Определение и классификация поршневых двигателей

Поршневые машины — это машины, в которых энергия передается от жидкости (газа или жидкости) к движущемуся вытеснителю (например, поршню) или от поршня к жидкости. Таким образом, они относятся к категории гидравлических машин, которые, как приводные машины, поглощают механическую энергию для увеличения энергии перемещаемой жидкости. В двигательных машинах, напротив, механическая энергия высвобождается в виде полезной работы на поршне или кривошипно-шатунном механизме.

Характерной особенностью работы поршневых двигателей является наличие периодически изменяющейся рабочей камеры, обусловленной движением вытеснителя (поршня). В зависимости от характера движения вытеснителя различают двигатели с возвратно-поступательным движением и двигатели с вращательным движением. В поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением вытеснитель имеет форму цилиндрического поршня, который перемещается между двумя крайними положениями, называемыми "мертвыми точками", внутри цилиндра. Термин "поршень" также часто применяется к нецилиндрическим вытеснителям. В роторных двигателях изменение рабочей камеры обычно обеспечивается вращающимся вытеснителем.

Двигатели внутреннего сгорания — это машины, в которых химическая энергия преобразуется в механическую в результате сгорания воспламеняемой смеси воздуха и топлива. Наиболее известными типами двигателей внутреннего сгорания являются поршневые двигатели и газовые турбины. На рис. 2-1 представлена общая классификация.

Рис. 2-1. Классификация двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания относятся к поршневым машинам. В зависимости от геометрии герметичной изменяющейся рабочей камеры и типа движения поршня различают двигатели с возвратно-поступательным движением поршня (с колебательным движением поршня) и роторные двигатели (с вращательным движением поршня). Роторные двигатели, в свою очередь, подразделяются на роторные двигатели (с внутренним и внешним ротором, совершающим чисто вращательное движение вокруг фиксированных осей) и планетарные роторные двигатели (с внутренним ротором, ось которого описывает круговое движение). На рис. 2-2 показаны различные принципы работы. Только двигатель Ванкеля, являющийся планетарным роторным двигателем, получил широкое распространение.

Рис. 2-2. Принципы работы поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, роторных двигателей и планетарных роторных двигателей. (a) Двигатель с тронковым поршнем. (b) Роторный двигатель: внешний ротор с эпитрохоидальной внутренней поверхностью, передающий мощность, и внутренний ротор как уплотняющий элемент. (c) Планетарный роторный двигатель (двигатель Ванкеля): корпус с эпитрохоидальной внутренней поверхностью и внутренний ротор, передающий мощность, который вращается эксцентрично вокруг шестерни и одновременно выполняет функцию уплотнения

В зависимости от типа рабочего процесса также необходимо различать двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания. В двигателях с внутренним сгоранием рабочая жидкость (воздух) одновременно является источником кислорода, необходимого для сгорания. Сгорание подаваемого топлива приводит к образованию отработанных газов, которые должны быть заменены в цикле "газообмена" перед каждым рабочим циклом. Таким образом, сгорание является циклическим, и в зависимости от процесса сгорания различают бензиновые, дизельные и гибридные двигатели.

В случае двигателей внешнего сгорания (например, двигатель Стирлинга) тепло, выделяемое в результате непрерывного сгорания вне рабочей камеры, передается рабочей жидкости. Это позволяет использовать замкнутый рабочий цикл и любое топливо. Далее рассматриваются только поршневые двигатели с внутренним циклическим сгоранием.