1、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 日河北工业大学 2014 届本科毕业论文I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
2、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
3、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，实验台架河北工业大学 2014 届本科毕业论文II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 prob
4、lems. 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 .Th
5、ere 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 wor
6、k 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 engin
7、e to test the power. However, due to the running stability problems of the air 河北工业大学 2014 届本科毕业论文IIIpower 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 sa
8、mpled by SCM, obtained the electric power through integration method.Keywords：Air powere engine,working process, power-test, test bench河北工业大学 2014 届本科毕业论文IV河北工业大学 2014 届本科毕业论文V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
9、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
10、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 .20河北工业大学 2014 届本科毕业论文VI3.4.2 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
11、.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 .34河北工业大学 2014 届本科毕业论文01 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
12、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
13、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,而中东等石河北工业大学 20
14、14 届本科毕业论文1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
15、。 ，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
16、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
17、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河北工业大学 2014 届本科毕业论文2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
18、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2CO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
19、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。
