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汽车废气余能回收利用装置设计.rar

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    编号:20180802233205385    类型:共享资源    大小:3.68MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    汽车 废气 回收 利用 装置 设计
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    目 录第一章 引言 .................................................................................................................51.1 、研究背景及意义 ...................................................................................................51.1.1、汽车废热利用的空间 ...................................................................................51.1.2、汽车废热利用特点 .......................................................................................51.2、研究进展综述 ..........................................................................................................61.2.1、涡轮增压技术 ................................................................................................61.2.2、余热制冷技术 ................................................................................................61.2.3、余热发电 ..........................................................................................................81.2.4、余热采暖 .......................................................................................................91.3、小结 ........................................................................................................................101.4、本文主要工作 .......................................................................................................10第二章 针对 ZH4100 柴油机及排气系统的涡轮部分设计 ................112.1、ZH4100 柴油机的相关资料 ..............................................................................112.2、排气系统管路图 ...................................................................................................112.3、涡轮设计 .................................................................................................................122.3.1、涡轮型式选择 .......................................................................................122.3.2、涡轮设计前需确定的参数 .................................................................132.3.3、具体计算步骤 ........................................................................................142.3.4、涡轮损失计算和涡轮参数的计算进一步确定 ............................17第三章 其他部件的匹配设计 ..........................................................................193.1、轴设计 ......................................................................................................................193.1.1 、轴的结构设计 ............................................................................................193.1.2 、轴的材料选择 ............................................................................................203.1.3 、轴的强度校核 ..........................................................................................2023.2、涡壳设计 ...............................................................................................................223.3、小端涡盖设计 .....................................................................................................233.4、大端涡盖设计 ........................................................................................................233.5、部分图片预览 ........................................................................................................24第四章 感谢 ....................................................................................................................24参考文献 .............................................................................................................25附录 1:符号表附录 II:外文文献翻译原文及其译文3汽车废气余能回收利用装置设计摘 要节能足汽车工业发展的三大主题之一。由于能源消耗的加剧,汽车节能问题备受人们的关注。有关研究资料表明,汽车燃料燃烧所发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气中,不仅造成了能源的浪费,还带来了不良环境影响。因此,采用有效手段充分利用汽车排放的废热应当是我们实现汽车节能、降低排放的一个研究方向。本文对当前提出的各种汽车余热利用手段进行了分类,并做了综合分析比较,提出汽车废气涡轮发电可能是比较理想的汽车余热利用方式,并进行了初步设计。本文首先对汽车废气能量进行了分析,提出应当用有效能的能量衡算方法分析汽车废气能量,指出了影响废气能量的因素并提出了提高废气中可用能量的措施。其次,本文分析了不同排气系统在废气能量利用上的差异,提出了能量利用效率较高的排气系统方案并针对一台发动机进行了设计。再次,针对一台柴油发动机利用编制的优化设计程序进行了涡轮部分设计。本文还针对一台具体的发动机排气系统设计了涡轮机壳,涡轮管道,轴,轴承,对此部分的设计是依照涡轮尺寸来设计的。其部分尺寸由涡轮计算得出。由于能力有限,知识限制,再者现在的发电机设计技术相当成熟,本文不再具体针对发电系统部分进行设计,本装置只设计到轴部分,轴端可以装万向连接器,也可以与要设计的发电机同轴,需要注意的是本装置设计的轴承一端为悬浮,即只有一端轴向固定,另一端的轴向固定还需要电动机里面的轴承来实现。本文将具体每个零件三维图及其 cad 图已经一一画出,并在本文之中附以三维几部分平面图片,一边读者心中对设计更加清晰!关键词:汽车;废气;余热;能量利用;涡轮4From 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;turbine5第一章 引 言1.1 、研究背景及意义社会经济的发展使能源消耗量急剧增加,能源供需矛盾日益突出,并造成了严重的环境问题。由于汽车保有量越来越大,汽车的能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高,汽车节能问题越来越受到各个国家的关注,成为当今世界汽车工业发展的主题。我国是一个石油存储量相对欠缺的国家,目前已成为世界第二大石油进口国,而汽车消耗的能源主要是石油燃料。随着我国汽车工业的迅速发展,提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更为重要的战略意义。调查研究表明,汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用,其它的能量被散发、排放到大气中,这造成了能源的浪费,并带来了不良环境影响。因此有效利用汽车废热是实现汽车节能,降低汽车能源消耗的一个有效途径。1.1.1、汽车废热利用的空间从目前汽车所用发动机的热平衡来看,用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的 30%一 45%(柴油机)或 20%一 30%(汽油机)。以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的 55%一 70%(柴油机)或 80S 一 70S(汽油机),主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热 。81量表 1.1 为内燃机的热平衡 4表从表 l 中可以看出汽车废热利用有较大的空间,其有效利用自然受到人们越来越多的关注,不少人致力于此方面研究。1.1.2、汽车废热利用特点由于车用发动机特殊的使用场合,汽车废热利用具有鲜明的特点和特殊的要求,可将这些特点简单归结如下 :一是汽车废热的品位较低,能量回收较困难;二是853废热利用装置要结构简单,体积小,重量轻,效率高:三是废热利用装置要抗震动,抗冲击,适应汽车运行环境:四是要保证汽车使用中的安全;五是要不影响发动机工热平衡各分项% 汽油机 高速柴油机 中速柴油机转变为有效功的热量 20~30 30~40 35~45冷却介质带走的热量 25~30 20~25 10~20废气带走的热量 40~45 35~40 30~40其它热量损失 5~10 5 ~10 10~156作特性,避免降低发动机动力性和经济性。由于汽车废热利用具有上述特点,使得研究的成果虽多,但投入商业化生产的不多,只在废气涡轮增压方面取得实用性进展。1.2、研究进展综述目前,国内外汽车余热利用的技术,从热源来看,有利用发动机冷却水余热和利用排气余热两种,从用途上来看,有废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、改良燃料等方式。在所有一述方法中,只有废气涡轮增压实现了产业化,其他方法由于技术和其他方面原因,仍处于研制或试验阶段,尚未投入商业化生产。以下从用途上分类介绍国内外相关技术的研究状况 。81.2.1、涡轮增压技术废气涡轮增压技术是利用废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力进而增加充气量、以改善动力性和经济性的内燃机性能提高技术。废气涡轮增压装置主要由同轴装配的涡轮和压气机组成,发动机排出的废气经排气管进入涡轮推动涡轮运转,从而带动压气机压缩新鲜空气并通过进气管送入发动机汽缸内。废气涡轮增压改善了内燃机的动力性和经济性,但这种处理方法的主要目的是借助废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力增加充气量,而不是回收再利用废气中的能量;另外,由于内燃机与涡轮增压装置联合工作时能量传递的特点,使增压内燃机的加速性能和扭矩特性受到影响,给增压内燃机的使用增加了一些强制附加条件,造成使用上的不便“”;此外,这种技术和装置在汽油机与小型柴油机上使用时效果不明显,目前多在大型柴油机上使用,使用面向与范围受到一定限制。随着汽油机电子喷射技术的广泛运用,汽油机废气涡轮增压也将得到发展。但是汽油机废气涡轮增压还需解决发动机爆震、热负荷增加等问题后才能大批量投入使用。1.2.2、余热制冷技术目前,在轿车空调中,占统治地位的是蒸汽压缩式空调系统,采暖则利用发动机冷却水余热。轿车空调一般要消耗 8~12%的发动机动力 ,这一方面增加了油耗,加5大了废气排放量,加剧了空气的污染;另一方面易引起水箱过热,影响轿车动力性;同时由于蒸汽压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物,导致温室效应加剧。因此解决舒适性与制冷功耗之间的矛盾已成为现代轿车空调研制中的难题。回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统,实现轿车空调,是理想的节能方案,也是目前世界各国都在研究的课题。目前提出的这方面技术主要有吸收式和吸附式两种。●吸收式制冷吸收式制冷原理是以热能为动力来完成制冷循环的,有利用汽车循环冷却水余热和利用排气余热两种途径 。在相关文献中,研究最多的是利用循环冷却水余热来实86现吸收式制冷,由于排气温度高于冷却水温度,且可利用热量大于冷却水,当然也可7以利用排气余热来实现吸收式循环。在吸收式制冷循环系统中,所采用的工质有水一溴化锂、氨一水、R22-ETEG、R22、R22-DMF 等。吸收式制冷系统有较大的 COP(相对于吸附式而言,但结构复杂、体积大、造价高,而且四器(发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器)需要自由水平面,不太适用于经常处于颠簸、运动状态的汽车。●吸附式制冷吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸汽,在另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性。来实现制冷。这种吸附与解吸过程导致压力变化,从而起到了压缩机的作用。该制冷系统由发生器、冷凝器、蒸发器和节流装置组成。在余热回收中可以考虑两种方式 ,利用冷却水中的热量和利用发动8机排气中的热量。如果使用从发动机冷却水中回收的热量,由于水与吸附器的换热效率高于气体与吸附器的换热效率,对热量回收较为有利;但是热源温度相对较低(低于100℃,与用于冷却的空气温度相差不大,这样循环的温差比较小,使循环的吸附解吸量较低,对工作是不利的。如果使用从发动机排气中回收的热量,气体与吸附器的换热效率低,造成回收热量困难,但由于发动机排气的温度较高(汽油机 500~600℃,远高于冷却水的温度),对热量回收又是有利的,而且此温度与冷却空气的温度相差较大,可以使系统循环温差较大,从而产生较大的吸附解吸量。吸附式系统结构简单、造价低,在提高床的传热传质能力的情况下,可大大提高系统的性能,是较为理想的系统。但吸附式制冷的 COP 不高,需要较长预备时间,单位质量的吸附剂产生的制冷功率较小,系统笨重,废热利用率不高,而汽车空调要求体积小、制冷量大、性能可靠、操作方便。这限制了它的应用和发展。要达到以上要求,必须提高系统 COP 值及单位质量吸附剂制冷功率。目前,在吸附制冷系统中,常用的吸附质(制冷剂)有氢气、水、甲醇、氨气、RJ34a、R22 等。●喷射式制冷郑爱平、赵乱成、钟琼香等提出了利用以 HCFC--123 为工质的汽车余热驱动的喷射式制冷系统。喷射式制冷循环的主要特点是以喷射器代替压缩机,以消耗热能作为补偿来实现制冷的 。其工作循环如下:543被加热器加热的高温高压工作蒸汽,通过喷管进行绝热膨胀,形成一股低压、高速气流,将蒸发器内的低压气态制冷剂抽吸到喷射器内,并与之混合,在扩压器内增压后进入冷凝器,被冷却介质冷凝成液体。然后,一部分凝结液作为制冷剂通过节流阀降压降温,在蒸发器中吸热气化变成低温低压蒸汽;另一部分则通过循环如下:被加热器加热的高温高压工作蒸汽,通过喷管进行绝热膨胀,形成一股低压、高速气流,将蒸发器内的低压气态制冷剂抽吸到喷射器内,并与之混合,在扩压器内增压后进入冷凝器,被冷却介质冷凝成液体。然后,一部分凝结液作为制冷剂通过节流阀降压降温,在蒸发器中吸热气化变成低温低压蒸汽;另一部分则通过循环泵被提高8压力后送回加热器,用作工作蒸汽。喷射式制冷系统除循环泵外没有其它运动部件,而且系统中的工作蒸汽与制冷剂是同~种物质,不需要类似吸收式制冷机中的制冷剂分离设备,因而结构简单,耗功量少。再加上可以利用低品位热能,所以适用于有余热可以利用的汽车空调器。 1.2.3、余热发电利用废气能量发电的方法基本有三种,分别为利用半导体温差发电、氟龙透平发电和废气涡轮发电。● 半导体温差发电 o8随着半导体材料及其加工技术的发展,金属导体热电转化效率逐渐提高,利用半导体温差发电在动力范畴有了应用的可能。资料表明:半导体温差发电材料的热电转化效率可达3.3%,甚至是7%。吉林大学的董桂田通过试验证明用汽车发动机排气废热温差发电能够取代传统的汽车发电机,且温差发电吸热降温对汽车整体性能大有稗益。因为温差发电截流了部分传入热枫冷源的热量使其热效率有所提高,且温度降低导致排气压力减少也有助于汽车I噪声水平下降,这可使汽车消音器的结构简化紧凑。同时温差发电本身是静态下能量转换,没有旋转部件,勿需传动系统。但由于热电转换效率低,此种方法只利用了发动机废热的一小部分,有待于进一步提高热电转换效率和寻找具有更高热电转换效率的材料。● 龙透平发电 8日本的一色尚次提出了利用发动机废热的氟龙透平发电装置,浚装置利用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(通常为氟利昂)作为工质,使其在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动透平机发电。此种装置在利用低品位热能方面有优势,其缺陷是系统较为复杂笨重。● 废气涡轮发电 9青岛大学的张铁柱提出了利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想,并设计了一种新装置来实现,获得专利一项。日本的吉圉佑也曾作过此方面的实验,证明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能,但未做进一步研究。此种装置结构简单,但有可能对发动机工作性能产生影响。在图1的发动机模型中加入涡轮发电系统模块,对系统方案进行分析,发电涡轮模型采用通流模型建立。各种涡轮系统方案如图1所示。方案A 采用朗肯循环,发动机排气管上的换热器作为朗肯循环的蒸发器和过热器。方案B 采用布雷登循环,发电系统与微型燃气轮机类似。方案C 采用电辅助涡轮增压器,在增压器轴上安装电机/发电机,在排气能量超过增压所需能量时利用发电机回收能量。方案D 在排气系统中加入涡轮发电机,与原涡轮增压器并联工作。方案E 同样也是在排气系统中加入涡轮发电机,但与原涡轮增压器串联工作。9图一 涡轮发电系统方案1.2.4、余热采暖余热式暖气装置利用汽车发动机工作剩余热量供暖,有两种型式利用发动机冷却水的热量,称为水暖式;利用发动机排气系统的热量,称为气暖式。余热式暖气装置的优点是既不需要在汽车上增加热源,又不增加发动机本身的热量消耗,成本较低、经济性好、使用方便。其缺点是发热量的大小受发动机工况的制约,而且仅在冬季发挥作用,废气能量利用不充分。水暖式暖风装置广泛应用于汽车采暖系统中,但其发热量较小,主要用于非严寒地区取暖容量较小的货车和轿车。在环境温度较低时,会使发动机处于过冷状态,增加了发动机不必要的机械磨损,降低了发动机的功率。气暖式暖风装置的发热量大,采暖效果较好,受环境温度影响小,对发动机:[作影响小,但要注意不要增加排气背压,否则将影响到发动机的工作性能。101.3、小结从上述介绍中我们可以得出如下结论:1.3.1、对废气涡轮增压来说,目前存在的最大问题是影响了发动机的工作性能,特别是在低工况下的性能。为解决此问题,不得不使用混合形式的增压系统,即在低工况下利用蓄电池电能驱动涡轮增压器,其他情况下使用废气涡轮增压,并在赢工况时采用废气旁通来解决涡轮转速过高的问题。如果将废气能量转换为电能进而驱动压气机,这样一方面可简化增压系统,另一方面高工况时不必采用旁通方法而充分利用废气能量,多余的电能可供给蓄电池和其他用电设备使用。1.3.2、对利用废气能量实现制冷空调来说,无论是吸收式还是吸附式,由于存在coP值较小(对压缩式),体积过大,不适应汽车运行状况等致命缺陷,用此科·方法替代现有汽车空调是不可能的。如果将废气能量转换为电能从而驱动现有的汽车空调压缩机,一‘方面可不必改装现有的汽车空调,另一方面可充分利用废气能量,实现以较小的代价取得较大的效益。1.3.3、对利用汽车废热供暖来说,在非严寒地区,冬季车内供暧利用发动机冷却水的余热就可满足而不必改装现有的供暖系统;在严寒地区利用废气余热供暖存在着明显的季节性,废气能量的利厢不充分,如废气能量转换为电能的效率足够高,可考虑利用转换得来的电能供热,一方面可充分利用能量而不仅限于冬季,另一方面可减少供暖系统布置的困难。1.3.4、对半导体温差发电来说,由于高效率的热电转换材料尚未发现,已知的热电转换材料效率太低,至少在目前此种方法还不十分可行。1.3.5、对利用废热改良燃料来说,这种方法只利用了余热的极小部分,经济性较差,不能作为废气能量利用主要方向。因此,笔者认为利用废气能量转换为机械能进而转换为电能应作为废气能量利用的主要研究方向。此种方法对废气能量的利用率较高,且通过转换得来的电能可灵活方便地使用,更重要的是这种方法不需对原有汽车设备做较大改动,易于实现产业化。但此种方法需解决的主要问题有:一是加装能量回收装置后会对发动机工作性能产生影响,如何尽量减少甚至消除这种影响是非常重要的;二是能量转换装置的转换效率能够达到多少需要通过试验来明确,转换效率决定其实用性。1.4、本文主要工作1.4.1、工作目标为克服现有汽车废气能量回收利用装置巾存在的能量转换效率不高,实施过程困难,用途单一,且结构复杂,体积大等缺陷,设计一种将汽车废气能量转换成机械能的新型装置,并将其应用到所有内燃机,所提供的动力可以完全或部分地驱动内燃机
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