РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ "FYM-2"(ВАРИАНТЫ)
"FYM-2" ROTARY PISTON ENGINE (VERSIONS)

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент RU №2294443), содержащий корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, которая поделена стационарными перегородками на четыре рабочие полости (две камеры нагнетания и две камеры расширения), рабочий вал с установленным на нем и размещенным в корпусе ротором, систему выдвижных заслонок, встроенных в ротор, источники питания, источники воспламенения, газоотводящую систему.
Во встроенной в корпус кольцевой камере с помощью жестких стационарных перегородок образованы разные по своему функциональному назначению рабочие полости, две камеры расширения и две камеры нагнетания. Внутри кольцевой камеры, на рабочем валу, расположен ротор с установленными на нем четырьмя парами выдвижных заслонок (лопаток). В каждой паре заслонок одна из них выдвигается только в камере нагнетания, куда подается топливная смесь, другая выдвигается только в камере расширения и фактически является поршнем, с помощью которого энергия от горения топливной смеси преобразовывается во вращательное движение ротора. Камеры нагнетания и камеры расширения образованы внешней цилиндрической поверхностью ротора и криволинейными поверхностями внутренней стороны корпуса двигателя, создающими замкнутый объем в виде ячеек. Каждая камера нагнетания имеет впускное окно, а камера расширения - выпускное окно. Выдвигающиеся в полость заслонки подпружинены изнутри ротора и наружным концом свободно упираются в криволинейную поверхность ячеек кольцевой камеры двигателя. Для управления заслонками в роторе установлен кривошипно-шатунный механизм.
При вращении ротора заслонка выдвигается в камеру нагнетания, сжимает передней гранью топливную смесь, находящуюся в этой камере, и, создавая за собой разряжение, засасывает очередную порцию топливной смеси через впускное окно. Из камеры нагнетания топливная смесь попадает в камеру, где она от источника воспламенения, установленного на корпусе, возгорается и переходит в камеру расширения, в которой к этому времени уже выдвинулась заслонка-поршень, воспринимающая давление газов и придающая ротору вращательное движение.
К недостаткам описанного роторного двигателя внутреннего сгорания относятся низкая надежность, связанная с возможностью заклинивания в роторе консольных выдвижных заслонок, и невозможность эффективного управления термодинамическими процессами с применением современных компьютерных технологий.
За прототип принят известный многосекционный роторно-поршневой двигатель «FYM-1» (Патент на изобретение №2010116513/06(023468). Каждая секция включает корпус цилиндрической формы, встроенную в корпус кольцевую камеру, поделенную выдвижными заслонками с крепящимися к корпусу жесткими шарнирными связями на рабочие полости. Выдвижные заслонки установлены в пазах корпуса. Рабочие полости, в свою очередь, включают в себя камеру расширения, камеру нагнетания с топливоподающей системой, примыкающую к камере расширения, и расположенную за камерой расширения газоотводящую систему, выполненную в виде вентиляционных окон. Внутри корпуса помещен ротор с жестко закрепленными на нем поршнями. Поршни снабжены специальной изолирующей от камеры нагнетания поверхностью, источником воспламенения в виде высокотемпературного элемента накаливания и наклонной передней гранью. Камера нагнетания выполнена в виде встроенного в корпус цилиндра, внутри которого помещен элемент дозированной подачи топлива.
Для установки ротора и других деталей во внутрь корпуса корпус выполнен сборно-разборным, состоящим из двух частей. Количество поршней, установленных на роторе, принято меньше или равно количеству рабочих полостей, на которые поделена кольцевая камера. В камеру нагнетания топливная смесь под давлением подается из общей распределительной системы. Система подачи топливной смеси в камеру нагнетания связана жесткой кинематической связью с выдвижной заслонкой. Герметичность кольцевой камеры по контакту с ротором обеспечивается кольцевыми уплотнителями, смонтированными в корпусе.
Управление режимами работы двигателя сводится к управлению специально установленными замками удержания выдвижной заслонки. При отключенном замке удержания выдвижной заслонки срабатывает пружинный механизм, который вводит выдвижную заслонку в кольцевую камеру и, тем самым, включает в работу рабочую полость. Движущийся внутри кольцевой камеры поршень входит во взаимодействие с выдвижной заслонкой, которая посредством системы рычагов обеспечивает дозированную подачу топливной смеси в камеру нагнетания. В камере нагнетания топливная смесь первоначально удерживается в полости цилиндра, между элементом дозированной подачи топлива и выпускным отверстием, специальной изолирующей поверхностью поршня, перегораживающего выпускное отверстие камеры нагнетания. В тот момент, когда установленный на поршне источник воспламенения оказывается близ камеры нагнетания, приоткрывается выпускное отверстие и топливная смесь через образовавшуюся щель из камеры нагнетания моментально всасывается в камеру расширения, где между поршнем и выдвижной заслонкой к этому времени уже создался вакуум. В первый момент всасывания топливная смесь входит в прямой контакт с источником воспламенения и происходит ее возгорание.
Недостатки роторно-поршневого двигателя «FYM-1»:
- не обеспечена герметичность и плотность контактов между пазами кольцевой камеры и опорными частями выдвижной заслонки;
- не обеспечена достаточная герметичность контактов между стенками камеры расширения и поверхностями поршней, установленными на роторе;
- недостаточная износостойкость внутренних рабочих поверхностей кольцевой камеры и ротора двигателя при агрессивном на них воздействии высокотемпературного термодинамического процесса;
- низкая надежность элемента дозированной подачи топлива;
- недостаточная эффективность источника воспламенения и системы питания топливной смесью;
- отсутствие надежной и эффективной системы смазки трущихся деталей выдвижной заслонки;
- разъемная конструкция составного корпуса секций снижает надежность двигателя;
- низкая эффективность использующихся решений системы охлаждения двигателя.
Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков роторно-поршневого двигателя «FYM-1».
Поставленная цель достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания, состоящем из секций, каждая из которых включает в себя выполненный из двух частей корпус с размещенным внутри него ротором на рабочем валу, встроенную в корпус кольцевую камеру, поделенную входящими в пазы корпуса выдвижными заслонками с опорными элементами и шарнирно крепящимися на корпусе жесткими связями на рабочие полости, которые включают в себя камеру расширения постоянного сечения и примыкающую к ней со стороны цилиндрической поверхности корпуса камеру нагнетания с топливоподающей системой, газоотводящую из рабочей полости систему, установленные на роторе поршни с передней наклонной гранью и источниками воспламенения, которые перемещаются вместе с поршнями по кольцевой камере, уплотнительные устройства, замки удержания выдвижной заслонки, отличающемся тем, что расположенные в корпусе секции пазы для выдвижной заслонки и входящие в эти пазы опорные элементы выдвижной заслонки выполнены в форме клина, сужающегося от внешней периферии корпуса в сторону вращающегося ротора. На выдвижной заслонке со стороны периферийной части корпуса установлено уплотнительное устройство в виде упругой криволинейной пластины, обращенной в сторону камеры расширения. На шарнирно крепящейся к корпусу связи выдвижной заслонки со стороны выдвижной заслонки установлено уплотнительное устройство в виде упругой криволинейной пластины. На шарнирно крепящейся к корпусу связи выдвижной заслонки и в ее шарнирах встроена маслопроводящая смазочная система. Внутренняя поверхность кольцевой камеры, поверхности ротора и закрепленные на нем поршни, расположенные внутри кольцевой камеры, снабжены высокопрочным покрытием из термостойкого материала. В топливоподающей системе камеры нагнетания установлен обратный клапан, а в самой камере нагнетания установлен элемент дозированной подачи топлива, в составе которого имеются поршень, впускной и выпускной клапаны, причем впускной и выпускной клапаны объединены с перекрывающими друг друга полыми цилиндрами, имеющими перфорированные и неперфорированные поверхности.
Замок удержания выдвижной заслонки состоит из шарнирно закрепленного на корпусе и зафиксированного строго в определенном положении крюка, установленного на шарнирно крепящейся к корпусу связи выдвижной заслонки стержневого фиксатора крюка, закрепленного на корпусе приводного механизма крюка, причем внешняя поверхность крюка имеет форму, которая при взаимодействии крюка со стержневым фиксатором обеспечивает его поворот вокруг шарнира, а внутренняя поверхность крюка имеет форму, которая при зацеплении крюком стержневого фиксатора и возврате крюка в исходное положение обеспечивает дополнительное перемещение выдвижной заслонки из рабочей камеры. Внешние боковые поверхности ротора и внутренние поверхности корпуса секций снабжены входящими друг в друга кольцевыми выступами и углублениями. Роторы двигателя, установленные на рабочем валу внутри корпусов различных секций, смещены друг относительно друга на угол, при котором проекции поршней на плоскость, перпендикулярную оси рабочего вала, не совпадают друг с другом. Рабочий вал двигателя состоит из состыкованных между собой отдельных участков, количество которых равно числу секций двигателя. Между камерой нагнетания и кольцевой камерой расположен сопрягающий их переходной элемент. Источник воспламенения топливной смеси, установленный на поршне и перемещающийся вместе с ним по кольцевой камере, выполнен в виде контактного элемента высоковольтного источника тока, причем противоположно заряженный контактный элемент того же высоковольтного источника тока выполнен неподвижным и размещен близ выходного отверстия каждой камеры нагнетания.
Неподвижный контактный элемент, размещенный близ выходного отверстия камеры нагнетания, соединен с высоковольтным источником тока посредством ключа, который включает и отключает данный неподвижный контактный элемент соответственно при включении и отключении рабочей полости. В камере расширения, близ выдвижной заслонки, размещено устройство подачи топливной смеси в камеру расширения. Две составляющие части корпуса каждой секции с размещенным между ними ротором и поршнями объединены с помощью системы жестких неразборных связей и соединений в единый неразборный блок, в котором предусмотрены гнезда, каналы и отверстия так, что выдвижная заслонка и шарнирно крепящаяся на корпусе связь устанавливаются в гнездо, уплотнительные устройства камеры расширения помещаются во взаимно перпендикулярные каналы, а отверстие выполнено в цилиндрической поверхности корпуса для установки камеры нагнетания. Центральная часть корпуса с внешней стороны стянута прижимными устройствами, вращающимися вместе с ротором. Уплотнительные устройства камеры расширения включают цилиндр и вставку из упругодеформируемого материала, помещенную между цилиндром и стенкой канала неразборного блока. В цилиндрической поверхности ротора, с безнапорной стороны поршней, выполнены сквозные отверстия, соединяющие полость кольцевой камеры с внутренним пространством двигателя. С передней торцевой стороны двигателя, перед первой его секцией, установлен вентилятор. Между секциями двигателя размещены кожухи, а на рабочем валу установлены воздухозаборные вентиляционные устройства, вращающиеся вместе с ним.
Эффективность и работоспособность каждой секции двигателя в значительной степени определяется обеспечением весьма жестких требований к технологическим допускам на изготовление секций и, в частности, на сборку ее корпуса и установку внутри корпуса ротора. Гарантированное качество такой сборки возможно только в заводских условиях с использованием специальных технологий, обеспечивающих соединение двух частей корпуса методом их посадки с натяжением. Для этого две составляющие части корпуса секции с размещенным между ними ротором и поршнями объединены с помощью, например, сварки и горячей клепки, выполненной с предварительным их натяжением, в неразборный блок. В состав этого блока могут также входить кольцевые уплотнители, размещенные между ротором и частями корпуса. Перед сборкой отдельные соединительные элементы корпуса смазываются твердеющим при высокой температуре составом. Собранная таким образом конструкция последующей разборке и ремонту не подлежит. В неразборный блок могут также входить прижимные устройства со скользящими торцевыми элементами, размещенные с двух сторон корпуса на выступающих частях ротора или непосредственно на рабочем валу. Надежность и долговечность неразборного блока обеспечивается созданием на внутренних его поверхностях, например, методом плазменного напыления, износостойкого и термостойкого покрытия. Все остальные элементы секции, включая выдвижные заслонки, камеры нагнетания, уплотнительные устройства камеры расширения и другие элементы, устанавливаются на готовом неразборном блоке, для монтажа которых в неразборном блоке предусмотрены специальные гнезда, отверстия и каналы.
Количество поршней, размещенных на роторе, должно быть меньше или равно количеству рабочих полостей, заключенных в кольцевой камере между выдвижными заслонками. Каждая выдвижная заслонка в представленном решении снабжена пружинным механизмом, который приводит ее в рабочее состояние, и замком, удерживающим выдвижную заслонку внерабочем состоянии. Один конец выдвижной заслонки крепится к корпусу с помощью шарнирной связи, другой - снабжен боковыми выступами, свободно перемещающимися в специальных шлицах корпуса. Боковые опорные грани выдвижной заслонки выполнены в виде клина, входящего в соответствующие клиновидные пазы, расположенные в кольцевой камере корпуса секции, что обеспечивает жесткую и плотную фиксацию выдвижной заслонки в корпусе секции во время совершающегося термодинамического цикла. Герметичность других граней выдвижной заслонки, контактирующих с корпусом секции и с ротором, обеспечивается закрепленными на выдвижной заслонке и шарнирной связи соответствующими уплотнительными устройствами, выполненными в виде упругих криволинейных пластин. Смазка трущихся элементов выдвижной заслонки обеспечивается через встроенную в шарнирно крепящуюся к корпусу связь маслопроводящую систему.
В камеру нагнетания топливная смесь под давлением подается из общей распределительной системы. Дозированная подача топливной смеси в камеру нагнетания осуществляется элементом дозированной подачи топлива, объединенным кинематической связью с выдвижной заслонкой. В состав элемента дозированной подачи топлива входят поршень, впускной и выпускной клапаны, объединенные с перекрывающими друг друга полыми цилиндрами, имеющими участки с перфорированными и неперфорированными поверхностями. Элемент дозированной подачи топлива выполнен из легких не намагничивающихся сплавов, а на подвижном штоке впускного клапана элемента дозированной подачи топлива закреплен намагничивающийся элемент (ферромагнетик), который взаимодействует со стационарно установленным возвратным механизмом, представляющим собой постоянный магнит или катушку индуктивности.
Источником воспламенения топливной смеси может служить установленный на поршне высокотемпературный элемент накаливания или установленный на поршне и создающий электрический разряд контактный элемент высоковольтного источника тока, который, перемещаясь внутри кольцевой камеры, поочередно входит во взаимодействие с другими, противоположно заряженными элементами того же высоковольтного источника тока, устанавливаемыми для этих целей близ выходного отверстия каждой камеры нагнетания. В районе выходного отверстия каждой камеры нагнетания может устанавливаться один или несколько таких элементов. Источник воспламенения, представляющий установленный на поршне и перемещающийся с ним по кольцевой камере контактный элемент, в работающей секции двигателя постоянно подключен к высоковольтному источнику тока. Неподвижные контактные элементы, установленные в районе выходного отверстия камеры нагнетания, отключены от источника тока при отключенной рабочей полости и подключены к источнику тока при включенной рабочей полости.
Для большей эффективности запуска холодного двигателя одновременно могут использоваться оба источника воспламенения, т.е. высокотемпературный элемент накаливания и контактный элемент высоковольтного источника тока. Дополнительная топливная смесь или один из компонентов топливной смеси может впрыскиваться непосредственно в камеру расширения, минуя камеру нагнетания. При подаче в камеру расширения дополнительной топливной смеси термодинамический процесс приобретает «цепной» характер, то есть сначала воспламеняется топливная смесь, поступающая в камеру расширения из камеры нагнетания, затем сгорает дополнительная порция топливной смеси, находящаяся в самой камере расширения. Топливная смесь в камере нагнетания и дополнительная топливная смесь, впрыскиваемая в камеру расширения, по своему химическому составу могут быть различными, причем топливная смесь, впрыскиваемая в камеру расширения, может быть газообразной, жидкой или твердой, в виде органической тонкой пыли. В камеру расширения также может подаваться один из компонентов топливной смеси, который не является топливом. Например, в камеру нагнетания подается водород, а в камеру расширения - кислород.
Герметичность между стенками кольцевой камеры и поршнями обеспечивается контурами, состоящими из 3-х уплотнительных участков, вставляемых в специальные каналы корпуса системообразующего блока. В каждый уплотнительный участок входят вращающийся цилиндр, который перекрывает микроскопический зазор между корпусом и поршнем, и упругое основание, обеспечивающее податливость этого цилиндра при воздействии на него поршня. Между цилиндром и упругим основанием может быть проложена пластина из твердого материала с низким коэффициентом трения. Подобные уплотнительные устройства также могут устанавливаться традиционным способом, т.е. непосредственно на поршнях. Чтобы снизить возможные радиальные нагрузки на подшипники и рабочий вал, боковые поверхности ротора и внутренние поверхности корпуса секций снабжены входящими друг в друга кольцевыми выступами и углублениями, через которые эти радиальные нагрузки передаются на корпус. Смазка сопрягающихся поверхностей этих выступов и углублений осуществляется через маслопроводящую систему, смонтированную на корпусе секции. Вывод из рабочей полости отработанных газов может осуществляться через сквозные отверстия, выполненные в роторе с безнапорной стороны поршней. Для вывода из рабочей полости отработанных газов могут также предусматриваться специальные окна, выполненные в боковых стенках корпуса. Для охлаждения двигателя диски роторов снабжены установленными под углом к их осям ребрами пропеллерного типа, а в корпусе, в соответствующих им местах, предусмотрены вентиляционные окна. Для проветривания и улучшения эффекта охлаждения полости кольцевой камеры в роторе, с безнапорной стороны поршней, могут быть выполнены сквозные отверстия, через которые полость кольцевой камеры сообщается с внутренним пространством системообразующего блока. Перед первой секцией установлен вентилятор, а между секциями двигателя на рабочем валу установлены воздухозаборные вентиляционные устройства, вращающиеся вместе с рабочим валом двигателя. Вентилятор охлаждает все внутренние поверхности двигателя, включая камеру расширения, а также внешние его поверхности, которые могут быть оснащены радиаторными элементами.
Управление режимами работы двигателя сводится к включению и отключению рабочих полостей через соответствующее включение и отключение замка удержания выдвижной заслонки. При отключенном замке удержания выдвижной заслонки выдвижная заслонка удерживается крюком в нерабочем положении. При включении замка удержания выдвижной заслонки крюк поворачивается приводным механизмом и высвобождает выдвижную заслонку, после чего срабатывает пружинный механизм, который вводит выдвижную заслонку в кольцевую камеру и, тем самым, включает в работу рабочую полость. Движущийся внутри кольцевой камеры поршень входит во взаимодействие с выдвижной заслонкой, которая посредством реечного механизма, состоящего из шестерен и зубчатых реек, обеспечивает дозированную подачу топливной смеси в камеру нагнетания. В камере нагнетания топливная смесь первоначально удерживается в полости цилиндра, между элементом дозированной подачи топлива и выпускным отверстием, например, специальной изолирующей поверхностью поршня, перегораживающей выпускное отверстие камеры нагнетания. В тот момент, когда установленный на поршне контактный элемент (источник воспламенения) оказывается близ камеры нагнетания, приоткрывается выпускное отверстие и топливная смесь через образовавшуюся щель из камеры нагнетания моментально устремляется в камеру расширения. Происходит электрический разряд между контактным элементом, установленным на роторе, и контактными элементами, установленными вблизи выходного отверстия камеры нагнетания, что, в свою очередь, приводит к возгоранию топливной смеси. Высокая температура и возрастающее давление внутри камеры расширения воздействуют на находящуюся в ней дополнительно впрыскиваемую топливную смесь, что вызывает последующее ее возгорание.
Предлагаемый роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания представлен на чертежах:
фиг.1 - общий вид двигателя. Разрез Б-Б;
фиг.2 - общий вид двигателя. Разрез А-А для варианта двигателя из трех секций;
фиг.3 - общий вид двигателя. Разрез В-В;
фиг.4 - выдвижная заслонка. Разрез Г-Г;
фиг.5 - выдвижная заслонка. Разрез Д-Д;
фиг.6 - выдвижная заслонка. Разрез Е-Е;
фиг.7 -неразборный блок. Вид «Ж»;
фиг.8 - неразборный блок. Вид «З»;
фиг.9 - неразборный блок. Разрез И-И;
фиг.10 - ротор с рабочими поршнями;
фиг.11 - неразборный блок. Разрез К-К;
фиг.12 - фрагмент секции двигателя с включенной рабочей полостью;
фиг.13 - фрагмент секции двигателя с отключенной рабочей полостью;
фиг.14 - камера нагнетания. Элемент дозированной подачи топлива перекрывает входное отверстие;
фиг.15 - камера нагнетания. Элемент дозированной подачи топлива перемещается в сторону выходного отверстия;
фиг.16 - камера нагнетания. Элемент дозированной подачи топлива перекрывает выходное отверстие;
фиг.17 - камера нагнетания. Элемент дозированной подачи топлива перемещается в сторону входного отверстия;
фиг.18 - элемент дозированной подачи топлива, когда он перекрывает входное отверстие;
фиг.19 - элемент дозированной подачи топлива, когда он перемещается в сторону выходного отверстия.
Двигатель состоит из отдельных секций 1 с рабочим валом 2. В каждой секции на роторе 3 жестко закреплены поршни 4, которые движутся внутри кольцевой камеры 5 корпуса 6, состоящего из двух частей 7 и 8, которые вместе с ротором 3, поршнями 4 и кольцевой камерой 5 с помощью, например, горячей клепки 9, выполняемой с предварительным натяжением, и сварных швов 10 объединены в единый неразборный блок, на котором устанавливаются все остальные съемные элементы секции 1. Корпус 6 стянут прижимными устройствами 11, установленными с двух сторон ротора 3. Кольцевая камера 5 поделена выдвижными заслонками 12 на рабочие полости, в каждой из которых совершается термодинамический процесс. Рабочие полости включают в себя камеру расширения 13, примыкающую к ней камеру нагнетания 14 и газоотводящую систему, выполненную, например, в виде вентиляционных окон 15, соединенных между собой галереей 16.
Один конец выдвижной заслонки 12, обращенный в сторону ротора 3, соединен с корпусом 6 посредством жесткой шарнирно крепящейся к корпусу 6 связи 17. Боковые опорные грани 18 выдвижной заслонки 12 выполнены в виде клина, сходящегося в направлении центра вращения ротора 3, и снабжены выступами 19, которые заходят в специальные направляющие пазы 20, устроенные в корпусе 6. Опирание выдвижной заслонки 12 на корпус 6 осуществляется через клиновидные пазы 21, в которые входят грани 18 выдвижной заслонки 12, при этом клиновидные пазы 21 выполнены таким образом, чтобы между заслонкой 12 и цилиндрической поверхностью ротора 3 оставался конструктивный зазор, который перекрывается легкодеформируемым упругим уплотнительным устройством 41. Форма поперечного сечения самой выдвижной заслонки 12 может быть любой, в том числе в виде клина, подобного боковым опорным граням 18.
В представленном решении выдвижная заслонка 12 объединена с элементом 22 дозированной подачи топлива, расположенным в камере нагнетания 14, жесткой кинематической связью, например реечным механизмом 23 с шестереночной передачей. Элемент 22 дозированной подачи топлива выполнен из не намагничивающихся легких сплавов и включает в себя поршень 24, входной клапан 25 и выходной клапан 26. Входной клапан 25 жестко соединен с поршнем 24 и со штоком 27. Входной 25 и выходной 26 клапаны имеют в своем составе перекрывающие друг друга цилиндры 28 и 29 с перфорированной и неперфорированной частями. Шток 27 элемента 22 дозированной подачи топлива оснащен намагничивающейся деталью 68, выполненной, например, из ферромагнетика, которая, перемещаясь вместе со штоком 27, периодически входит во взаимодействие со стационарно установленным возвратным механизмом 30, представляющим собой постоянный магнит или катушку индуктивности. Внутри цилиндров 28 имеются уплотнительные устройства 64, обеспечивающие работоспособность элементу 22 дозированной подачи топлива. Вся система, включающая выдвижную заслонку 12, шарнирную крепящуюся к корпусу 6 связь 17, реечный механизм 23, ротор 3 с поршнями 4, выполнена из легких термостойких материалов с низким коэффициентом температурного расширения.
Выдвижная заслонка 12 вводится в кольцевую камеру 5 и удерживается в рабочем состоянии пружинным механизмом 31. В нерабочем состоянии выдвижная заслонка 12 удерживается замком, состоящем из шарнирно закрепленного на корпусе 6 крюка 32, установленного на связи 17, вращающегося вокруг своей оси стержневого фиксатора 33, приводного механизма 34. Внешняя поверхность 35 крюка 32 имеет форму, которая обеспечивает возможность поворота крюка 32 вокруг шарнира при воздействии на него установленного на связи 17 стержневого фиксатора 33. Внутренняя поверхность 36 крюка 32 имеет заданную форму, которая при повороте крюка 32 до упора 37, осуществляемого пружиной 67, обеспечивает небольшое перемещение выдвижной заслонки 12 из кольцевой камеры.
В момент совершения термодинамического цикла герметичность камеры расширения 13 обеспечивается кольцевыми уплотнителями между корпусом и ротором (на чертеже не показано) и уплотнительными устройствами камеры расширения, состоящими из вращающихся цилиндров 38 и вставки 39 из упругоподатливого материала, а также установленным на выдвижной заслонке 12 уплотнительным устройством 40 и установленным на связи 17 уплотнительным устройством 41. Уплотнительные устройства 38 и 39 выполнены с использованием полимерных и нанокомпозитных материалов, стойких к агрессивным воздействиям и обладающих низким коэффициентом трения. Для повышения их износостойкости может использоваться смазка и специальные жесткие прокладки между цилиндрами 38 и вставкой 39, обладающие низким коэффициентом трения. Уплотнительные устройства 40 и 41 выполнены в виде упругих криволинейных пластин.
Система воздушного охлаждения двигателя включает отверстия 42 в цилиндрической поверхности ротора 3, вентиляционные устройства 43, установленные на рабочем валу 2 между секциями двигателя, вентилятор 44, установленный с торцевой стороны двигателя, а также кожухи 45 и радиаторы (на чертеже не показаны), установленные между секциями. Рабочий вал 2 выполнен из отдельных участков, соединенных между собой муфтами 46. В топливоподающей системе камеры нагнетания установлен обратный клапан 47. Источником воспламенения топлива служит расположенный на поршне 4 и создающий электрический разряд контактный элемент 48 высоковольтного источника тока. Перемещаясь вместе с поршнем по кольцевой камере 5, контактный элемент 48 входит во взаимодействие с другими, противоположно заряженными, контактными элементами 49 того же источника тока, которые установлены близ выпускных отверстий 61 камер нагнетания 14. Для технического осмотра и профилактики контактных элементов 48, установленных на поршнях 4 ротора 3, в корпусе 6 предусмотрено специальное окно 65. Контакт камеры нагнетания 14 с изолирующей поверхностью 50 поршня 4 осуществляется через переходный элемент 51, который выполнен из композитных материалов и может быть оборудован различными устройствами для лучшего контакта с изолирующей поверхностью 50. Близ выдвижной заслонки 12 размещена система 52 дополнительного впрыска топливной смеси в камеру расширения 13.
Для установки съемных рабочих элементов секций в неразборном блоке предусмотрены специальные отверстия, гнезда и каналы. Выдвижная заслонка 12, шарнирно крепящаяся к корпусу 6 связь 17 и пружинный механизм 31 устанавливаются в гнездо 53, причем для закрепления устройством 54 конца связи 17 также предусмотрено сквозное отверстие 55 в боковых поверхностях корпуса 6. Уплотнительные устройства камеры расширения, состоящие из элементов 38 и 39, помещаются во взаимно перпендикулярные каналы 57 и 58. Для возможной установки других уплотнительных устройств между ротором 3 и корпусом 6, например, в местах расположения выдвижной заслонки 12, в боковых поверхностях корпуса 6 предусматриваются специальные гнезда (на чертеже не показаны). Для установки камеры нагнетания 14 и переходного элемента 51 в цилиндрической поверхности корпуса 6 выполнено соответствующее отверстие 59.
С целью снижения возможных радиальных нагрузок на рабочий вал внешние боковые поверхности ротора и внутренние поверхности корпуса секций снабжены входящими друг в друга кольцевыми выступами и углублениями 66, которые также могут выполнять функции кольцевых уплотнителей. Смазка сопрягающихся поверхностей этих выступов и углублений осуществляется через маслопроводящую систему, смонтированную на корпусе секции (на чертеже не показано).
Управление термодинамическими процессами двигателя осуществляется через компьютер, к которому он подключен. Компьютер включает и отключает отдельные секции 1 двигателя, а также размещенные в них рабочие полости через включение и отключение приводного механизма 34 замка удержания выдвижной заслонки 12. При неработающем двигателе и в отключенной рабочей полости приводные механизмы 34 отключены от источника электроэнергии и выдвижные заслонки 12 удерживаются крюком 32 в нерабочем положении. Для включения рабочей полости приводной механизм 34 подключается к источнику электроэнергии и поворачивает крюк 32 замка, который выводит из-за зацепления стержневой вращающийся фиксатор 33, установленный на связи 17. Выдвижная заслонка 12 освобождается от удерживающего крюка 32 и пружинным механизмом 31 вводит ее в кольцевую камеру 5.
На примере термодинамического процесса (цикла), происходящего в одной рабочей полости, можно представить работу отдельной секции и двигателя в целом.
В работающем двигателе поршень 4, перемещаясь по кольцевой камере 5, передней наклонной гранью входит во взаимодействие с выдвижной заслонкой 12, выталкивая ее из кольцевой камеры 5 во внешнюю часть корпуса 6. Обращенный к центру вращения ротора конец выдвижной заслонки 12, воспринимающий поперечную нагрузку от воздействия на него поршня 4, передает эту нагрузку через связь 17 на корпус 6. В представленном варианте реечного механизма другой конец выдвижной заслонки 12, снабженный выступами 19, перемещается в направляющих пазах 20 корпуса 6. При этом пружина механизма 31 выдвижной заслонки сжимается, а входящий в состав камеры нагнетания 14 элемент дозированной подачи топлива 22, включающий в себя поршень 24, входной 25 и выходной 26 клапаны, перекрывающие друг друга цилиндры 28 и 29 с перфорированной и неперфорированной частями, под воздействием реечного механизма 23, приводимого в действие выдвижной заслонкой 12, перемещается внутри цилиндра от впускного отверстия 60 в сторону выпускного отверстия 61, вытесняет из цилиндра воздух, перемешанный с продуктами горения, и затем перекрывает выпускное отверстие 61. Одновременно с этим клапан 25 открывает впускное отверстие 60 и через топливно-подающую систему 62, оснащенную обратным клапаном 47, камера нагнетания наполняется топливной смесью.
Процесс заполнения камеры нагнетания топливной смесью и перекрытие выпускного отверстия 61 заканчивается чуть раньше, чем изолирующая поверхность 50 поршня 4 войдет в прямой контакт с выдвижной заслонкой 12 и перекроет выпускное отверстие 61. С этой целью на штоке 27 предусмотрено размещение специального пружинного устройства 63.
В следующий момент продвижения поршня 4 внутри кольцевой камеры 5 выдвижная заслонка 12 оказывается на изолирующей поверхности 50 поршня 4, которая перекрывает выпускное отверстие 61 камеры нагнетания 14. Для того чтобы обеспечить герметичность между поверхностью 50 и выпускным отверстием 61, используется переходный элемент 51.
При дальнейшем продвижении поршня 4 по кольцевой камере 5 поршень 4 полностью оказывается в камере расширения 13 и выдвижная заслонка 12 под воздействием пружинного механизма 31 входит во внутрь кольцевой камеры 5 и перекрывает ее. При этом один конец выдвижной заслонки 12, соединенный связью 17 с корпусом 6 секции, описывает криволинейную траекторию, в результате чего выдвижная заслонка 12 боковыми опорными гранями 18, имеющими клиновидную форму, плотно входит в пазы 21 корпуса, имеющие такую же клиновидную форму, что и боковые грани 18. Герметичность контактов других граней выдвижной заслонки 12 обеспечивается уплотнительными устройствами 40 и 41.
Срабатывание пружинного механизма 31 возвращает элемент дозированной подачи топлива 22 в свое первоначальное положение, то есть - когда клапан 25 перекрывает впускное отверстие 60 камеры нагнетания 14. При этом в первый момент срабатывания пружинного механизма 31 перед клапаном 26 образуется вакуум и происходит разгерметизация контактов между уплотнительными устройствами 64 и цилиндром 29, в результате чего внутри элемента дозированной подачи топлива 22 возникает давление, близкое к давлению топливной смеси в системе 62. Под действием этого давления цилиндры 28 и 29 раздвигаются и через их перфорированные части топливная смесь устремляется в сторону выпускного отверстия 61, где от перемещения поршня 24 в этой части камеры нагнетания возникает пониженное давление. Клапан 26 может представлять собой магнит, притягивающийся к переходному элементу 51, что способствует вытягиванию перфорированного цилиндра 29 из другого перфорированного цилиндра 28. При положении элемента дозированной подачи топлива 22, когда клапан 25 перекрывает впускное отверстие 60, возвратный механизм 30, представляющий собой магнит, притягивает к себе элемент 68, закрепленный на не намагничивающемся штоке 27. Шток 27 перемещает выходной клапан 26 с цилиндром 29 (детали не показаны) и восстанавливает герметичный контакт между уплотнительными устройствами 64 и цилиндром 29.
Как только установленный на поршне 4 контактный элемент 48 оказывается близ первого по ходу движения ротора неподвижного противоположно заряженного контактного элемента 49, из камеры нагнетания 14 в камеру расширения 13, в которой к этому моменту создался вакуум, через открывшуюся щель всасывается топливная смесь, которая от электрического разряда, возникающего между контактными элементами 48 и 49, воспламеняется. Газами горения топливной смеси поршень 4 проталкивается по камере расширения 13 к вентиляционному окну 15 и вращает ротор 3 вместе с рабочим валом 2. При отключении рабочей полости, то есть, когда выдвижная заслонка 12 удерживается замком в нерабочем состоянии, соответствующие неподвижные контактные элементы 49 по команде замка удержания выдвижной заслонки отключаются от источника тока и электрический разряд между ними и контактным элементом 48 (источником воспламенения, расположенным на поршне) не возникает. С целью повышения эффективности источника воспламенения близ выходного отверстия 61 камеры нагнетания 14 дополнительно может устанавливаться второй неподвижный контактный элемент 49, а также на поршне - высокотемпературный элемент накаливания. Для снижения расхода основной топливной смеси и усиления термодинамического эффекта в камеру расширения 13 через специальное устройство 52 может впрыскиваться небольшое количество отличной по своему составу топливной смеси, которая воспламеняется от горения основной топливной смеси, содержащейся в камере нагнетания 14. Как вариант, через устройство 52 в камеру расширения 13 может подаваться один из компонентов топливной смеси, не являющийся топливом, например кислород. При работе двигателя на природном газе или водороде в камеру нагнетания 14 подается чистое топливо, а в камеру расширения 13 через устройство 52 подается поддерживающий горение топлива кислород.
В период прохождения поршня 4 под выдвижной заслонкой 12 уплотнительное устройство 41, установленное на связи 17 выдвижной заслонки, не имеет контакта с поршнем 4. Силовой контакт между поршнем 4 и выдвижной заслонкой 12, выталкивающий выдвижную заслонку из кольцевой камеры, происходит в двух точках, расположенных на противоположных боковых границах выдвижной заслонки и поршня (на чертеже не показано).
Размер зазора между выдвижной заслонкой 12 и ротором 3, перекрываемого упругим уплотнительным устройством 41, и конфигурация напорной грани поршня 4 назначаются из условия обеспечения герметичности камеры расширения 13 и максимального снижения шума, создаваемого работающим двигателем.
Смазка трущихся элементов двигателя осуществляется расположенной в связи 17 маслопроводящей системой (на чертеже не показано) через устройство 54.
В двигателе используется воздушная система охлаждения, включающая отверстия 42 в цилиндрической поверхности ротора 3, через которые происходит проветривание внутренних рабочих полостей 13 двигателя, вентиляционные устройства 43 в виде лопастей пропеллерного типа, установленные на рабочем валу 2 между секциями двигателя, и автономный вентилятор 44, установленный с торцевой стороны двигателя. Для охлаждения двигателя также используются кожухи 45 и радиаторные ребра, установленные между секциями. Автономный вентилятор 44 обеспечивает подачу забираемого из атмосферы воздуха во все внутренние полости двигателя, включая вентиляционные галереи 16 и камеры нагнетания 13, а также обдувает двигатель снаружи.
С целью снижения износа трущихся элементов выдвижной заслонки 12 и упрощения системы их смазки вместо пружинного механизма 31 могут использоваться механизмы с электрическим приводом, например, соленоиды, и система датчиков управления этими механизмами, связанная с компьютером.
За один оборот ротора в каждой секции двигателя совершается от m до N=m×n термодинамических циклов, где m - количество поршней на роторе, n - количество рабочих полостей, на которые поделена кольцевая камера. Для каждой секции двигателя должно выполняться условие n≥m. Например, в кольцевой камере, поделенной выдвижными заслонками на n=4 рабочие полости, для ротора с поршнями m=2 количество термодинамических процессов (циклов) может составлять, в зависимости от количества подключенных к работе рабочих полостей от N=4 до N=8.
С целью минимизации возможных радиальных нагрузок, передаваемых ротором 3 на рабочий вал 2, количество рабочих полостей, расположенных в кольцевой камере 5, и количество поршней 4, размещенных на роторе, должно быть четным, причем рабочие полости в кольцевой камере, а также поршни на роторе следует располагать диаметрально противоположно.
Максимальная допускаемая скорость вращения рабочего вала данного двигателя, как и для любого другого двигателя внутреннего сгорания, жестко регламентирована. В отличие от известных двигателей внутреннего сгорания в рассматриваемом двигателе максимальная допускаемая скорость вращения ротора, следовательно, и скорость вращения рабочего вала ограничивается параметрами эффективного срабатывания пружинного механизма выдвижной заслонки.