空气动力发动机测功系统的设计和实验毕业论文(编辑修改稿)

空气动力发动机测功系统的设计和实验毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

、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图 浙江大学空气动力样车 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 8 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]。 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： 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。 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： 9550TnP 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 P[15]。 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。 ① 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。 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 9 ② 角加速度法。 求出的只是发动机在某一时刻的瞬时功率。 ③ 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]。 研究基础和研究方案 研究基础 本课题研究的空气动力发动机是 3509010BW04C 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 、宽 、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]。 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。 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 10 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。 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。 图 测功系统原理图 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 11 2 空气动力发动机工作过程和理论循环简要分析 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 所示。 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 12 理论热力循环过程分析 图 气动发动机理论工作循环 pV 图 V V1 V3 P0 P3 P1 P2 P 1 5 4 3 2 V4 0 图 二冲程空气动力发动机配气相位图 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 13 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， V4V1 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 12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。 34 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， 45 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， 51为一个等压排气过程，最终回到上止点 1 ，排气过程结束。 123451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 iW [19]。 气动发动机性能的影响因素分析 表 气动发动机基本参数 大气压力 (MPa) 转速（ r/min) 环境温度 (℃） 25 连杆曲柄比 进气压力（ MPa） 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） 绝热指数 k 排气压力（ MPa） 进气持续角对发动机性能的影响 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 14 图 不同进气持续角示功图 进气持续角决定 3V 的的大小，如果持续角增大， 则 3V 将右移变成 3V、 （如图 所示），显然循环进气量增加。 由于气缸容积不变， 44VV、 ，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。 进气压力对发动机性能的影响 图 不同进气压力的示功图 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 15 进气持续角保持不变的，进气压力升高， 234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。 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。 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]。 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。