【正文】 在此對黎蘇教授表示衷心的感謝。其編程工作很復雜，由于時間有限沒有對程序進行設計。本文是對一車用壓縮機改裝的空氣動力發(fā)動機測功，主要介紹了在測功系統(tǒng)的設計中的一些探索。 逐次逼近法 的 基本原理是從高位到低位逐位試探比較 ，其 轉換過程是：初始化時 把 逐次逼近 的 寄存器各位 都 清零；轉換開始時， 將片內 D/A 轉換器輸入1000 0000，經 D/A 轉換后生成的模擬量送入比較器， 記作 Ｖ o，與 A/D 轉 換器的輸入電壓，即 待轉換的模擬量Ｖ i進行比較， 如果 Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清 零 。 A/D 轉換 即是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號 。 當波動信號 )(tXa 為有限次諧波，其最高諧波次數是 L，則只要在一個周期內等間隔地對 )(tXa 進行采樣，使周期 t? 剛好等分信號周期 T，而且如果在一個周期內的采樣次數 N 比 L大（即 tTN ?? L），則 N 次求和與積分的實際結果相等，亦即存在如下的等式： ?? ??? 100)(1)(1 NnTa nXNdttXT 由實驗情況可得被測空氣動力發(fā)動機加上皮帶的轉速最高不超過500n/min，則發(fā)電機的輸出電流的周期約為 120ms。要得到平均的電功率，只能測出一段時間所做的功，然后通過計算得出。 相應轉速數據，經過剔除不合理的數據，進行簡單地處理，可用 VB軟件求出轉速平均值，作出相應的轉速變化趨勢圖，其界面如下： 圖 轉速的處理 加上皮帶后，平均轉速為 178r/min，剛啟動時進氣提前角較小，轉速不穩(wěn)定，通過增加進氣提前角，轉速緩慢增加。 實驗的進展及遇到的問題 實驗臺架各部分固定和連接好以后，啟動氣動發(fā)動機，改變近期提前角等，觀察燈泡的亮度變化，然后用數字萬用表測出電壓，計算可得到電功率。整流器的接線圖如圖 所示。 發(fā)電機的基本參數如下表： 表 發(fā)電機的基本參數 發(fā)電機型號 JW14V300W 發(fā)電機功率 300W? 50W 最大轉速 2800r/min 發(fā)電電壓 14V 本機凈重 該發(fā)電機是小型電子穩(wěn)壓交（直）流兩用發(fā)電機，加整流元件為直流，不加則是交流發(fā)電機。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 22 交流發(fā)電機感應產生的為交流電，可通過六只二極管構成的三相橋式整流電路變?yōu)橹绷?[20]。 車用發(fā)電機的分類 車用發(fā)電機可以分為交流發(fā)電機和直流發(fā)電機兩大類，現在由于交流發(fā)電機的各方面優(yōu)點，車用發(fā)電機普遍使用交流發(fā)電機。該編碼 器的外形圖如圖 所示： 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 19 圖 轉速傳感器 進排氣電磁閥 由于本發(fā)動機難以采用機械式的進排氣控制，本課題采用電磁閥來控制進排氣。而且原飛輪的重量輕，直徑也較小，使得飛輪的轉動慣量不夠，不能使飛輪很好地靠慣性通過上止點。但是由于相同的時間做功次數增加， 空氣動力發(fā)動機的功率會變大，動力性和經濟性變好 [19]。 氣動發(fā)動機性能的影響因素分析 表 氣動發(fā)動機基本參數 大氣壓力 (MPa) 轉速（ r/min) 環(huán)境溫度 (℃） 25 連桿曲柄比 進氣壓力（ MPa） 曲柄長度（ mm) 19 進氣持續(xù)角（ CA） 進氣提前角 +90 缸徑 (mm) 75 間隙容積（ m3） 絕熱指數 k 排氣壓力（ MPa） 進氣持續(xù)角對發(fā)動機性能的影響 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 14 圖 不同進氣持續(xù)角示功圖 進氣持續(xù)角決定 3V 的的大小，如果持續(xù)角增大， 則 3V 將右移變成 3V、 （如圖 所示），顯然循環(huán)進氣量增加。 （ 3）排氣過程：當活塞下行到下至點前一定的角度，排氣電磁閥開啟，氣缸內的氣體開始排出，一直到進氣電磁閥打開時排氣電磁閥關閉 [6]。 （ 4）如果發(fā)電機作為負載，由氣動發(fā)動機驅動時，阻力較大，發(fā)動機不能正常工作。 實驗臺架的基底是一長 、寬 、厚 10mm 的鋼板，空氣動力發(fā)動機布置在鋼板的左邊，通過一對側臥的槽鋼固定在鋼板上表面；光電編碼器通過厚3mm 的 L 型鋼片固定；發(fā)動機的氣源是一最高壓力可以達到 3MPa 的壓縮機，為了使壓力穩(wěn)定，高壓空氣先通過一穩(wěn)壓腔，以確保輸出的壓力為恒定值；進排氣管道式耐高壓的橡膠軟管，最高承壓壓力為 3MPa，直徑為 1/4 英寸 [18]。使發(fā)動機的轉速在某一范圍內穩(wěn)定，讓某一個汽缸不工作，從而改變發(fā)動機的轉速，通過對轉速的變化比的測量，得到功率平衡百分數 [17]。 接測量 動力機械的軸功率正比于轉速與轉矩的乘積，功率與轉矩和轉速的關系表示為下式： 9550TnP? 式中， P 為功率（ kW）； T 為動力機械輸出轉矩（ N ? m）； n 為動力機械的輸出轉速（ r/min）。 本課題的主要研究內容是針對空氣動力發(fā)動機設計、搭建一套功率測量系統(tǒng)，利用搭建的測功系統(tǒng)對空氣動力發(fā)動機性能進行實驗研究。 課題研究的意義和內容 空氣動力發(fā)動機以高壓空氣作為動力源，是一種環(huán)保綠色的發(fā)動機。低速時用壓縮空氣推動汽車，高速時用電動驅動汽車，在加速或者上坡時則壓縮空氣和電動同時工作。 過對氣動發(fā)動機進行仿真分析指出，高壓氣體在氣缸中膨脹的等溫程度越好，氣動發(fā)動機的工作效率越高。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 4 1991年，法國工程師 Guy N232?；旌蟿恿ζ嚬?jié)約能源、續(xù)駛里程較長、排放污染很低、生產時不需要改變基礎設施，所以目前最適合投入生產。傳統(tǒng)發(fā)動機燃燒時壓力升高率很大，會產生較大的壓力波動，從而產生較大的噪音和震動。氮氧化物、二氧化硫以及炭煙等可吸入微粒，可引起霧霾。努力研制和創(chuàng)新低能耗汽車和內燃機，改造和升級生產環(huán)節(jié)中的能源消耗設備，逐漸淘汰高耗能設備；還要加快新型能源開發(fā)，主要是對無污、可再生的清潔能源開發(fā)利用，以保證經濟和能源都能夠可持續(xù)發(fā)展。到 20xx年底，中國的總探明石油地質儲量為 噸，可采儲量 ，采收率為 % [3]。汽車還促進了運輸業(yè)的繁榮，改變了城市的布局和面貌，加快了區(qū)域文化交流，促進了偏遠和落后地區(qū)的發(fā)展。 介紹了實驗臺架各部件的基本參數，并通過對發(fā)電機原理的學習，選擇了一個小型的發(fā)電機作為空氣動力發(fā)動機的負載進行測功。 空氣動力發(fā)動機利用高壓氣體推動活塞對外做功，將高壓氣體的壓力勢能轉化為機械能對外輸出。根據 公安部 20xx 年年底公布，全國 的 汽車保有量 已經達到 億輛，增長量超過 了 1999 年底全國汽車 的 保有量，年增長 為 1510 萬輛 。汽車內燃機燃燒需要消耗大量石油和天然氣等寶貴不可再生資源，汽車的發(fā) 展受到了石油等燃料的限制。能源問題，不僅僅只是能源短缺，而且是能源的高效率和優(yōu)質化的問題。 氮氧化物易與空氣中的水結合，轉化成為硝酸和硝酸鹽，最終形成酸雨，破壞建筑和植物。 雖然發(fā)動機的技術越來越成熟，汽車相關的排放法規(guī)越來越嚴格，內燃機的排放量也逐漸減少，但是由于其結構原理的限制，加上汽車保有量的不斷增加，要想降低污染，改善空氣質量，必須 開發(fā)無污染或者污染很低的新能源汽車。但是由于甲醇有毒、溶于橡膠、腐蝕金屬，天然氣儲運不便、加氣站投資大，沒能夠得到普及和推廣。 1896年，美國出現了 HoadleyKnight型和，它們是兩級工作方式的氣動發(fā)動機。MDI公司設計的曲柄活塞連桿結構可以使壓縮沖程后期活塞保持在上止點的時間延長，從而使低溫的高壓空氣與高溫的新鮮空氣充分混合。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 6 圖 英國 Marquand 教授氣動發(fā)動機 韓國，主要是 ENERGINE公司研究壓縮空氣 電動混合動力發(fā)動機。 研制了高壓大流量河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 氣動開關閥和相應的控制系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)大大節(jié)省了能量。衡量發(fā)動機動力性的重要指標是有效功率，是發(fā)動機曲軸端對外所輸出的實際功率，即軸功率。 常用測功方法的介紹 動力機械等設備在其產品的研發(fā)、生產制造、品質管理甚至包括維修保養(yǎng)的各個 階段，都需要對這些設備的部件或者整個系統(tǒng)的各種特性曲線和性能參數進行檢測。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 ② 角加速度法。該編碼器可以給ECU 提供上止點位置信號和曲軸轉角信號，從而 ECU 通過這兩種信號判斷發(fā)動機的工作狀況。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 10 通過查閱功率測量的相關資料，運行了解被測空氣動力發(fā)動機以及分析前幾屆學長對本發(fā)動機所做的工作和結論，本課題在實際實踐中遇到了很多問題： （ 1）該氣動發(fā)動機工作不穩(wěn)定，有時候甚至不能正常啟 動。經過一定的曲軸轉角，進氣電磁閥關閉，進氣過程結束。 34 是介于等溫與絕熱之間的一種多變膨脹過程，缸內 高壓氣體開始膨脹推動活塞下行做功，此過程將高壓氣體的壓力勢能轉化為了曲軸的機械能。 進氣提前角對發(fā)動機性能的影響 進氣提前角增大時，由于進氣時間延長，進氣量增加，進氣能量增大，排氣能量也隨之增大，則循環(huán)指示功增大，動力性變好，耗氣率增大，能量利用率變小。) 80 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 17 環(huán)境溫度（ K） 300 環(huán)境氣壓（ MPa） 轉速 (rad/min) 1000 因為空氣動力發(fā)動機與原壓縮機的工作過程完全相反，為了適應進排氣， 對該原型機主要的改動是 拆除原來排氣通道上的壓力彈片，不必要接口用螺栓封堵，適當的轉接口連接進排氣口。在轉速 /曲軸位置傳感器中，編碼器可以把角位移或者線位移轉換成為電信號。 使用壓力（ Kgf/cm2） 氣體： 1液體： 125 最大耐壓力（ Kgf/cm2） 60 工作溫度范圍（℃） 5~150℃ 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 20 使用電壓范圍 177。當轉子旋轉時，定子與磁場相對旋轉，從而使定子 3 相繞組切割磁力線從而產生電 動勢。 513423 WWWW i ??? 60/nWP i ?? 這里的計算可以借鑒同學對空氣動力學發(fā)動機循環(huán)仿真研究里面的結論和計算結果。發(fā)電機產生的電流經過整流器整流后變成直流電流（如果電壓的頻率太小則不能得到電壓恒定的電流），然后電流通過負載電路 。 實驗得到發(fā)動機的功率后，則發(fā)動機的轉矩可以通過功率、轉矩和轉速的關系式計算得到，計算公式為： nPT etq 9550? 式中， tqT 為要求的有效轉矩， mN? ； n編碼器測得的為曲軸轉速， r/min；eP 為所測得的有效功率， kW。當進氣提前角從 5176。從多方面考慮，利用積分累加的辦法得到發(fā)電機的輸出功率是一種最可行的辦法。發(fā)動機產生的電流時任意波形的，沒有固定的解析式來計算，從數學分析上來看，這個積分是t? 趨于 0時 ii iu? 的和的極限 ： tiuTdtiuTp jNj itiTi ??? ?? ??? 100l i m11 式中 N 是周期 T 中總的采樣和疊加求和的次數， ? t 為每兩次采樣的時間河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 29