【正文】 原理 如圖 所示，在交流發(fā)電機內(nèi)部有一個可以自由轉(zhuǎn)動的動轉(zhuǎn)子，它通常由發(fā)動機或者其他動力源帶動。加上負載后阻力將增大，如果阻力過大發(fā)動機點不能被啟動，故在選擇發(fā)電機的時候選擇發(fā)電機的轉(zhuǎn)動阻力較小的發(fā)電機。 圖 JW14V300W 發(fā)電機外形圖 負載電路的設(shè)計 圖 負載電路圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 24 負載電路的主要作用是作為發(fā)電機的的負載，消耗發(fā)電機所產(chǎn)生的電量，通過對負載電路的消耗電功率的測量和計算間接得到發(fā)動機的功率。當(dāng)發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞處于上止點位置時增量旋轉(zhuǎn)光電編碼器的 Z 相脈沖觸發(fā)單片機外部中斷 INT0 一次。主要的問題如下： （ 1） 發(fā)動機加上皮帶后，啟動較困難，啟動后轉(zhuǎn)速低且不穩(wěn)定； （ 2） 發(fā)動機運轉(zhuǎn)后，低壓燈泡一直閃爍不定； （ 3） 加上發(fā)電機負載后，會造成進氣提前角變化范圍變小，不能充分地描述發(fā)動機功率隨進氣提前角變化的特性； （ 4） 發(fā)動機發(fā)電電壓不穩(wěn)定，不能測出穩(wěn)定的電壓和電流，無法對發(fā)電機發(fā)電量進行計算。河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 28 4 測功系統(tǒng)的改進 由于本課題改裝的空氣動力發(fā)動機本身的不穩(wěn)定所造成的測功問題無法消除。但是由于其測量精度不高?？傻貌蓸宇l率為 。 A/D 轉(zhuǎn)換可以分為 逐次逼近法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法、雙積分法 三種方法。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。理論上的分析可以指明實驗的研究內(nèi)容和方向，對實驗的結(jié)果進行簡單的預(yù)測。若 采用非永磁發(fā)電機，則可以適當(dāng)減小勵磁電流以減小阻力，從而使增加轉(zhuǎn)速。 最后感謝評審小組的老師們對本文的審閱。你們淵博的知識讓我深感欽佩，嚴(yán)謹(jǐn)扎實的學(xué)術(shù)作風(fēng)以及寬以待人的胸懷將讓我受用終生。對于不穩(wěn)定的電壓的測量，采用單片機采樣累加計算可以得到，而且單片機積分計算波動電功率也是最為可行的一種方法。河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 32 5 全文總結(jié)及工作展望 內(nèi)燃機的出現(xiàn)推動了社會的快速發(fā)展，同時也帶來了能源和環(huán)境上的各種問題。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向 I2C 總線傳輸。經(jīng)過軟件的處理，最終算出空氣動力發(fā)動機的平均功率。 當(dāng) ? t→ 0， N ?? 且 T = N? t ，上式可改寫為： jNj jiuNp ???11 如果利用微機對波動的信號進行采樣，只能夠進行有限次求和。 電功率積分累加測量法的 基本原理 由于本課題所測的空氣動力發(fā)動機是單缸發(fā)動機，所產(chǎn)生的功率波動較大，不能用常規(guī)的測功儀器測量。變?yōu)?50176。 改變空氣動力發(fā)動機的進氣提前角，進氣持續(xù)角，進氣壓力等使發(fā)動機的 轉(zhuǎn)速，功率和轉(zhuǎn)矩等發(fā)生變化，通過對轉(zhuǎn)速，功率和轉(zhuǎn)矩的測量和計算，記錄并作出相應(yīng)的性能曲線圖，從而可以得到被測空氣動力發(fā)動機的工作性能狀況。 本電路中，燈泡選用的是 的普通低壓燈泡，滑動變阻器的最大電阻為20Ω，允許電流為 2A。 對于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速的確定，可以通過下面這個公式得到。 圖 交流發(fā)電機工作原理圖 定子 3相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小為： tEtEe mn ?? ? s in2s in ?? )32s in (2)32s in ( ???? ? ???? tEtEe mn )32s in (2)32s in ( ???? ? ???? tEtEe mn nCNnpKEE em ???? ???? 式中， Em 為每相電動勢的幅值， Eφ 是每相電動勢的有效值， ω 是角速度， p 為磁極對數(shù)， n是發(fā)電機轉(zhuǎn)速（ r/min）， K是繞組系數(shù) (與發(fā)電機定子繞組的繞線方法有關(guān) )， N為每相的線圈匝數(shù)， ? 為每極磁通， Ce為電機結(jié)構(gòu)常數(shù)。 10% 保護 等級 Lp65 耗電量 AC:12V 油封材質(zhì) 聚四氯乙烯 圖 進排氣電磁閥 發(fā)電機的選擇 本實驗中發(fā)電機作為空氣動力發(fā)動機的負載，通過皮帶傳動。本課題所用的編碼器是增量式光電編碼器，具體參數(shù)如下表所示： 表 編碼器的基本參數(shù) 型號 YZ40D6S3NB360 外殼直徑（ mm） 42 連接結(jié)構(gòu) 中軸型 輸出相 A,B,Z 三相 輸出方式 NPN 集電極開路 使用電源 5VDC177。 進排氣接口分別設(shè)計在 壓縮機 頂蓋的頂部和側(cè)面 [6]。但是進氣提前角過大，導(dǎo)致活塞上行阻力增加，循環(huán)功也會變小。當(dāng)活塞到達到下止點 4時，氣缸容積變?yōu)?V4，壓強降為 P2，此時排氣電磁閥開啟， 45 為自由排氣，缸內(nèi)壓力迅速降低到 P3，隨著活塞從上行，做完功的氣體被推出氣缸， 51為一個等壓排氣過程，最終回到上止點 1 ，排氣過程結(jié)束。這里進氣電磁閥打開時距上止點對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為進氣提前角，進氣電磁閥打開到關(guān)閉所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角是進氣持 續(xù)角，這兩個角度的大小將會明顯的影響發(fā)動機的性能。 （ 2）進氣管較長，空氣動力發(fā)動機工作時，進氣管內(nèi)形成一定頻率的壓力波，進氣壓力一直波動。執(zhí)行器是兩個亞德客公司的 TX5404 型 電磁閥 ，并以 IRF540 型 MOS管 電磁閥作為驅(qū)動電路。求出的只是發(fā)動機在某一時刻的瞬時功率。檢測方法是將實驗?zāi)M所用的負載加在被測的動力機械設(shè)備上，控制和吸收動力機械設(shè)備上輸出的轉(zhuǎn)矩或者旋轉(zhuǎn)力，從而檢測動力機械在不同的負荷和轉(zhuǎn)速等狀況下的特性曲線和性能參數(shù)。 發(fā)動機 功率是指發(fā)動機做功的快慢。成功地改造了國內(nèi)的第一輛氣動汽車。 20xx年推出了他們成功研制的混合動力汽車。 圖 公司 I 型氣動發(fā)動機原理 圖 公司 II 型氣動發(fā)動機原理 圖 公司 III 型發(fā) 動機活塞行程隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖 圖 MDI 公司 III 型發(fā)動機活塞曲軸運動軌跡圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 5 美國對氣動發(fā)動機的汽車的研究比較活躍，而且相關(guān)的氣動發(fā)動機大多都是才用液氮作為動力，液氮吸熱氣化膨脹產(chǎn)生高壓氮氣推動活塞做功。 1912年，歐洲引進 ，并對其改進發(fā)展成了三級膨脹的氣動發(fā)動機。這些燃料燃燒后也會產(chǎn)生大量的 2CO 等溫室氣體，汽車的動 力性也有所下降 [8]。 空氣動力發(fā)動機簡介 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 3 空氣動力發(fā)動機利用高壓空氣作為動力源 ,推動活塞做功，不消耗石油等燃料，無燃燒過程，直接將儲存在高壓氣瓶中的空氣或者液氮的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能輸出。碳氫化合物和氮氧化物在紫外線的照射下可以形成光化學(xué)煙霧，對人體造成很大的傷害。中國是全球最大的發(fā)展中國家，是世界第二大能源消費大國，而我國的人口眾多，國民生產(chǎn)總值還不高，因此在經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展過程中必須要保證充足的能源供應(yīng)。而且燃料燃燒產(chǎn)生的排放廢氣污染大氣環(huán)境，隨著汽車保有量的急劇增長，排放問題越來越嚴(yán)重。 王富昌 ，工信部裝備工業(yè)司副司長指出，預(yù)計到 2020 年中國 的 汽車保有量將 會 超過 2 億輛 [1]。空氣動力發(fā)動機無燃燒過程，不消耗化石燃料，噪音小，無污染。 本文在分析了國內(nèi)外對空氣動力發(fā)動機的研究現(xiàn)狀，介紹了幾種常用的功率測量方法，對空氣動力發(fā)動機的工作過程和理論循環(huán)作了簡單的描述，分析了影響空氣動力發(fā)動機性能的一些運行因素。汽車極大地提高了工作效率，加快了生活 節(jié)奏，擴大了人們的活動范圍，促進了人與人之間的相互交流，使社會變得更加豐富多彩。 能源問題 據(jù)調(diào)查表明，全世界石油已探明的儲量為 1400億噸，如果每年的產(chǎn)量保持 34億噸，則僅能夠開采 41年。為了保證能源安全，降低對石油燃料的依賴，提高燃料的經(jīng)濟性，尋求石油的替代“燃料”是必要的 。美國洛杉磯 、 東京、墨西哥城、上海 、 蘭州 等城 市 都曾經(jīng)發(fā)生過光化學(xué)煙霧。空氣動力發(fā)動機與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，由于沒有燃燒過程，所以排出的尾氣是潔凈的空氣或者氮氣，對環(huán)境和人體無任何傷害，是一種“零排放”的發(fā)動機。同樣是“零排放”電動汽車的電池蓄能低、充電時間長、壽命低、電池回收等問題還未解決，故電動車的使用成本很高，不易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 [9]。由于氣動發(fā)動機工作過程中不產(chǎn)生熱量和火花，這些發(fā)動機在德國、法國、比利時等歐洲國家開始廣泛用作煤礦的運輸工具 [11]。華盛頓大學(xué)改裝一臺五缸直列式活塞發(fā)動機，制成了一臺氣動發(fā)動機。該氣動發(fā)動機是往復(fù)活塞是的，氣缸的工作容積為 ，進氣壓力為 1MPa，儲氣罐為 30MPa， 100L的高壓氣瓶。合肥工業(yè)大學(xué)也做了這方面的研究，分別將柴油機改裝成二沖程和四沖程的氣動發(fā)動機 [12][13][14]。發(fā)動機單位時間內(nèi)所做的功叫做該 發(fā)動機的功率 [14]。動力機械的功率測量常用以下三類方法： 動力機械機直接由電動驅(qū)動，先測出電動機消耗的輸入功率，再用耗散分析計算電動機的輸出功率，即為動力機械的輸出功率；或者用動力機械驅(qū)動發(fā)電機，通過測量發(fā)電機發(fā)電的功率大小得到動力機械的功率。 ③ 功率平衡法。 ECU 對曲軸轉(zhuǎn)角信號進行計數(shù)，在相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，控制電磁閥的打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)發(fā)動機正常的進排氣 控制。 （ 3）發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速較低，而且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。 （ 2）膨脹做功過程：隨著進氣過程的進行，氣缸內(nèi)的氣體迅速增加，氣缸內(nèi)壓力急劇升高，氣體開始推著活塞下行，與活塞相連的連桿帶動曲軸轉(zhuǎn)動，開始對外做功，這就是做功過程。 123451構(gòu)成了一個往復(fù)式空氣動力發(fā)動機的理論循環(huán)圖它們所圍的面積就是一個循環(huán)的理論指示功 iW [19]。 轉(zhuǎn)速發(fā)動機性能的影響 當(dāng)空氣動力發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加時，在一定的進氣提前角下，進氣時間會縮短，進氣量減少，進氣能量減小，進而排氣能量也減小，循環(huán)做功量減少，能量利用率增加。 由于飛輪與曲軸的連接沒有采用鍵聯(lián)接，而是靠螺母的擠壓力固定，導(dǎo)致飛輪遇到較大阻力后，飛輪與曲軸產(chǎn)生相對滑動，標(biāo)記位置變化，不能正確地判斷發(fā)動機的工作狀況，不能準(zhǔn)確的控制進氣提前角。5% 脈沖數(shù) 360 最高響應(yīng)頻率 180kHz 絕緣電阻 100MΩ 以上 接收方式 電纜輸出方式 啟動扭矩 耐沖擊 50G 以下 最大轉(zhuǎn)速 5000rpm 重量 約 160 克 該編碼器在發(fā)動機能正常運轉(zhuǎn)中起著非常重要的作用，它將得到的上止點位置信號和轉(zhuǎn)速信號傳輸給 ECU， ECU 根據(jù)上止點位置信號判斷何時打開和關(guān)閉進排氣電磁閥，實現(xiàn)發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)?？諝鈩恿Πl(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，測出發(fā)電機所發(fā)電功率，即可得到發(fā)動機的功率。由上面的公式可知，一個給定的發(fā)電機的電動勢只與發(fā)電機轉(zhuǎn)速和磁通量有關(guān)，通過改變轉(zhuǎn)速和磁通量即可控制電動勢。 dDnn m??? 式中， n? 為發(fā)電機的最大轉(zhuǎn)速， n為發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)速， Dm為飛輪外緣直徑，d 為發(fā)電機皮帶輪外緣直徑。 實驗臺架的搭建 空氣動力發(fā)動機通過一對側(cè)臥的槽鋼固定在一長 、寬 、厚 10mm 的鋼板的左側(cè)；增量式光電編碼器通過聯(lián)軸器與發(fā)動機曲軸聯(lián)接，用厚 3mm 的 L型鋼片固定在實驗臺架基座上；發(fā)動機、穩(wěn)壓腔、壓縮機通過直徑為 1/4 英寸的高壓軟管聯(lián)接；發(fā)電機與發(fā)動機通過皮帶傳動，發(fā)電機是靠角鋼焊接的 T 形架，和 ? 形架固定；發(fā)電機尾部的兩個接線頭，有絕緣墊 圈的接頭為正極，另一個為負極，通過導(dǎo)線和整流器連接，然后在接入負載電路。對理論和實驗的分析，不斷改進該發(fā)動機，控制空氣動力發(fā)動機在動力性和經(jīng)濟性較好的工況下運行。左右時，發(fā)動機停止工作。如果