【正文】 (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 20xx 年 5 月 28 日 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 II 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 摘要 : 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，能源緊張，環(huán)境污染等問題越來越引起人們的關(guān)注。為了減少石油等燃料的消耗，改善環(huán)境狀況，尋求清潔能源 汽車迫在眉睫?？諝鈩?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)無燃燒過程，不消耗化石燃料，噪音小，無污染。 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(cè)功。為此，本文介紹了一種對(duì)測(cè)功系統(tǒng)的改進(jìn)方案，即采用單片機(jī)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，通過積分累加的方法得到電功率。近幾十年來，汽車工業(yè)高速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用于小轎車、商用汽車、工程用車等動(dòng)力機(jī)械上，內(nèi)燃機(jī)已為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生非常深刻的影響，是人類的現(xiàn)代化進(jìn)程的重要?jiǎng)恿Α?王富昌 ，工信部裝備工業(yè)司副司長指出，預(yù)計(jì)到 2020 年中國 的 汽車保有量將 會(huì) 超過 2 億輛 [1]。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。汽車工業(yè)越來越成為各國的國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。 汽車給人類帶來了極大方便的同時(shí)，汽車也給世界帶來了難以解決的問題。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。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]。中國石油的 61%需要依賴進(jìn)口 ,而中東等石油產(chǎn)區(qū)的軍事、政治環(huán)境異常復(fù)雜，石油的正常供給很難達(dá)得到完全保障 [4]。能源問題直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的可持續(xù)發(fā)展是保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。中國是全球最大的發(fā)展中國家，是世界第二大能源消費(fèi)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(jì)的可持續(xù)發(fā)展過程中必須要保證充足的能源供應(yīng)。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。柴油、汽油燃燒后產(chǎn)生大量的 CO、炭煙、碳?xì)浠衔镆约?NO NO2等氮氧化合物 [5]。 CO是 一種 無色、無味的氣體 ，吸 入人體 之后會(huì)和血液中的 血紅蛋白 結(jié)合，使血紅蛋白不能 夠 與 氧氣 結(jié)合，從而引起機(jī)體組織缺氧， 最終可能使 人體 因 窒息 而 死亡，因此 CO具有毒性。碳?xì)浠衔锖偷趸镌谧贤饩€的照射下可以形成光化學(xué)煙霧，對(duì)人體造成很大的傷害。氮氧化物、二氧化硫以及炭煙等可吸入微粒，可引起霧霾。城市是人類最集中的地方，人口和汽車數(shù)量眾多，對(duì)環(huán)境影響最為深刻，對(duì)環(huán)境污染最嚴(yán)重。據(jù)流行病調(diào)查表明，我國 30％呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率的歸因?yàn)榭諝馕廴?[6]。 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)簡介 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 3 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)利用高壓空氣作為動(dòng)力源 ,推動(dòng)活塞做功，不消耗石油等燃料，無燃燒過程，直接將儲(chǔ)存在高壓氣瓶中的空氣或者液氮的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能輸出。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)。而空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的最高壓力即為進(jìn)氣壓力，壓力變化率低，噪聲較低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料的強(qiáng)度要求不高，制造成本也較低 [7]。由于甲醇、乙醇、液化石油氣、天然氣等代用燃料資源豐富價(jià)格較低，而且污染相對(duì)較小，代用燃料車也引起了人們的關(guān)注。這些燃料燃燒后也會(huì)產(chǎn)生大量的 2CO 等溫室氣體，汽車的動(dòng) 力性也有所下降 [8]。混合動(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)。 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在 19世紀(jì) 20年代左右，就出現(xiàn)了以壓縮空氣推動(dòng)汽車的氣動(dòng)汽車概念。這些早期的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)都是一種簡單的單級(jí)膨脹氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。 1912年，歐洲引進(jìn) ，并對(duì)其改進(jìn)發(fā)展成了三級(jí)膨脹的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。 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。該公司已獲得啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)方面的專利 24項(xiàng)。 MDI設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)大體上是通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)等溫膨脹：一時(shí)采用多級(jí)膨脹，中間通過熱交換器和空氣換熱，是膨脹后的溫度基本恒定，一般采用三級(jí)膨脹，氣缸的容積由小變大，第一級(jí)氣缸較小，第三級(jí)氣缸最大；二是將空 氣壓縮到 20個(gè)大氣壓，空氣的溫度達(dá)到 400℃，然后與高壓空氣混合，使高壓空氣溫度升高，推動(dòng)活塞做功。 圖 公司 I 型氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)原理 圖 公司 II 型氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)原理 圖 公司 III 型發(fā) 動(dòng)機(jī)活塞行程隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖 圖 MDI 公司 III 型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞曲軸運(yùn)動(dòng)軌跡圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 5 美國對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車的研究比較活躍，而且相關(guān)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)大多都是才用液氮作為動(dòng)力，液氮吸熱氣化膨脹產(chǎn)生高壓氮?dú)馔苿?dòng)活塞做功。 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。為了增強(qiáng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，缸內(nèi)氣體與外界換熱，他們將活塞頂和缸蓋設(shè)計(jì)成鋸齒狀，并使導(dǎo)熱劑在缸蓋中循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為 1000r/min時(shí)，工作效率可達(dá) 98%以上 ，可輸出 25kw的功率。 20xx年推出了他們成功研制的混合動(dòng)力汽車。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。 圖 韓國氣電混合動(dòng)力汽車原理圖 國 內(nèi)關(guān)于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究比較滯后，還處于理論階段。在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究方面，浙江大學(xué)最早開始研究，處于該方面研究的領(lǐng)導(dǎo)位置，并取得了豐碩的成果。成功地改造了國內(nèi)的第一輛氣動(dòng)汽車。 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)?？諝鈩?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)可用作短途交通工具，例如公交車、觀光車、搬運(yùn)工具等。 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)。 發(fā)動(dòng)機(jī) 功率是指發(fā)動(dòng)機(jī)做功的快慢。 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(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。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) 。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]。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)。 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）。 常用的無負(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。加速時(shí)間法使用最廣泛的一種無負(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)在加速過程克服運(yùn)動(dòng)件的慣性所發(fā)出的功率，即平均功率。求出的只是發(fā)動(dòng)機(jī)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率。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(cè)量，得到功率平衡百分?jǐn)?shù) [17]。該發(fā)動(dòng)機(jī)通過電子控制進(jìn) 排氣，是一個(gè)簡單的電控系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。傳感器為一個(gè) 增量式旋轉(zhuǎn)光電式編碼器 ，通過聯(lián)軸器與空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)。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。 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]。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，使用無負(fù)荷的測(cè)功方法比較困難。具體的測(cè)功系統(tǒng)的原理圖如圖 。 （ 2）進(jìn)氣管較長，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)。 （ 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。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。 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)工作過程和理論循環(huán)簡要分析 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程 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)，其工作過程包括進(jìn)氣、膨脹做功、排氣三個(gè)過程： （ 1）進(jìn)氣過程：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，穩(wěn)壓腔內(nèi)的高壓氣體開始進(jìn)氣。這里進(jìn)氣電磁閥打開時(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。 （ 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]。 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(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圍環(huán)境中時(shí)，P3 和大氣壓 P0 相等。到達(dá) 2 點(diǎn)后，進(jìn)氣電磁閥仍然保持開啟，持續(xù)進(jìn)氣，此時(shí)活塞開始下行，在 3 點(diǎn)進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，進(jìn)氣結(jié)束 。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)等壓排氣過程，最終回到上止點(diǎn) 1 ，排氣過程結(jié)束。 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)