本科毕业论文---空气动力发动机测功系统的设计和实验.doc

河北工业大学2014届本科毕业论文河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 李明 学 号： 100621 学 院： 能源与环境工程学院 系(专业)： 热能与动力工程 题 目： 空气动力发动机测功系统的设计与试验 指导者： 黎苏 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2014 年 5 月 28 日毕业设计（论文）中文摘要空气动力发动机测功系统的设计与试验摘要:随着汽车工业的迅速发展，能源紧张，环境污染等问题越来越引起人们的关注。为了减少石油等燃料的消耗，改善环境状况，寻求清洁能源汽车迫在眉睫。空气动力发动机利用高压气体推动活塞对外做功，将高压气体的压力势能转化为机械能对外输出。空气动力发动机无燃烧过程，不消耗化石燃料，噪音小，无污染。本文在分析了国内外对空气动力发动机的研究现状，介绍了几种常用的功率测量方法，对空气动力发动机的工作过程和理论循环作了简单的描述，分析了影响空气动力发动机性能的一些运行因素。介绍了实验台架各部件的基本参数，并通过对发电机原理的学习，选择了一个小型的发电机作为空气动力发动机的负载进行测功。但是由于现有的空气动力发动机本身的运转稳定性问题，使得本测功系统尚不能测出确定的电功率。为此，本文介绍了一种对测功系统的改进方案，即采用单片机对电压进行采样，通过积分累加的方法得到电功率。关键字：空气动力发动机，工作过程，测功，实验台架毕业设计（论文）外文摘要Title DESIGN AND TEST OF THE AIR POWER ENGINE POWER-TEST SYSTEM AbstractWith the rapid development of automobile industry , more and more attention are paid to the energy shortages , environmental pollution and other problems. In order to reduce the consumption of oil and other fuels , improve environmental conditions ,it is very urgent to seek clean energy vehicles.Air power engines use high-pressure air to push the piston of the engine,the potential energy of high-pressure air is converted to mechanical energy .There is no combustion process in air power engines, do not consume fossil fuels,low noise and no pollution.The paper analyzed the research status at home and abroad on the air power engine, introduced several common power measurement methods , briefly described the working process and theoretical work cycle of the air power engine, some factors influencing the performance of the air power engines were analyzed.Introduced the basic parameters of the various components of the test device, and by learning the principles of generators , a small generator was chose as the load of the air power engine to test the power. However, due to the running stability problems of the air power engine itself , thedeterminate electrical power can not be measured by the this power-test system. Therefore, this article introduces a scheme for improving power-test system, the voltage is sampled by SCM, obtained the electric power through integration method.Keywords：Air powere engine,working process, power-test, test bench目 录目 录V1绪论11.1引言11.1.1 能源问题11.1.2 环境问题21.1.3 空气动力发动机简介21.2空气动力发动机国内外研究现状31.2.1国外研究现状41.2.2国内研究现状61.3课题研究的意义和内容71.4常用测功方法的介绍81.4.1通过电功率测量81.4.2通过转矩间接测量81.4.3无负荷功率测量81.5研究基础和研究方案91.5.1 研究基础91.5.2 研究方案91.6本章小结102空气动力发动机工作过程和理论循环简要分析112.1 空气动力发动机工作过程112.2 理论热力循环过程分析122.3 气动发动机性能的影响因素分析132.3.1 进气持续角对发动机性能的影响132.3.2 进气压力对发动机性能的影响142.3.3 进气提前角对发动机性能的影响152.3.4 转速发动机性能的影响152.4 本章小结153测功系统实验台架各部件的介绍及实验过程163.1 原型机的基本参数和改造163.2 编码器的介绍183.3 进排气电磁阀193.4 发电机的选择（功率测量应分别阐述转速测量和扭矩测量）203.4.1 车用发电机的分类203.4.2 交流发动机原理213.4.3 发动机的确定和基本参数223.5 负载电路的设计233.6 实验台架的搭建243.7 发动机转速的测量和转矩的计算263.8 实验的进展及遇到的问题263.9 本章小结274测功系统的改进284.1 电功率积分累加测量法的基本原理284.2 电功率测量单元的设计294.3 A/D转换器基本原理简介304.4 本章小结315全文总结及工作展望32参 考 文 献33致 谢34V河北工业大学2014届本科毕业论文1 绪论1.1 引言内燃机诞生于十九世纪六十年代，此后经过不断地改进和发展，形成了具有质量小、起动性能好、工作条件广泛、效率高、输出功率大等优点的内燃机。近几十年来，汽车工业高速发展，内燃机广泛应用于小轿车、商用汽车、工程用车等动力机械上，内燃机已为全球经济发展产生非常深刻的影响，是人类的现代化进程的重要动力。根据公安部2012年年底公布，全国的汽车保有量已经达到1.2亿辆，增长量超过了1999年底全国汽车的保有量，年增长为1510万辆。王富昌，工信部装备工业司副司长指出，预计到2020年中国的汽车保有量将会超过2亿辆1。汽车极大地提高了工作效率，加快了生活节奏，扩大了人们的活动范围，促进了人与人之间的相互交流，使社会变得更加丰富多彩。汽车还促进了运输业的繁荣，改变了城市的布局和面貌，加快了区域文化交流，促进了偏远和落后地区的发展。汽车工业的发展促进了社会各行各业的兴旺繁荣，推动了国民经济的发展。汽车工业越来越成为各国的国民经济的支柱产业。汽车作为一种高科技产品，体现着一个社会的科学技术水平，汽车工业推动了科学技术的发展2。汽车给人类带来了极大方便的同时，汽车也给世界带来了难以解决的问题。汽车内燃机燃烧需要消耗大量石油和天然气等宝贵不可再生资源，汽车的发展受到了石油等燃料的限制。而且燃料燃烧产生的排放废气污染大气环境，随着汽车保有量的急剧增长，排放问题越来越严重。1.1.1 能源问题据调查表明，全世界石油已探明的储量为1400亿吨，如果每年的产量保持34亿吨，则仅能够开采41年。到2008年底，中国的总探明石油地质储量为287.2亿吨，可采储量78.4亿吨，采收率为27.3%3。而中国作为世界第二能源消费大国，将面临更加严峻的能源形势。中国石油的61%需要依赖进口,而中东等石油产区的军事、政治环境异常复杂，石油的正常供给很难达得到完全保障4。如果汽车内燃机仅依靠石油作为动力源,等到石油资源枯竭的时候，汽车的时代将成为历史,这将严重影响人们的生活，对国家的发展和稳定造成极大影响。能源问题直接影响到国民经济的发展，能源的可持续发展是保证经济发展的基础。能源问题，不仅仅只是能源短缺，而且是能源的高效率和优质化的问题。中国是全球最大的发展中国家，是世界第二大能源消费大国，而我国的人口众多，国民生产总值还不高，因此在经济的可持续发展过程中必须要保证充足的能源供应。为了保证能源安全，降低对石油燃料的依赖，提高燃料的经济性，寻求石油的替代“燃料”是必要的。，努力研制和创新低能耗汽车和内燃机，改造和升级生产环节中的能源消耗设备，逐渐淘汰高耗能设备；还要加快新型能源开发，主要是对无污、可再生的清洁能源开发利用，以保证经济和能源都能够可持续发展。1.1.2 环境问题传统内燃机主要是采用汽油、柴油等作为燃料。柴油、汽油燃烧后产生大量的CO、炭烟、碳氢化合物以及NO1、NO2等氮氧化合物5。这些气体和微粒对人体的伤害很大，对空气的污染难以消除。CO是一种无色、无味的气体，吸入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，使血红蛋白不能够与氧气结合，从而引起机体组织缺氧，最终可能使人体因窒息而死亡，因此CO具有毒性。氮氧化物易与空气中的水结合，转化成为硝酸和硝酸盐，最终形成酸雨，破坏建筑和植物。碳氢化合物和氮氧化物在紫外线的照射下可以形成光化学烟雾，对人体造成很大的伤害。美国洛杉矶、东京、墨西哥城、上海、兰州等城市都曾经发生过光化学烟雾。氮氧化物、二氧化硫以及炭烟等可吸入微粒，可引起雾霾。京津冀等多个地区产生雾霾天气，一部分原因是由于汽车尾气的排放。城市是人类最集中的地方，人口和汽车数量众多，对环境影响最为深刻，对环境污染最严重。 世界上十个污染最严重的城市的列表中，中国占了五个。据流行病调查表明，我国30呼吸系统疾病发病率的归因为空气污染6。虽然发动机的技术越来越成熟，汽车相关的排放法规越来越严格，内燃机的排放量也逐渐减少，但是由于其结构原理的限制，加上汽车保有量的不断增加，要想降低污染，改善空气质量，必须开发无污染或者污染很低的新能源汽车。1.1.3 空气动力发动机简介空气动力发动机利用高压空气作为动力源,推动活塞做功，不消耗石油等燃料，无燃烧过程，直接将储存在高压气瓶中的空气或者液氮的压力能转变为机械能输出。空气动力发动机与传统内燃机相比，由于没有燃烧过程，所以排出的尾气是洁净的空气或者氮气，对环境和人体无任何伤害，是一种“零排放”的发动机。传统发动机燃烧时压力升高率很大，会产生较大的压力波动，从而产生较大的噪音和震动。特别是柴油机，在着火延迟期内形成的可燃混合气越多，工作越粗暴，产生的噪音和震动也越大，有时候甚至产生爆震。而空气动力发动机的最高压力即为进气压力，压力变化率低，噪声较低，发动机工作平稳，对发动机材料的强度要求不高，制造成本也较低7。空气动力汽车相对于其他新能源汽车，也有较大的优势。由于甲醇、乙醇、液化石油气、天然气等代用燃料资源丰富价格较低，而且污染相对较小，代用燃料车也引起了人们的关注。但是由于甲醇有毒、溶于橡胶、腐蚀金属，天然气储运不便、加气站投资大，没能够得到普及和推广。这些燃料燃烧后也会产生大量的等温室气体，汽车的动力性也有所下降8。同样是“零排放”电动汽车的电池蓄能低、充电时间长、寿命低、电池回收等问题还未解决，故电动车的使用成本很高，不易实现产业化9。混合动力汽车节约能源、续驶里程较长、排放污染很低、生产时不需要改变基础设施，所以目前最适合投入生产。但其成本高、对发动机和电子设备要求高，虽然混合动力能有效降低排放污染，但是仍没有摆脱对石油燃料的依赖，所以也不是解决环境与能源问题的最佳方法10。1.2 空气动力发动机国内外研究现状早在19世纪20年代左右，就出现了以压缩空气推动汽车的气动汽车概念。在19世纪80年代到90年代，在巴西简单的气动汽车被发明和生产了，在瑞士和美国气动机车也开始投入实用，主要用于市区轨道交通。这些早期的气动发动机都是一种简单的单级膨胀气动发动机。1896年，美国出现了Hoadley-Knight型和H.K.Porter型压缩空气动力发动机，它们是两级工作方式的气动发动机。1912年，欧洲引进H.K.Porter型压缩空气动力发动机，并对其改进发展成了三级膨胀的气动发动机。由于气动发动机工作过程中不产生热量和火花，这些发动机在德国、法国、比利时等欧洲国家开始广泛用作煤矿的运输工具11。1.2.1国外研究现状1991年，法国工程师Guy Ngre领导的气动发动机研究小组获得了高压气体动力汽车发动机的设计专利，并出资组建了法国MDI汽车公司。该公司已获得启动发动机方面的专利24项。由热力学知识可知，为了使一定容积的高压空气尽可能的多做功，最好让气动发动机在工作过程中气体等温膨胀。MDI设计的发动机大体上是通过以下两种方法实现等温膨胀：一时采用多级膨胀，中间通过热交换器和空气换热，是膨胀后的温度基本恒定，一般采用三级膨胀，气缸的容积由小变大，第一级气缸较小，第三级气缸最大；二是将空气压缩到20个大气压，空气的温度达到400，然后与高压空气混合，使高压空气温度升高，推动活塞做功。MDI公司设计的曲柄活塞连杆结构可以使压缩冲程后期活塞保持在上止点的时间延长，从而使低温的高压空气与高温的新鲜空气充分混合。图1.1MDI公司I型气动发动机原理图1.2MDI公司II型气动发动机原理图1.3 MDI公司III型发动机活塞曲轴运动轨迹图图1.4MDI公司III型发动机活塞行程随曲轴转角变化曲线图美国对气动发动机的汽车的研究比较活跃，而且相关的气动发动机大多都是才用液氮作为动力，液氮吸热气化膨胀产生高压氮气推动活塞做功。华盛顿大学改装一台五缸直列式活塞发动机，制成了一台气动发动机。Dr.C.Knowlend等通过对气动发动机进行仿真分析指出，高压气体在气缸中膨胀的等温程度越好，气动发动机的工作效率越高。并且仿真分析得出低转速、小缸径、大冲程，有利于气动发动机工作趋于准等温过程。为了增强气动发动机工作时，缸内气体与外界换热，他们将活塞顶和缸盖设计成锯齿状，并使导热剂在缸盖中循环流动。图1.5 华盛顿大学强制导热气动发动机设计概念图英国伦敦威斯敏斯特大学， C.J.Marquand教授设计制造了一台两级偏心式叶片试验型气动发动机，并应用了热管式热交换系统。当转速为1000r/min时，工作效率可达98%以上，可输出25kw的功率。图 1.6 英国Marquand教授气动发动机韩国，主要是ENERGINE公司研究压缩空气-电动混合动力发动机。2000年推出了他们成功研制的混合动力汽车。该气动发动机是往复活塞是的，气缸的工作容积为0.8L，进气压力为1MPa，储气罐为30MPa，100L的高压气瓶。低速时用压缩空气推动汽车，高速时用电动驱动汽车，在加速或者上坡时则压缩空气和电动同时工作。该气动汽车最高车速能够达到120Km/h。图 1.7 韩国气电混合动力汽车原理图1.2.2国内研究现状国内关于气动发动机的研究比较滞后，还处于理论阶段。民间有一些概念性的发明专利，但无重要的研究成果。在气动发动机的研究方面，浙江大学最早开始研究，处于该方面研究的领导位置，并取得了丰硕的成果。研制了高压大流量气动开关阀和相应的控制系统，采用该系统大大节省了能量。成功地改造了国内的第一辆气动汽车。合肥工业大学也做了这方面的研究，分别将柴油机改装成二冲程和四冲程的气动发动机121314。图1.8 浙江大学空气动力样车1.3 课题研究的意义和内容空气动力发动机以高压空气作为动力源，是一种环保绿色的发动机。对空气动力发动机的研究和使用，可以降低对石油等不可再生资源的依赖，可以降低对环境的污染，改善空气质量。空气动力发动机可用作短途交通工具，例如公交车、观光车、搬运工具等。气动汽车是一种符合当前社会需要的新型节能环保汽车，它具有其它类型的汽车所不具备的优势，它的出现将为现代汽车技术的发展注入新的活力，相信空气动力汽车在不久的将来会得到应用和推广。与内燃机一样，动力性和经济性是气动发动机的两个重要指标。衡量发动机动力性的重要指标是有效功率，是发动机曲轴端对外所输出的实际功率，即轴功率。发动机功率是指发动机做功的快慢。发动机单位时间内所做的功叫做该发动机的功率14。本课题的主要研究内容是针对空气动力发动机设计、搭建一套功率测量系统，利用搭建的测功系统对空气动力发动机性能进行实验研究。由于空气动力发动机和传统的内燃机在结构和工作特点有较大区别，而且空气动力发动机的相关技术还不是很成熟，由其他发动机等改装的小型空气动力发动机难于在常规实验台架上测量功率，故设计一套针对改装的小型空气动力发动机的测功系统是非常必要的。对于空气动力发动机的功率测量等相关实验，有助于指导空气动力发动机向着低耗能、高性能方向改进。而小型发动机测功系统的发展趋势是高精度、辅助设备少、操作简便、使用寿命长以及价格低。随着电子测量技术的发展，电子计算机技术在发动机的测试领域中得到更加广泛应用，使得测功机的智能化和自动化程度逐渐得到提高，而且在结构上也由传统的整体式变为模块化得结构，使得应用更加灵活，测试效率和测量精度都得到了较大的提高16。1.4 常用测功方法的介绍动力机械等设备在其产品的研发、生产制造、品质管理甚至包括维修保养的各个阶段，都需要对这些设备的部件或者整个系统的各种特性曲线和性能参数进行检测。检测方法是将实验模拟所用的负载加在被测的动力机械设备上，控制和吸收动力机械设备上输出的转矩或者旋转力，从而检测动力机械在不同的负荷和转速等状况下的特性曲线和性能参数。动力机械的功率测量常用以下三类方法：1.4.1通过电功率测量动力机械机直接由电动驱动，先测出电动机消耗的输入功率，再用耗散分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的输出功率；或者用动力机械驱动发电机，通过测量发电机发电的功率大小得到动力机械的功率。1.4.2通过转矩间接测量动力机械的轴功率正比于转速与转矩的乘积，功率与转矩和转速的关系表示为下式：式中，P为功率（kW）；T为动力机械输出转矩（N m）；n为动力机械的输出转速（r/min）。只要测量出转矩T和转速n，即可按照上式求出功率P15。1.4.3无负荷功率测量常用的无负荷测功方法有角加速度法、加速时间法和功率平衡法。 加速时间法。加速时间法使用最广泛的一种无负荷测功方法，发动机从某一转速急剧加速到另一指定转速所需的时间，求得发动机在加速过程克服运动件的惯性所发出的功率，即平均功率。 角加速度法。求出的只是发动机在某一时刻的瞬时功率。 功率平衡法。使发动机的转速在某一范围内稳定，让某一个汽缸不工作，从而改变发动机的转速，通过对转速的变化比的测量，得到功率平衡百分数17。1.5 研究基础和研究方案1.5.1 研究基础本课题研究的空气动力发动机是3509010-BW-04C型车用空气压缩机改装成的一台二冲程的空气动力发动机。该发动机通过电子控制进排气，是一个简单的电控系统的发动机。ECU采用的是单片机芯片为51系列单片机中的AT89S52型号单片机，ECU的工作平台是一块51单片机开发板。传感器为一个增量式旋转光电式编码器，通过联轴器与空气动力发动机保持同步转动。该编码器可以给ECU提供上止点位置信号和曲轴转角信号，从而ECU通过这两种信号判断发动机的工作状况。执行器是两个亚德客公司的TX5404型电磁阀，并以IRF540型MOS管电磁阀作为驱动电路。ECU对曲轴转角信号进行计数，在相应的曲轴转角，控制电磁阀的打开和关闭，从而实现发动机正常的进排气控制。实验台架的基底是一长1.5m、宽1.0m、厚10mm的钢板，空气动力发动机布置在钢板的左边，通过一对侧卧的槽钢固定在钢板上表面；光电编码器通过厚3mm的L型钢片固定；发动机的气源是一最高压力可以达到3MPa的压缩机，为了使压力稳定，高压空气先通过一稳压腔，以确保输出的压力为恒定值；进排气管道式耐高压的橡胶软管，最高承压压力为3MPa，直径为1/4英寸18。1.5.2 研究方案本课题所研究的被测空气动力发动机为一台二冲程的空气动力发动机，该发动机是一台小型的发动机，转矩和功率较小，无法利用常规的汽油机和柴油机的测功台架进行实验。而且该发动机的功率也相对较小，转速低且不太稳定，使用无负荷的测功方法比较困难。为了简化测量系统的结构，本课题通过电功率测量方法进行研究，即空气动力发动机通过皮带驱动一小型发电机，发动机产生电流，通过测量发电机的输出电功率的到空气动力发动机的输出功率。具体的测功系统的原理图如图1.9。通过查阅功率测量的相关资料，运行了解被测空气动力发动机以及分析前几届学长对本发动机所做的工作和结论，本课题在实际实践中遇到了很多问题：（1）该气动发动机工作不稳定，有时候甚至不能正常启动。（2）进气管较长，空气动力发动机工作时，进气管内形成一定频率的压力波，进气压力一直波动。（3）发动机运行转速较低，而且转速不稳定。（4）如果发电机作为负载，由气动发动机驱动时，阻力较大，发动机不能正常工作。（5）发动机的排气冲程是靠飞轮的惯性到达上止点，如果进气提前角增大，也会影响发动机的正常工作。加上发电机负载后，会造成进气提前角变化范围变小，不能充分地描述发动机功率随进气提前角变化的特性。图1.9 测功系统原理图1.6 本章小结本章介绍了空气动力发动机国内外的发展状况；对本课题的研究意义和主要内容作了简要说明；介绍了功率测量的几种常用方法；给出了本课题的研究基础和研究方案，为以后的研究打下了基础。2 空气动力发动机工作过程和理论循环简要分析2.1 空气动力发动机工作过程该改装的空气动力发动机为二冲程发动机，其工作过程包括进气、膨胀做功、排气三个过程：（1）进气过程：当活塞上行至上止点前一定的角度，ECU控制进气电磁阀打开，稳压腔内的高压气体开始进气。经过一定的曲轴转角，进气电磁阀关闭，进气过程结束。这里进气电磁阀打开时距上止点对应的曲轴转角为进气提前角，进气电磁阀打开到关闭所持续的曲轴转角是进气持续角，这两个角度的大小将会明显的影响发动机的性能。（2）膨胀做功过程：随着进气过程的进行，气缸内的气体迅速增加，气缸内压力急剧升高，气体开始推着活塞下行，与活塞相连的连杆带动曲轴转动，开始对外做功，这就是做功过程。（3）排气过程：当活塞下行到下至点前一定的角度，排气电磁阀开启，气缸内的气体开始排出，一直到进气电磁阀打开时排气电磁阀关闭6。相应的配气相位图如图2.1所示。图2.1 二冲程空气动力发动机配气相位图2.2 理论热力循环过程分析VV1V3P0P3P1P2P15432V40图2.2气动发动机理论工作循环p-V图上图为二冲程气动发动机理论工作循环，图中V1是气缸的余隙容积，V4为气缸的总容积，V4-V1为气缸工作容积，P0是大气压，P1为高压空气的进气压力，P2是气体膨胀终点压力，P3是排气压强，若直接将尾气排到周围环境中时，P3和大气压P0相等。具体的工作过程如下：在上止点1处，高压气体开始进入，在1点处进气电磁阀迅速开启，在极短时间内缸内压力迅速升高至P1，即可近似认为1-2为等容进气。到达2点后，进气电磁阀仍然保持开启，持续进气，此时活塞开始下行，在3点进气电磁阀关闭，进气结束 。3-4是介于等温与绝热之间的一种多变膨胀过程，缸内高压气体开始膨胀推动活塞下行做功，此过程将高压气体的压力势能转化为了曲轴的机械能。当活塞到达到下止点4时，气缸容积变为V4，压强降为P2，此时排气电磁阀开启，4-5为自由排气，缸内压力迅速降低到P3，随着活塞从上行，做完功的气体被推出气缸，5-1为一个等压排气过程，最终回到上止点1 ，排气过程结束。1-2-3-4-5-1构成了一个往复式空气动力发动机的理论循环图它们所围的面积就是一个循环的理论指示功 19。 2.3 气动发动机性能的影响因素分析表2.1 气动发动机基本参数大气压力(MPa)0.1转速（r/min)环境温度(）25连杆曲柄比4.5进气压力（MPa）0.5曲柄长度（mm)19进气持续角（CA）进气提前角+90缸径(mm)75间隙容积（m3）0.00005绝热指数k1.3排气压力（MPa）0.12.3.1 进气持续角对发动机性能的影响图2.3 不同进气持续角示功图进气持续角决定的的大小，如果持续角增大， 则将右移变成（如图2.3所示），显然循环进气量增加。由于气缸容积不变， ，高压气体膨胀比减小，自由排气的压力升高。从图中可以看出，进气持续角增大时，循环功有所增加，但气动发动机实际运行时，如果进气持续角过大，进气量过度，导致排气阻力增大，排气能量所示变大，循环功也会变小。随着进气持续角的增大，进气量增多，进气能量增大，而循环功的增大幅度较小，持续角超过一定值，循环功反而变小，而且排气能量液增大，所以对于高压气体的利用率一直会减小。2.3.2 进气压力对发动机性能的影响图2.4 不同进气压力的示功图进气持续角保持不变的，进气压力升高，2-3-4过程向上平移，循环所围的面积增加，指示功增加，由于初始膨胀压力高，膨胀体积不变，故膨胀终点4压力升高，排气能量增多，能量利用率降低。2.3.3 进气提前角对发动机性能的影响进气提前角增大时，由于进气时间延长，进气量增加，进气能量增大，排气能量也随之增大，则循环指示功增大，动力性变好，耗气率增大，能量利用率变小。但是进气提前角过大，导致活塞上行阻力增加，循环功也会变小。2.3.4 转速发动机性能的影响当空气动力发动机的转速增加时，在一定的进气提前角下，进气时间会缩短，进气量减少，进气能量减小，进而排气能量也减小，循环做功量减少，能量利用率增加。但是由于相同的时间做功次数增加，空气动力发动机的功率会变大，动力性和经济性变好19。2.4 本章小结本章主要分析了空气动力发动机的工作过程和理论循环，简要的分析了影响气动发动机工作性能的运行因素，为在试验测量发动机功率时，功率变化作了简单的预测，为之后的实验作了铺垫。3 测功系统实验台架各部件的介绍及实验过程3.1 原型机的基本参数和改造由于单缸四冲程内燃机与二冲程空气动力发动机的结构和工作方式有很大差别，故本课题所测发动机是通过改装3509010-BW-04C型车用空气压缩机而得到的单缸二冲程发动机。选用的空气压缩机的外形如图3.1。图3.1 3509010-BW-04C型车用空气压缩机该空气压缩机的基本参数如下表所示：表3.1 原型机的基本参数产品毛重15kg包装尺寸375x270x210mm冷却方式水冷产地中国廊坊皮带轮尺寸(mm)200品牌美联缸径（mm）90曲柄半径（mm）47.5进气压力（MPa）1曲柄连杆比1/3.54进气持续角（)80环境温度（K）300环境气压（MPa）0.101转速(rad/min)1000因为空气动力发动机与原压缩机的工作过程完全相反，为了适应进排气，对该原型机主要的改动是拆除原来排气通道上的压力弹片，不必要接口用螺栓封堵，适当的转接口连接进排气口。进排气接口分别设计在压缩机顶盖的顶部和侧面6。由于飞轮与曲轴的连接没有采用键联接，而是靠螺母的挤压力固定，导致飞轮遇到较大阻力后，飞轮与曲轴产生相对滑动，标记位置变化，不能正确地判断发动机的工作状况，不能准确的控制进气提前角。而且原飞轮的重量轻，直径也较小，使得飞轮的转动惯量不够，不能使飞轮很好地靠惯性通过上止点。综合上面的因素，课题组将原来的飞轮换掉，重新设计只做了一个飞轮。飞轮的外缘的平均直径为0.23m，质量为3.51kg，转动惯量为0.046kg。其实物图如图3.2。图3.2 飞轮实物图3.2 编码器的介绍编码器可以将输入信号或者输入的数据进行编制，转换为可用的通讯信号（数字信号或者模拟信号），再传输给接受者进行处理。在转速/曲轴位置传感器中，编码器可以把角位移或者线位移转换成为电信号。本课题所用的编码器是增量式光电编码器，具体参数如下表所示：表3.2 编码器的基本参数型号YZ40D6S3NB360外壳直径（mm）42连接结构中轴型输出相A,B,Z三相输出方式NPN集电极开路使用电源5VDC5%脉冲数360最高响应频率180kHz绝缘电阻100M以上接收方式电缆输出方式启动扭矩40gf.cm耐冲击50G以下最大转速5000rpm重量约160克该编码器在发动机能正常运转中起着非常重要的作用，它将得到的上止点位置信号和转速信号传输给ECU，ECU根据上止点位置信号判断何时打开和关闭进排气电磁阀，实现发动机的正常运转。该编码器的外形图如图3.3所示：图3.3 转速传感器3.3 进排气电磁阀由于本发动机难以采用机械式的进排气控制，本课题采用电磁阀来控制进排气。通过ECU控制电磁阀的开闭，能够方便和精确地控制进排气门的开启和关闭时刻，而且方便对配气相位进行改变，从而可以研究发动机性能随进气提前角、进气持续角等变化的特性。进排气电磁阀的正常工作对发动机的正常运行起着决定性的作用。电磁阀的具体参数如下表：表3.3 电磁阀基本参数适用介质空气、水、油动作方式先导式形式常闭型流量孔径（mm）25CV值（m3/h）10.0接管口径（mm）1使用压力（Kgf/cm2）气体：1-40、液体：1-25最大耐压力（Kgf/cm2） 60工作温度范围（）-5150使用电压范围10%保护等级Lp65耗电量AC:12V油封材质聚四氯乙烯图3.4 进排气电磁阀3.4 发电机的选择本实验中发电机作为空气动力发动机的负载，通过皮带传动。空气动力发动机驱动发电机发电，测出发电机所发电功率，即可得到发动机的功率。3.4.1 车用发电机的分类车用发电机可以分为交流发电机和直流发电机两大类，现在由于交流发电机的各方面优点，车用发电机普遍使用交流发电机。交流发电机按照总体结构可分为五类：整体式交流发电机、带泵交流发电机、普通交流发电机、永磁交流发电机、无刷交流发电机；按照整流器结构可分为：六管交流发电机、八管交流发电机、九管交流发电机、十一管交流发电机；按照按磁场绕组搭铁形式可分为外搭铁型交流发电机和内搭铁型交流发电机两类。3.4.2 交流发动机原理如图3.5所示，在交流发电机内部有一个可以自由转动的动转子，它通常由发动机或者其他动力源带动。E、F端通电后产生旋转磁场，如果是永磁发电机则不需要给E、F端通电。转子磁场外围是一个定子绕组,绕组有3组线圈构成3相绕组，3相绕组彼此间隔120度。当转子旋转时，定子与磁场相对旋转，从而使定子3相绕组切割磁力线从而产生电动势。图3.5 交流发电机工作原理图定子3相绕组产生的感应电动势的大小为：式中，Em为每相电动势的幅值，E是每相电动势的有效值，是角速度， p为磁极对数，n是发电机转速（r/min），K是绕组系数(与发电机定子绕组的绕线方法有关)，N为每相的线圈匝数，为每极磁通，Ce为电机结构常数。由上面的公式可知，一个给定的发电机的电动势只与发电机转速和磁通量有关，通过改变转速和磁通量即可控制电动势。交流发电机感应产生的为交流电，可通过六只二极管构成的三相桥式整流电路变为直流20。3.4.3 发动机的确定和基本参数该二冲程空气动力发动机的排气冲程中，活塞依靠飞轮的惯性上行，将气体排到缸外，到达上止点进入下一个循环。加上负载后阻力将增大，如果阻力过大发动机点不能被启动，故在选择发电机的时候选择发电机的转动阻力较小的发电机。在选择发电机负载的时候还应该考虑，发电机的转速和发电的功率。可以通过对发动机理论循环图的分析，利用热力学的知识对循环功作简要的估计计算，然后都得到大概的发动机功率。这里的计算可以借鉴同学对空气动力学发动机循环仿真研究里面的结论和计算结果。对于发电机的转速的确定，可以通过下面这个公式得到。式中，为发电机的最大转速，n为发动机的最大转速，Dm为飞轮外缘直径，d为发电机皮带轮外缘直径。发电机的基本参数如下表：表3.4 发电机的基本参数发电机型号JW-14V300W发电机功