KR20040028754A

KR20040028754A - 로터리 머신 및 서멀 사이클

Info

Publication number: KR20040028754A
Application number: KR10-2003-7014712A
Authority: KR
Inventors: 던칸로니제이
Original assignee: 새들 락 테크놀러지 엘엘씨
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2004-04-03
Also published as: CA2446833A1; US20020179036A1; US20050284440A1; US6782866B2; US20050109310A1; US6672275B2; JP2004529285A; WO2002090738A3; US20040187839A1; US20030084657A1; CN1257345C; US20040159306A1; EA200301220A1; BR0209480A; WO2002090738A2; MXPA03010203A; CN1520491A; EA006116B1; US20030116119A1; US20030097831A1

Abstract

로터리 구성요소와 함께 하우징(42)을 갖는 로터리 머신(40)이 개시된다. 로터리 머신(40)은, 내연 로터리 엔진, 외연 로터리 엔진, 가스 컴프레서, 진공 펌프, 액체 펌프, 드라이브 터빈, 팽창 가능한 가스 또는 가압 액체를 위한 드라이브 터빈으로 구성될 수 있다. 연소 기관은, 사이클의 일부로서 오토 사이클의 연소물에 대한 내부 압축 사이클을 제거한 새로운 열 사이클을 채용한다. 새로운 연소 열 사이클은, 흡기, 팽창 및 배기이다.

Description

로터리 머신 및 서멀 사이클{ROTARY MACHINE AND THERMAL CYCLE}

인류가 여러 세기 동안 발전하면서, 우리들 사람들은, 우리들이 더 높은 진화적 표준을 획득하는데 도움이 되도록, 기계와 도구를 개발하도록 전념하여왔다. 기술적인 진보는, 초창기의 레버와 바퀴에 대한 발명 및 발견과 지금 우리들이 일상 생활에서 즐기는 좀더 복잡한 통신 및 계산기구들을 포함한다. 아주 초보적인 것으로부터 아주 복잡한 것에 이르기까지, 거의 모든 기술이, 이 지구 위의 사람 및 동물들의 일상 생활이 더 편안해지도록, 커다란 발전이 이루어져 왔다. 그러나, 오랫동안 우리들과 함께 하여 왔던, 우리들의 일상생활에서 극히 중요하게 이용하고 있음에도 불구하고 기술 발전이 없었던, 하나의 발명이 있다.

전형적인 4사이클 내연왕복기관은, 지구 위의 거의 모든 차량에게 동력을 공급하고 있다. 마찬가지로, 위 엔진은, 보트, 발전기, 압축기, 펌프 및 모든 종류의 머신에 동력을 공급하기 위하여 채용되고 있다. 그러나, 그러한 폭넓은 이용에도 불구하고, 내연기관 또는 오토 사이클 기관, 또는 어떤 경우에, 디젤 사이클 기관은, 매우 작은 기술 발전만이 이루어져 왔다. 위와 같은 기관에 이루어진 변화는, 기관의 기본적인 열 사이클에 대해서는 손대지 않은 채 이루어져왔다.

일반적인 내연기관, 오토 및 디젤 사이클의 왕복운동은, 회전 동력을 산출하는데 비효율적인 방법이다. 전형적인 4사이클 엔진은 각 파워 유닛 마다 4개의 왕복 운동을 요구한다. 초기에, 기관은 흡기 및 압축 행정, 이어서 연소, 팽창 및 배기 행정을 수행한다. 4 실린더 기관의 왕복 운동은, 피스톤, 커넥팅 로드, 그리고 조립품 등의 회전 질량에 대하여 4가지 관성변화를 요구한다. 위 관성 변화는 시스템에 대하여 동력 손실이 발생하도록 한다. 마찬가지로, 내연기관의 각각의 사이클은, 관련된 밸브, 스프링, 리프터, 로커 아암, 푸시 로드들에 대하여 4가지 관성 변화를 요구하고, 기관에 대해 부가적인 전체 손실을 발생시킨다.

표준 내연기관의 기계적 복잡성은, 설계상의 전체적인 비효율을 야기한다. 1실린더 4사이클 기관은, 피스톤, 피스톤 핀, 커넥팅 로드, 크랭크 샤프트, 많은 리프터, 푸시 로드, 로커 아암, 밸브, 밸브 스프링, 기어, 타이밍 체인, 그리고 플라이휠을 포함하는 많은 무빙 파트들을 요구한다. 이러한 파트들의 개개 부품은, 퍼티그 또는 마모로 인하여, 기관 고장의 확률을 증대시킨다. 마찬가지로, 이러한 파트들의 많은 수는, 사이클 당 4번 변화하는 관성 질량의 양을 증대시키고, 시스템에서 발생하는 파워를 감소시킨다. 개개의 무빙 파트들은, 각각의 상대 파트 사이에서 마찰 손실을 받게되고, 동력 손실을 증가시킨다. 더욱이, 그러한 많은 수의 가동 부품들을 요구하는 경우 제조 및 유지에 비용이 많이 소요된다.

전형적인 4사이클 기관은 저 토크, 고 알피엠(rpm) 머신이다. 상대적으로 짧은 크랭크 아암의 동작 거리는, 매우 낮은 토셔널 모멘트를 발생시키기 때문에, 오토 사이클 기관은 높은 파워 레이트를 얻기 위하여 높은 알피엠을 요구한다. 특히, 오토 및 디젤기관은, 피스톤 사이클의 상사점(top dead center)에서 대략 가장 낮은 토셔널 모멘트 및 가장 높은 내부 압력을 얻게된다. 따라서, 기관 사이클은, 일을 하기 위한 기관의 가장 큰 포텐셜-가장 높은 내부 압력-과, 위 포텐셜을 활용하거나 파워로 변환하기 위한 기관의 능력이 어울리지 않게 된다. 더욱이, 토크 모멘트는 일정하지 않다. 오히려, 토크 모멘트는, 상사점에서 대략 0이고, 중간 행정에서 가장 큰 값에 도달하고, 하사점에서 0으로 되돌아간다.

설계에 의해, 가장 높은 내부 압력은, 피스톤이 대략 풀 행정 또는 풀 신장일 때 발생한다. 그러므로, 연소하는 동안 발생되는 대부분의 초기 힘은, 피스톤과 커넥팅 로드가 축방향 아래를 향하도록 전달되고, 회전력으로 전달되지 않는다. 바로 이어서, 토셔널 모멘트가 증가함에 따라서, 대부분의 팽창력이 회전력으로 변환된다. 그에 따른 구조적 요구사항은, 피스톤 조립체 설계에 제한을 주고, 무게를 증가시키고, 재료 선택에 제한을 주게된다.

더구나, 왕복 운동에 의해 발생되는 상대적으로 낮은 토크를 증대시키기 위하여 전동기구가 필요하고, 따라서 전체 시스템에 대하여 무게, 비용, 복잡성이 추가되고, 추가적인 동력이 요구된다.

연소물(combustion products)에 대한 원래의 단위 체적에 대한 압축 및 그로 인한 가열은, 더욱 동력손실을 발생하게 한다. 가스 팽창은 점화 전의 가스 온도에 의존한다. 다른 모든 변수가 일정하면, 낮은 점화 온도를 갖는 가스는 높은 점화온도를 갖는 가스보다 주어진 공간을 더 많이 팽창한다. 따라서, 점화 전에 압축에 의한 연료/공기 혼합물에 대한 가열은, 이어지는 팽창 행정동안 도달할 수 있는 팽창 량 즉 일을 감소시킨다. 마찬가지로, 왕복운동 설계는, 팽창 체적이 압축 체적과 동일하지 않기 때문- 연소는 가스를 가열하고 따라서 초기 볼륨을 넘어서 팽창 체적을 증가시킴-에, 유효한 일을 하기 위한 연소 생성물의 능력이 제한된다. 따라서, 상대적으로 고온인 연소가스가, 다른 유용한 일을 수행함이 없이, 배기되는 것이다.

오토, 디젤, 그리고 다른 로터리 기관의 전체적인 설계는, 고압에서의 크로스 리키지(cross-leakage)에 의해 제한된다. 더욱 자세하게는, 크로스 리킹(cross leaking)은, 피스톤이 움직이는 동안 시스템의 고압 사이드로부터 저압 사이드로의 흐름에 기인하는 내부 압력 손실이다. 리키지는, 일반적으로 피스톤과 실린더벽 사이, 배기 및 흡기 포트, 그리고 실린더 헤드와 블록 사이에서 일어난다. 다른 내연 기관에서의 수많은 시일부재와 커넥팅 부재가 크로스 리키지를 발생시킨다. 따라서, 기관의 작동 내부 압력 범위가 크게 낮아진다.

현재의 회전 기관 기술에 대한 또 다른 한계는, 기관에 대한 내부 연소 설계에 있다. 더욱 자세하게는, 현재의 로터리 엔진은 내연 기관으로서만 작동된다. 현재의 설계는, 외연기관 또는 외부 데토네이션(detonation) 사이클 기관으로 사용하는 것을 허락하지 않는다. 따라서, 로터리 엔진 기술의 현재 상태는, 이 발명의 외부 관점에서 요구되는 것보다, 훨씬 더 큰 가스 팽창을 위한 체적을 요구하고 있다.

현재의 엔진 기술의 또 다른 한계는 설계 다양성의 결여이다.

전형적인 내연 기관을 위한 다양성의 정도는, 많은 왕복 운동으로부터 공통된 크랭크샤프를 구동하기 위한 필요성에 의해 제한된다. 엔진 설계는, 표준적인 인라인(in-line) 및 브이 타입 엔진 구조로부터 거의 발달되지 않았다. 심지어, 다른 로터리 엔진 설계는, 로터리 부품의 배열에 있어서 유일한 종류이다. 크로스 회전과 같이, 피스톤 배치의 대안은 시도되지 않았다. 이러한 설계 다양성의 제한은, 공간 절감 설계를 할 수 없게 한다.

내연기관에 대한 다른 설계 제한은, 그 사용상의 유일함에 있다. 내연기관은 내연기관으로서만 작동한다. 그것은 화학적 에너지를 회전 축 형태의 기계적 에너지로 변환하는 동력원이다. 내연기관 자체는, 외부 연소를 제공하는 쉐입드 차지(shaped charge) 또는 데토네이션 사이클(detonation cycle) 장치와 같은, 내부 연소 챔버가 아닌 데토네이션 챔버와는 함께 작동될 수 없다. 더욱이, 내연기관 자체는, 에어 컴프레서, 진공 펌프, 외연기관, 워터 펌프, 팽창 가능한 가스를 위한 드라이브 터빈 또는 드라이브 터빈으로서 작동할 수 없다.

본 발명은 로터리 머신에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 및 외부 로터리 연소 엔진, 유체 컴프레서, 진공 펌프 및 팽창 가능한 가스 또는 가압(pressurized) 유체 및 물을 위한 드라이브 터빈에 관한 것이다.

도 1은 로터리 머신의 분해 사시도이다.

도 2는 로터리 컴포넌트의 정면을 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 외연기관을 도시한 분해 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일정 형상의 차지 또는 다른 데토네이션 사이클 외연기관을 도시한 분해 사시도이다.

도 5는 도 2의 5-5선을 취하여 본 로터리 컴포넌트 일부의 단면을 도시한 사시도이다.

도 6은 도 1의 6-6선을 취하여 본 로터리 컴포넌트 일부의 단면을 도시한 사시도이다.

도 7은 도 2의 7-7선을 취하여 본 로터리 컴포넌트 일부의 단면을 도시한 사시도이다.

도 8은 도 1의 8-8선을 취하여 본 로터리 컴포넌트 일부의 단면을 도시한 사시도이다.

도 9는 본 발명의 멀티 실린더를 도시한 사시도이다.

도 10은 본 발명의 멀티 폭발(firing)를 도시한 정면도이다.

도 11은 로터리 사이클의 상태를 도시한 정면도이다.

도 12는 로터리 사이클의 상태를 도시한 정면도이다.

도 13은 로터리 사이클의 상태를 도시한 정면도이다.

도 14는 로터리 사이클의 상태를 도시한 정면도이다.

도 15는 서멀(thermal) 사이클을 도시한 그래프이다.

본 발명은, 내부 또는 외부 로터리 연소 엔진, 쉐입드 차지(shaped charge) 또는 데토네이션 차지(detonation charge) 로터리 엔진, 유체 압축기, 진공 펌프, 또는 팽창 가능한 가스 또는 가압 유체 및 물을 위한 드라이브 터빈으로 기능하는 로터리 머신을 포함한다. 본 발명의 다른 특징에 따르면, 로터리 머신은, 주변 형상이 실린더인, 일반적으로 환상(toroidal) 형상의 하우징을 채용하고 있다. 복수의 회전 부품들은, 상기 환상 하우징의 실질적으로 내부에 배치되고, 하우징과 일체로 연결되어 있다. 상기 복수의 회전 부품들은, 팽창 링 돌출부를 갖는 팽창 링을 포함하고, 상기 팽창 링 돌출부는 리세스를 갖는 실링 실린더와 협동하되 상기 리세스는 팽창 링 돌출부와 기계적으로 결합된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 로터리 머신이 수행하는 기능에 따라, 여러 가지 가스, 연료, 또는 유체가 로터리 머신 내부에 정의된 챔버로 들어가거나 나갈 수 있도록, 흡기 포트와 배기 포트를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 내연기관으로 기능할 때, 흡기 포트로 들어가는 연소 생성물은 점화 이전에 연소실에 의해 압축되지 않도록 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 몇몇 실시예에서, 팽창비는 압축 체적 보다 크다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 배기 가스는, 대기압을 포함하여 바람직한 배기 압력에서 배기된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 환상 하우징은, 크로스 리킹으로 인한 압력 손실을 방지한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 토크 모멘트는 사이클 내내 일정하고, 압력이 감소됨에 따라 토크값은 감소한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 일정한 토크 모멘트는, 로터리 머신이 상대적으로 낮은 알피엠에서 작동하도록 하고 반면에 상대적으로 높은 파워 아웃풋을 얻도록 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 가장 높은 토크 모멘트는, 가장 높은 압축 또는 내부 압력과 일치한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 토크값과 알피엠은, 요구되는 파워 아웃풋을 얻기 위하여 조작될 수 있는 독립적인 변수들이다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 압축비는 독립적이고, 요구되는 아웃풋을 얻기 위하여 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 피스톤과 아웃풋 샤프트의 상대 운동은, 어떠한 배치에 대해서도 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 점화 타이밍은, 요구되는 연소 압력을 얻기 위하여 가변할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 다양한 점화 장치, 예를 들면 트랜스포머 디스차지 시스템, 볼테지 디바이스, 스파크 플러그, 포토일렉트릭 셀, 피에조일렉트릭 및 플라즈마 아크 디바이스 등이 로터리 머신에 채용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 로터리 머신은, 개별적으로 또는 결합되어 채용될 수 있는 양방향 회전 파워를 발생시킨다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 로터리 머신들은, 요구되는 파워 아웃풋을 얻기 위하여 선택적으로 채용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 로터리 머신들은, 요구되는 진공 또는 압축 값을 얻기 위하여 선택적으로 채용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 새로운 열 사이클이 개발되고, 위 사이클은연소 챔버 내부에서 연소물이 압축되지 않으면서 흡기, 팽창 및 배기 행정을 갖는다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 몇몇 실시예에서 연소물은 연소전에 압축된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 연소 및 팽창 챔버는, 최소한의 관성 손실을 가진 채 연소물의 효율적인 팽창을 허용하도록, 형태가 이루어져 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 피스톤 크기와 토크 모멘트는, 요구되는 알피엠 및 파워 요구를 얻기 위하여, 가변적이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 이하 도면에 따라 하기에서 상세히 설명된다.

도 1은 로터리 머신(40)의 바람직한 실시예를 도시한다. 상기 로터리 머신(40)은 일단에 커버(43)가 구비된 대개 환상면의 하우징(42)을 사용한다. 대체로 상기 환상면의 하우징(42)내에 배치되며, 상기 하우징(42)에 완전히 연결된 다수개의 로터리 컴포넌트가 있다. 상기 환상면의 하우징(42)은 대체로 경계가 실린더 형상이다. 그러나, 상기 커버(43)의 반대편 상기 하우징(42)의 일단에는 대개 환상면의 내부하우징(56)을 형성한다.(도 2 참조)

팽창 링(44)은 상기 하우징(42)과 상기 커버(43) 사이에 위치한다. 더욱 자세하게는, 상기 팽창 링(44)은 상기 환상면의 하우징(42)과 상기 환상면의 내부하우징(56)사이에 배치된다. 상기 팽창 링(44)은 대개 실린더 형상이며, 팽창 링(44)의 내부 표면부에 배치된 팽창 링 기어(46)를 가지고 있다.(도면 2 참조) 상기 팽창 링 기어(46)와 그것에 대응하는 상기 팽창 링(44)부분은 상기 대개 환상면의 하우징(42)내에 형성된 팽창 링 기어 레이스(48)내에 배치된다.(도면 5,6 참조) 상기 레이스(48)는 상기 팽창 링(44)부분을 위해 베어링면을 제공한다. 상기 레이스(48)는 상기 팽창 링 기어(46)의 지름보다 약간 작은 지름을 가지는 대체로 실린더 형상의 그루브이다. 상기 레이스(48)의 깊이는 로터리 머신(40)에 사용된 적용(application)에 의해 크게 결정된다. 비교적 고속에서, 상기 레이스 깊이에서 저 토크의 적용은 더 낮은 알피엠(rpm)의 적용보다 약간 클 수도 있다. 가이드 작용을 하는 상기 레이스(48) 디자인은 상기 팽창 링(44)의 회전 운동을 유지하도록 도와주는 가이드 트랙을 제공한다.

상기 베어링(미도시)의 타입은 상기 적용과 함께 상기 여러 가지 로터리 컴포넌트의 상대적인 운동을 전하기 위해 사용된다. 더 고속에서, 실시예의 저 토크 롤러 베어링이 사용될 수도 있다. 그러나, 예를 들면, 볼, 테이퍼, 에어, 리퀴드 메탈 그리고 마그네틱 베어링과 같은 다른 베어링이 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다. 유사하게, 고 토크에서, 저속 탄소(그래파이트) 부시의 적용이 바람직하다. 또한, 예를 들면, 세라믹 합성물, 오일이 주입된 합성물과 브론즈, 탄소가 주입된 합성물, 카바이드 합성물 그리고 분말 메탈 합성물로 된 다른 베어링은 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다.

나아가, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 팽창 링(44)의 내부면에는 팽창 링 돌출부(50)가 위치한다.(도 2) 상기 팽창 링 돌출부(50)는 상기 팽창 링(44)의 내부면에 방사형으로 형성된다. 상기 돌출부(50)는 상기 팽창 링(44)의 내부면으로부터 상기 환상면의 내부하우징 벽(60)까지 뻗는다.(도 2) 게다가, 실링 실린더(62)는 상기 팽창 링(44)내에 배치되며, 상기 환상면의 하우징(42)내에 배치된다. 상기 실링 실런더(62)는 상기 팽창 링 기어(46)와 상기 실링 실린더 기어(66)를 거쳐 상기 팽창 링(44)에 기계적으로 연결된다. 상기에서 설명한 바와 같이 유사한 방법으로, 상기 실링 실린더 기어(66)는 상기 실링 실린더 레이스(67)에 걸려있다.(도 5 참조) 또한, 상기 실링 실린더(62)는 상기 실링 실린더 기어(66)의 반대편 일단에 배치되며, 상기 실링 실린더(62)의 외주면에 배치되는 실링 실린더 오목부(64)를 가지고 있다.(도 2) 상기 실링 실린더 오목부(64)는 기계적으로 형성되고 배치된다. 다른 팽창 링(44) 디자인은 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다.

더욱 자세하게는, 상기 하우징 내 상기 팽창 링의 배열은 표면상으로 뻗는 돌출부(50)를 가지고 상기 공간(110)의 내부로 배치된 상기 링(44)을 구비할 수 있다(미도시). 마찬가지로, 상기 링은 내외부로 뻗는 돌출부(50)를 가지고 상기 공간(110)의 거의 중앙에 배치될 수도 있다(미도시). 이런 식으로, 링(44)과 돌출부(50)의 배열은 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다.

로터리 컴포넌트의 회전 운동 관계뿐만 아니라 상기 실링 실린더(62)와 상기 팽창 링(44) 사이의 기어 관계 또한 조정될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 비교적 고 토크를 적용한 낮은 기어비는 대체로 바람직하다. 예를 들면, 실링 실린더(62)와 팽창 링(44)의 1 : 1 비율 속도는 바람직하다. 반대로, 비교적 고속 저토크 적용을 위해 높은 비율, 예를 들면, 팽창 링(44)과 실링 실린더(62)의 1 :10 비율이 사용될 수도 있다. 상기 비율은 이 로터리 머신에 사용하기에 적합한 다양한 비율의 실례이고, 다른 어떤 비율도 원하는 출력을 얻기 위해 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다.

본 발명의 다른 면은 로터리 컴포넌트의 다양한 관계이다. 도면에서 도시한 바와 같이 바람직한 실시예에 따르면, 상기 링(44)과 실린더(62)는 같은 평면상에서 회전한다. 그러나, 다른 기계적인 연결은 다른 평면상에서 상기 링(44)과 실린더(62)의 회전을 하게 할 수도 있다. 다양한 기어 결합(미도시) 또는 일반적으로 종래기술에 알려진 다른 기계적인 수단이 사용됨으로써, 상기 실린더(62)에 의한 회전의 평면보다도 다른 평면에서 발생될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 실링 실린더(62)는 상기 실링 실린더(62)의 각 끝단으로부터 외부로 뻗는 상기 실린더 축인 실링 실린더 돌출부(68)를 가지고 있다. 상기 실링 실린더 돌출부(68)는 상기 로터리 머신(40)의 외부로 시계방향과 반시계방향의 회전시키기 위해 상기 환상면의 하우징(42)과 상기 커버(43)의 외부로 뻗는다. 다른 실시예에 따르면, 돌출부(68)는 상기 실링 실린더(62)의 일측으로부터 뻗을 수도 있다. 이 방법에 의하면, 더 많은 콤팩트한 로터리 머신(40)이 조립되거나 특수 회전력을 얻을 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 환상면의 하우징(42)을 통과하여 뻗는 상기 실링 실린더 돌출부(68)는 또한 상기 밸브 포트(86)의 오프닝 타이밍을 컨트롤한다. 상기 밸브 포트 오프닝 타이밍은 고속 기어(82)와 저속 기어 밸브(84)를 경유하여 컨트롤된다. 고속 기어(82)는 상기 돌출부(68)와 결합되고, 상기 돌출부(68)의 회전에 따라 동시에 회전된다. 또한, 밸브 포트(86)에 배치되어 구비된 상기 저속 기어 밸브(84)에는 상기 고속 기어(82)가 연결된다. 나아가, 흡기 포트(74)는 상기 하우징(42)이 표면을 통해 배치되고, 상기 기어 밸브(84)에 포함되어 있다.(도 2) 상기 고속 기어(82)를 거친 기어 밸브(84)의 회전은 연소 생성물의 삽입을 허용하도록 상기 밸브 포트(86)와 상기 흡기 포트(74)의 정렬 중단을 야기시킨다.

나아가, 이그니션 장치(88)가 상기 하우징(42)에 배치되며, 이그니션 포트(76)와 연결된다.(도 2 참조) 바람직한 실시예에 따르면, 이그니션 장치(88)로서 스파크 플러그를 사용한다. 그러나, 종래 기술에 알려져 있는 다른 이그니션 장치(88)를 본 장치로 사용할 수 있다. 예를 들면, 트랜스 디스차지 시스템, 전압기(voltage device), 광전자 셀, 플라즈마 아크는 본 발명의 범위 내에 속한다. 또한, 상기 환상면의 하우징 표면에는 배기 포트(78)가 배치된다.

상기 이그니션 포트(76)는 (도 2 참조) 상기 이그니션과 흡기 생성물의 효율적인 상호작용을 제공하기 위해 비교적 상기 흡기 포트(74)와 일정간격을 두고 형성된다. 도면에 도시한 바와 같이, 상기 이그니션 포트(76)는 상기 흡기 포트(74)와 상대적으로 반시계방향으로 회전하도록 배치된다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 인렛 포트는 상기 실링 실린더(62)와 겹쳐지는 것을 포함하여, 가능한 한 상기 실링 실린더(62)와 근접하도록 간격을 유지한다. 다른 실시예에 따르면, 상기 흡기 포트(74)와 상기 이그니션 포트(76)의 상대적인 위치는 매우 다양하다. 또한, 상기 포트의 사이즈와 형태가 예를 들어, 원, 사각형, 삼각형, 달걀형과 같이 다양하게 될 수 있다. 포트의 상대적 크기는 발생되는 매스(mass)이동과, 정해진 적용에 필요한 매스 이동량을 위해 이용되는 타임에 좌우된다. 다수개의 포트는 원하는 작동 컨디션을 얻기 위해 사용된다. 나아가, 상기 상대적인 포트는 챔버 표면에 상대적인 각으로 사용된다.(미도시) 이 방법에 따르면, 상기 흡기와 이그니션 생성물은 상기 팽창 링(42)을 향해 나아가는 방향으로 추진된다.

그러나, 본 발명의 다른 디자인의 고려는 중요한 선택 사항이다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 로터리 머신(40)은 고온 스틸 또는 다른 스틸 합금으로 구성된다. 그러나, 다른 재료 예를 들면, 티타늄, 니켈, 니켈 합금, 탄소 합성물, 카바이드 합성물, 분말 메탈 합성물, 세라믹, 세라믹 합성물, 철금속, 비철금속과 같은 재료는 본 발명의 범위 내에서 고려 될 수 있다.

도 2는 상기 로터리 머신(40) 컴포넌트의 다양한 관계를 도시하였다. 하우징(42) 내부면의 베어링은 상기 팽창 링(44)을 지지한다. 상기 설명에 따라, 상기 팽창 링(44)과 상기 팽창 링 기어(46)부분은 상기 환상면의 하우징(42)내 상기 팽창 링 레이스(48)에 의해 지지된다. 상기 팽창 링(44)의 내부면과 상기 실링 실린더 벽(70)과 환상면의 하우징 벽(60)과 에지를 따라 길게 늘어진 돌출부(52)에 의해 내부 공간(71)을 형성된다. 상기 내부 공간(71)내에 상기 흡기 포트(74), 이그니션 포트(76), 배기 포트(78)가 위치한다.

상기 내부 공간(71)을 가로질러 방사형으로 상기 팽창 링 돌출부(50)가 뻗는다. 상기 팽창 링 돌출부(50)의 내부 에지와 상기 환상면의 내부 하우징 벽(60)은 서로 빈틈없게 밀착되며 이동 가능하게 형성된다. 나아가, 상기 실링 실린더 벽(70)은 상기 콘택트 에어리어(72)에서 상기 팽창 링(44)과 알맞게 접촉된다. 상기 콘택트 에어리어(72)는 상기 흡기 포트(74)와 상기 배기 포트(78) 사이에 실링된 틈을 형성한다.

환상면의 내부 하우징 벽(60)은 대체적으로 C형상인 환상면의 내부 하우징 컷아웃(58)을 거쳐 상기 실링 실린더(62)를 베어링으로 지지한다. 상기 C형상인 환상면의 내부 하우징 컷아웃(58)은 회전하는 실링 실린더(62)를 위한 서포트를 제공한다. 상기 설명에 따라, 상기 실링 실린더 레이스(67)는 상기 실링 실린더(62)의 회전 안정성을 제공하며, 실링 실린더 레이스(67)는 상기 내부 하우징 컷아웃(58)의 상대적인 부분에 형성된다. 상기 실린더(62)와 하우징(58) 사이에 빈틈없는 밀착을 제공하는 반면, 상기 실링 실린더(62)의 자유로운 회전을 하도록 하는 경우와 관련하여, 상기 내부 하우징 컷아웃(58)과 상기 실링 실린더 벽(70)은 일정한 간격을 형성한다. 유사하게, 상기 컷아웃(58) 부분 또는 끝단은 상기 흡기 및 배기 포트(74,78)를 지나 끝까지 상기 실링 실린더(62) 둘레를 따라 뻗는다. 이 방법에 따라, 상기 내부 하우징 컷아웃(58)의 지오메트리는 상기 하우징(58)과 상기 실링 실린더(62) 사이의 공간을 밀폐시킨다.

리무브 에어리어(65) 또한 도시되어 있다. 상기 리무브 에어리어(65)는 여러 가지 기능이 있다. 첫째, 상기 리무브 에어리어는 상기 로터리 머신(40)의 전체 중량을 감소시키고, 상기 머신(40)의 파워와 중량비를 증가시킨다. 또한, 상기 리무브 에어리어(65)는 상기 머신(40)의 표면 에어리어를 증가시키며, 머신(40)을 냉각 온도에 작동시키도록 하여 상기 머신(40)의 열전달 능력을 증가시킨다. 상기 리무브 에어리어는 어떠한 지오메트리 형상일 수도 있다. 예를 들면, 계란형, 원, 잎모양 또는 다른 지오메트리는 본 명세서의 범위내이다. 더욱이, 쿨링 핀 또는 튜브 (미도시)는 상기 리무브 에어리어(65)내에 배치될 수 있으며, 나아가, 상기 로터리 머신의 쿨링 능력을 증가시킨다.

상기 설명에 따르면, 이전의 로터리 엔진은 상기 구동 로우터(rotor) 실린더의 끝단 둘레를 따라 누출되는 일정 압력의 가스와 함께, 슬라이드 실링이 나빠지는 문제가 있었다. 상기 누출은 시스템에 불리한 엔진 효율 결과로서 엔진 전체의 손실이다. 상기 환상면의 하우징(42) 형상에 알맞게 이루어진 상기 리무브 에어리어는 고압력 에어리어로부터 저압력 에어리어까지 걸친 누출을 방지한다. 상기 환상면의 하우징 디자인은 효과적으로 끝단을 리무브(remove)함으로써, 슬라이드 실링 문제를 불가능하게 한다.

도 3에 도시한 상기 로터리 머신(40)은 외연기관으로서 사용된다. 상기 커버(43)의 반대편 일단에는 외연기관 컴포넌트가 배치된다. 상기 외연기관 컴포넌트는 상기 로터리 머신(40)에 기계적이고 유동적으로 완전하게 통합된다. 상기 흡기 포트(74)에 둘러싸여 뻗는 고속 기어(82)와 기어 밸브(84)는 매니폴드 및 구동 밸브 커버(90)는 흡기 포트(74), 고속 기어(82)와 기어 밸브(84)를 둘러싸며 확장된다. 매니폴드 및 구동 밸브 커버(90)의 외부면 상에 매니폴드 폭발 인렛(92)이 위치한다. 상기 매니폴드 폭발 인렛(92)은 기계적이고 유동적으로 외부 연소 챔버(94)에 연결된다. 상기 매니폴드 폭발 인렛(92)은 이그니션 장치(88)와 연료/에어 출입 장치(96)와 완전하게 연결된다.

상기 로터리 머신은 다수개의 외부 연소 챔버(94)를 포함할 수 있다. 예를들면, 매니폴드(90)는 몇 개의 외부 연소 챔버로부터 팽창된 연소 생성물을 얻기 위해 사용될 수 있다. 상기 멀티 연소 매니폴드(미도시)는 본 발명의 하나의 외부 연소 실시예와 유사한 방법으로 상기 흡기 포트(74)를 통하여 상기 결합된 연소 생성물을 보내기 위해 디자인된다. 그러나, 멀티 연소 챔버 실시예와 함께, 상기 매니폴드는 산출된 각 충격 파동 형태를 이루며, 각 파동은 자체적으로 중지된다. 상기 멀티 연소 챔버 실시예의 전체적인 효과는 상기 싱글 연소 챔버 실시예와 비교하여 공간(110)이 증가하는 범위 내에서 내부 압력을 상승시킨다. 더욱 자세하게는, 상기 다수개의 외부 연소 챔버는 팽창 가스의 전체 체적을 증가시키는 기능을 하며, 이런 식으로 상기 로터리 머신(40)의 내부 압력을 증가시킨다.

도 4는 외부 연소 로터리 머신(40)의 다른 실시예를 도시하였다. 이 실시예에 따르면, 상기 외부 연소 챔버(94)는 일정 형상의 차지 또는 다른 데토네이션 사이클 챔버(98)를 대신한다. 상기 일정 형상의 차지 또는 다른 데토네이션 사이클 챔버(98)는 적어도 하나의 각 연료/에어 출입 장치(96)와 이그니션 장치(88)를 포함하며 이루어진다. 본 발명에 따르면, 일정 형상의 압축 파동 또는 펄스 압축 파동은 상기 사이클 챔버(98)내에 전파되고, 상기 로터리 머신(40)으로부터 작용을 산출하기 위해 상기 환상면의 하우징(42)내로 유동적으로 이동된다. 하나의 일정 형상의 차지 또는 다른 데토네이션 사이클 챔버(98)는 도 4에 도시되어 있지만, 상기 외부 연소 챔버의 실시예와 같이, 몇 개의 일정 형상의 차지 챔버(98)의 사용은 본 발명의 범위내이다. 상기 외부 연소 챔버뿐만 아니라 상기 데토네이션 사이클 챔버(98)의 일반적인 형태는 다양하고 내부뿐만 아니라 외부 지오메트리로 될 수있다. 챔버의 일반적인 형태는 원하는 압력 또는 다른 원하는 압력의 크기 또는 압축 파동을 얻기 위해 다루어질 수 있다.

도 5는 상기 로터리 머신(40)의 단면도를 도시하였다. 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 하우징(42)은 상기 팽창 링(44)과 베어링으로 접촉하며 상기 팽창 링(44)을 둘러싸고 있다. 그리고, 상기 팽창 링 돌출부(50)는 대체로 상기 내부 하우징 벽(60)과 밀착되게 접촉되어 있다. 게다가, 상기 실링 실린더(62)에는 상기 C형상의 내부 하우징 컷아웃(58)이 형성되어 있고, 상기 실링 실린더 콘택트 에어리어(72)에 상기 팽창 링(44)과 베어링으로 밀착 접촉되어 있다. 상기 실링 실린더 돌출부(68)는 상기 실링 실린더(62)의 각 축의 표면으로부터 뻗음으로써 노출된다. 상기 돌출부(68)는 각각 상기 하우징(42)과 커버(43)를 통하여 뻗는다.

도 6은 상기 로터리 머신(40)의 부가적인 단면도이다. 상기 고속 기어(82)는 실링 실린더 돌출부(68)에 부착된다. 상기 고속 기어(82)는 상기 기어 밸브(84)에 기계적으로 연결되어 있다. 상기 고속 기어(82)와 상기 기어 밸브(84)는 구동 기어뿐만 아니라 피동기어 기능을 한다. 예를 들면, 상기 로터리 머신이 내연기관으로 사용될 때, 상기 팽창 링(42)과 실링 실린더는 연소의 결과로서 반시계방향으로 구동된다. 상기 실링 실린더(62)의 회전은 상기 고속 기어(82)의 회전을 구동하는 상기 돌출부(98)의 회전을 야기시킨다. 구동 기어로서의 상기 고속 기어(82)는 회전변위를 상기 기어 로터리 밸브(84)에 이동시켜, 상기 밸브 포트(86) 타이밍을 컨트롤한다. 반대로, 상기 로터리 머신(40)이 유체 펌프로 사용될 때, 상기 기어 밸브(84)는 유체의 도입을 제어하고, 상기 내부 연소의 상대적인 이동을 하게 하는상기 밸브 작용을 제어한다. 이런 식으로, 상기 기어 밸브(84)는 상기 고속 기어(82)를 구동시킨다.

도 7은 상기 환상면의 하우징(42)과 상기 팽창 링(44)사이에 베어링을 도시하였다. 유사한 방법으로, 상기 실링 실린더(62)와 상기 내부 하우징 컷아웃(58)사이의 상기 베어링이 도시되었다. 상기 팽창 링 기어(46)와 상기 팽창 링(44)부분은 상기 팽창 링 레이스(48)내에 수용된다. 상기 환상면 하우징(42)의 내부 벽과 결합된 상기 팽창 링 레이스는 상기 링(42)의 자유로운 회전 운동을 하도록 하는 반면, 상기 하우징 내 상기 팽창 링을 수용한다. 상기 내부 하우징 컷아웃(58) 및 실링 실린더(62)와 상기 팽창 링(44)사이에는 유사한 관계가 있다.

도8은 더 나아가서 실링 실린더(sealing cylinder) 62, 팽창 링(expansion ring) 44, 하이스피드 기어 82, 기어 연동 밸브 84, 및 밸브포트(valve port) 86 사이의 기계적 연결관계를 나타내고 있다.

상기 팽창 링 44와 상기 실링 실린더 62는 각각 상기 팽창 링 기어 46과 실링 실린더 기어 66을 통해 움직임이 전달되어 서로 상대 운동하게 된다. 마찬가지로, 상기 실링 실린더 62의 회전 운동은 상기 실링 실린더 돌출부 68과 하이스피드 기어 82를 통해 기어 연동 밸브 84로 전달된다. 따라서, 상기 밸브포트 86의 열리고 닫힘의 타이밍은 상기 실링 실린더 62 및 상기 팽창 링의 상대적인 방위와 연관된다.

도9는 본 발명의 멀티실린더(multi-cylinder)에 대한 하나의 실시예를 묘사하고 있다. 본 발명의 이러한 점은 다수의 실린더들이 하나의 실링 실린더 돌출부68과 같은 동일 축 상으로 배치됨을 나타낸다. 이러한 방식으로, 원하는 파워 출력을 얻기 위해 임의의 수의 실린더들이 연결될 수 있다.

본 발명의 상기 멀티실린더 실시예로 인해 복수의 작동 상태들(operating states)이 기대된다. 예컨대, 하나의 4-실린더-회전-기계(a four cylinder rotary machine)는 하나의 실린더가 폭발되어 작동될 수도 있고, 두 개의 실린더들이 폭발되어 작동될 수도 있으며, 세 개의 실린더들이 폭발되어 작동될 수도 있고, 또는 네 개의 모든 실린더들이 폭발되어 작동될 수도 있다-이러한 폭발 상태는 필요한 파워에 따라 나뉜다. 상기에서 폭발되지 않은 실린더들은 회전 자유 모드(freewheel mode)에 있게 되고, 그들의 질량은 단지 플라이휠(flywheel) 질량을 증가시켜, 상기 로터리 머신의 각운동량을 증가시키게 될 뿐이다.

도10은 팽창 링 44(b)의 한 회전당 복수의 사이클을 갖게 되는 로터리 머신 40(b)를 나타내고 있다. 본 실시예의 여러 가지 구성품들의 상호 관계는 상기에서 설명된 팽창 링 42의 한 회전당 하나의 폭발과 실질적으로 동일하다.

상기의 실시예는 상기 팽창 링 44(b)의 한 회전당 두 개의 폭발 사이클들을 나타낸다. 이는, 바람직하게는, 상기 팽창 링 44(b)이 내경을 가로지르는 실질적으로 유사한 실링 실린더들 62(a) 및 (b)에 의해 수행된다. 상기 실링 실린더들은 상호 기계적으로 연결되고, 실링 실린더 기어 66(b)와 팽창 링 기어 46(b)를 통해 상기 팽창 링과도 기계적으로 연결된다. 각각의 실링 실린더 62(b)는 상기 팽창 링 44(b)와 함께 접촉 영역 72(b)를 형성한다. 상기 접촉 영역 72(b)는 상기 로터리 머신 40(b)를 실질적으로 동등한 일-생산 영역들(work-producing areas)로 분할한다. 각각의 일생산영역은 흡입 포트 74(b)와 점화 포트 76(b)와 배기 포트 78(b)를 포함하여 이루어진다. 하나의 완전한 서멀 사이클이 팽창 링의 한 회전당 두 개의 팽창 또는 파워 행정들을 만들어 내면서 각 일생산영역에서 일어난다.

도10에 나타난 바람직한 실시예에서, 점화 장치들(미도시)의 점화는 연속적으로 일어난다. 그래서, 상기 팽창 링 돌출부 50(b)가 각 점화 포트 76(b)에 대해서 반시계 방향 위치에 도달하면 점화가 일어난다. 그 팽창하는 연소 생성물들은 배기 포트 78(b)를 통해 나갈 때까지 상기 팽창 링 44(b)를 구동시킨다. 그리고 나서, 상기 팽창 링 돌출부 50(b)는 상기 실링 실린더 홈 64(b)에 삽입되어 접합으로서 두 번째 점화 위치로 이동한다.

상기 팽창 링 44(b)는 복수의 팽창 링 돌출부들 50(b)를 가질 수도 있으며, 그래서, 연소 생성물들을 동시에 점화할 수 있도록 할 수도 있다. 더 나아가서, 하나의 팽창 링 44(b) 회전 내에 있는 일생산영역의 수를 더 증가시키는 것은 본 발명의 범주 내에 있는 것이다. 예컨대, 세 번째 또는 네 번째 실링 실린더가 그에 따라 일생산영역의 수를 증가시키기 위해 삽입될 수도 있다.

사이클들

내부 연소 엔진:

본 발명은 엔진을 위한 하나의 새로운 서멀 사이클을 생성시킨다. 그 새로운 사이클은 흡입, 파워, 그리고, 배기로 이루어진다. 그래서, 상기의 새로운 서멀 사이클은 초기 충전물을 예열함으로서 생산되는 그 일을 제한하는 동안 동시에 시스템으로부터 파워를 손실시키게 되는 압축행정을 갖지 않는다. 또한, 상기 사이클은대기압 또는 그보다 약간 높은 압력에서 가스를 배기함으로서 상기 파워 행정 동안에 가스가 완전히 팽창될 수 있도록 한다. 그래서, 상기 사이클에 의해 생산된 일을 최대화하는 동안 파워 손실은 거의 모두 없어지게 된다.

이하, 상기의 새로운 엔진 사이클의 다양한 면들에 대해 보다 상세히 설명한다. 더 나아가서, 본 발명의 상기 내부 연소 관점을 따르면서, 본 발명의 추가적인 면들에 대해 상세히 설명한다.

도11은 상기 엔진 사이클에서 대략 흡입 행정에 있는 로터리 머신(40)을 나타내고 있다. 상기 팽창 링 돌출부(50)가 상기 흡입 포트(74)와 점화 포트(76)을 반시계 방향으로 지나 스페이스(space)(110)와 스페이스 112를 정의하고 있는 모습이 보이고 있다. 상기 팽창 링 돌출부 50이 반시계 방향으로 이동함에 따라, 정확하게 시간 예정된 복수의 상황들이 일어난다. 상기 실링 실린더 62는 회전하여 위치 변경되며, 궁극적으로 상기 기어 연동 밸브 84의 회전을 조절한다. 특정한 시간(후술함)에, 상기 기어 연동 밸브 84의 회전은 상기 밸브 포트 86과 상기 흡입 포트 74를 정렬시킨다. 그와 같은 정렬이 이루어짐에 따라, 상기 연소 생성물들은 상기 스페이스 110 안으로 유입되고, 연속적으로 상기 점화 장치 88에 의해 점화된다.

상기 연소 생성물들은 대기압이나 또는 압축된 상태에서 상기 스페이스 110안으로 유입된다. 바람직하게는, 상기 연소 생성물들은 1 내지 25 기압 사이에서 유입된다. 그러나, 연소 생성물들의 어떤 다른 압력도 본 발명의 범주 내에서 고려된다. 연소 생성물들이 대기압에서 유입되거나 또는 미리 압축됨이 없이 유입되면,상기 팽창 링 44이 반시계 방향으로의 위치 변경되어 생성된 진공으로 인해 상기 스페이스 110 안으로 간단하게 빨려 들어가게 된다. 연소 생성물들이 주위 압력과 근접한 압력에서 유입되면 상기 로터리 머신 40의 전체 효율은 약간 감소한다. 그러나, 이와 같은 모드에서 작동될 때는, 상기 흡입 포트 74는 직경이 더 크게 되어 그 유동 저항을 감소시켜 상기 스페이스 110 안으로 유체 이송이 최대화될 수 있도록 한다. 비슷한 방식으로, 상기 밸브 포트 86은 약간 더 긴 흡입 사이클을 허용하면서 크기가 약간 커질 수도 있다.

압축된 연소 생성물들이 상기 스페이스 110 안으로 또한 유입될 수 있다. 바람직하게는, 연료 펌프가 상기 연소 생성물들에 압력을 가한다.

그러나, 유체에 압력을 가하기 위한 어떤 다른 주지된 수단도 본 발명의 범주 내에 있다. 상기 연소 생성물들을 상기 스페이스 110 안으로 유입시키는 전체 과정은 상기에서 설명된 것과 실질적으로 동일하다. 다만, 상기 연소 생성물들이 압력을 받아 유입되고 있을 때에는, 상술 한 바와 같이 스페이스 110 안의 부압에 의해서가 아니라, 상기 연소 생성물들의 압력에 의해서 그 연소 생성물들이 상기 스페이스 110 안으로 유입되게 된다. 또한, 상기에서 유체 이송율은 상술한 진공 유도 실시예보다 일반적으로 더 빠르다. 그래서, 상기 밸브 포트 86의 상대 크기는 상기 실시예에서 사용된 밸브 포트 86보다 오히려 더 작다.

흡입 공기는 팬이나 블로워(blower)나 또는 슈퍼 차져(super charger)(미도시)에 의해 압력 받아 더 높은 사이클 속도와 연소 압력을 수용할 수도 있다. 이러한 장치들을 작동시킬 동력은 상기 배기 가스의 처리(후술함)나 그 기술분야에서주지되고 있는 다른 수단을 통함으로서 상기 실링 실린더 돌출부 68의 회전으로부터 뽑아 낼 수도 있다. 오토(Otto) 사이클 엔진과 구별되는 것은, 상기 연소 생성물들의 가압이 연소실 안이나 스페이스 110에서 일어나지 않고, 외부적으로 일어난다는 것이다. 이와 같은 방식으로, 피스톤 운동량은 상기 가압 과정에서 손실되지 않으며, 따라서, 보다 효율적인 엔진 사이클을 내게 된다.

또 다른 바람직한 실시예에서는, 공기를 단지 흡입 밸브를 통해 끌어들이고 연료를 실린더 직접 분사기(미도시)를 이용해 상기 스페이스 110 안으로 직접 분사함으로서, 연료와 공기의 한 조합이 스페이스 110 안에서 내부적으로 혼합된다. 가압된 연료 분사와 진공에 의해 유도된 공기의 이와 같은 조합은 다른 실시예들 보다 우수한 추가적인 장점을 갖는다. 연료와 공기의 비율은 바람직한 연소율에 도달하도록 조정될 수도 있다. 상기의 비율은 포트 크기들이나 또는 분사 압력들 및 점화 타이밍(후술함)을 조절함으로서 조정될 수도 있다. 상기 연소 생성물들을 상기 스페이스 110에서 혼합함으로서, 흡입 매니폴드(manifold) 폭발의 가능성이 제거된다.

상기 팽창 링 44의 원통 축에 대한 상기 흡입 포트 74의 축의 각도는 변경되어 상기 팽창 링 44의 추가적인 회전 인코리지먼트(encouragement)를 제공할 수도 있다. 특히, 상기의 진공 유도 실시예나 또는 가압 실시예 중 어느 하나에서, 상기 연소 생성물들이 상기 팽창 링 돌출부 50의 트레일링 에지(trailing edge) 안으로 향하도록 상기 흡입 포트는 일정한 각으로 기울어질 수도 있다(일정한 각으로 기울어진 포트들은 미도시). 상기 가압 실시예에서, 상기 연소 생성물들을 그 회전 방향으로 향하도록 함으로서, 대부분의 연소 생성물들과 그로 인한 가장 큰 연소 압력파는 상기 돌출부 50에 가능한한 가까이 생성된다. 그래서, 상기 연소는 상기 연소 생성물들의 화학적인 에너지를 상기 팽창 링 44를 통해 기계적인 에너지로 보다 효율적으로 전환시킨다.

바람직하게는, 상기 밸브 수단은 회전 기어연동 밸브 84이다. 그러나, 다른 밸브 수단도 본 발명의 범주 내에서 고려되며, 예컨대, 솔레노이드 조절 밸브, 포펫(poppet) 밸브, 슬라이드 밸브, 플레퍼(flapper) 밸브, 디스크 밸브, 캠 연동 밸브, 드럼 밸브, 리드(reed) 밸브, 데스모브로믹(desmobromic) 캠 밸브, 게이트 밸브, 체크 밸브 및 볼 밸드 등이다. 사용되는 밸브 유형에 상관없이, 상기 밸브는 효율적으로 유체를 상기 스페이스 110 안으로 이송시키도록 작동되어야 한다. 상기 로터리 머신 40을 더 높은 속도에 사용하기 위해 더 빠르게 작동하는 밸브들을 사용하는 것처럼, 상기 밸브의 선택은 대체로 상기 로터리 머신 40의 사용처에 따라 결정된다.

대략 도11에 나타난 상기 회전 상태에서, 연소 생성물들은 상기 스페이스 110 안으로 유입된다. 상기 연소 생성물 유입의 정확한 타이밍은 상기 밸브에 의해 조절되지만, 가장 중요한 밸브 디자인은 상대 흡입 부피와 팽창 부피-팽창비-에 의해 조절된다. 특히, 도11에 나타난 바와 같이, 스페이스 110 안으로 유입되는 연소 생성물의 부피와 스페이스 112를 통해 가능한 팽창값 사이의 비율이 상기 팽창비를 정의한다. 바람직하게는, 흡입 부피의 대략 3-4배인 팽창 부피가 최적이다. 이와 같은 비율로 인해 상기 연소 가스들은 거의 완전히 팽창될 수 있고, 그래서, 상기연소 과정에서 수행된 일을 최대화할 수 있게 된다.

그러나, 팽창비의 임의의 선택은 본 발명의 범주에 있다. 이와 같은 실시예에서는, 상기 연소 생성물은 대략 주위 압력하에서 배기된다. 그러나, 약간 가압된 배기 가스를 갖는 것이 경우에 따라서는 바람직할 수 있기 때문에, 상기 팽창비는 원하는 배기 가스 상태에 도달하도록 조정될 수 있다.

상기 연소 생성물을 유입한 후의 조절된 시간에서, 상기 흡입 포트 74는 닫히고, 상기 점화 장치 88은 점점 증가하는 스페이스 110 안에서 상기 연소 생성물을 점화시킨다. 그로 인한 연소는 상기 스페이스 110 안에서 압력을 크게 증가시키고, 상기의 파워 행정을 시작하면서 그 압력은 상기 팽창 링 돌출부 50을 밀어 실링 실린더 62로부터 멀어지도록 한다.

상기 연소 생성물을 점화시키는 타이밍은 또한 로터리 머신 40의 특정한 효율을 얻기 위해 조정될 수 있는 변수이다. 예컨대, 상기 흡입 과정에서 점화는 상대적으로 더 작은 스페이스 110에 상응하고, 그래서, 약간 더 높은 팽창비 뿐만 아니라 상기 스페이스 110 안에서 더 높은 초기 연소 압력이 달성된다.

역으로, 상기 로터리 머신 40의 점화가 상기 사이클에 더 앞서 설정되면, 더 큰 스페이스 110이 존재하게 된다. 그래서, 동일한 기계에 대해, 더 낮은 연소 압력이 달성되고, 약간 더 작은 팽창비가 달성된다.

상기 점화 타이밍은 또한 상기 흡입 포트 74와 점화 포트 76의 상대 위치에 근거하게 된다. 모든 실시예에서, 상기 점화 포트는 회전방향으로 상기 흡입 포트로부터 떨어져 있다. 이러한 방식으로, 가압되었든 안 되었든, 상기 연소 생성물은상기 점화 포트 74 위로 흐른다. 바람직하게는, 상기 점하는 시간 조절되어 상기 연소 생성물의 상기 점화 포트 74 위로 지나갈 때 그 연소 생성물의 중간에서 대략 점화하게 된다. 이와 같은 방식으로, 상대적으로 더 빠르게 압력을 상승시키면서 더 완전한 초기 연소가 일어나게 된다. 그러나, 그 점화 타이밍은 대략 연소 생성물의 선단이나 또는 후단에서 점화되도록 설정될 수도 있다. 각각의 경우에, 다른 내부 압력을 내면서 약간 다른 연소비가 달성된다. 더 나아가서, 상기 점화 타이밍은 바람직하게는 상기 로터리 머신 40의 작동 동안 연속적으로 조절될 수 있다. 특히, 그 타이밍은 엔진 속도나 또는 부하 용량(loading requirement)에 따라 앞서 일어날 수도 있고 뒤에 일어날 수도 있다.

상기 점화 타이밍과 포트의 상대 위치, 디자인 및 크기는 상기 연소 생성물 부피가 실링 실린더 돌출부 68의 회전속도 요구조건과 무관하도록 할 수 있다. 특히, 상기에서 기술한 바와 같이, 기어 연결은 돌출부 68의 속도가 상기 연소 충전물의 부피와 무관하게 나타나도록 채용될 수도 있다. 이와 같은 방식으로, 특정한 연소 충전물 부피는 상기 엔진의 크기에 독립적이다. 또한, 상기 팽창 링 44과 상기 돌출부 68의 상대 속도는 그 두 구성품들 사이의 임의의 원하는 상대속도를 얻도록 조정될 수도 있다.

상기 연료의 화학적 성분은 또한 상기 로터리 머신 40의 성능에 영향을 주며, 그래서, 상기 밸브 수단과 상기 점화 수단의 타이밍에 영향을 준다. 다른 연료들은 다른 연소비를 갖는다. 따라서, 상기 밸브 수단과 점화 수단의 상대적인 타이밍은 효율을 최적화하도록 변경될 것이다. 바람직하게는 연료원으로서 가솔린을 채용한다. 그러나, 그 기술분야에서 주지되고 있는 다른 어떠한 연료도 본 장치에 채용될 수 있다. 예컨대, 수소, 메탄, 프로판, 케로센(kerosene), 디젤, 부탄, 아세틸렌, 옥탄, 연료유(fuel oil), 모든 폭발성 가스나 가연성 액체, (더스트(dust)로서)카본 사이클 연료, (더스트(dust)로서)가연성 금속들 등등이 본 발명의 범주내에 있다.

도12는 각각이 상기 스페이스 110 내에서 연소와 관련된 압력 상승에 기인하여 반시계 방향으로 회전하게 되는 상기 팽창 링 44와 상기 내부 실릴실린더 62를 보이고 있다. 상기 파워 행정 상태 동안, 상기 점점 증가하는 스페이스 110 안의 내부 압력은 상기 스페이스 110의 부피가 증가함에 따라 감소한다. 상기 팽창 링 44가 회전함에 따라, 상기 실링 실린더 62는 반시계 방향으로 마찬가지고 구동된다. 그래서, 상기 돌출부 68은 회전하고, 상기 하우징 42 밖으로 회전 동력원을 내게 된다.

상기 연소 생성물의 균일하고 일관된 팽창은 본 발명의 바람직한 실시예에서 요구된다. 일반적으로, 균일한 팽창 또는 조절된 산화율은 앞서 기술한 바와 같이 점화, 연료의 구성, 그리고 상기 흡입 포트 74 및 점화 포트 76의 상태 위치들을 조절함으로서 달성된다. 그러나, 본 발명의 다른 디자인 관점이 연소 가스의 효율적 사용을 극대화하기 위해 활용되며, 예를 들면, 상기 연소 및 팽창 스페이스 110의 기하학적인 디자인 등이 그것이다.

연소가 일어나는 상기 스페이스 110의 기하학적인 디자인과 결과적인 상기 돌출부 50의 기하학적 형태는 화학적 에너지로부터 기계적 에너지로 전환하는 것을극대화하도록 형상된다. 특히, 도면들에 나타난 것과 같은 바람직한 실시예는 상기 스페이스 110이 상기 하우징 내에서 일반적으로 원통형의 후프(hoop)로 나타나 있다. 상기 후프 구조는 연소 생성물의 스무스한(smooth) 유입과 소산 뿐만 아니라, 팽창 영역을 최소로 제한하도록 설계되었다. 상기 점점 증가하는 스페이스 110의 스무스한 팽창 영역은, 점화하는 동안 그 불꽃의 효율적인 전파율과 팽창하는 동안 가스의 바람직한 회류를 북돋게 된다. 상기 팽창 링 44의 단 방향 회전과 상기 스페이스 110의 상대적으로 스무스한 내면은 팽창하는 연소 생성물의 관성 손실(inertial loss)을 최소화한다. 더욱이, 상기 바람직한 실시예의 기하학적 형태는 연소 과정 동안 유체가 스무스하게 이송될 수 있도록 함으로서 한 사이클 동안 파워를 손실시키는 복수의 디토네이션(detonation)을 방지한다. 상기 스페이스 110과 돌출부 50에 대한 다른 어떤 기하학적 형태도 본 발명의 범주 내에서 고려된다.

도13은 상기 팽창 사이클에서 앞선 상태를 나타낸다. 여기서, 상기의 팽창 사이클은 거의 완전하고, 거의 모든 활용 가능한 일이 그 팽창하는 가스로부터 획득된다. 채용되는 바람직한 실시예와 팽창비들과 연료에 따라서, 점점 증가하는 챔버(chamber) 110은 대략적으로 주위 압력이나 또는 그 위에 있게 된다. 대략 주위 압력에 있는 팽창 가스를 갖는 실시예에 대해, 실질적으로 모든 활용 가능한 팽창일은 여기의 새로운 서멀 사이클에 의해 회수된다.

어떤 바람직한 실시예에서는, 그 연소 생성물은 배기 사이클이 시작될 때 주위 압력보다 위에 있게 되는 팽창 사이클을 채용하는 것이 바람직할 수 있다. 이와같은 방식으로, 배기 가스는 상기 실링 실린더 돌출부 68의 회전 움직임을 구동시키는 것으로부터 분리된 일을 하도록 활용될 수 있다. 예컨대, 가압된 배기 가스는, 상기 스페이스 110에 유입되기에 앞서 상기 연소 생성물을 차례로 가압할 터보 차저 또는 다른 에어 펌프(미도시) 안으로 향할 수도 있다.

마찬가지로, 상기 배기 가스는 전기 파워를 생성시키거나 또는 다른 구조물과 조합하여 열원(heating source)으로 사용될 터빈(미도시)을 구동시킬 수도 있다.

본질적으로, 상기 돌출부 50의 선단 앞에 있는 어떠한 유체도 상기 회전하는 팽창 링 44에 의해 상기 스페이스 112 밖으로 내몰리게 될 것이다. 그래서, 주위 압력에 있는 팽창 생성물은 배기에 앞서 약간 가압된다. 그러나, 상기 배기 포트의 크기와 기하학적 형태를 조정하면 바람직한 배기 압력을 달성할 것을 기대된다.

예컨대, 주위 압력보다 약간 위의 압력에서 가스를 배기시키는 것이 바람직한 경우에, 더 크고 덜 제한적인 배기 포트 78이나 또는 복수의 포트들 78(미도시)이 사용될 수도 있다.

반대로, 더 많이 가압된 배기 유체가 바람직하다면, 상기 포트의 크기는 상대적으로 더 작아질 수도 있다.

도14는 본 발명의 내부 연소 실시예의 완전한 서멀 사이클을 나타내고 있다. 여기서, 상기 팽창 링 돌출부 52는 상기 내부 실링 실린더 홈 48과 함께 기계적으로 메이팅된다. 이 시점에서 상기 사이클은 다시 시작할 준비를 한다.

이와 같은 새로운 서멀 사이클은 표준 오토 사이클 엔진의 효율을 늘 따라다니던 그 관성 질량 변화로부터 자유롭게 된다. 더 나아가서, 연소 생성물의 중요한 예열이 없으며, 그래서, 상기 사이클이 상기 연소 과정으로부터 최대 팽창일을 얻도록 할 수 있다. 게다가, 상기 연소 생성물의 압축과 관련된 손실이 없거나 극히 적다.

맥동 회전 연소 엔진의 해석(ANALYSIS OF PULSED ROTARY COMBUSTION ENGINE)

개선된 효율을 설명하면서, 상기의 새로운 서멀 사이클의 독립적인 해석이 수행되었다.

개요 : 서멀 사이클 해석이 상기 회전 맥동 연소 엔진에 대해 수행되어 왔다. 해석은 상기 가연성 충전물을 미리 압축하는 실시예와 그렇지 않은 실시예에 대해 수행되었다. 특별히, 연소 후의 그 부피 팽창비는 연소 전의 그 부피 압축비를 넘어서는 개념이 해석되었다. 왕복운동하는(또는 웬켈(Wankel)) 내부 스파크(spark) 점화 연소 엔진에 대한 고전 오토 사이클과 비교하였다. 상기 내부 연소 엔진은 팽창비와 동등한 부피 압축비를 갖도록 설계되어야 하는 구속을 받는다. 상기 맥동 회전 연소 엔진의 고유한 장점은, 상기 열에너지를 유용한 일로 추가적으로 변환시킬 수 있도록 하면서, 상기 팽창비가 상기 압축비를 초과할 수 있다는 것이다.

해석 : 고전 서멀 사이클 해석은 충전된 연소 혼합물에 대한 압력(p) 대 부피(F) 도표에서 그 경로를 조사한다. 상기 도표상에서 상기 경로 내부의 면적은 상기 연소 혼합물의 원래의 충전으로부터 얻는 일의 양이 된다. 즉, 그 일 W= ∫pdV이다. 상기 충전물과 관련된 화학적 에너지 양에 대한 그 일의 비율은 (100%를 곱한 후에) 그 열효율을 나타낸다.

상기 사이클은 도15의 점1로 나타난 흡입, 압축(경로1-2), 연소(경로 2-3), 팽창(일이 추출되게 되는 경로 3-4 또는 3-5), 및 배기(경로 4-1 또는 점5)를 수반한다. 상기 충전물을 압축하는 동안 일이 수행되지만, 그것은 추출되는 일보다 적어서 순일(net work)은 양의 값이 된다. 상기 압축 및 팽창 행정 동안, 어떠한 열도 부가되거나 감해지지 않아서, 단열 과정이 된다. 그래서, 그 양

p V^γ1)

는 각 과정 동안 불변한다.; γ는 1.36과 1.4 사이의 값을 갖는다. 상기 충전물은 무게나 또는 부피에 있어 주로 공기이다; 실온에서의 공기는 1.4의 γ값을 갖는다. 그것은 온도가 상승함에 따라 약간 감소할 것이다. 그래서, 압축 과정동안 1.4에서 1.36 사이에서 변할 것으로 기대할 수 있다. 우리는 우리 계산에서 평균 값을 취한다. 상기 연소 생성물 가스는 두 가지 이유로 인해 훨씬 더 낮은 γ값을 가질 것이다: 더 높은 온도와 카본 디옥시드(carbon dioxide)나 수증기와 같은 트리아토믹(triatomic) 분자의 존재. 상기 생성물 가스에 대해, γ=1.3 정도의 평균값을 기대할 수 있다.

상기 모델 사이클에서, 상기 흡입 과정은 정상적인 대기압 p₁과 부피 V₁에서 가스의 유입을 수반한다. 압축(경로 1-2)는 단열 법칙에 따라 상승하는 압력과 온도 그리고 감소하는 부피를 수반한다. 그 다음, 연소(경로 2-3)은 압력과 온도가상승하면서 정적상태에서 일어난다. 팽창(경로 3-4 나 3-5)는 단열 법칙에 따라 압력과 온도가 감소하면서 부피가 증가하게 된다. 끝으로, 배기는 여전히 상승된 온도(점4 또는 점5)에 있는 가스로 일어난다. 만약 상기 배기된 부피가 상기 흡입된 부피와 같다면 상기 배기 시작에서 그 압력은 대기압보다 더 높다. 배기 압력이 대기압과 같기 때문에, 상기 배기 부피는 상기 흡입 부피보다 훨씬 커야만 한다.

여러 가지 엔진 사이클을 비교할 대, 우리는 연료와 공기에 대한 화학양론적인 비에 있어서 상기 연소 혼합물의 단위 질량 m당 화학에너지 Q에 대해 동일한 값을 갖는 동일한 연료를 사용할 것이다. 6.5의 실재적인 값이 Q/(mc_pT₁) 양에 대해 취해진다. 여기서, c_p와 T₁은 비열 및 흡입 온도이다. 이것은 상기 흡입 혼합물의 화학에너지 (Q)가 그것의 초기 열에너지 (mc_pT₁)보다 6.5배 더 크다는 것을 의미한다. 연소가 일어나면, 상기 화학에너지는 열에너지로 변환된다. 그래서

Q = mc_p(T₃-T₂) = mc_p(T_2'-T₁) 2)

은 대기압에서의 공기의 정상 온도인 T_1'=T₁을 나타낸다.

우리는 완전가스를 고려한다. 그래서 우리는 압력과 부피와 온도를 관련시키기 위해 법칙

PV = mRT 3)

를 채용할 수도 있다. M은 상기 충전물의 질량이고, R은 비기체상수이다. 상기 식(2) 및 식(3)을 가지고, 우리는 정적 과정 동안 단편적인 압력 증가를 결정할수 있다.

또는

방정식 3), 4a) 및 4b)는 다음과 같이 조합된다.

여기서, 체적비 CR은 압축비로 공지되어 있다. 전형적으로, 자동차 엔진용 CR 값은 9 내지 11의 범위인 반면, 파워 툴은 7 내지 8의 전형적인 범위를 갖는다.

압축 프로세스를 위한 방정식(1)을 사용하여 다음과 같은 식을 보여준다.

또는

방정식 (4b) 및 (6b)은, CR=4.22 또는 이보다 큰 값이 도 15에 도시된 바와 같이, p_2'값보다 더 큰 압력(p₂)을 야기시킴을 보여주는 것에 주목하라. 방정식(6a)에서의 p 및 V는 도 15의 패스1-2를 따른 임의의 값이다. 팽창 과정 동안, 방정식(1)은 또한 적용 및 산출된다.

여기서, p 및 V는 도 15에서 패스3-4-5를 따른 임의의 값이다. γe는 전술한 바와 같이, 흡입 가스에 대한 γ보다 다른 값을 가질 수 있는 배기 가스에 대한 비열비이다.

서멀 사이클의 각 차지에 대해 행해지는 순일 W는 팽창 과정 동안 추출된 일에서 압축 동안 차지에 대해 행해진 일을 뺀 것이다. 오토 사이클에 대해,

을 갖는다.

이것은, 순일이 도 15의 닫힌 패스1-2-3-4-1 내의 면적과 같다는 것이다. 방정식(7)은 p 내지 p₃, V₁및 V를 관련하여 사용될 수 있다. 그리고, 적분 계산이 사용될 수 있다.

고전 내연기관 오토 사이클에 대해 다음과 같은 결과를 얻는다.

제안된 로터리 엔진에 대해, 순일은 다음에 의해 주어지게 된다.

이것은, 순일은, 패스 1-2-3-5-1에 의해 밀폐된 도 15의 면적과 같다. 이제, 방정식 7) 및 8)을 다시 사용하여, 적분을 행하면,

이 산출된다.

분명히, W_RE의 값은 도 15의 패스4-5-1-4에 의해 밀폐된 면적만큼 W_IC의 양을 초과할 것이다.

고전 오토 사이클에 대해, 팽창의 단부에서의 체적은 흡입 체적과 같다, 즉 이것은 V₄= V₁이다. 로터리-엔진 사이클에 대해, 다음과 같이 보여질 수 있다.

그러므로, 팽창의 단부에서의 체적은 배기 체적보다 훨씬 더 크게 된다.

미리-압축함이 없이, 로터리 엔진에 의해 얻어진 일은 도 15에서 패스1'-2'-3'-1'로 둘러싸인 면적임을 보여주게 된다. 특히, 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있다.

방정식(9), (11) 및 (13)에서, 순일은 특정 엔진에 대한 흡입 압력과 흡입 체적의 생성물로 나뉘어진(또는 표준화되는) 폼으로 방정식의 좌측 상에 제시되어 있다. 엔진의 일은 각 흡입 차지의 체적에 비례하여 증가할 수 있다. 물론, 더 큰 엔진은 더 많은 일을 한다. 엔진의 파워는 W에 엔진의 회전수당 폭발횟수(로터리 엔진인 경우 1, 왕복4행정 엔진인 경우 1/2)를 곱하고, 다시 단위 시간당 엔진 회전수를 곱함으로써 예견될 수 있다. 만약, 일(W)이 푸트-파운트 단위로 주어지고,엔진 속력이 rpm으로 주어진다면, 이론적 마력 등급은 생성물을 33,000으로 나눔으로써 얻게 된다. 즉,

및

이들은 열손실과 기계적 손실을 산정하지 않은 이상적인 방정식임을 주목하라. 그러나, 이 공식들은 다른 엔진을 비교하는데 제1평가기준으로 사용되어 유용하다.

방정식(9),(11) 및 (13)의 우측은 이미 기술된 Q/mc_pT₁, CR, γ 및 γe의 4가지 값만을 상술한 후 계산될 수 있다.

결과 : 계산은 상기 테이블에 도시된 7가지 케이스에 대해 행해졌다. 압축은 3가지 엔진 사이클, 즉 왕복엔진용 오토 사이클, 상기 오토 사이클과 같은 압축비를 갖는 로터리 엔진 사이클 및 나머지 2개의 사이클의 동일한 파리미터를 갖지만 미리-압축함이 없는 로터리 엔진 사이클로 이루어졌다. 각 사이클에 대한 일 출력과 로터리 엔진 사이클에 대한 팽창-체적-대-흡입-체적 비율이 테이블에 도시되어 있다. 4개의 입력 파라미터에서 변화량에 대한 결과의 민감도는 테이블로부터 알 수 있다.

압축비에 대한 민감도는 케이스 1, 2, 및 3의 비교를 통해 알 수 있다. 일 출력이 압축비와 함께 증가하는 반면, (미리-압축한) 로터리 엔진 사이클의 장점은 압축비가 증가함에 따라 감소하는 것이다. 여전히, 로터리 엔진 사이클은 구별되는 장점을 갖는다. 20% 이상의 일 출력 장점은 더 큰 체적의 단점에 부수된다.

Q/mc_PT₁= 6.5의 값은 연소 차지의 화학론량 혼합물에 대한 전형적인 것이다. 오프-화학론량 혼합물은 케이스 4에 시뮬레이션되어 있다. 일 출력의 감소가 보이지만, 로터리 엔진의 상대적 장점은 케이스1 및 4가 비교될 때 거의 동일하다.

비열에 대한 값의 민감도는 케이스1,5,6 및 7에 대한 결과를 비교함으로써 알 수 있다. γ와 γe값의 증가는 양쪽 사이클에 대한 일 출력을 감소시키지만, 로터리 엔진의 상대적 장점은 유지된다.

일 출력을 파워로 변화시키는 참조에 따라, 방정식(14)은, 대기 압력에서 연소 가능한 흡입 차지의 1리터(대략 61in³)와 3000rpm 엔진에 대한 W/p₁V₁=13의 값은 88.3마력(hp)을 산출함으로 보일 수 있다. 이것은, 물론, 열 손실과 기계적 마찰을 산정하지 않은 이론적인 값이다.

로터리 머신(40)과 서멀 사이클의 추가 장점은 다양한 구성으로 작동시킬 수 있는 머신(40)의 능력이다. 이 머신은 외부 로터리 연소 엔진, 유체 컴프레서, 진공 펌프, 드라이브 터빈, 및 팽창 가능한 가스 또는 가압(pressurized) 유체에 대한 구동 터빈으로 사용할 수 있다. 다양한 구성의 보다 상세한 기술은 아래에 제공된다.

외연기관(External combustion Engine):

도 3은 하나의 실시 가능한 외연기관 구성을 도시한다. 내연기관 구성과 외연기관 구성과의 유일한 중요 차이는 연소실(94)의 위치이다. 이 모드에서, 연소는 외부 연소실(94)의 하우징(42) 외측에서 발생하고, 연소로부터 생성된 팽창 가스는 흡기 포트(74)를 통해 증가 스페이스(increasing space)(110)로 통과된다. 게다가, 연소가 하우징의 외측에서 발생하기 때문에, 점화 포트(76)는 막히거나(plugged) 존재하지 않게 된다. 도 11 내지 도 14에 도시된 다양한 로터리 형태는 전술한 내연 구성과 동일하다. 게다가, 연료와 공기는 카부레터 또는 포트-타입 연료 인젝션과 같은 전형적인 수단에 의해 모든 실시예에서 외적으로 혼합 가능하다.

쉐입드 차지 또는 데토네이션 사이클 챔버를 갖는 외연기관(External Combustion Engine with a Shaped Charge of Detonation Cycle Chamber):

도 4는 쉐입드 차지 또는 데토네이션(detonation)발 사이클 챔버 구성을 갖는 하나의 가능한 외연기관을 도시한다. 이 구성은 전술한 표준 외연 어셈블리와 유사하다. 그러나, 여기서 쉐입드 차지 또는 다른 데토네이션 사이클 챔버(98)는 압축파를 발생시켜 로터리 머신(40)을 구동시킨다. 압축파 전달로부터 생기는 매우 높은 압력 때문에, 로터리 머신(40)은 전형적인 오토 사이클 엔진에서 일어나는 것보다 훨씬 더 높은 압력에서 구동된다. 외연 구성과 마찬가지로, 도 11 내지 도 14는 본 발명의 완전한 서머 사이클의 예이다.

위에서 기술된 외연 예에서, 하나 이상의 연소실이 사용될 수 있다. 이것은 2개의 챔버를 서로 대향되게 배치하고 이 챔버를 동시에 폭발시킴으로써, 데토네이션 또는 쉐입드 차지 충격파를 중지(cancel)시키기 용이하다.

게다가, 위에서 기술된 모든 연소기관에서, 엔진은 부가 엔진에 링크되어, 멀티-실린더 엔진을 만든다. 엔진은 낮은 로드(load) 조건에서 요구되지 않는 실린더를 일시 중지(shut down)시킬 수 있고, 로드 조건이 증가함에 따라 폭발하는 실린더의 수-다른 엔진에 적용할 수 없는 연료 절약 옵션-를 증가시킬 수 있다. 폭발하지 않는 엔진은 폭발하지 않을 때 플라이휠이 된다.

가스 또는 에어 컴프레서(A Gas or Air Compressor):

이 예에서, 구동 실린더는 내부 실링 실린더(44)가 되고, 이 실린더(44)는 실링 실린더 돌출부(68)에 외적으로 적용되는 힘에 의해 회전되고, 배기 밸브(미도시)는 배기 포트(78)를 제어한다. 게다가, 인렛 포트(62)는 연속적으로 열린다. 도 11 및 도 14에 도시한 바와 같이, 실링 실린더(62)와 팽창 링은 시계 반대방향으로 구동된다. 회전과 닫힌 배기 밸브는 감소 스페이스(112)에서 유체 생성물을 압축하는 반면에, 증가 스페이스(110)에서 새로운 차지(new charge)로 인출(draw)한다. 도 13에 의해 접근된 시간에서, 배기 밸브는 열리고, 배기 포트(78)로부터 압축된 유체의 배제(expulsion)를 허용한다. 다음 사이클을 시작하여, 가스의 새로운 차지가 인렛 포트(74)를 통해 들어온다. 더 큰 압축된 가스 체적은 하나 이상의 컴프레서를 일렬로 접속됨으로써 달성되고, 하나의 배기가 다른 하나의 흡기가 된다. 이러한 방식에서, 매우 높은 압축값이 얻어지게 된다.

진공 펌프(Vacuum Pump):

도 11 내지 도 14는 진공 펌프 사이클을 도시한다. 진공 펌프 사이클은, 인렛 밸브(84)가 (에어 컴프레서 구성에서와 같이) 배기 포트에 대향되는 것으로서 인렛 포트 상에 배치된 것을 제외하고, 위에서 기술된 가스 또는 에어 컴프레서 사이클과 유사하다. 이러한 패션에서, 인렛 밸브(84)는, 팽창 링 돌출부(68)이 시계 반대방향으로 인렛 포트(74)를 지나 이동하는 정도의 시간까지, 인렛 포트(74)를 닫힌 채로 유지시키며, 상기 시간에서, 인렛 밸브(84)는 인렛 포트(74)를 열고, 팽창 링의 이동은 증가 스페이스(110)에서 진공 또는 부압(negative pressure)을 만들고, 이에 의해 인렛 포트(54)를 통해 유체 생성물로 인출한다. 상기 에어 컴프레서 구성과 마찬가지로, 더 큰 진공은 복수의 실린더를 함께 링크함으로써 얻어질 수 있다.

전술한 구성의 조합(Combinations of the Above):

상기 구성은 다양한 결과를 생성하도록 조합할 수 있다. 예를 들면, 다수의 실링 실린더는 조합되는데, 하나는 나머지의 흡기를 위한 압축 정도를 제공한다. 또한, 가스 컴프레서는 유체 컴프레서와 조합할 수 있다. 실질적으로, 전술한 구성의 임의의 조합은 본 발명의 범주 내에서 고려된다.

마찬가지로, 도면들은 예시한 목적에만 적용되고, 임의의 로터리 구성요소의 기하학 또는 상대 위치를 임의의 방식으로 제한하여서 안 된다. 임의의 기하학 구성은 본 발명의 범주 내에서 고려된다.

Claims

실질적으로 환상 형상의 하우징으로서, 상기 하우징의 외부 벽과 상기 하우징의 내부 벽 사이의 챔버를 한정하고, 단부에 캡을 갖는, 상기 하우징;

상기 챔버 내에 회전 가능하게 배치되는 팽창 링;

상기 팽창 링에 기계적으로 접속되는 실링 실린더로서, 상기 실링 실린더와 팽창 링은 실질적으로 실링된 콘택트 에리어(sealed contact area)를 형성하는, 상기 실링 실린더;

상기 챔버로 제1생성물의 유도를 허용하기에 적합한 흡입 포트(intake port); 및

상기 챔버로부터 제2생성물의 배제(expulsion)를 허용하기에 적합한 배기 포트(exhaust port)를 포함하는 로터리 머신.
제 1항에 있어서, 상기 챔버와 서로 통하여 상기 제1생성물을 점화하는 점화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 2항에 있어서, 상기 내부 벽에 실링 가능하게 맞물리도록, 상기 팽창 링으로부터 방사상으로 연장하는 팽창 링 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 3항에 있어서, 상기 실링 실린더에는 상기 팽창 링의 돌출부를 수용하는 리세스가 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 4항에 있어서, 상기 실링 실린더는, 하나의 상대 운동이 나머지로 이동되도록, 상기 팽창 링에 기계적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 5항에 있어서, 적어도 하나의 실링 실린더 돌출부는, 상기 실링 실린더에 대해 회전운동을 전달하도록, 상기 하우징을 통해 상기 실링 실린더로부터 축방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 3항에 있어서, 상기 내부 벽, 상기 팽창 링, 상기 콘택트 에리어 및 상기 팽창 링 돌출부의 트레일링 에지(trailing edge)는 상기 챔버 내부의 스페이스를 한정하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 7항에 있어서, 흡입 시간에서, 상기 스페이스는 상기 유도 컨트롤링 수단으로부터 상기 생성물을 수용하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 8항에 있어서, 상기 스페이스에 수용된 상기 생성물은 상기 스페이스 내에서 점화된 연소 생성물인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 8항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 외부 연소실로부터 수용된 팽창 연소 가스인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 8항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 쉐입드 차지(shaped charge) 또는 데토네이션(detonation) 사이클 연소실로부터 발생된 압축파인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 8항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 압축 가능한 유체인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 8항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 상기 팽창 링과 상기 실링 실린더의 회전 운동에 의해 상기 스페이스로 유도된 진공 생성물인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 8항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은, 상기 팽창 링과 상기 실링 실린더의 회전 운동을 구동시키도록, 상기 스페이스로 유도된 가압 유체(pressurized fluid)인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
연소 생성물이 점화 전에 스페이스 내에서 압축됨이 없이 상기 스페이스로 도입되는, 흡입 행정(intake stroke);

파워 행정; 및

배기 행정을 포함하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 연소 생성물은 대략 주변 압릭에서 도입되는 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 연소 생성물은 주변 압력보다 더 높은 압력에서 도입되는 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 파워 행정 체적은 상기 흡입 챔버 체적과 거의 같은 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 파워 행정 체적은 상기 흡입 챔버 체적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 파워 행정 체적은 사용된 연료 공기 혼합으로부터 생길 수 있는 팽창과 거의 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 배기 행정 압력은 대략 주변 압력인 것을 특징으로하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 배기 행정 압력은 주변 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 서멀 사이클은 내연기관에 대응하는 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 서멀 사이클은 외연기관에 대응하는 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
제 15항에 있어서, 상기 서멀 사이클은 쉐입드 차지 또는 데토네이션 사이클 연소 엔진에 대응하는 것을 특징으로 하는 연소 엔진 서멀 사이클.
로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법에 있어서,

연소 생성물의 팽창에 의해 야기되는 증가된 압력을 발생시키도록 상기 연소 생물을 점화하는 단계;

상기 증가된 압력을 회전 가능한 팽창 링으로 향하게 하는 단계;

상기 팽창 연소 생성물을 수용하도록, 상기 증가된 압력에 비례하는 거리로 상기 팽창 링을 회전시키는 단계; 및

상기 연소 생성물을 배기하는 단계를 포함하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 연소 생성물은 대략 주변 압력에서 도입되는 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 연소 생성물은 주변 압력보다 높은 압력에서 도입되는 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 파워 행정 체적은 흡입 챔버 체적과 거의 같은 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 파워 행정 체적은 상기 흡입 챔버 체적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 파워 행정 체적은 상기 흡입 챔버 체적보다 약 3 내지 4배 더 큰 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 배기 행정 압력은 대략 주변 압력인 것을 특징으로하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 배기 행정 압력은 주변 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 서멀 사이클은 내연기관에 대응하는 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 서멀 사이클은 외연기관에 대응하는 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
제 26항에 있어서, 상기 서멀 사이클은 쉐입드 차지 또는 데토네이션 사이클 연소 엔진에 대응하는 것을 특징으로 하는 로터리 파워를 생성하도록 로터리 머신을 이용하는 방법.
실질적으로 환상 형상의 하우징으로서, 상기 하우징의 외부 벽과 상기 하우징의 내부 벽 사이의 챔버를 한정하고, 단부에 캡을 갖는, 상기 하우징;

상기 챔버 내에 회전 가능하게 배치되는 팽창 링;

상기 팽창 링에 기계적으로 접속되는 실링 실린더로서, 상기 실링 실린더와 팽창 링은 실질적으로 실링된 콘택트 에리어를 형성하는, 상기 실링 실린더;

상기 챔버로, 흡입 체적과 팽창 체적을 갖는 제1생성물의 유도를 허용하기에 적합한 흡입 포트(intake port); 및

상기 챔버로부터 제2생성물의 배제(expulsion)를 허용하기에 적합한 배기 포트(exhaust port)를 포함하되,

상기 흡입 체적에 대한 상기 팽창 체적의 비율은, 상기 배기 포트를 통해 상기 제2생성물의 배제가 대략 주변 압력에서 발생하는 것인 로터리 머신.
제 37항에 있어서, 상기 흡입 포트와 서로 통하여 상기 제1생성물의 도입을 제어하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 38항에 있어서, 상기 챔버와 서로 통하여 상기 제1생성물을 점화하는 점화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 39항에 있어서, 상기 내부 벽에 실링 가능하게 맞물리도록, 상기 팽창 링으로부터 방사상으로 연장하는 팽창 링 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 40항에 있어서, 상기 실링 실린더에는 상기 팽창 링의 돌출부를 수용하는 리세스가 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 41항에 있어서, 상기 실링 실린더는, 하나의 상대 운동이 나머지로 이동되도록, 상기 팽창 링에 기계적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 42항에 있어서, 적어도 하나의 실링 실린더 돌출부는, 상기 실링 실린더에 대해 회전운동을 전달하도록, 상기 하우징을 통해 상기 실링 실린더로부터 축방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 40항에 있어서, 상기 내부 벽, 상기 팽창 링, 상기 콘택트 에리어 및 상기 팽창 링 돌출부의 트레일링 에지는 상기 챔버 내부의 스페이스를 한정하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 44항에 있어서, 흡입 시간에서, 상기 스페이스는 상기 유도 컨트롤링 수단으로부터 상기 생성물을 수용하는 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 45항에 있어서, 상기 스페이스에 수용된 상기 생성물은 상기 스페이스 내에서 점화된 연소 생성물인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 45항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 외부 연소실로부터 수용된 팽창 연소 가스인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 45항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 쉐입드 차지 또는 데토네이션 사이클 연소실로부터 발생된 압축파인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 45항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 압축 가능한 유체인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 45항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은 상기 팽창 링과 상기 실링 실린더의 회전 운동에 의해 상기 스페이스로 유도된 진공 생성물인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.
제 45항에 있어서, 상기 스페이스 내에 수용된 상기 생성물은, 상기 팽창 링과 상기 실링 실린더의 회전 운동을 구동시키도록, 상기 스페이스로 유도된 가압 유체인 것을 특징으로 하는 로터리 머신.