【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、搬運(yùn)工具等。氣動(dòng)汽車(chē)是一種符合當(dāng)前社會(huì)需要的新型節(jié)能環(huán)保汽車(chē)，它具有其它類(lèi)型的汽車(chē)所不具備的優(yōu)勢(shì)，它的出現(xiàn)將為現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展注入新的活力，相信空氣動(dòng)力汽車(chē)在不久的將來(lái)會(huì)得到應(yīng)用和推廣。 與內(nèi)燃機(jī)一樣，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)重要指標(biāo)。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。 發(fā)動(dòng)機(jī) 功率是指發(fā)動(dòng)機(jī)做功的快慢。發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所做的功叫做該 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率 [14]。 本課題的主要研究?jī)?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(cè)量系統(tǒng)，利用搭建的測(cè)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。 由于空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)有較大區(qū)別，而且空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)還不是很成熟，由其他發(fā)動(dòng)機(jī)等改裝的小型空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)難于在常規(guī)實(shí)圖 浙江大學(xué)空氣動(dòng)力樣車(chē) 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 8 驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)量功率，故設(shè)計(jì)一套針對(duì)改裝的小型空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)功系統(tǒng)是 非常必要的。對(duì)于空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，有助于指導(dǎo)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)向著低耗能、高性能方向改進(jìn) 。而 小型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、輔助設(shè)備少、操作簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)以及價(jià)格低。隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試領(lǐng)域中得到更加廣泛應(yīng)用，使得測(cè)功機(jī)的智能化和自動(dòng)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(cè)試效率和測(cè)量精度都得到了較大的提高 [16]。 常用測(cè)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(cè)。檢測(cè)方法是將實(shí)驗(yàn)?zāi)M所用的負(fù)載加在被測(cè)的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備上，控制和吸收動(dòng)力機(jī)械設(shè)備上輸出的轉(zhuǎn)矩或者旋轉(zhuǎn)力，從而檢測(cè)動(dòng)力機(jī)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(dòng)力機(jī)械的功率測(cè)量常用以下三類(lèi)方法： 動(dòng)力機(jī)械機(jī)直接由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，先測(cè)出電動(dòng)機(jī)消耗的輸入功率，再用耗散分析計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出功率，即為動(dòng)力機(jī)械的輸出功率；或者用動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)發(fā)電的功率大小得到動(dòng)力機(jī)械的功率。 接測(cè)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）。只要測(cè)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(wú)負(fù)荷測(cè)功方法有角加速度法、加速時(shí)間法和功率平衡法。 ① 加速時(shí)間法。加速時(shí)間法使用最廣泛的一種無(wú)負(fù)荷測(cè)功方法，發(fā)動(dòng)機(jī)從某一轉(zhuǎn)速急劇加速到另一指定轉(zhuǎn)速所 需的時(shí)間，求得發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程克服運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率。 ③ 功率平衡法。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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的變化比的測(cè)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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是 3509010BW04C 型車(chē)用空氣壓縮機(jī) 改裝成的一臺(tái)二沖程的空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)電子控制進(jìn) 排氣，是一個(gè)簡(jiǎn)單的電控系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。 ECU 采用的是 單片機(jī)芯片為 51 系列單片機(jī)中的 AT89S52 型號(hào)單片機(jī) ， ECU 的工作平臺(tái) 是 一塊 51 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板 。傳感器為一個(gè) 增量式旋轉(zhuǎn)光電式編碼器 ，通過(guò)聯(lián)軸器與空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guò)這兩種信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況。執(zhí)行器是兩個(gè)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(dòng)電路。 ECU 對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，控制電磁閥的打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)正常的進(jìn)排氣 控制。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的基底是一長(zhǎng) 、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(guò)一對(duì)側(cè)臥的槽鋼固定在鋼板上表面；光電編碼器通過(guò)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(guò)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]。 研究方案 本課題所研究的被測(cè)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)二沖程的空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)小型的發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩和功率較小，無(wú)法利用 常規(guī)的汽油機(jī)和柴油機(jī)的測(cè)功臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而且該發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也相對(duì)較小，轉(zhuǎn)速低且不太穩(wěn)定，使用無(wú)負(fù)荷的測(cè)功方法比較困難。為了簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本課題通過(guò)電功率測(cè)量方法進(jìn)行研究，即空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)一小型發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電流，通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)的輸出電功率的到空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。具體的測(cè)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(guò)查閱功率測(cè)量的相關(guān)資料，運(yùn)行了解被測(cè)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)以及分析前幾屆學(xué)長(zhǎng)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(wèn)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)。 （ 2）進(jìn)氣管較長(zhǎng)，空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)形成一定頻率的壓力波，進(jìn)氣壓力一直波動(dòng)。 （ 3）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，而且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。 （ 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。 （ 5）發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣沖程是靠飛輪的慣性到達(dá)上止點(diǎn)，如果進(jìn)氣提前角增大，也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。加上發(fā)電機(jī)負(fù)載后，會(huì)造成進(jìn)氣提前角變化范圍變小，不能充分地描述發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨進(jìn)氣提前角變化的特性。 本章小結(jié) 本章介紹了空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r；對(duì)本課題的研究意義和主要內(nèi)容作了簡(jiǎn)要說(shuō)明 ；介紹了功率測(cè)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(cè)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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程和理論循環(huán)簡(jiǎn)要分析 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 該改裝的空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作過(guò)程包括進(jìn)氣、膨脹做功、排氣三個(gè)過(guò)程： （ 1）進(jìn)氣過(guò)程：當(dāng)活塞上行至上止點(diǎn)前一定的角度， ECU 控制進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)，穩(wěn)壓腔內(nèi)的高壓氣體開(kāi)始進(jìn)氣。經(jīng)過(guò)一定的曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，進(jìn)氣過(guò)程結(jié)束。這里進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)時(shí)距上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為進(jìn)氣提前角，進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)到關(guān)閉所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角是進(jìn)氣持 續(xù)角，這兩個(gè)角度的大小將會(huì)明顯的影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 （ 2）膨脹做功過(guò)程：隨著進(jìn)氣過(guò)程的進(jìn)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(kāi)始推著活塞下行，與活塞相連的連桿帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始對(duì)外做功，這就是做功過(guò)程。 （ 3）排氣過(guò)程：當(dāng)活塞下行到下至點(diǎn)前一定的角度，排氣電磁閥開(kāi)啟，氣缸內(nèi)的氣體開(kāi)始排出，一直到進(jìn)氣電磁閥打開(kāi)時(shí)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(guò)程分析 圖 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) 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(jìn)氣壓力， P2是氣體膨脹終點(diǎn)壓力， P3 是排氣壓強(qiáng)，若直接將尾氣排到周?chē)h(huán)境中時(shí)，P3 和大氣壓 P0 相等。具體的工作過(guò)程如下：在上止點(diǎn) 1處，高壓氣體開(kāi)始進(jìn)入，在 1 點(diǎn)處進(jìn)氣電磁閥迅速開(kāi)啟，在極短時(shí)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(jìn)氣。到達(dá) 2 點(diǎn)后，進(jìn)氣電磁閥仍然保持開(kāi)啟，持續(xù)進(jìn)氣，此時(shí)活塞開(kāi)始下行，在 3 點(diǎn)進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，進(jìn)氣結(jié)束 。 34 是介于等溫與絕熱之間的一種多變膨脹過(guò)程，缸內(nèi) 高壓氣體開(kāi)始膨脹推動(dòng)活塞下行做功，此過(guò)程將高壓氣體的壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為了曲軸的機(jī)械能。當(dāng)活塞到達(dá)到下止點(diǎn) 4時(shí)，氣缸容積變?yōu)?V4，壓強(qiáng)降為 P2，此時(shí)排氣電磁閥開(kāi)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(gè)等壓排氣過(guò)程，最終回到上止點(diǎn) 1 ，排氣過(guò)程結(jié)束。 123451構(gòu)成了一個(gè)往復(fù)式空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)圖它們所圍的面積就是一個(gè)循環(huán)的理論指示功 iW [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(zhǎng)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。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(jìn)氣持續(xù)角增大時(shí)，循環(huán)功有所增加，但氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，如果進(jìn)氣持續(xù)角過(guò)大，進(jìn)氣量過(guò)度，導(dǎo)致排氣阻力增大，排氣能量所示變大，循環(huán)功也會(huì)變小。隨著進(jìn)氣持續(xù)角的增大，進(jìn)氣量增多，進(jìn)氣能量增大，而循環(huán)功的增大幅度較小，持續(xù)角超過(guò)一定值，循環(huán)功反而變小，而且排氣能量液增大，所以對(duì)于高壓氣體的利用率一直會(huì)減小。 進(jìn)氣壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 圖 不同進(jìn)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(jìn)氣持續(xù)角保持不變的，進(jìn)氣壓力升高， 234過(guò)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(diǎn) 4壓力升高，排氣能量增多，能量利用率降低。 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(zhǎng)，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。但是進(jìn)氣提前角過(guò)大，導(dǎo)致活塞上行阻力增加，循環(huán)功也會(huì)變小。 轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 當(dāng)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，在一定的進(jìn)氣提前角下，進(jìn)氣時(shí)間會(huì)縮短，進(jìn)氣量減少，進(jìn)氣能量減小，進(jìn)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(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]。 本章小結(jié) 本章主要分析了空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程和理論循環(huán)，簡(jiǎn)要的分析了影響氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的運(yùn)行因素，為在試驗(yàn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，功率變化作了簡(jiǎn)單的