伴随着社会经济的不断发展，对于能源的需求量也越来越大，这导致能源供需之间的矛盾越来越严重，引发了环境问题的出现。目前汽车已经成为人们出行必不可少的交通工具，汽车所消耗的能源比重也呈现逐步增大的趋势，所以各个国家都开始关注起汽车节能的问题，这也是如今世界汽车产业发展过程中急需要解决的问题。我国属于能源消耗大国，但是石油等能源的存储量严重短缺，现在是全球第二大石油进口国，汽车主要消耗的就是石油燃料。伴随着我国汽车工业发展的进一步加快，现阶段如何去提升汽车燃料有效利用率以及降低环境污染的问题更具有实际的意义。通过研究和调查显示，汽车燃料燃烧过程中，仅有30%左右的能量被高效利用，而其他的能量都浪费了，以热量的形式散发掉，还会引发环境问题。所以怎样更加高效的利用汽车废热是非常具有意义的，可以有效节能，并且降低能源的消耗率。1.1.1汽车废热利用的空间结合现阶段汽车使用的发动机热平衡而言，燃油进行燃烧产生的热量在柴油机中仅有30%至45%被用做动力输出，在汽油机中仅有20%至30%被用作动力输出。而在柴油机中，55%至70%的燃烧能量都以废热的形式被排出，在汽油机中，70%至80%的燃烧能量以废热的形式被排出，一般是通过循环冷却水或者尾气来带走这部分热能。表1.1为内燃机的热平衡热平衡各分项％汽油机高速柴油机中速柴油机转变为有效功的热量20～3030～4035～45冷却介质带走的热量25～3020～2510～20废气带走的热量40～4535～4030～40其它热量损失5～105 ～1010～15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 车用发动机在使用场所方面具有特殊性，相应的利用废热就需要满足一些必要的条件，具体而言具备如下的特征：一、汽车的废热品位比较低，不容易进行能量的回收；二、废热利用装置要具备构造简单、体积较小、质量较轻、效率较高的特点；三、废热利用装置要能够有效对抗冲击、震动，能够和车内的环境相匹配；四、确保装置具有安全性，不影响汽车的使用安全；五、汽车废热处理装置不能够对发动机的工作产生影响，不能够降低发动机的经济性。因为具备了以上的特征，也让不少的研究虽然取得了成果，但是并没有很好的投入到商业化生产之中，仅仅是废气涡轮增压方面有部分具有实际意义的成果。1.2 研究进展综述 结合现阶段国内外余热的利用相关技术，站在热源的角度而言，可以分为两种，一种是发动机冷却水余热，另一种是排气余热。站在用途的角度而言，可以分为废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、改良燃料等不同方式。在这些方法之中，真正达到产业化的仅有废气涡轮增加，而提及的其余方法都因为技术以及相关的原因，还在研制或者试验的时期，并没有实现商业化的生产。下面结合用途的分类来对国内外有关的技术研究情况进行介绍。1.2.1 涡轮增压技术 废气涡轮增压技术就是将废气中存在的一些能量充分利用起来，从而将燃机内的进气压力提升，从而实现充气量的提升，这样就能够将内燃机的动力性、经济性提高。废气涡轮增压装置在构成上包括同轴配置的涡轮以及压气机，排气管将发动机排出的废气推入到涡轮中，从而实现运转，这样让压气机将新鲜空气压缩并输送到发动机气缸内。废气涡轮增加大大提升了内燃机所具有的动力性以及经济性，通过这种方式能够利用废气中存在的能量来增大内燃机进气压力从而增大充气量，并不是对废气中的能量进行二次利用。并且因为内燃机和涡轮增压装置一起工作的时候能量具有传递性，从而影响到增压内燃机的加速性以及扭矩性，也让增压内燃机在使用时受到一些约束，降低了使用的便捷性；除此之外，将这一技术运用到汽油机以及小型柴油机上时并不能够带来显著的效果，现阶段比较多的使用在大型柴油机上，在使用范围方面受到约束。由于汽油机电子喷射技术被逐步的推广，汽油机废气涡轮增压方式的使用也会逐步的推广。但是要真正实现广泛的使用，就需要彻底解决发动机爆震、热负荷增加等问题。1.2.2 余热制冷技术 现在的轿车空调系统中仍然比较多的采用的是蒸汽压缩式空调系统，将发动机冷却水携带的热量进行取暖。一般发动机动力的8%至12%被用来进行轿车空调的运行，这就让油耗量大大增加，也使得废气排放更多，让空气污染进一步严重。除此之外，还会导致水箱发热严重，让轿车动力性降低，并且蒸汽压缩式空调系统在制冷时用到了氟利昂，会进一步的加重温室效应。所以要将舒适性以及制冷功耗两者的矛盾进行协调可以说是目前轿车空调研制中面临的问题。比较合理的节能方式之一就是将发动机排气余热进行收集，用来进行制冷系统的驱动，这也成为全球范围内共同研究的问题。现阶段关于实现技术方面分为吸收式以及吸附式两大类。 ●吸收式制冷 关于吸收式制冷，主要是利用热能进行驱动，从而实现制冷循环，可以分为两种，一种是汽车循环冷却水余热以及重视排气余热。在有关的文献资料里，比较集中研究的是通过循环冷却水余热来完成吸收式制冷，因为排气温度比冷却水的温度要高，同时能够利用的热量要高于冷却水，同样也能够通过排气余热从而完成吸收式循环。对于吸收式制冷循环系统而言，用到了水一溴化锂、氨一水、R22-ETEG、R22、R22-DMF等工质。在吸收式制冷系统中存在着大型的COP，并且对比吸附式结构而言，在构造上更加复杂，体积更大，造价更高，同时发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器都要求具备自由的水平面，所以这一方法对于一些颠簸、运动状态的汽车并不适用。 ●吸附式制冷 吸附式制冷在原理上是部分固体物质处于一定的温度及压力下，可以对某种气体或者水蒸气进行吸附，而处于不同的某一温度及压力下，有能够将某种气体或者水蒸气进行释放，从而达到制冷的效果。在吸附和解吸过程中会引起压力的改变，这样就实现了压缩机的效果。这一制冷系统在构成上包括发生器、冷凝器、蒸发器和节流装置。在对余热进行回收时可以通过冷却水中的热量以及发动机排气中的热量实现。假如采取的是在发动机冷却水中将热量进行回收，那么和气体与吸附器的换热效率相比较而言，水与吸附器的换热效率更高，更有利于热量的回收。但是热源温度一般在100摄氏度以下，基本等于冷却的空气温度，如此一来所形成的温差较小，导致循环吸附解吸量更低，不利于运行。假如采用将发动机排气中的热量进行回收，气体和吸附器之间的换热效率低下，使得回收热量难度增加，但是因为发动机排气本身具有比较高的温度，通常在500至600摄氏度之间，远超冷却水的温度，能够更好的进行回收，并且和冷却空气之间有着很大的温度差，这样让系统循环温差也很大，就能够形成比较多的吸附解吸量。吸附式系统在构成上更加简便，成本也更低，将床的传热传质能力提升，相应系统的性能也大大提升，这是比较适用的系统。但是在吸附式制冷系统中，COP不高，要求一段预备时间，单位质量的吸附剂只能产生一定的制冷功率，整个系统体积大，废热利用效率低下，并且在汽车内部，空调的体积必须要小，要实现高效制冷，性能要足够的强大，而这些也对这一方法的使用产生了约束。要全面的满足要求，那么就需要将系统的COP值提高，并且将单位质量吸附剂制冷功率提升。现阶段的吸附制冷系统中，比较常用到氢气、水、甲醇、氨气、RJ34a、R22等制冷剂。 ●喷射式制冷郑爱平、赵乱成、钟琼香等通过研究，将HCFC--123作为工质，采用汽车余热驱动方式，设计出喷射式制冷系统。喷射式制冷循环将喷射器发挥压缩机的功能，从而将热能的消耗来进行补偿，从而达到制冷的目的。具体的工作循环如下：在加热器中加热的高温高压工作蒸汽在喷管中绝热膨胀，从而变成低压、高速气流，用喷射器抽吸蒸发器中的低压奇台制冷剂，进行充分的混合，通过扩压器进行增压然后传输到冷凝器中，通过冷凝的作用变成液体。接着一些凝结液会发挥制冷剂的效果，在经过节流阀之后降压降温，通过蒸发器形成低温低压蒸汽。还有一些凝结液会经历下述循环过程：工作蒸汽在经过加热器的加热之后变成高温高压状态，再经过喷管进行绝热膨胀，从而得到一股低压高速气流，用喷射器抽吸蒸发器中的低压奇台制冷剂，进行充分的混合，通过扩压器进行增压然后传输到冷凝器中，经过介质的作用变成液体。接着，其中的一些凝结液会充当制冷剂利用节流阀降压降温，并且经过蒸发器时吸热形成低温低压蒸汽。另外一些会经过循环泵的加压之后送达到加热器，成为工作蒸汽。喷射式制冷系统在运动部件方面仅有循环泵，并且工作蒸汽和制冷剂实际上是相同的物质，因此不存在分离的要求，不需要配备制冷剂分离设备，从而构成更为简单，消耗的功率小。同时能够充分运用低品位热能，因此对于存在余热能够利用的汽车中，都能够使用。 1.2.3 余热发电关于余热发电，其是一种采用了多余能源而实施的耗能性发电方式。根据发电系统硬件配置上的差异性，余热发电又分为了三种，一种是利用半导体执行温差而进行的热能提供，一种是利用氟材料而实施的透平式发电，还有一种是利用涡轮而执行的发电。 ● 半导体温差发电半导体是一种导热性极高的材料，其被应用到热能发电中能获得较高的效率。评测半导体材料发电性能的高低，可借助导热性这一参数指标，其描述的是材料热能与电能之间的转化率。其中，温差型半导体发电材料的导热性普遍较高，某些材质特定情况下甚至能达到7%的导热率。以汽车发动机排气为例，相关学者借此对温差半导体材料进行了导热性的试验研究，结果证明温差材料在执行热电能转换的过程中具有较高的转换率，对汽车整体的热排放起了重要作用。不仅如此，温差导热对于汽车噪音的消除还具有一定的功效性，它能尽可能大的消除汽车噪音。温差半导体材料在使用的过程中，基于其本身特性无需在热量转换系统中配置与之相应的辅助传动机构，这就大大提升了该部件的使用便捷度。虽然半导体温差发电从材质选择上具有一定的优势，但这一发电方式仅适用于小规模的热能转换，面对大型的发电设备，该发电方式且不足以满足供能需求。 ● 龙透平发电 利用氟物质发电技术最早出现于日本，当时的一位研究者提出可利用氟利昂作为介质，实现低温储能高温释能的工作方式。具有低沸点的材质能在吸收了大量能量之后在高压的刺激下释放出能量继而推动发电装置运行，满足将储能转换为电能的传递。虽然基于原理这种发电方式较为可行，但对于其所需构建的整个发电系统而言则极为复杂。 ● 废气涡轮发电 在余热发电的类型中，一种可用废气产生动能的发电方式最早被张铁柱进行开发研究，针对发电设备系统的组成，他设计了涡轮装置，气体能量推动涡轮进而带动发电机发电。至于这种发电形式的功效性，日本的学者曾做出过相关试验，证明废气涡轮发电足以带动汽车的运行。废气涡轮发电的不足之处在于它一定条件下有可能会对系统内的发动机装置产生负影响效应。 用图示方式表示上述废气涡轮发电方式，系统内的各组成模块如下图1所示，从图中我们可以设计几种不同的发电方案，区别在于系统内配置硬件种类以及循环操作方式的不同。其中，一种为设置了循环用蒸发器和过热器的发电方案；一种为配置了微型燃气轮的布雷登式循环发电方案，还有一种是在系统内设置了涡轮增压器及能量回收用发电机的循环发电方案。关于设置涡轮装置、涡轮增压器、涡轮发动机的循环发电方案，从联动操作角度又划分为串联和并联两种，串并联指的是系统内新增涡轮发电机与原涡轮增压器之间的连接方式。1.2.4 余热采暖余热不仅于供电，从能量使用性角度分析，它还可以被应用到采暖中，实现能源的再利用。如余热式暖气装置的设计与开发即是一种余热采暖，如涉及到资源的循环应用，还可将其分为水循环余热取暖和气循环余热取暖两种类型。如今在很多的汽车中我们经常会看到这种采用了余热而实施的供热源器件，它不仅有利于汽车发动机的热量消耗，从节能减排角度看，余热的再次利用还能最大化的充分循环利用废气能源，进而起到保护环境的作用。诸多余热采暖类型产品中，水暖式暖风机和气暖式暖风机是两种广被推广应用的汽车零部件，特别适用于小型汽车能为汽车提供必须的能源供应。但对比两种类型的暖风机产品，气暖暖风比水暖暖风提供的能量要稍大。面对较低温度的环境，可优先选择气暖暖风机，它更能满足汽车对热能的需求。1.3 小结 从上述介绍中我们可以得出如下结论：结合以上对各种类余热应用方式、应用类型以及相关余热研发产品的分析论述，这里总结了一些现实应用中会出现的问题点，一是针对涡轮增压余热发电，废气涡轮增压发电虽然具有一定的优势，但为避免增压对发动机本身不产生负面效应，可适当改为混合式增压方式，系统内增设蓄电池对系统进行供电。蓄电池的应用在高工况环境下，还可起到存储多余电能的作用，以便循环使用。二是针对废气余热能量转换而实施发电的问题点，废气余热供电被利用到汽车内空调操作系统中的方案，一般是不建议采纳的。原因是由于汽车内空调制冷会存在一个压缩值，而废气余热能量转换不足以满足这个规定的压缩值指标，因此也无法满足汽车运行时空调制冷上的需求。但如果将废气余热能量转换供应到空调压缩机端，即可为该装置提供一定的动能。也就是说，面对废气余热发电在汽车中的应用，我们无需考虑为应用它而特别改进汽车的空调系统，将其应用到适当的环节甚至更能提升其应用效率。要使用汽车的废热来进行供暖，如果是在并不特别寒冷的地方，只需要发动机冷却水的余热就能够实现冬季车内的供暖需求，并不需要对原本的供暖系统做出改进；如果是在气候非常寒冷的地区，那么相应的就要结合季节来通过废气余热进行供暖，废气所产生的能量利用率不够完全，假如废气能够较大程度的转化为电能，那么就能够选择使用电能来进行供热，这样就可以一年四季都使用到能量，并且也让供暖系统的布置更加轻松易行。针对利用半导体温差发电这一做法而言，现阶段还没有找到高效率的热电转换材料，目前发现的热电转换材料往往效率不高，所以现阶段这一方式推广可行性不高。针对通过废热改良燃料这一做法而言，仅仅是将余热的很小一部分利用到，因此不具有经济性，在废气能量利用领域不可大力推广。所以，笔者结合研究指出，在对废气能量利用方面，要重点关注将废气能量转变为机械能量再转变为电能这一途径。通过这一方法就可以高效的利用废气能量，同时能够更加便捷的进行电能的使用，这一方法的最大优势在于不用改造汽车原本的设备，这样推广性更高。运用这一方法要求先解决几大问题：一是在配备了能量回收装置之后，往往让发动机工作性能降低，怎样将这种影响降到最小是很有必要的；二是要通过具体的试验才能够确定能量转换装置转换效率，而这关系到实际的实用性。1.4 本文主要工作 在现阶段，汽车废气能量回收利用装置内存在着很多的缺陷和问题，包括能量转换效率低、不易于实际开展、使用途径简单、结构复杂、体积庞大等，要充分的克服这些问题，就需要对汽车废气能量转换的过程进行优化，要将范围扩大到全部内燃机中，产生的动力能够传递给所有或者部分内燃机的附件，例如电动机、蓄电池、水泵、动力转向油泵、真空泵、空调等。要完成以上所说的目标，在本装置中，利用动力涡轮可以将废气能量进行回收并转化为机械能。在本篇论文中，针对废气的利用展开了全方位的调查，也分析了目前废气利用的发展走向以及使用的方式，围绕一台柴油机ZH-4100DE 排气管废气能转化的机械部分进行深入设计，其中具体的涵盖了涡轮设计计算，涡壳的匹配设计，轴的设计等等。
2 针对ZH4100柴油机及排气系统的涡轮部分设计2.1 ZH4100柴油机的相关资料表2.1 柴油机相关参数缸数缸径|行程（mm）排量（升）发火次序进气最大转速转矩（n.M）（r|min）排温（摄氏度）4100|153.611-3-4-2自然吸气220|1500500 2.2 排气系统管路图2.3 涡轮设计2.3.1 涡轮型式选择 现阶段运用于实际工作中的涡轮主要涵盖三大类型：第一类是轴流式，这是较为早期的设计，构成简单，但是在效能利用率方面过低，所以很少被实际使用。第二种是径流式，效能利用率方面比较高，体积小巧，构成简单，并且设计方面趋于成熟，有大量的试验数据支持，更便于进行性能预测，比较多用于实际使用中。但是如果转速太高，就会让叶轮出口排气出现大量损耗，内部流动不畅，从而让涡轮的性能降低。第三种是混流式，这一结构通常较为复杂，制作有难度，高转速时效率较高，处于低转速时，在性能方面与径流式涡轮相似。但是因为试验数据不够，让设计以及性能预测方面难度增大。综合上述考量，在本篇论文中选择径流式涡轮。2.3.2 涡轮设计前需确定的参数 1、涡轮入口废弃流量G(按最大转速1500r|min计算） 经查阅文献[3]表3-4，设研究海拔为0m，大气压为0.98×pa，大气温度为15摄氏度，且此种情况下大气密度为1.225kg|，则计算公式为： G=进气流量+燃料量 据查阅ZH4100资料，其燃气缸每次喷射燃料为1g所以： = =0.211kg （2-1）2、入口压力 由于排气管内表面无明显阻碍装置，查文献得知与大气压基本相等，先取压力为大气压1.033Mpa3、入口绝对温度定位4、入口绝对速度 =86 （2-2）5、涡轮转速 参考现有的涡轮增压器的转速（6r|min）并考虑涡轮直径总体大小取n=80000r|min6、出口压力（静压） 这里将外界环境简化为与大气压相同，且为标准大气压，==1.033pa7、废弃绝热指数K 根据《气体工业手册》相关资料，二氧化碳气体绝热系数为1.2，氮气化合物绝热系数为1.4，一氧化碳绝热系数1.225。综合废弃中个气成分含量平均计算，初步定位K=1.3。8、气体常数 查阅《气体工业手册》得知R=29.3kg|mol|kg 1、初步假定参数值：径向度 静叶气体流出绝对角= 动叶气流出口相对角= 静叶速度损失系数=0.95 动叶速度损失系数 2、计算使涡轮达到最大效率的最优参数=0.31 （2-3）=0.37 （2-4） =0.8 （2-5） 3、计算进口速度及其角度 （1）、理想绝热速度：=86m|s （2-6） （2）、涡轮外径上的圆周速度 （2-7） （2-8） 注：以上结果均已经圆整，保留至整数。 （3）、静叶出口理论速度和实际速度 （2-9） （2-10） （4）、工作轮入口相对速度和相对速度角 =9.7rad|s=10rad|s （2-11） （2-12） 4、静叶进口滞止参数计算 （1)、进口气流音速； （2-13） (2)、当地马赫数; （2-14） (3)、进口滞止压力; （2-15） （4）、进口滞止温度; （2-16） 5、静叶出口参数确定 （1）、 多变指数； （2-17） （2）、出口压力 ； （2-18） （3）、出口温度； （2-19） 6、动叶进口滞止参数 （1）、当地音速； （2-20） （2）、马赫数； （2-21） （3）相对压力； （2-22） （4） 相对温度； （2-23） 7、动叶出口参数计算 （1）、多变指数； （2-24） （2）、出口绝对温度； （2-25） 8、涡轮基本尺寸 （1）、工作轮进口直径； （2-26） （2）、工作轮出口直径； （2-27） （3）、 静叶出口处叶片高度； （2-28） （4）、工作轮出口处叶片高度； （2-29） 1、导向器中的损失计算 导向器出口叶片半径； （2-30） 根据经验和涡轮外形尺寸限制初步导向器进口叶片半径=60mm 求得导向器叶片数； （2-31） 式中b|t为直叶栅稠度，将圆整得 Z=18 返回求得=60mm
3 其他部件的匹配设计 3.1 轴设计图3.1 轴 3.1.1 轴的结构设计轴上零件的装配方案通过上述设计能够发现，在轴上从右至左观察，安装的零件分别是螺母，垫片，涡轮，轴承。轴承由左边安装，涡轮由右边安装，在两者中间可以安装轴肩。 轴的各段直径和长度确定第一步是明确右边螺纹的具体长度，暂定为10mm长，从安装的便捷性来说，对螺纹段的尺寸确定为13mm。螺距是2mm，螺纹高是2mm，除此之外，向左端的3mm长度是无纹区，发挥减载作用。涡轮轮毂的宽度是28nn，这一段轴的直径是13mm。从涡轮的轴向定位方面而言，涡轮的左边是轴肩，高度为3mm，这一段的直径是19mm，结合实际，上涡壳宽度是34mm，要确保涡轮和涡壳之间有适当的空间，不会对正常的工作产生影响，从而确保涡轮的上下端和涡壳壁之间有3mm的间隙，并且将轴的这一段长度确定为8mm，在轴肩的左边安装轴承，结合轴承的有关数据，这一段轴的直径为15mm，长度确定为59mm。轴上的零件定位因为在涡轮的左端采取的是轴向定位，相应的紧固定位就需要使用到螺纹螺母。涡轮的左边利用的是轴肩定位，涡轮的周向定位则运用了圆底平键，键长为20mm，结合图片所示，键的高度是2mm。3.1.2 轴的材料选择 轴的材料要求为耐高温，扭矩要求不是很高，而且用于腐蚀条件，经查阅文献，表15-1，将轴的材料定为3Cr13。采用调制热处理。 轴的补充说明： 结合上图展示的，对于轴左边部分的设计还没有完全，需要做出深入的改善，左边部分的设计还需要进一步细化，如果把需要转化的扭矩传递给发电机线圈，机械能转变为电能，就能够实现这个轴和电动机的轴同步，因为目前的电动机设计技术已经非常成熟，而笔者对于这方面的研究还有限，并且电动机的轴承设计还要求结合电动机的实际尺寸进行，因此在本文就不进一步的设计。3.1.3 轴的强度校核 按扭转强度计算 注：由前面设计可知，此轴为传动轴，仅仅承受扭矩，因此按扭转强度计算。 式中各参数的确定： n----轴的转速，由前面设计确定n=80000r/min d-----计算截面处轴的直径，由上图可知，校核此轴的扭矩强度的截面取承受最弱面即截面半径最小的面： 由以上分析确定截面计算直径为d=15mm P----轴的传递功率 以下为能量转化路线： 废气动能-------涡轮角动能------外部机械能-------电能/气压能对于轴校核能量的传递定义为无损失，也就是结合轴可以承受的极限扭矩进行计算，在经过涡轮装置之后，废气在管道中的动能减少量和涡轮的角动能增加量一致，在本篇论文中，设定外部负载是无穷大的，废气在1S内动能的减少量就是轴传递功率，得到： P= （3-2）图中两个质量可看做相等，因为通过涡轮装置前后管内压力变化不大，其密度也未变，所以质量也不变。 （3-3） 其中 代入（3-3）式计算得 P=642.635W=0.643KW查文献 表15-3可知，取[ 由式（3-1）推得： 而实际轴的直径为15mm，所以轴的强度完全满足扭转强度需求。校核完毕！3.2 涡壳设计结合上述关于涡轮的设计相关数据能够计算得出涡轮直径最大可达108mm，涡轮要安装到涡壳之中进行工作，从便捷性方面考虑，将涡壳直径确定为114mm。涡壳厚度则需要结合涡轮的厚度来确定，确保能够成功安装，将涡轮厚度确定为28mm，将涡轮上下端与涡壳壁之间的间隙确定为3mm，那么就能够得到涡轮直径是114+28+6=148mm。从节约材料的角度考虑，涡壳表面进行圆弧设计。具体的三维图如下：图2.4 涡壳 涡壳与小端涡盖进行连接，同时承载着废气出口密封作用。通过上述关于涡壳的设计，利用螺钉进行连接，涡壳小端的直径确定是120mm，相应的小端涡盖直径也需要是120mm，有四个直径为10mm的螺孔进行匹配，这样就能够将空气的阻力降低，由120mm的端口连接到40mm的排气管，中间要求圆弧进行过度，涡盖的壁厚度确定为5mm。
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