水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的原理設(shè)計(jì)

1、水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的原理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)：謝庭涌水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是在內(nèi)燃機(jī)水泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。內(nèi)燃機(jī)水泵是1900年由德國(guó)人發(fā)明的。我國(guó)在二十世紀(jì)六十年代曾大力改進(jìn)過(guò)內(nèi)燃機(jī)水泵。前蘇聯(lián)還用內(nèi)燃機(jī)水泵做過(guò)船用發(fā)動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)水泵與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的最主要區(qū)別是內(nèi)燃機(jī)水泵沒(méi)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，沒(méi)有活塞、連桿、曲軸等零件。取而代之的是用水充當(dāng)活塞的作用，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃后直接將氣缸中的水壓出來(lái)而做功。因此最大的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械效率高，其次具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是壓縮比小，燃燒效率低；工作頻率低，單位體積重量的輸出功率低等，其次還有控制準(zhǔn)確性差，出水閥效率低等缺點(diǎn)。水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)就是繼承了內(nèi)燃機(jī)水泵的優(yōu)點(diǎn)并從原

2、理上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以克服上述缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是作為發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的，同時(shí)為了區(qū)別于早期的內(nèi)燃機(jī)水泵，在此稱其為水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)內(nèi)燃機(jī)水泵的主要改進(jìn)之處有以下幾點(diǎn)：1、 放棄用水壓縮氣體的方式，采用消耗能量的氣泵進(jìn)行換氣和壓縮，使壓縮比從8增大到約20，燃燒效率可以從60%增大到80%2、 采用二沖程的工作方式。放棄用水壓縮氣體的方式，改為壓縮氣體排水的方式以提高工作頻率。3、 采用電控方式提高控制準(zhǔn)確性并進(jìn)一步提高工作頻率4、 采用可泄漏的出水閥以降低設(shè)計(jì)難度并提高出水閥效率。水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)與二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)類似，由做功、排氣充水和充氣三個(gè)過(guò)程組成。排水閥是一個(gè)兩位截止閥

3、。點(diǎn)火之前，排水閥已經(jīng)開(kāi)始向打開(kāi)狀態(tài)移動(dòng)，點(diǎn)火燃燒后，燃?xì)庾龉r(shí),排水閥已經(jīng)處于全開(kāi)的狀態(tài)，充當(dāng)活塞作用的水能夠通暢的流經(jīng)出水導(dǎo)向管，完成做功沖程。做功沖程結(jié)束后，排氣閥打開(kāi)，進(jìn)水閥也打開(kāi)。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)在船上的位置都處于水線以下，海水可以自然流入氣缸直至廢氣全部排空。與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是：排氣進(jìn)水沖程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)沒(méi)有任何廢氣，全部空間都被海水所占據(jù)。排氣進(jìn)水沖程結(jié)束后，排水閥關(guān)閉，充氣缸將新鮮空氣壓入氣缸，在新鮮空氣進(jìn)入氣缸的同時(shí)燃料噴嘴將燃料噴入氣缸。在充氣缸壓縮新鮮空氣的時(shí)候，排水閥已經(jīng)在向打開(kāi)狀態(tài)移動(dòng)，正是排水閥的泄漏給可燃?xì)怏w提供了工作空間。排水閥在任何時(shí)候都不必全關(guān)，理論上說(shuō)，只要

4、充氣缸的動(dòng)作足夠快，排水閥是可以不必存在的。由此可見(jiàn)排水閥的設(shè)計(jì)難度是非常低的。充氣缸壓縮結(jié)束后立刻點(diǎn)火，開(kāi)始做功沖程。燃燒后的高溫高壓氣體的一部分通過(guò)單向閥流入儲(chǔ)氣罐，該部分氣體能量被用來(lái)推動(dòng)充氣缸活塞、燃料噴射以及排氣門推桿等控制動(dòng)作。與傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，水活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在以下諸多方面具有優(yōu)勢(shì)。1、 組織燃燒方面：由于燃燒室由氣缸體構(gòu)成，沒(méi)有傳統(tǒng)的氣缸蓋和氣缸墊，可以承受巨大的沖擊載荷。由于沒(méi)有連桿和曲軸，可以承受沖擊載荷。因此采用了燃料與空氣預(yù)混合后在高壓縮比下點(diǎn)燃的爆震燃燒方式。采用這種燃燒方式能解決燃燒室形狀不固定所帶來(lái)的問(wèn)題。具有燃燒充分和熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。2、 效率方面：由于有

5、高的壓縮比，因此熱效率高。更由于沒(méi)有活塞環(huán)和缸筒的摩擦，加上水活塞直接噴入大海形成推力而沒(méi)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、變速箱和螺旋槳等環(huán)節(jié)，因此而具有很高的機(jī)械效率?？偟男蕦⒋蟠蟾哂诂F(xiàn)有的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。預(yù)計(jì)效率可以比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)高50%。3、 升功率方面：由于最大爆發(fā)壓力可以很高，將導(dǎo)致平均有效壓力的提高。加上沒(méi)有活塞環(huán)與缸筒的摩擦，又是二沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此工作頻率可以很高。綜合起來(lái)，將會(huì)有很高的升功率。4、 換氣方面：由于水活塞不象傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞那樣在不停地運(yùn)動(dòng)。而是在充氣缸做吸氣動(dòng)作時(shí)完成換氣，因此換氣效率也很高，換氣時(shí)不會(huì)損失燃料。5、 工藝性、成本和可靠性方面：由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒(méi)有難加工的零件，因此有很低的成本和很好的加工工藝性。主要摩擦部分在充氣缸活塞處。6、 對(duì)不同燃料的適應(yīng)性方面：根據(jù)燃燒方式分析，使用氣體燃料最好。其次是汽油類揮發(fā)性不溶于水的液體燃料。對(duì)于柴油類不揮發(fā)性液體燃料也能適應(yīng)。原理設(shè)計(jì)中可能存在的缺點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：1、 充氣