【正文】 在此對(duì)黎蘇教授表示衷心的感謝。其編程工作很復(fù)雜，由于時(shí)間有限沒有對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文是對(duì)一車用壓縮機(jī)改裝的空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)測功，主要介紹了在測功系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換過程是：初始化時(shí) 把 逐次逼近 的 寄存器各位 都 清零；轉(zhuǎn)換開始時(shí)， 將片內(nèi) D/A 轉(zhuǎn)換器輸入1000 0000，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器， 記作 Ｖ o，與 A/D 轉(zhuǎn) 換器的輸入電壓，即 待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖ i進(jìn)行比較， 如果 Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清 零 。 A/D 轉(zhuǎn)換 即是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào) 。 當(dāng)波動(dòng)信號(hào) )(tXa 為有限次諧波，其最高諧波次數(shù)是 L，則只要在一個(gè)周期內(nèi)等間隔地對(duì) )(tXa 進(jìn)行采樣，使周期 t? 剛好等分信號(hào)周期 T，而且如果在一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù) N 比 L大（即 tTN ?? L），則 N 次求和與積分的實(shí)際結(jié)果相等，亦即存在如下的等式： ?? ??? 100)(1)(1 NnTa nXNdttXT 由實(shí)驗(yàn)情況可得被測空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)加上皮帶的轉(zhuǎn)速最高不超過500n/min，則發(fā)電機(jī)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(shí)間所做的功，然后通過計(jì)算得出。 相應(yīng)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，經(jīng)過剔除不合理的數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單地處理，可用 VB軟件求出轉(zhuǎn)速平均值，作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化趨勢圖，其界面如下： 圖 轉(zhuǎn)速的處理 加上皮帶后，平均轉(zhuǎn)速為 178r/min，剛啟動(dòng)時(shí)進(jìn)氣提前角較小，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，通過增加進(jìn)氣提前角，轉(zhuǎn)速緩慢增加。 實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展及遇到的問題 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架各部分固定和連接好以后，啟動(dòng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，改變近期提前角等，觀察燈泡的亮度變化，然后用數(shù)字萬用表測出電壓，計(jì)算可得到電功率。整流器的接線圖如圖 所示。 發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如下表： 表 發(fā)電機(jī)的基本參數(shù) 發(fā)電機(jī)型號(hào) JW14V300W 發(fā)電機(jī)功率 300W? 50W 最大轉(zhuǎn)速 2800r/min 發(fā)電電壓 14V 本機(jī)凈重 該發(fā)電機(jī)是小型電子穩(wěn)壓交（直）流兩用發(fā)電機(jī)，加整流元件為直流，不加則是交流發(fā)電機(jī)。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 22 交流發(fā)電機(jī)感應(yīng)產(chǎn)生的為交流電，可通過六只二極管構(gòu)成的三相橋式整流電路變?yōu)橹绷?[20]。 車用發(fā)電機(jī)的分類 車用發(fā)電機(jī)可以分為交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩大類，現(xiàn)在由于交流發(fā)電機(jī)的各方面優(yōu)點(diǎn)，車用發(fā)電機(jī)普遍使用交流發(fā)電機(jī)。該編碼 器的外形圖如圖 所示： 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 19 圖 轉(zhuǎn)速傳感器 進(jìn)排氣電磁閥 由于本發(fā)動(dòng)機(jī)難以采用機(jī)械式的進(jìn)排氣控制，本課題采用電磁閥來控制進(jìn)排氣。而且原飛輪的重量輕，直徑也較小，使得飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不夠，不能使飛輪很好地靠慣性通過上止點(diǎn)。但是由于相同的時(shí)間做功次數(shù)增加， 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的功率會(huì)變大，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變好 [19]。 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響因素分析 表 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù) 大氣壓力 (MPa) 轉(zhuǎn)速（ r/min) 環(huán)境溫度 (℃） 25 連桿曲柄比 進(jìn)氣壓力（ MPa） 曲柄長度（ mm) 19 進(jìn)氣持續(xù)角（ CA） 進(jìn)氣提前角 +90 缸徑 (mm) 75 間隙容積（ m3） 絕熱指數(shù) k 排氣壓力（ MPa） 進(jìn)氣持續(xù)角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 14 圖 不同進(jìn)氣持續(xù)角示功圖 進(jìn)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(jìn)氣量增加。 （ 3）排氣過程：當(dāng)活塞下行到下至點(diǎn)前一定的角度，排氣電磁閥開啟，氣缸內(nèi)的氣體開始排出，一直到進(jìn)氣電磁閥打開時(shí)排氣電磁閥關(guān)閉 [6]。 （ 4）如果發(fā)電機(jī)作為負(fù)載，由氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，阻力較大，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的基底是一長 、寬 、厚 10mm 的鋼板，空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)布置在鋼板的左邊，通過一對(duì)側(cè)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(dòng)機(jī)的氣源是一最高壓力可以達(dá)到 3MPa 的壓縮機(jī)，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(jìn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在某一范圍內(nèi)穩(wěn)定，讓某一個(gè)汽缸不工作，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過對(duì)轉(zhuǎn)速的變化比的測量，得到功率平衡百分?jǐn)?shù) [17]。 接測量 動(dòng)力機(jī)械的軸功率正比于轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積，功率與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系表示為下式： 9550TnP? 式中， P 為功率（ kW）； T 為動(dòng)力機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩（ N ? m）； n 為動(dòng)力機(jī)械的輸出轉(zhuǎn)速（ r/min）。 本課題的主要研究內(nèi)容是針對(duì)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、搭建一套功率測量系統(tǒng)，利用搭建的測功系統(tǒng)對(duì)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 課題研究的意義和內(nèi)容 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓空氣作為動(dòng)力源，是一種環(huán)保綠色的發(fā)動(dòng)機(jī)。低速時(shí)用壓縮空氣推動(dòng)汽車，高速時(shí)用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)汽車，在加速或者上坡時(shí)則壓縮空氣和電動(dòng)同時(shí)工作。 過對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率越高。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 4 1991年，法國工程師 Guy N232?；旌蟿?dòng)力汽車節(jié)約能源、續(xù)駛里程較長、排放污染很低、生產(chǎn)時(shí)不需要改變基礎(chǔ)設(shè)施，所以目前最適合投入生產(chǎn)。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)壓力升高率很大，會(huì)產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，從而產(chǎn)生較大的噪音和震動(dòng)。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(nèi)燃機(jī)，改造和升級(jí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的能源消耗設(shè)備，逐漸淘汰高耗能設(shè)備；還要加快新型能源開發(fā)，主要是對(duì)無污、可再生的清潔能源開發(fā)利用，以保證經(jīng)濟(jì)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(zhì)儲(chǔ)量為 噸，可采儲(chǔ)量 ，采收率為 % [3]。汽車還促進(jìn)了運(yùn)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(jìn)了偏遠(yuǎn)和落后地區(qū)的發(fā)展。 介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架各部件的基本參數(shù)，并通過對(duì)發(fā)電機(jī)原理的學(xué)習(xí)，選擇了一個(gè)小型的發(fā)電機(jī)作為空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載進(jìn)行測功。 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)利用高壓氣體推動(dòng)活塞對(duì)外做功，將高壓氣體的壓力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外輸出。根據(jù) 公安部 20xx 年年底公布，全國 的 汽車保有量 已經(jīng)達(dá)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(nèi)燃機(jī)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(zhì)化的問題。 氮氧化物易與空氣中的水結(jié)合，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的技術(shù)越來越成熟，汽車相關(guān)的排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)的排放量也逐漸減少，但是由于其結(jié)構(gòu)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(zhì)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(chǔ)運(yùn)不便、加氣站投資大，沒能夠得到普及和推廣。 1896年，美國出現(xiàn)了 HoadleyKnight型和，它們是兩級(jí)工作方式的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。MDI公司設(shè)計(jì)的曲柄活塞連桿結(jié)構(gòu)可以使壓縮沖程后期活塞保持在上止點(diǎn)的時(shí)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(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 6 圖 英國 Marquand 教授氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) 韓國，主要是 ENERGINE公司研究壓縮空氣 電動(dòng)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。 研制了高壓大流量河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 氣動(dòng)開關(guān)閥和相應(yīng)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性的重要指標(biāo)是有效功率，是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸端對(duì)外所輸出的實(shí)際功率，即軸功率。 常用測功方法的介紹 動(dòng)力機(jī)械等設(shè)備在其產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)制造、品質(zhì)管理甚至包括維修保養(yǎng)的各個(gè) 階段，都需要對(duì)這些設(shè)備的部件或者整個(gè)系統(tǒng)的各種特性曲線和性能參數(shù)進(jìn)行檢測。 河北工業(yè)大學(xué) 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(diǎn)位置信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，從而 ECU 通過這兩種信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 10 通過查閱功率測量的相關(guān)資料，運(yùn)行了解被測空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)以及分析前幾屆學(xué)長對(duì)本發(fā)動(dòng)機(jī)所做的工作和結(jié)論，本課題在實(shí)際實(shí)踐中遇到了很多問題： （ 1）該氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定，有時(shí)候甚至不能正常啟 動(dòng)。經(jīng)過一定的曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，進(jìn)氣過程結(jié)束。 34 是介于等溫與絕熱之間的一種多變膨脹過程，缸內(nèi) 高壓氣體開始膨脹推動(dòng)活塞下行做功，此過程將高壓氣體的壓力勢能轉(zhuǎn)化為了曲軸的機(jī)械能。 進(jìn)氣提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 進(jìn)氣提前角增大時(shí)，由于進(jìn)氣時(shí)間延長，進(jìn)氣量增加，進(jìn)氣能量增大，排氣能量也隨之增大，則循環(huán)指示功增大，動(dòng)力性變好，耗氣率增大，能量利用率變小。) 80 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 17 環(huán)境溫度（ K） 300 環(huán)境氣壓（ MPa） 轉(zhuǎn)速 (rad/min) 1000 因?yàn)榭諝鈩?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)與原壓縮機(jī)的工作過程完全相反，為了適應(yīng)進(jìn)排氣， 對(duì)該原型機(jī)主要的改動(dòng)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(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)接口連接進(jìn)排氣口。在轉(zhuǎn)速 /曲軸位置傳感器中，編碼器可以把角位移或者線位移轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。 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(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 20 使用電壓范圍 177。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子與磁場相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而使定子 3 相繞組切割磁力線從而產(chǎn)生電 動(dòng)勢。 513423 WWWW i ??? 60/nWP i ?? 這里的計(jì)算可以借鑒同學(xué)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)仿真研究里面的結(jié)論和計(jì)算結(jié)果。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流經(jīng)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(fù)載電路 。 實(shí)驗(yàn)得到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率后，則發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以通過功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式計(jì)算得到，計(jì)算公式為： nPT etq 9550? 式中， tqT 為要求的有效轉(zhuǎn)矩， mN? ； n編碼器測得的為曲軸轉(zhuǎn)速， r/min；eP 為所測得的有效功率， kW。當(dāng)進(jìn)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(jī)的輸出功率是一種最可行的辦法。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電流時(shí)任意波形的，沒有固定的解析式來計(jì)算，從數(shù)學(xué)分析上來看，這個(gè)積分是t? 趨于 0時(shí) 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(shù)， ? t 為每兩次采樣的時(shí)間河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 29