希臘字母：: 氣流入口或出口絕對(duì)角?: 氣流入口或出口相對(duì)角?: 厚度?: 損失系數(shù)?