【文章內(nèi)容簡介】 、搬運工具等。氣動汽車是一種符合當(dāng)前社會需要的新型節(jié)能環(huán)保汽車，它具有其它類型的汽車所不具備的優(yōu)勢，它的出現(xiàn)將為現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展注入新的活力，相信空氣動力汽車在不久的將來會得到應(yīng)用和推廣。 與內(nèi)燃機一樣，動力性和經(jīng)濟性是氣動發(fā)動機的兩個重要指標(biāo)。衡量發(fā)動機動力性的重要指標(biāo)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。 發(fā)動機 功率是指發(fā)動機做功的快慢。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]。 本課題的主要研究內(nèi)容是針對空氣動力發(fā)動機設(shè)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。 由于空氣動力發(fā)動機和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機在結(jié)構(gòu)和工作特點有較大區(qū)別，而且空氣動力發(fā)動機的相關(guān)技術(shù)還不是很成熟，由其他發(fā)動機等改裝的小型空氣動力發(fā)動機難于在常規(guī)實圖 浙江大學(xué)空氣動力樣車 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 8 驗臺架上測量功率，故設(shè)計一套針對改裝的小型空氣動力發(fā)動機的測功系統(tǒng)是 非常必要的。對于空氣動力發(fā)動機的功率測量等相關(guān)實驗，有助于指導(dǎo)空氣動力發(fā)動機向著低耗能、高性能方向改進 。而 小型發(fā)動機測功系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高精度、輔助設(shè)備少、操作簡便、使用壽命長以及價格低。隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，電子計算機技術(shù)在發(fā)動機的測試領(lǐng)域中得到更加廣泛應(yīng)用，使得測功機的智能化和自動化程度逐漸得到提高，而且在結(jié)構(gòu)上也由傳統(tǒng)的整體式變?yōu)槟K化得結(jié)構(gòu)，使得應(yīng)用更加靈活，測試效率和測量精度都得到了較大的提高 [16]。 常用測功方法的介紹 動力機械等設(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 階段，都需要對這些設(shè)備的部件或者整個系統(tǒng)的各種特性曲線和性能參數(shù)進行檢測。檢測方法是將實驗?zāi)M所用的負(fù)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(fù)荷和轉(zhuǎn)速等狀況下的特性曲線和性能參數(shù)。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。 接測量 動力機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 為動力機械輸出轉(zhuǎn)矩（ N ? m）； n 為動力機械的輸出轉(zhuǎn)速（ r/min）。只要測量出轉(zhuǎn)矩 T 和轉(zhuǎn)速 n，即可按照上式求出功率 P[15]。 常用的無負(fù)荷測功方法有角加速度法、加速時間法和功率平衡法。 ① 加速時間法。加速時間法使用最廣泛的一種無負(fù)荷測功方法，發(fā)動機從某一轉(zhuǎn)速急劇加速到另一指定轉(zhuǎn)速所 需的時間，求得發(fā)動機在加速過程克服運動件的慣性所發(fā)出的功率，即平均功率。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 ② 角加速度法。求出的只是發(fā)動機在某一時刻的瞬時功率。 ③ 功率平衡法。使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在某一范圍內(nèi)穩(wěn)定，讓某一個汽缸不工作，從而改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，通過對轉(zhuǎn)速的變化比的測量，得到功率平衡百分?jǐn)?shù) [17]。 研究基礎(chǔ)和研究方案 研究基礎(chǔ) 本課題研究的空氣動力發(fā)動機是 3509010BW04C 型車用空氣壓縮機 改裝成的一臺二沖程的空氣動力發(fā)動機。該發(fā)動機通過電子控制進 排氣，是一個簡單的電控系統(tǒng)的發(fā)動機。 ECU 采用的是 單片機芯片為 51 系列單片機中的 AT89S52 型號單片機 ， ECU 的工作平臺 是 一塊 51 單片機開發(fā)板 。傳感器為一個 增量式旋轉(zhuǎn)光電式編碼器 ，通過聯(lián)軸器與空氣動力發(fā)動機保持同步轉(zhuǎn)動。該編碼器可以給ECU 提供上止點位置信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號，從而 ECU 通過這兩種信號判斷發(fā)動機的工作狀況。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。 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。 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(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]。 研究方案 本課題所研究的被測空氣動力發(fā)動機為一臺二沖程的空氣動力發(fā)動機，該發(fā)動機是一臺小型的發(fā)動機，轉(zhuǎn)矩和功率較小，無法利用 常規(guī)的汽油機和柴油機的測功臺架進行實驗。而且該發(fā)動機的功率也相對較小，轉(zhuǎn)速低且不太穩(wěn)定，使用無負(fù)荷的測功方法比較困難。為了簡化測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本課題通過電功率測量方法進行研究，即空氣動力發(fā)動機通過皮帶驅(qū)動一小型發(fā)電機，發(fā)動機產(chǎn)生電流，通過測量發(fā)電機的輸出電功率的到空氣動力發(fā)動機的輸出功率。具體的測功系統(tǒng)的原理圖如圖 。 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，運行了解被測空氣動力發(fā)動機以及分析前幾屆學(xué)長對本發(fā)動機所做的工作和結(jié)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。 （ 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。 （ 3）發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速較低，而且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。 （ 4）如果發(fā)電機作為負(fù)載，由氣動發(fā)動機驅(qū)動時，阻力較大，發(fā)動機不能正常工作。 （ 5）發(fā)動機的排氣沖程是靠飛輪的慣性到達上止點，如果進氣提前角增大，也會影響發(fā)動機的正常工作。加上發(fā)電機負(fù)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。 本章小結(jié) 本章介紹了空氣動力發(fā)動機國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r；對本課題的研究意義和主要內(nèi)容作了簡要說明 ；介紹了功率測量的幾種常用方法；給出了本課題的研究基礎(chǔ)和研究方案，為以后的研究打下了基礎(chǔ)。 圖 測功系統(tǒng)原理圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 11 2 空氣動力發(fā)動機工作過程和理論循環(huán)簡要分析 空氣動力發(fā)動機工作過程 該改裝的空氣動力發(fā)動機為二沖程發(fā)動機，其工作過程包括進氣、膨脹做功、排氣三個過程： （ 1）進氣過程：當(dāng)活塞上行至上止點前一定的角度， ECU 控制進氣電磁閥打開，穩(wěn)壓腔內(nèi)的高壓氣體開始進氣。經(jīng)過一定的曲軸轉(zhuǎn)角，進氣電磁閥關(guān)閉，進氣過程結(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）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。 （ 3）排氣過程：當(dāng)活塞下行到下至點前一定的角度，排氣電磁閥開啟，氣缸內(nèi)的氣體開始排出，一直到進氣電磁閥打開時排氣電磁閥關(guān)閉 [6]。 相應(yīng)的配氣相位圖如圖 所示。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 12 理論熱力循環(huán)過程分析 圖 氣動發(fā)動機理論工作循環(huán) pV 圖 V V1 V3 P0 P3 P1 P2 P 1 5 4 3 2 V4 0 圖 二沖程空氣動力發(fā)動機配氣相位圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 13 上圖為二沖程氣動發(fā)動機 理論工作循環(huán)，圖中 V1 是氣缸的余隙容積， V4 為氣缸的總?cè)莘e， V4V1 為氣缸工作容積， P0 是大氣壓， P1 為高壓空氣的進氣壓力， P2是氣體膨脹終點壓力， P3 是排氣壓強，若直接將尾氣排到周圍環(huán)境中時，P3 和大氣壓 P0 相等。具體的工作過程如下：在上止點 1處，高壓氣體開始進入，在 1 點處進氣電磁閥迅速開啟，在極短時間內(nèi)缸內(nèi)壓力迅速升高至 P1，即可近似認(rèn)為 12為等容進氣。到達 2 點后，進氣電磁閥仍然保持開啟，持續(xù)進氣，此時活塞開始下行，在 3 點進氣電磁閥關(guān)閉，進氣結(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)化為了曲軸的機械能。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。 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]。 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(shù) 大氣壓力 (MPa) 轉(zhuǎn)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(shù) 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(xué) 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。由于氣缸容積不變， 44VV?、 ，高壓氣體膨脹比減小，自由排氣的壓力升高。從圖中可以看出，進氣持續(xù)角增大時，循環(huán)功有所增加，但氣動發(fā)動機實際運行時，如果進氣持續(xù)角過大，進氣量過度，導(dǎo)致排氣阻力增大，排氣能量所示變大，循環(huán)功也會變小。隨著進氣持續(xù)角的增大，進氣量增多，進氣能量增大，而循環(huán)功的增大幅度較小，持續(xù)角超過一定值，循環(huán)功反而變小，而且排氣能量液增大，所以對于高壓氣體的利用率一直會減小。 進氣壓力對發(fā)動機性能的影響 圖 不同進氣壓力的示功圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 15 進氣持續(xù)角保持不變的，進氣壓力升高， 234過程向上平移，循環(huán)所圍的面積增加，指示功增加，由于初始膨脹壓力高，膨脹體積不變，故膨 脹終點 4壓力升高，排氣能量增多，能量利用率降低。 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。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。 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。但是由于相同的時間做功次數(shù)增加， 空氣動力發(fā)動機的功率會變大，動力性和經(jīng)濟性變好 [19]。 本章小結(jié) 本章主要分析了空氣動力發(fā)動機的工作過程和理論循環(huán)，簡要的分析了影響氣動發(fā)動機工作性能的運行因素，為在試驗測量發(fā)動機功率時，功率變化作了簡單的