JP2008504488A - Rotary device and method of operating rotary device - Google Patents

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Abstract

本発明は、空気/燃料混合物からなるチャージを受け取り、デトネーションによって燃料を酸化させるためのチャンバと、体積が変化する一時チャンバを有している回転膨張機であって、該一時チャンバが当該回転膨張機の回転のサイクルの少なくとも一部において前記デトネーション・チャンバと流体連通する回転膨張機と、を有しており、前記回転膨張機が、空気/燃料混合物のデトネーションによって生じる空気/燃料混合物の膨張によって駆動されるように構成されているロータリー装置に関する。
【選択図】 図1
The present invention is a rotary expander having a chamber for receiving a charge comprising an air / fuel mixture and oxidizing fuel by detonation, and a temporary chamber of varying volume, the temporary chamber being in the rotational expansion A rotary expander in fluid communication with the detonation chamber in at least a portion of a cycle of rotation of the machine, wherein the rotary expander is caused by expansion of the air / fuel mixture caused by air / fuel mixture detonation. The present invention relates to a rotary device configured to be driven.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、ロータリー装置及びロータリー装置の運転方法に関する。   The present invention relates to a rotary device and a method for operating the rotary device.

特定の実施形態において、本発明は、その内容全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれる国際特許出願第WO‐A‐91/06747号ならびに付与済みの米国特許第US‐B‐6168385号及び第US‐B−6176695号に記載の方法及び装置の発展を含んでいる。   In certain embodiments, the present invention is directed to International Patent Application No. WO-A-91 / 06747, the entire contents of which are hereby incorporated by reference herein, as well as granted US Patent No. US-B-6168385. And the development of the method and apparatus described in US-B-6176695.

デトネーション(detonation)は、燃料を空気又は酸素に分布させてなる気体状の混合物が酸化にさらされるプロセスであって、火炎によって引き起こされる燃焼や爆燃において生じるよりも急激な様相での熱の解放をともなうプロセスである。デトネーションは、通常は、空気/燃料混合物の着火によって開始される。空気/燃料混合物のデトネーションは、そのプロセスによって生成される熱に起因する空気/燃料混合物の膨張の結果として、衝撃波の発生を引き起こす。デトネーションの際、衝撃波は、爆燃の際の火炎にとって可能な速度よりもはるかに高速であって典型的には1よりも大きなマッハ数で移動し、気体混合物(チャージ・ガス)を通過する。   Detonation is a process in which a gaseous mixture of fuel distributed in air or oxygen is subjected to oxidation, which releases heat in a more rapid manner than occurs in combustion or deflagration caused by a flame. It is a process to accompany. Detonation is usually initiated by the ignition of an air / fuel mixture. The detonation of the air / fuel mixture causes the generation of shock waves as a result of the expansion of the air / fuel mixture due to the heat generated by the process. During detonation, the shock wave travels through a gas mixture (charge gas) at a Mach number much higher than that possible for a flame during deflagration, typically greater than one.

デトネーションを、一端が閉じられ他端が開放された筒において発生させることが可能であることが実証されている。燃料及び空気のチャージ(charge)が、点火装置が配置されている閉じた端部においてバルブ又はポートを通じて筒へと導入される。衝撃波は、点火装置において点火された空気/燃料混合物の急激な膨張によって開始されると、きわめて高速で筒を通過する。デトネーションの熱の解放によって生じる膨張の結果としてチャージ・ガスが高速で筒の開放端を出るとき、大きな推力が生成される。複数の筒を、デトネーションを順次に発生させる推力生成エンジンを形成するように、配置することができる。例えば、そのようなシステムが説明されている米国特許第US‐A‐5345758号を参照されたい。   It has been demonstrated that detonation can occur in a cylinder that is closed at one end and open at the other end. Fuel and air charges are introduced into the cylinder through a valve or port at the closed end where the igniter is located. The shock wave passes through the cylinder at a very high rate when initiated by a sudden expansion of the air / fuel mixture ignited in the igniter. As the charge gas exits the open end of the cylinder at high speed as a result of the expansion caused by the release of detonation heat, a large thrust is generated. Multiple cylinders can be arranged to form a thrust generation engine that sequentially generates detonation. See, for example, US Pat. No. 5,345,758, which describes such a system.

各デトネーション・サイクルにおいて、チャージ・ガスの圧力及び密度の変化が生じることが知られている。ガス密度は、空気/燃料混合物の熱化学反応が開始される前進する衝撃波の前面において最大である。対照的に、衝撃波のすぐ後に、ガス密度がきわめて低くなる希薄波が発生する。反応領域における熱の解放から起因するガスの膨張が、低い密度又は準真空の領域を背後に残しつつ、ガスをチャンバの開放端から追い出すように機能する。パルス・デトネーション・エンジンにおいては、この準真空が、次の空気及び燃料のチャージによって迅速に再び筒を満たすために使用される。   It is known that charge gas pressure and density changes occur in each detonation cycle. The gas density is maximum at the front of the forward shock wave where the thermochemical reaction of the air / fuel mixture is initiated. In contrast, a dilute wave with a very low gas density occurs immediately after the shock wave. The expansion of the gas resulting from the release of heat in the reaction zone functions to drive the gas out of the open end of the chamber, leaving behind a low density or quasi-vacuum region. In a pulse detonation engine, this quasi-vacuum is used to quickly fill the cylinder again with the next air and fuel charge.

米国特許第US‐A‐4741154号が、回転デトネーション・エンジンを開示している。このエンジンは、デトネーション・チャンバを有するとともに、デトネーション・チャンバから受け取られるデトネーション後の空気/燃料混合物のチャージによって駆動されるように配置された複数のタービン羽根板を有している。このエンジンは、回転子を駆動するためにキャサリン‐ホイール効果(catherine‐wheel effect)に依存している。このエンジンは、デトネーションからのエネルギーの回転力への効率的な変換を、可能にしていない。さらに、タービン羽根板がデトネーションからの変動力にさらされるため、効率的なエネルギー変換を行うことができず、疲労によって破損しやすいものとなっている。
WO‐A‐91/06747 US‐B‐6168385 US‐B−6176695 US‐A‐5345758 US‐A‐4741154
U.S. Pat. No. US-47441154 discloses a rotary detonation engine. The engine has a detonation chamber and a plurality of turbine blades arranged to be driven by a charge of the post-detonation air / fuel mixture received from the detonation chamber. This engine relies on the catherine-wheel effect to drive the rotor. This engine does not allow efficient conversion of energy from detonation into rotational force. Furthermore, since the turbine blades are exposed to fluctuating force from detonation, efficient energy conversion cannot be performed, and the turbine blades are easily damaged by fatigue.
WO-A-91 / 06747 US-B-6168385 US-B-6176695 US-A-5345758 US-A-47441154

本発明の第1の態様によれば、空気/燃料混合物からなるチャージを受け取り、デトネーションによって燃料を酸化させるためのチャンバと、体積が変化する一時チャンバを有している回転膨張機であって、該一時チャンバが当該回転膨張機の回転のサイクルの少なくとも一部において前記デトネーション・チャンバと流体連通する回転膨張機と、を有しており、前記回転膨張機が、空気/燃料混合物のデトネーションによって生じる空気/燃料混合物の膨張によって駆動されるように構成されているロータリー装置が提供される。   According to a first aspect of the invention, there is provided a rotary expander having a chamber for receiving a charge comprising an air / fuel mixture and oxidizing the fuel by detonation and a temporary chamber of varying volume, The temporary chamber having a rotary expander in fluid communication with the detonation chamber in at least a portion of a rotation cycle of the rotary expander, wherein the rotary expander is generated by detonation of an air / fuel mixture. A rotary device is provided that is configured to be driven by the expansion of an air / fuel mixture.

本発明は、デトネーション・プロセスから回転力を得ることができるようにするロータリー装置を提供する。例えば米国特許第US‐A‐4741154号に記載の装置など、デトネーション・プロセスから回転力を得るために使用されるべくこれまでに開示された装置と対照的に、本発明においては、ロータリー装置において生成された膨張ガスから動力を取り出すための効率的な手段を提供する回転膨張機が設けられる。   The present invention provides a rotary device that allows the rotational force to be obtained from the detonation process. In contrast to the devices previously disclosed to be used to obtain rotational force from the detonation process, such as, for example, the device described in US Pat. No. US-47441154, in the present invention in a rotary device A rotary expander is provided that provides an efficient means for extracting power from the generated expanded gas.

本発明は、オットー・サイクル、ディーゼル・サイクル、及びガス・タービン・サイクルのエンジンと比べたときにいくつかの大いなる利点を提供する様相で、燃料から解放されたエネルギーを回転膨張機を使用して軸の力に変換できるロータリー装置を提供する。これらのエンジンのすべてにおいては、燃料の酸化のプロセスが、燃料‐空気混合物が圧縮された後、すなわち大気よりもかなり高い温度及び圧力の水準に達した後でしか開始されない。オットー・サイクル及びディーゼル・サイクルのエンジンにおいては、燃焼の際の熱の解放によって、温度及び圧力がきわめて高い水準へとさらに高められる。これは、いくつかの欠点を有している。第1に、大きな熱的及び物理的応力に耐えることができ、かつ燃焼室内にガスのチャージを封じることができる材料で、エンジンを構成する必要がある。大きな熱的及び物理的応力ゆえ、いくらかの熱的損失及び漏れ損失が、このプロセスにおいては不可避である。   The present invention appears to provide several significant advantages when compared to Otto cycle, diesel cycle, and gas turbine cycle engines, using rotary expanders to release the energy released from the fuel. Provide a rotary device that can be converted into axial force. In all these engines, the process of fuel oxidation begins only after the fuel-air mixture has been compressed, i.e., has reached a temperature and pressure level significantly higher than the atmosphere. In Otto and diesel cycle engines, the release of heat during combustion raises the temperature and pressure to very high levels. This has several drawbacks. First, the engine must be constructed of a material that can withstand large thermal and physical stresses and that can seal the gas charge in the combustion chamber. Because of the large thermal and physical stresses, some thermal and leakage losses are unavoidable in this process.

第2に、ピストン・エンジンの場合には、燃焼プロセスが、典型的には20〜90度であるが、ピストンの上死点(TDC)位置の付近の或る角度に広がる。これは、熱の解放のうちのTDCよりも前に生じる部分が、圧縮に負の仕事を加えることを意味し、これをオットー又はディーゼル・サイクルのこの半分(すなわち、圧縮‐燃焼‐膨張段階)においてピストンへと正味の仕事を生成できるために、TDC後の膨張の際に回復しなければならないことを意味する。この期間におけるチャージの封止は、ピストン・リングがピストンとシリンダ壁との間のすき間を封じるために、かなりの摩擦を生じる。この摩擦は、これらのサイクルの吸気及び排気段階においてもつきまとい、これらのエンジンにおける内部出力のさらなる損失を構成する。   Second, in the case of a piston engine, the combustion process is typically 20-90 degrees, but extends to an angle near the top dead center (TDC) position of the piston. This means that the part of the heat release that occurs before TDC adds negative work to the compression, which is this half of the Otto or Diesel cycle (ie, compression-combustion-expansion stage). This means that in order to be able to generate net work on the piston, it must recover upon expansion after TDC. The sealing of the charge during this period creates considerable friction because the piston ring seals the gap between the piston and cylinder wall. This friction is in the intake and exhaust phases of these cycles and constitutes a further loss of internal power in these engines.

ガス・タービン・エンジンの場合には、燃焼の際の熱の解放がさらなる圧力上昇をもたらすことはなく、圧縮機によって生成された圧力でガスの膨張が生じる。しかしながら、圧縮機によってなされた仕事は、膨張タービン・システムによって回収される仕事のかなりの部分を呈し、タービンが動力の正味余剰を届けることができるために克服しなければならないかなりの負の仕事を構成する。   In the case of a gas turbine engine, the release of heat during combustion does not result in a further pressure increase and gas expansion occurs at the pressure generated by the compressor. However, the work done by the compressor represents a significant portion of the work recovered by the expansion turbine system, and the considerable negative work that must be overcome in order for the turbine to deliver the net surplus of power. Constitute.

本発明のロータリー装置は、これらの欠点のいずれにも悩まされることがない。燃料の酸化に先立って、フライホイールの慣性などといった外部の源から作動流体へと加えられる力は、わずか又は皆無である。酸化がデトネーションによって達成される結果として、圧縮の大部分又はすべてが、作動流体のチャージの反応領域において局所的に生成され、すなわち熱‐化学的由来の衝撃波によって生成される。結果として、エンジン全体にわたる圧力及び温度が、ピストン・エンジン及びガス・タービン・エンジンにおける圧力及び温度よりもはるかに低い。より小さな熱の勾配ゆえ、熱損失の可能性が大幅に低減される。   The rotary device of the present invention does not suffer from any of these disadvantages. Prior to fuel oxidation, little or no force is applied to the working fluid from external sources, such as flywheel inertia. As a result of the oxidation being achieved by detonation, most or all of the compression is generated locally in the reaction region of the working fluid charge, i.e. by a thermo-chemically derived shock wave. As a result, the pressure and temperature throughout the engine is much lower than the pressure and temperature in piston and gas turbine engines. Because of the smaller heat gradient, the potential for heat loss is greatly reduced.

さらに、大きな圧力勾配が存在しないため、作動流体のチャージからの漏れ損失も、物理的又は機械的なシールを必要とすることなくきわめて低いレベルに保つことができ、したがって内部の摩擦損失の発生が回避される。したがって、燃料の潜在エネルギーが、最小限の内部損失で作動流体の膨張へと直接変換される。ガスの膨張は、回転膨張機によって膨張プロセスの際の損失を最小限にしつつ軸の出力へと効率的に変換され、したがって内部損失の低減によって高い効率のロータリー装置がもたらされる。   Furthermore, since there is no large pressure gradient, leakage loss from the working fluid charge can also be kept at a very low level without the need for a physical or mechanical seal, thus creating internal friction loss. Avoided. Thus, the potential energy of the fuel is converted directly into working fluid expansion with minimal internal loss. Gas expansion is efficiently converted to shaft output by the rotary expander while minimizing losses during the expansion process, thus reducing internal losses resulting in a highly efficient rotary device.

本発明の第2の態様によれば、デトネーション・チャンバを回転膨張機の一時チャンバに流体連通させて有しているロータリー装置の運転方法であって、デトネーション・チャンバにガス/燃料混合物からなるチャージを受け入れるステップ、及び前記混合物にデトネーションを生じさせて前記ガス/燃料混合物を膨張させ、回転膨張機を駆動するステップ、を有する方法が提供される。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of operating a rotary device having a detonation chamber in fluid communication with a temporary chamber of a rotary expander, wherein the detonation chamber comprises a gas / fuel mixture charge. And a step of detonating the mixture to expand the gas / fuel mixture and drive a rotary expander.

次に、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ詳しく説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1〜3は、本発明の一実施形態によるロータリー装置の一例の一部分の図である。図示の具体例においては、装置が、圧縮機2、デトネーション・チャンバ4、及び膨張機6を、壁体(すべてが示されているわけではない)によって画定されたハウジング内に配置して有している。デトネーション・チャンバ4は、さらに詳しく後述する固定子シリンダ3の内側に収容されている。中間壁10が、圧縮機と膨張機とを隔てるように設けられている。   1-3 are diagrams of a portion of an example of a rotary device according to an embodiment of the present invention. In the illustrated embodiment, the apparatus has a compressor 2, a detonation chamber 4, and an expander 6 disposed in a housing defined by walls (not all shown). ing. The detonation chamber 4 is accommodated inside a stator cylinder 3 which will be described in more detail later. An intermediate wall 10 is provided so as to separate the compressor and the expander.

一般に、圧縮機2は、空気/燃料混合物からなるチャージを圧縮してデトネーション・チャンバ4へと供給するように配置されている。圧縮機2及び膨張機6はそれぞれ、平行な軸を中心として反対向きに回転するように配置された2つの回転子(圧縮機については、5及び7;膨張機については16及び18)で構成されている。図1において、膨張機の回転子16及び18をはっきりと見ることができる。図2においては、圧縮機の回転子をはっきりと見ることができるよう、膨張機の回転子及び中間壁10が取り除かれている。   In general, the compressor 2 is arranged to compress a charge comprising an air / fuel mixture and supply it to the detonation chamber 4. The compressor 2 and the expander 6 are each composed of two rotors (5 and 7 for the compressor; 16 and 18 for the expander) arranged to rotate in opposite directions around a parallel axis. Has been. In FIG. 1, the expander rotors 16 and 18 are clearly visible. In FIG. 2, the expander rotor and intermediate wall 10 have been removed so that the compressor rotor can be clearly seen.

膨張機及び圧縮機の両者の回転子5、7、16、及び18は、ハウジング内に配置されているが、ハウジングの一方の端壁8及び中間壁10のみが、図1に示されている。固定子シリンダ3及び固定子シリンダ3を中心として回転するように配置された回転子が囲まれるように、さらなる壁体(図示されていない)が設けられている。   The rotors 5, 7, 16, and 18 of both the expander and compressor are arranged in the housing, but only one end wall 8 and intermediate wall 10 of the housing are shown in FIG. . An additional wall (not shown) is provided to surround the stator cylinder 3 and the rotor arranged to rotate about the stator cylinder 3.

ハウジングの壁体に、開口12及び14が設けられている。開口12及び14は、可動かつ異形の閉じ込め壁体をロータリー装置へと挿入することができるように設けられている。後述されるとおり、閉じ込め壁体(図4A〜4H及び5A〜5Hの断面で示されている)は、圧縮機及び膨張機のそれぞれの一時チャンバについて可能な最大容積を、変化させることができるようにする。   Openings 12 and 14 are provided in the wall of the housing. The openings 12 and 14 are provided so that movable and irregularly confined walls can be inserted into the rotary device. As will be described below, the containment wall (shown in cross section in FIGS. 4A-4H and 5A-5H) can vary the maximum volume possible for each temporary chamber of the compressor and expander. To.

使用時、空気/燃料混合物からなるチャージがデトネーション・チャンバ4内において適切な乱流状態になると、この混合物に点火が行われる。これにより、空気/燃料混合物のデトネーションが引き起こされ、結果として、超音速の衝撃波が生成されて、デトネーション・チャンバ4を通って膨張機6へと伝播する。結果として、デトネーション・チャンバ及び膨張機内のガスが膨張し、膨張機の回転子を回転させる。回転する膨張機が、装置から回転力を取り出すべく駆動軸へと接続されている。   In use, when a charge consisting of an air / fuel mixture is in an appropriate turbulent state in the detonation chamber 4, the mixture is ignited. This causes detonation of the air / fuel mixture, resulting in a supersonic shock wave being propagated through the detonation chamber 4 to the expander 6. As a result, the gas in the detonation chamber and expander expands, causing the expander rotor to rotate. A rotating expander is connected to the drive shaft to extract rotational force from the device.

さらに詳しくは、図1に示したロータリー装置は、デトネーション・チャンバ4を、どちらか一方の端部に向かって軸方向のポート(図1には示されていない)を有する固定子シリンダに有している。軸方向のポート20及び32を、図3に見て取ることができ、さらに図4A〜4H及び5A〜5Hの断面に見て取ることができる。軸方向のポートのうちの一方のポート20は、圧縮機の凹部付きの回転子の凹部とデトネーション・チャンバとの間の連通を可能にする。軸方向のポートのうちの他方のポート32は、膨張機の凹部付きの回転子の凹部とデトネーション・チャンバとの間の連通を可能にする。   More specifically, the rotary device shown in FIG. 1 has a detonation chamber 4 in a stator cylinder having an axial port (not shown in FIG. 1) towards either end. ing. Axial ports 20 and 32 can be seen in FIG. 3 and can also be seen in the cross sections of FIGS. 4A-4H and 5A-5H. One of the axial ports 20 allows communication between the rotor recess with the compressor recess and the detonation chamber. The other of the axial ports 32 allows communication between the recess of the rotor with the recess of the expander and the detonation chamber.

図示の例では、圧縮機及び膨張機の両者が、それぞれの軸を中心として回転するように構成されたそれぞれの回転子の凹部7及び18ならびに凸部5及び16によって形成されている。圧縮機及び膨張機のそれぞれの回転子は、最も好ましくは、その内容の全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする国際公開第WO‐A‐91/06747号パンフレットに記載の形式である。   In the illustrated example, both the compressor and the expander are formed by respective rotor recesses 7 and 18 and protrusions 5 and 16 configured to rotate about their respective axes. Each compressor and expander rotor is most preferably described in WO-A-91 / 06747, the entire contents of which are incorporated herein by reference. Of the form.

図1にはっきりと見ることができる膨張機6を参照すると、凸部付きの回転子16が、形状が同一であって回転時に凹部付きの回転子18の凹部R、S、及びTと協働するように形作られた放射状の凸部P及びQを有している。これは、相互作用する凸部と凹部との間に容積が変化する一時チャンバを画定するように機能する。後述されるように、一時チャンバは、膨張するガスを受け取って、それらからエネルギーを取り出すために使用される。   Referring to the expander 6 that can be clearly seen in FIG. 1, the rotor 16 with projections is identical in shape and cooperates with the recesses R, S and T of the rotor 18 with recesses during rotation. It has the radial convex parts P and Q shaped so as to. This functions to define a temporary chamber whose volume changes between the interacting protrusions and recesses. As described below, the temporary chamber is used to receive expanding gases and extract energy from them.

次に圧縮機を参照すると、例えば空気/燃料混合物である気体状の作動流体が、圧縮機の回転子ペア5及び7を囲んでいるハウジングに供給され、圧縮機の凹部付きの回転子7の凹部を満たす。圧縮サイクルは、凸部付きの回転子5からの凸部が凹部付きの回転子7の凹部のうちの1つに進入して、空気/燃料混合物のチャージを、協働する凹部付きの回転子7の凹部及び凸部付きの回転子5の凸部の表面によって画定される一時チャンバ内に捉えるときに始まる。ロータリー装置の動作のサイクルを、以下でさらに詳しく説明する。   Referring now to the compressor, a gaseous working fluid, for example an air / fuel mixture, is supplied to the housing surrounding the compressor rotor pairs 5 and 7 and the compressor recessed rotor 7 Fill the recess. In the compression cycle, the convex part from the convex rotor 5 enters one of the concave parts of the concave rotor 7 to charge the air / fuel mixture for cooperating concave rotor. It begins when it is caught in a temporary chamber defined by the surface of the convex part of the rotor 5 with the concave part 7 and the convex part. The cycle of operation of the rotary device is described in more detail below.

圧縮機及び膨張機の両者の凹部付きの回転子7及び18は、軸方向の中央穴9及び11を有している。さらに、凹部付きの回転子7及び18のそれぞれに、回転子の凹部を回転子の穴へと接続する通路(図4A〜4H及び5A〜5Hに示されている)が設けられている。回転子の穴9及び11のそれぞれは、固定子シリンダ3の外表面に密に隣接して嵌まり込んでおり、固定子シリンダ3の内側に、デトネーション・チャンバ4が画定されている。これにより、回転の円弧の適切な部分において、固定子シリンダ3のポートのそれぞれが、回転子のそれぞれの凹部へと続く短い通路の入口と連通することができ、したがってそれぞれの回転子ペアの間に形成される一時チャンバへと連通することができる。   The recessed rotors 7 and 18 of both the compressor and the expander have axial central holes 9 and 11. Further, each of the rotors 7 and 18 with recesses is provided with a passage (shown in FIGS. 4A-4H and 5A-5H) connecting the rotor recesses to the rotor holes. Each of the rotor holes 9 and 11 fit closely adjacent to the outer surface of the stator cylinder 3, and a detonation chamber 4 is defined inside the stator cylinder 3. This allows each of the ports of the stator cylinder 3 to communicate with the inlets of the short passages leading to the respective recesses of the rotor in the appropriate part of the rotating arc, and thus between the respective rotor pairs. Can be communicated to a temporary chamber formed.

デトネーション・チャンバ4を画定している固定子シリンダ3は、それぞれの端部において、ハウジングの2つの外壁8(他方は図示されていない)に支持されており、ハウジングの外壁はそれぞれ、圧縮機の回転子ペア5及び7の外側端面ならびに膨張機の回転子ペア16及び18の外側端面のために、密に嵌まり合った支持をもたらしている。端部の壁は、固定子シリンダ3の両端を閉じてデトネーション・チャンバを画定するように設けられている。好ましくは、デトネーション・チャンバ4の圧縮機側の端部の壁が、点火プラグ(図示されていない)又はデトネーション・チャンバ内のチャージに点火するための他の任意の適切な手段など、点火装置のための場所を提供している。   The stator cylinder 3 defining the detonation chamber 4 is supported at each end by two outer walls 8 of the housing (the other not shown), each of the outer walls of the housing being in the compressor The outer end faces of the rotor pairs 5 and 7 and the outer end faces of the expander rotor pairs 16 and 18 provide a tightly fitted support. The end walls are provided to close both ends of the stator cylinder 3 to define a detonation chamber. Preferably, the compressor side end wall of the detonation chamber 4 is a spark plug (not shown) or any other suitable means for igniting a charge in the detonation chamber, such as an ignition device. Provides a place for.

圧縮機及び膨張機の両方の回転子ペア(5及び7;16及び18)に、可動の閉じ込め壁体(図4A〜4H及び5A〜5Hに断面で示されている)を提供することができる。可動の閉じ込め壁体は、好ましくは、動作の際にロータリー装置の作動流体の押し出し量を可変にすることができるように設けられたスライド可能部材である。作動流体の押し出し量は、例えば負荷の変動に応じて変化させることができ、あるいは特定の用途において高度が変化しても一定の出力を維持するように変化させることができる。   Both compressor and expander rotor pairs (5 and 7; 16 and 18) can be provided with movable containment walls (shown in cross section in FIGS. 4A-4H and 5A-5H). . The movable confining wall body is preferably a slidable member provided so that the amount of pushing out the working fluid of the rotary device can be varied during operation. The pushing amount of the working fluid can be changed according to, for example, a change in load, or can be changed so as to maintain a constant output even if the altitude changes in a specific application.

好ましい実施形態においては、格子(図6に関して詳しく後述する)が、圧縮機の一時チャンバからデトネーション・チャンバへとつながる短い通路に取り付けられている。格子は、圧縮機の一時チャンバを出てデトネーション・チャンバへと進入する際にチャージ・ガスに微小規模の乱流を生み出すために適した構成部品の例である。この微小規模の乱流は、ガス流中にきわめて小さなサイズの乱流渦構造を生み出す一方で、きわめて強い強度であって、高次の局所平均ガス速度を生み出す。この乱流の特有の形態が、デトネーション・チャンバにおいて直ぐ後に続くデトネーション・プロセスの前兆である。   In a preferred embodiment, a grid (discussed in detail below with respect to FIG. 6) is attached to a short passage leading from the compressor temporary chamber to the detonation chamber. The grid is an example of a component that is suitable for creating microscale turbulence in the charge gas as it leaves the compressor temporary chamber and enters the detonation chamber. This micro-scale turbulence creates a very small size turbulent vortex structure in the gas flow while being very strong and produces a higher order local average gas velocity. This unique form of turbulence is a precursor to the detonation process that immediately follows in the detonation chamber.

乱流が、チャージの有効なデトネーションに必要とされる高いレベルの潜在反応性を生み出すよう、空気/燃料混合物の局所ガス動的エネルギーを高いレベルにまで高める。また、格子は、通路を通過するチャージの全体の流れにも影響を及ぼし、デトネーションの開始に先立って、チャージの全体にわたってマイクロ・レベルでの乱流及び燃料分布に良好な一様性をもたらす。ひとたびデトネーション・チャンバ(及び、おそらくは回転する膨張機の膨張する一時チャンバ)に入ると、チャージが点火され、デトネーションが生じる。デトネーションがガスの急激な膨張を引き起こし、この膨張が回転膨張機を駆動すべく使用される。   The turbulence increases the local gas dynamic energy of the air / fuel mixture to a high level so that the high level of latent reactivity required for effective detonation of charge is produced. The grid also affects the overall flow of charge through the passage, providing good uniformity in micro level turbulence and fuel distribution throughout the charge prior to the onset of detonation. Once in the detonation chamber (and possibly the inflating temporary chamber of a rotating expander), the charge is ignited and detonation occurs. Detonation causes a rapid expansion of the gas, and this expansion is used to drive the rotary expander.

図4A〜4Hは、ロータリー装置の圧縮機部分について、サイクルの各段階における回転子端部の形状を示している。ロータリー装置が、圧縮機なしでも動作でき、すなわち空気/燃料混合物を大気圧でデトネーション・チャンバへと直接供給してもよいことを、理解できるであろう。図4A〜4Hはそれぞれ、ロータリー装置のガス吸気端に近接する点において凸部付きの回転子及び凹部付きの回転子ならびに可動閉じ込め壁体を通過する断面形状を示している。閉じ込め壁体は、第1及び第2の回転子と係合して、閉じ込め壁体と第1及び第2の回転子との間に一時チャンバを定めるように形作られており、閉じ込め壁体が、この一時チャンバについて可能な最大容積を変化させることができるよう可動である。   4A-4H show the shape of the rotor end at each stage of the cycle for the compressor portion of the rotary device. It will be appreciated that the rotary device can operate without a compressor, i.e. the air / fuel mixture may be fed directly to the detonation chamber at atmospheric pressure. 4A to 4H each show a cross-sectional shape passing through a rotor with a convex portion, a rotor with a concave portion, and a movable confinement wall at a point close to the gas intake end of the rotary device. The containment wall is shaped to engage the first and second rotors to define a temporary chamber between the containment wall and the first and second rotors, It is movable so that the maximum volume possible for this temporary chamber can be varied.

凹部付きの回転子の中心は中空であり、デトネーション・チャンバを定めている中空の内部を有している固定子シリンダに密に嵌まり合い、固定子シリンダを中心として回転する。固定子シリンダがポート20を有し、圧縮機の凹部付きの回転子のそれぞれの凹部が、固定子シリンダを中心とする回転子の回転サイクルの一部分において固定子シリンダのポート20と連通する通路22を有している。固定子シリンダの中空の内部が、ロータリー装置のデトネーション・チャンバとして機能する。   The center of the rotor with the recess is hollow and fits tightly into a stator cylinder having a hollow interior defining a detonation chamber and rotates about the stator cylinder. The stator cylinder has a port 20, and each recess of the rotor with a compressor recess communicates with the stator cylinder port 20 during a portion of the rotor's rotation cycle about the stator cylinder. have. The hollow interior of the stator cylinder functions as a detonation chamber for the rotary device.

図4Aを参照すると、回転子が図示の方向に回転する(凸部付きの回転子が時計回りの方向に回転し、凹部付きの回転子が反時計回りの方向に回転する)とき、凸部Pと凹部Rとが互いに接近する。凸部P及び凹部Rならびに可動の閉じ込め壁体26の係合が、可動の壁体26内に一時容積Jを捉えるように機能する。可動の壁体の端部が図示されている。この壁体は、回転子の軸長さに沿って先細りとされている。壁体が回転子の軸方向に平行な経路に沿って移動すると、壁体の先細りの形状ゆえに、一時チャンバについて可能な最大体積が変化する。これは、米国特許第US‐B‐6176695号に詳しく説明されており、その内容の全体が、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。そこに記載されている壁体26を移動させるための自動手段などのような手段を、設けることができる。   Referring to FIG. 4A, when the rotor rotates in the direction shown (the rotor with the convex portion rotates in the clockwise direction and the rotor with the concave portion rotates in the counterclockwise direction), the convex portion P and the recess R approach each other. The engagement of the convex portion P and the concave portion R and the movable confining wall body 26 functions to capture the temporary volume J in the movable wall body 26. The end of the movable wall is shown. This wall is tapered along the axial length of the rotor. As the wall moves along a path parallel to the axial direction of the rotor, the maximum volume possible for the temporary chamber changes due to the tapered shape of the wall. This is described in detail in US Pat. No. US-B-6176695, the entire contents of which are hereby incorporated by reference herein. Means such as automatic means for moving the wall 26 described therein may be provided.

次に図4Bを参照すると、今や一時容積Jに収容された流体が捉えられ、回転子が回転を続けるにつれて圧縮される。   Referring now to FIG. 4B, the fluid contained in the temporary volume J is now captured and compressed as the rotor continues to rotate.

次に図4Cを参照すると、一時容積Jが圧縮されているが、未だ凹部付きの回転子の通路22がポート20に対応する位置まで回転していないため、流体は捉えられたままである。   Referring now to FIG. 4C, the temporary volume J is compressed, but the fluid remains captured because the recessed rotor passage 22 has not yet rotated to the position corresponding to the port 20.

図4Dにおいては、一時容積Jが、今や完全に凸部P及び凹部Rの表面によって封じられている。凹部付きの回転子の通路22の前縁が、今やポート20の開き縁に達しており、ポートを通過する流体の流れが生じ始めている。この段階で、捉えられている流体の圧力がレシーバの圧力に達し、回転子のさらなる回転によって、凸部Rと凹部Pとの間の可変の容積のチャンバにおいて圧縮されたガスのチャージが徐々に送出される。   In FIG. 4D, the temporary volume J is now completely sealed by the surface of the convex part P and the concave part R. The leading edge of the recessed rotor passage 22 now reaches the open edge of the port 20, and fluid flow through the port begins to occur. At this stage, the pressure of the fluid being captured reaches the pressure of the receiver, and further rotation of the rotor gradually charges the compressed gas in the variable volume chamber between the ridges R and P. Sent out.

図4Eにおいて、凹部付きの回転子の通路22の前縁が、今やポート20を約半分まで横切っており、ポート20のスロートにおける可変の流通面積が大きくなっている。図4Fにおいて、凹部付きの回転子の通路22が、今やポート20に整列しており、チャージの送出のために最大の流通面積をもたらしている。   In FIG. 4E, the leading edge of the recessed rotor passage 22 now traverses the port 20 to about half, increasing the variable flow area at the throat of the port 20. In FIG. 4F, the recessed rotor passage 22 is now aligned with the port 20 to provide maximum flow area for charge delivery.

図4Gにおいて、凹部付きの回転子の通路22の後縁が、今やポート20の閉じ縁に接近しており、ポートが閉じ始めている。残りの一時容積はきわめて小さく、したがってポートを通じて移されるべき少量のチャージを依然として含んでいる。   In FIG. 4G, the trailing edge of the recessed rotor passage 22 is now approaching the closing edge of the port 20 and the port is beginning to close. The remaining temporary volume is very small and therefore still contains a small amount of charge to be transferred through the port.

最後に、図4Hにおいて、今や一時容積が完全になくなっており、すきま容積のみが凸部Pの表面と凹部Rの表面との間に残されている。ポート20の閉鎖が、凸部の先端がポケットの最小半径の点に達するときに生じる圧縮作用の完了に一致している。今や新たな一時容積が、次の凸部と凹部とからなるペアの間に形成されている。この段階において、空気/燃料混合物のチャージのすべてが圧縮され、今や固定子シリンダの内部によって定められるデトネーション・チャンバ、及びおそらくは膨張機の一時チャンバに収容されている。   Finally, in FIG. 4H, the temporary volume is now completely gone, leaving only the clearance volume between the surface of the projection P and the surface of the recess R. The closure of the port 20 coincides with the completion of the compression action that occurs when the tip of the projection reaches the point of the pocket's minimum radius. A new temporary volume is now formed between the next pair of protrusions and recesses. At this stage, all of the charge of the air / fuel mixture is compressed and now housed in a detonation chamber, and possibly a temporary chamber of the expander, defined by the interior of the stator cylinder.

図4A〜4Hを参照して上述した圧縮サイクルの際の或る点において、膨張機の回転子の凹部と凸部との間に一時チャンバが形成される。この一時チャンバの容積は、チャージからのデトネーション・ガスの膨張を可能にするため、サイクルにおいて増加する。実際には、後述されるとおり、好ましい実施形態においては、一時チャンバが、膨張機の一時チャンバがデトネーションが生じるチャンバとしても機能するように、或る量の圧縮されたチャージを受け取る。圧縮機及びデトネーションのタイミングに対する膨張機サイクルの相対的な注入、ならびに圧縮サイクルの後の段階に対する膨張機サイクルの開始及び継続の程度について、以下で詳しく説明する。まずは、膨張機及び膨張サイクルを詳しく説明する。   At some point during the compression cycle described above with reference to FIGS. 4A-4H, a temporary chamber is formed between the concave and convex portions of the expander rotor. The volume of this temporary chamber increases in the cycle to allow for detonation gas expansion from the charge. In fact, as described below, in a preferred embodiment, the temporary chamber receives a certain amount of compressed charge so that the temporary chamber of the expander also functions as a chamber where detonation occurs. The relative injection of the expander cycle with respect to the compressor and detonation timing, and the extent to which the expander cycle begins and continues for later stages of the compression cycle, are described in detail below. First, the expander and the expansion cycle will be described in detail.

図5A〜5Hは、ロータリー装置の膨張機について、サイクルの各段階における端部の形状を示している。図5Aを参照すると、膨張機のサイクルは、係合する回転子ペアの凸部の表面Uと凹部の表面Wとが、凸部の最大進入の点を過ぎるとき、すなわち凸部の先端が凹部の表面Wの最小半径の点を過ぎるときに始まる。この段階において、凹部付きの回転子の通路30の前縁が、加圧流体の供給がアクセスしている固定子シリンダ16内のポート32の開き縁に接近する。図5Bを参照すると、ポート32が開くにつれて、加圧流体が凹部付きの回転子の通路30に進入し、凸部と凹部との間に新たに形成される一時容積へと進入する。   5A-5H show the shape of the end of each stage of the cycle for the expander of the rotary device. Referring to FIG. 5A, the cycle of the expander is such that when the convex surface U and the concave surface W of the engaging rotor pair pass the point of maximum entry of the convex part, that is, the convex part tip is concave. Begins when the point of the minimum radius of the surface W is passed. At this stage, the leading edge of the recessed rotor passage 30 approaches the open edge of the port 32 in the stator cylinder 16 to which the supply of pressurized fluid is being accessed. Referring to FIG. 5B, as the port 32 opens, the pressurized fluid enters the rotor passage 30 with the recesses and enters the temporary volume newly formed between the projections and the recesses.

図5Cを参照すると、今やポート32が完全に開き、加圧流体が凸部の表面Uと凹部の表面Wとの間に定められる一時容積へと通過するための最大の流通能力をもたらしている。これは、流体の供給の圧力と一時容積において生じる圧力との間の圧力差を最小にする。加圧流体の圧力が、凸部の表面U及び凹部の表面Wに作用し、回転子を回転の方向にさらに動作させるように押す。流体の圧力が大きくなく、それだけでは膨張機の回転子の駆動において充分な効果を有していない可能性が高い。駆動の手段は、固定子シリンダ18及び膨張機の一時容積に含まれている空気/燃料混合物にデトネーションが生じるときに発生する。   Referring to FIG. 5C, the port 32 is now fully open, providing maximum flow capacity for the pressurized fluid to pass to a temporary volume defined between the convex surface U and the concave surface W. . This minimizes the pressure difference between the pressure of the fluid supply and the pressure occurring in the temporary volume. The pressure of the pressurized fluid acts on the surface U of the convex part and the surface W of the concave part and pushes the rotor further in the direction of rotation. There is a high possibility that the pressure of the fluid is not large and that it does not have a sufficient effect in driving the expander rotor. The means of driving occurs when detonation occurs in the air / fuel mixture contained in the stator cylinder 18 and the temporary volume of the expander.

図5Dにおいて、凹部付きの回転子の通路30の後縁が、ポート32の閉じ縁に接近し、凸部と凹部との間に定められているチャンバへの加圧流体の供給を遮断し始めている。   In FIG. 5D, the trailing edge of the rotor passage 30 with the recess approaches the closing edge of the port 32 and begins to shut off the pressurized fluid supply to the chamber defined between the protrusion and the recess. Yes.

図5Eにおいて、凹部付きの回転子の通路30の後縁が、ポート32の閉じ縁に達し、加圧流体の供給を遮断し、すでに一時容積へと進入した流体を隔離している。サイクルのこの段階までに、空気/燃料混合物がデトネーションを生じて衝撃波を生み出し、チャージ全体を膨張機へと効率的に移動させ、チャージ・ガスの急激な膨張を引き起こして、膨張機の回転子の回転を駆動する。同時に、希薄波が、衝撃波の後方に形成される。この希薄波が低圧を生み出し、この低圧が、デトネーション・チャンバ及び膨張チャンバへと進入する次の空気/燃料混合物のチャージによって満たされる傾向を有する。   In FIG. 5E, the trailing edge of the recessed rotor passage 30 reaches the closed edge of the port 32, blocking the supply of pressurized fluid and isolating fluid that has already entered the temporary volume. By this stage of the cycle, the air / fuel mixture has generated detonation, creating shock waves, effectively transferring the entire charge to the expander, causing rapid expansion of the charge gas, Drive rotation. At the same time, a dilute wave is formed behind the shock wave. This lean wave creates a low pressure that tends to be filled by the next charge of the air / fuel mixture entering the detonation chamber and the expansion chamber.

図5Fに見ることができるように、回転子の回転が一時容積の増加を引き起こし、捉えられた流体の膨張を可能にするとともに、凸部の表面U及び凹部の表面Wにいくらかの圧力を維持し、回転子及び回転子を接続できる軸の回転にエネルギーを与え続ける。   As can be seen in FIG. 5F, the rotation of the rotor causes an increase in the temporary volume, allowing the trapped fluid to expand, and maintaining some pressure on the surface U and the surface W of the recess. Then, energy is continuously applied to the rotation of the rotor and the shaft to which the rotor can be connected.

図5Gを参照すると、一時容積が最大の容量に達し、流体が大気圧に達する。この時点で、流体は、回転子ペアを囲んでいるハウジングへの解放の前に、凸部の表面U及び凹部の表面Wへの正味の圧力の作用を止める。   Referring to FIG. 5G, the temporary volume reaches a maximum capacity and the fluid reaches atmospheric pressure. At this point, the fluid stops applying net pressure to the convex surface U and concave surface W prior to release to the housing surrounding the rotor pair.

最後に、図5Hにおいて、完全に膨張した流体が一時容積から解放され、ハウジング内の回転子ペアの自然のポンプ作用のもとで排気系へと解放することができる。   Finally, in FIG. 5H, the fully expanded fluid can be released from the temporary volume and released to the exhaust system under the natural pumping action of the rotor pair in the housing.

図6は、圧縮機とデトネーション・チャンバとの間の通路に使用される格子の例を通る断面の概略図を示している。格子は、それぞれが鋭い縁を有する複数の素子で形成できる。ガスが素子間の空間を通って高速で流れるとき、鋭い縁によって、ガスの実質的な微小規模の乱流が引き起こされる。これは、デトネーション・チャンバ内の空気/燃料混合物のチャージが、チャージの効果的なデトネーションに必要とされる高度な潜在的反応性を有することを保証するため、この文脈において望ましい。図6に示した例においては、格子が、三角形断面の複数の素子を有している。ガスが素子間の空間を通過するとき、格子のうちのデトネーション・チャンバ側の鋭い縁が、付近のガス流を極度の乱流にし、空気/燃料混合物の高度な潜在的反応性を保証する。   FIG. 6 shows a schematic diagram of a cross-section through an example of a grid used in the passage between the compressor and the detonation chamber. The grating can be formed of a plurality of elements each having a sharp edge. As the gas flows at high speed through the space between the elements, the sharp edges cause a substantial microscale turbulence of the gas. This is desirable in this context to ensure that the charge of the air / fuel mixture in the detonation chamber has a high potential reactivity required for effective detonation of the charge. In the example illustrated in FIG. 6, the lattice includes a plurality of elements having a triangular cross section. As the gas passes through the space between the elements, the sharp edges of the lattice on the detonation chamber side make the nearby gas flow extremely turbulent and ensure a high potential reactivity of the air / fuel mixture.

次に、図1〜3のロータリー装置の動作のサイクルにおける各段階を説明する。図7が参照される。ここに説明されるサイクルの例においては、ロータリー装置が圧縮機を備えているが、すでに述べたように、圧縮機が必ずしも必要というわけではない。   Next, each stage in the operation cycle of the rotary device of FIGS. Reference is made to FIG. In the example cycle described here, the rotary device is equipped with a compressor, but as already mentioned, a compressor is not necessarily required.

圧縮は、圧縮機の凸部の先端及び圧縮機の凹部の前縁が、圧縮機の可動の閉じ込め壁体のそれぞれの外側縁に一致したときに始まる。この一致が、図7の凸部付きの回転子の角度位置の目盛りのゼロ位置に示されている。一時圧縮チャンバが形成され、その容積が、圧縮機の回転子が回転を続けるにつれて減少する。   Compression begins when the tip of the compressor protrusion and the leading edge of the compressor recess coincide with the respective outer edge of the compressor movable containment wall. This coincidence is shown at the zero position on the scale of the angular position of the rotor with projections in FIG. A temporary compression chamber is formed and its volume decreases as the compressor rotor continues to rotate.

6度の回転の後、充填ポートが開き始め、圧縮機の一時チャンバとデトネーション・チャンバとの間の連通が可能になる。次いで、空気又はあらかじめ混合された空気/燃料が、圧縮機の一時チャンバからデトネーション・チャンバへと進入する。さらなる20度の後、排出ポートが開き始め、新たなチャージのいくらかが膨張機の一時チャンバへと進入できる。その後、新鮮な作動流体による充填が、さらなる54度にわたって続き、新鮮なチャージが、デトネーション・チャンバと徐々に大きくなる膨張機の一時チャンバとの間で分配される。次いで、圧縮機の一時チャンバ内の残りの容積がゼロに達するとき、充填ポートが閉じ、速やかにチャージのデトネーションが開始される。   After 6 degrees of rotation, the fill port begins to open, allowing communication between the compressor temporary chamber and the detonation chamber. Air or premixed air / fuel then enters the detonation chamber from the compressor temporary chamber. After another 20 degrees, the discharge port begins to open and some of the new charge can enter the temporary chamber of the expander. Thereafter, filling with fresh working fluid continues for an additional 54 degrees and fresh charge is distributed between the detonation chamber and the gradually expanding expander temporary chamber. Then, when the remaining volume in the compressor's temporary chamber reaches zero, the fill port closes and charge detonation begins immediately.

デトネーションの衝撃波が、デトネーション・チャンバ内に位置する全チャージを通過し、開いた排出ポートを通って膨張機の一時チャンバ内にすでに位置する新鮮なチャージへと達する。デトネーション・プロセスの膨張作用によって、デトネーション・チャンバに残るチャージがデトネーション・チャンバから膨張機の一時チャンバへと吐き出されるため、衝撃波の直ぐ後方において希薄波が生じる。ここで、デトネーション・プロセスの膨張作用は、膨張機の回転子ペアをさらなる回転へと駆り立てるうえで即座の効果を有している。   The detonation shock wave passes through the entire charge located in the detonation chamber and reaches the fresh charge already located in the temporary chamber of the expander through the open discharge port. Due to the expansion action of the detonation process, the charge remaining in the detonation chamber is expelled from the detonation chamber to the temporary chamber of the expander, resulting in a lean wave immediately behind the shock wave. Here, the expansion action of the detonation process has an immediate effect in driving the expander rotor pair to further rotation.

20度の後、排出ポートが閉じ、今やすべてが膨張機の一時チャンバに効果的に閉じ込められているチャージが膨張して、その圧力エネルギーを手放し、これが膨張機の回転子へのトルク効果に変換される。膨張は、膨張機の凸部付きの回転子の先端及び膨張機の凹部付きの回転子の前縁が膨張機の閉じ込め壁体の外縁を過ぎてチャージが膨張機の一時チャンバから解放されるまで続く。この時点で、チャージはほぼ大気圧に達し、デトネーションによって生成された圧力エネルギーのすべてが、軸の仕事へと変換される。   After 20 degrees, the discharge port closes and the charge, now all trapped effectively in the expander's temporary chamber, expands and releases its pressure energy, which translates into a torque effect on the expander rotor Is done. Expansion occurs until the tip of the rotor with the convex part of the expander and the leading edge of the rotor with the concave part of the expander pass the outer edge of the confinement wall of the expander and the charge is released from the temporary chamber of the expander. Continue. At this point, the charge reaches approximately atmospheric pressure and all of the pressure energy generated by the detonation is converted into shaft work.

デトネーション・チャンバの排出ポートの閉鎖の直後に、充填ポートが開き始め、圧縮がすでに始められている次のサイクルのための新鮮なチャージが進入可能になる。この時点におけるデトネーション・チャンバの状態は、デトネーション・プロセスによって確立された希薄波ゆえに大気圧を下回る実質的な低圧である。これは、新鮮なチャージの送出において圧縮機の回転子によってなされる仕事が、圧縮機の一時チャンバとデトネーション・チャンバとの間の負の圧力勾配の存在のおかげで、帳消しにされるということを意味する。   Immediately after closing the detonation chamber exhaust port, the fill port begins to open, allowing fresh charge to enter for the next cycle in which compression has already begun. The state of the detonation chamber at this point is a substantially low pressure below atmospheric pressure because of the lean waves established by the detonation process. This means that the work done by the compressor rotor in delivering fresh charge is canceled out due to the presence of a negative pressure gradient between the temporary and detonation chambers of the compressor. means.

図示のポート20と比べて軸方向の長さは同様であるが幅が小さくされている追加のポート(図示されていない)を、固定子シリンダ3の周囲を巡って配置することができる。この段階で、これらの追加のポートは、圧縮機の凹部付きの回転子のうちの現時点において凸部と係合していない残りの凹部の通路22に整列している。したがって、これら追加のポートは、デトネーション・チャンバ4内で希薄波によって生じる圧力勾配が存在し、かつ新たに有効になる圧縮機の回転子の一時チャンバからデトネーション・チャンバ4へと新鮮なチャージが届けられる前の状態において、新鮮なチャージが圧縮機の回転子を囲んでいる空間からデトネーション・チャンバ4へと簡単に進入できるようにしている。これは、エンジンに新鮮なチャージをもたらすために必要とされる仕事の入力を最小限にし、チャージに含まれている燃料から解放される熱エネルギーについて動作における内部損失が最小限である高度に効率的なエンジン・サイクルをもたらす。   An additional port (not shown) that has the same axial length but a smaller width than the illustrated port 20 can be placed around the stator cylinder 3. At this stage, these additional ports are aligned with the remaining recess passage 22 of the compressor recessed rotor that is not currently engaged with the protrusion. Thus, these additional ports have a pressure gradient created by lean waves in the detonation chamber 4 and a fresh charge is delivered from the temporary chamber of the newly activated compressor rotor to the detonation chamber 4. In a state before being put, the fresh charge can easily enter the detonation chamber 4 from the space surrounding the compressor rotor. This minimizes the work input required to bring a fresh charge to the engine and is highly efficient with minimal internal losses in operation for the thermal energy released from the fuel contained in the charge A typical engine cycle.

希薄波の結果としての比較的低い圧力の存在ゆえに、いくつかの場合においては、圧縮機が不要である。換言すると、希薄波によって引き起こされる吸い込みが、空気/燃料混合物からなる新鮮なチャージをデトネーション・チャンバへと引き込むために充分である。   Due to the presence of relatively low pressure as a result of lean waves, in some cases a compressor is not necessary. In other words, the suction caused by lean waves is sufficient to draw a fresh charge of air / fuel mixture into the detonation chamber.

図8は、本発明のさらなる実施形態によるロータリー装置の一例について、断面を概略的に示している。   FIG. 8 schematically shows a cross section of an example of a rotary device according to a further embodiment of the invention.

図8において、図1〜3の実施形態と共通の構成要素には、同じ参照番号が付されている。図8のロータリー装置は、デトネーション・チャンバを圧縮機及び膨張機の回転子ペアに接続している軸方向のポートに加え、半径方向に配置されたポートを圧縮機及び膨張機の両者に備えている。軸方向のポートに加えて、あるいは軸方向のポートの代わりに、半径方向に配置されたポートを備える構成においては、ポート付きのディスクが、回転子ペアのそれぞれの凹部付きの回転子の一方又は両方の送出の端面に取り付けられて設けられる。それぞれのディスクには、1つ以上のポートが配置されており、したがってディスクのポートのそれぞれが、回転子の凹部の送出端に位置している。   In FIG. 8, the same reference numerals are given to components common to the embodiment of FIGS. The rotary device of FIG. 8 includes an axial port connecting the detonation chamber to the compressor and expander rotor pair, and a radially positioned port on both the compressor and expander. Yes. In configurations with radially arranged ports in addition to or in place of axial ports, the disk with the ports is one of the rotors with each recess in the rotor pair or Attached to both delivery end faces. Each disk is provided with one or more ports, so that each of the disk ports is located at the delivery end of the rotor recess.

図8に示されているように、ロータリー装置は、圧縮機の凹部付きの回転子5の端面に配置されたポート34を備えている。ガスに圧縮機の一時チャンバからデトネーション・チャンバ4へと通過する経路をもたらすために、移送通路36が配置されている。膨張機に目を移すと、膨張機の凹部付きの回転子の端面にポート38が設けられており、このポートを通じて、膨張機の一時チャンバはデトネーション・チャンバ4からガスを受け取ることができる。移送通路40が、ポート38を介してデトネーション・チャンバ4から膨張機の一時チャンバへの経路を、ガスへともたらすために設けられている。したがって、使用時には、固定子シリンダ3に設けられたポート20及び32を介する作動ガスの流れに加えて、圧縮機の凹部付きの回転子7及び膨張機の凹部付きの回転子18のそれぞれの端面の間の移送通路36及び40を介してデトネーション・チャンバへのガスの移動及びデトネーション・チャンバからのガスの移動が可能である。   As shown in FIG. 8, the rotary device includes a port 34 disposed on an end surface of the rotor 5 with a concave portion of the compressor. A transfer passage 36 is arranged to provide a path for the gas to pass from the compressor temporary chamber to the detonation chamber 4. Turning to the expander, a port 38 is provided at the end face of the expander rotor with a recess through which the expander temporary chamber can receive gas from the detonation chamber 4. A transfer passage 40 is provided to provide a path through the port 38 from the detonation chamber 4 to the temporary chamber of the expander to the gas. Therefore, in use, in addition to the flow of the working gas through the ports 20 and 32 provided in the stator cylinder 3, the end surfaces of the rotor 7 with the concave portion of the compressor and the rotor 18 with the concave portion of the expander are used. Gas transfer to and from the detonation chamber is possible via transfer passages 36 and 40 between them.

ポート34をデトネーション・チャンバ4へと接続する通路36は、図6に関して上述したものと類似の形態で、格子などといった乱流生成手段を備えている。格子は、軸方向のポートの配置において上述したように、デトネーション・チャンバへの進入の直前のチャージ・ガスに関係する。それぞれの圧縮機及び膨張機の凹部付きの回転子のディスクのポートは、圧縮機及び膨張機の回転子ペアを支持している回転子ハウジングの対応する端壁のポートと連通している。回転子が回転するとき、ハウジングの端壁と回転子に配置されたディスクとの間の滑りの係合が、ディスクのポートの開放及び閉鎖のタイミングについて制御をもたらす。好ましくは、ディスクを別個の部品として製作し、その後にそれぞれの回転子の端面に配置することが好都合である。   The passage 36 connecting the port 34 to the detonation chamber 4 is provided with turbulence generating means, such as a grid, in a form similar to that described above with respect to FIG. The grid is related to the charge gas just prior to entering the detonation chamber, as described above in the axial port arrangement. Each compressor and expander recessed rotor disk port is in communication with a corresponding end wall port of the rotor housing that supports the compressor and expander rotor pair. As the rotor rotates, the sliding engagement between the end wall of the housing and the disk located on the rotor provides control over the timing of opening and closing the disk ports. Preferably, it is convenient to manufacture the disc as a separate part and then place it on the end face of each rotor.

図8に示した構成においては、固定子ハウジング3に設けられたポートに加え、ロータリー装置の適切な端面にもポートが設けられている。これにより、ロータリー装置においてより大きなチャージ・ガスの流れを達成することができる。軸方向のポートのみ、又は半径方向のポートのみを設けてもよいことを、理解できるであろう。一実施形態においては、膨張機及び圧縮機の一方に、軸方向のポートが設けられ、他方に半径方向のポートが設けられる。   In the configuration shown in FIG. 8, in addition to the ports provided in the stator housing 3, ports are also provided on appropriate end surfaces of the rotary device. Thereby, a larger charge gas flow can be achieved in the rotary device. It will be appreciated that only axial ports or only radial ports may be provided. In one embodiment, one of the expander and compressor is provided with an axial port and the other is provided with a radial port.

本発明の実施形態を、図示のいくつかの例をとくに参照しつつ説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲において、上述の例について変形及び変更が可能であることを、理解できるであろう。   Embodiments of the present invention have been described with particular reference to several examples shown. However, it will be understood that variations and modifications can be made to the above examples within the scope of the invention.

本発明の一実施形態によるロータリー装置の一例の斜視図を概略的に示している。Fig. 2 schematically shows a perspective view of an example of a rotary device according to an embodiment of the invention. 図1の装置の図であり、分かりやすくするため或るいくつかの部品が取り除かれている。FIG. 2 is a diagram of the apparatus of FIG. 1 with some parts removed for clarity. 図1の装置の図であり、分かりやすくするため或るいくつかの部品が取り除かれている。FIG. 2 is a diagram of the apparatus of FIG. 1 with some parts removed for clarity. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 圧縮機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the compressor, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 膨張機について、サイクルの各段階における回転子の端部の形状を示している。For the expander, the shape of the end of the rotor at each stage of the cycle is shown. 図1のロータリー装置において使用される格子フィルタ付きのポートについて、このポートを通る断面を示している。FIG. 2 shows a section through a port with a lattice filter used in the rotary device of FIG. 図1のロータリー装置のためのデトネーション・サイクルについて、各段階を示したグラフである。FIG. 2 is a graph showing each stage of a detonation cycle for the rotary device of FIG. 本発明の一実施形態によるロータリー装置の一例について、長手方向の断面図を概略的に示している。1 schematically shows a longitudinal sectional view of an example of a rotary device according to an embodiment of the invention.

Claims (24)

空気/燃料混合物からなるチャージを受け取り、デトネーションによって燃料を酸化させるためのチャンバ、及び
体積が変化する一時チャンバを有している回転膨張機であって、該一時チャンバが当該回転膨張機の回転のサイクルの少なくとも一部において前記デトネーション・チャンバと流体連通する回転膨張機
を有しており、
前記回転膨張機が、空気/燃料混合物のデトネーションによって生じる空気/燃料混合物の膨張によって駆動されるように構成されているロータリー装置。
A rotary expander having a chamber for receiving a charge comprising an air / fuel mixture and oxidizing fuel by detonation, and a temporary chamber of varying volume, wherein the temporary chamber is configured to rotate the rotary expander. A rotary expander in fluid communication with the detonation chamber for at least a portion of a cycle;
A rotary device, wherein the rotary expander is configured to be driven by expansion of an air / fuel mixture caused by air / fuel mixture detonation.
空気/燃料混合物を受け取り、該混合物を圧縮し、圧縮された混合物をデトネーション・チャンバへともたらすように構成された圧縮機
を有している請求項1に記載のロータリー装置。
The rotary device of claim 1, comprising a compressor configured to receive an air / fuel mixture, compress the mixture, and provide the compressed mixture to a detonation chamber.
膨張機が、凹部を有し第1の軸を中心として回転できる第1の回転子、及び少なくとも1つの凸部を有し第2の軸を中心として回転できる第2の回転子を有しており、
該第1及び第2の回転子が、それぞれの軸を中心とする該第1及び第2の回転子の回転の際に、凸部付きの回転子の凸部が凹部付きの回転子の凹部に進入して、両者の間に体積が変化する一時チャンバを定めるように構成されている請求項1又は2に記載のロータリー装置。
The expander has a first rotor that has a recess and can rotate around a first axis, and a second rotor that has at least one projection and can rotate around a second axis And
When the first and second rotors rotate about the respective axes, the convex part of the rotor with the convex part is the concave part of the rotor with the concave part. The rotary device according to claim 1 or 2, wherein the rotary device is configured so as to enter a temporary chamber in which a volume changes between the two.
圧縮機が、凹部を有し第1の軸を中心として回転できる第1の回転子、及び少なくとも1つの凸部を有し第2の軸を中心として回転できる第2の回転子を有しており、
該第1及び第2の回転子が、それぞれの軸を中心とする該第1及び第2の回転子の回転の際に、凸部付きの回転子の凸部が凹部付きの回転子の凹部に進入して、両者の間に体積が変化する一時チャンバを定めるように構成されている請求項2又は3に記載のロータリー装置。
The compressor has a first rotor that has a recess and can rotate around a first axis, and a second rotor that has at least one projection and can rotate around a second axis And
When the first and second rotors rotate about the respective axes, the convex part of the rotor with the convex part is the concave part of the rotor with the concave part. The rotary device according to claim 2 or 3, wherein the rotary device is configured so as to enter a temporary chamber with a volume changing between the two.
デトネーション・チャンバが導入ポートを有し、該導入ポートを通じて空気/燃料混合物からなるチャージを受け取るように構成されており、
空気/燃料混合物からなるチャージがデトネーション・チャンバへと該ポートを通過するときに、チャージが確実にデトネーション・チャンバにおいて乱流状態であるようにチャージが攪拌されることを保証するため、前記ポートに攪拌装置が配置されている請求項1〜4のいずれかに記載のロータリー装置。
The detonation chamber has an inlet port configured to receive a charge comprising an air / fuel mixture through the inlet port;
To ensure that the charge is agitated to ensure that the charge is turbulent in the detonation chamber when the charge comprising the air / fuel mixture passes through the port to the detonation chamber, The rotary apparatus in any one of Claims 1-4 with which the stirring apparatus is arrange | positioned.
攪拌装置が格子を有している請求項5に記載のロータリー装置。   The rotary device according to claim 5, wherein the stirring device has a lattice. デトネーション・チャンバが、固定子シリンダの内側に配置されており、凹部付きの回転子が、該固定子シリンダを中心として回転するように構成されている請求項3又は4に記載のロータリー装置。   5. The rotary device according to claim 3, wherein the detonation chamber is disposed inside the stator cylinder, and the rotor with the recess is configured to rotate about the stator cylinder. 凹部付きの回転子が、自身の端面にディスクを取り付けて有しており、該ディスクが、圧縮機の凹部付きの回転子の凹部からデトネーション・チャンバへの空気/燃料混合物からなるチャージの送出を可能にするポートを有している請求項4に記載のロータリー装置。   A rotor with a recess has a disk attached to its end face, which disk delivers a charge consisting of an air / fuel mixture from the recess of the rotor with a compressor recess to the detonation chamber. The rotary device according to claim 4, further comprising a enabling port. 膨張機の凹部付きの回転子が、自身の端面にディスクを取り付けて有しており、該ディスクが、デトネーション・チャンバから膨張機の凹部付きの回転子の凹部への空気/燃料混合物からなるチャージの送入を可能にするポートを有している請求項3に記載のロータリー装置。   A rotor with a recess in the expander has a disk attached to its end face, and the disk has a charge consisting of an air / fuel mixture from the detonation chamber to the recess in the rotor with a recess in the expander. The rotary device according to claim 3, wherein the rotary device has a port that enables the transfer of the device. 回転膨張機が容積型の装置である請求項1〜9のいずれかに記載のロータリー装置。   The rotary device according to any one of claims 1 to 9, wherein the rotary expander is a positive displacement device. デトネーション時にチャージが膨張機の一時チャンバ及びデトネーション・チャンバのそれぞれの少なくとも一部を占めるよう、デトネーション・チャンバがチャージを受け取ったとき、又はその直後に、チャージが膨張機の一時チャンバへと移動できるように構成されている請求項1〜10のいずれかに記載のロータリー装置。   The charge can be transferred to the expander temporary chamber when the detonation chamber receives the charge or shortly thereafter so that the charge occupies at least a portion of each of the expander temporary chamber and the detonation chamber during detonation. The rotary device according to any one of claims 1 to 10, which is configured as follows. 圧縮機及び膨張機の一方又は両方の第1及び第2の回転子と係合する閉じ込め壁体であって、当該閉じ込め壁体と第1及び第2の回転子との間に一時チャンバを定める閉じ込め壁体を有しており、
該閉じ込め壁体が、圧縮機及び/又は膨張機の一時チャンバの可能な最大容積を変化させることができるよう可動である請求項5〜7のいずれかに記載のロータリー装置。
A containment wall that engages the first and second rotors of one or both of the compressor and expander, wherein a temporary chamber is defined between the containment wall and the first and second rotors Has a containment wall,
The rotary device according to any one of claims 5 to 7, wherein the confining wall is movable so that the maximum possible volume of the temporary chamber of the compressor and / or expander can be varied.
空気/燃料混合物からなるチャージにデトネーションを生じさせて回転膨張機を駆動するデトネーション発生器を有している請求項1〜12のいずれかに記載のロータリー装置。   The rotary device according to any one of claims 1 to 12, further comprising a detonation generator for driving a rotary expander by generating detonation in a charge composed of an air / fuel mixture. デトネーション・チャンバを回転膨張機の体積可変の一時チャンバに流体連通させて有しているロータリー装置の運転方法であって、
デトネーション・チャンバにガス/燃料混合物からなるチャージを受け入れるステップ、及び
前記混合物にデトネーションを生じさせて前記ガス/燃料混合物を膨張させ、回転膨張機を駆動するステップ
を有する方法。
A method of operating a rotary device having a detonation chamber in fluid communication with a variable volume temporary chamber of a rotary expander comprising:
Receiving a charge comprising a gas / fuel mixture in a detonation chamber; and causing the mixture to detonate to expand the gas / fuel mixture and drive a rotary expander.
自身を横切るように格子を配置して有しているポートを通じて前記チャージをデトネーション・チャンバへと押し込むことによって、チャージをデトネーション・チャンバへと供給するステップ
を有する請求項14に記載の方法。
15. The method of claim 14, comprising supplying the charge to the detonation chamber by pushing the charge into the detonation chamber through a port having a grid arranged across it.
ガス/燃料混合物からなるチャージを圧縮機からデトネーション・チャンバへと供給するステップ
を有する請求項15に記載の方法。
16. The method of claim 15, comprising supplying a charge comprising a gas / fuel mixture from the compressor to the detonation chamber.
コンプレッサへとチャージを受け取り、該チャージを圧縮し、次いで該チャージをデトネーション・チャンバへと送るステップ
を有する請求項16に記載の方法。
The method of claim 16, comprising receiving a charge to a compressor, compressing the charge, and then sending the charge to a detonation chamber.
チャージがデトネーション・チャンバへと受け取られたときに、チャージが膨張機の一時チャンバへと進入できるようにするとともに、チャージがデトネーション・チャンバ及び一時チャンバの両方の少なくとも一部を占めるときに、チャージのデトネーションを開始させるステップ
を有する請求項14〜17のいずれかに記載の方法。
When the charge is received into the detonation chamber, it allows the charge to enter the expander's temporary chamber and when the charge occupies at least a portion of both the detonation chamber and the temporary chamber. The method according to claim 14, further comprising a step of initiating detonation.
圧縮機が、ガス/燃料混合物からなるチャージを受け取って圧縮するための体積可変の一時チャンバを有しており、
当該方法が、
当該ロータリー装置及び当該ロータリー装置の仕事負荷の要件に応じて、圧縮機の体積可変の一時チャンバの可能な最大容積を変化させるステップ
を有する請求項16又は17に記載の方法。
The compressor has a variable volume temporary chamber for receiving and compressing a charge comprising a gas / fuel mixture;
The method is
18. A method according to claim 16 or 17, comprising the step of varying the maximum possible volume of the variable volume temporary chamber of the compressor depending on the rotary device and the work load requirements of the rotary device.
圧縮機の一時チャンバの可能な最大容積に応じて、膨張機の一時チャンバの可能な最大容積を変化させるステップ
を有する請求項19に記載の方法。
20. The method of claim 19, comprising varying the maximum possible volume of the expander temporary chamber in response to the maximum possible volume of the compressor temporary chamber.
当該ロータリー装置の要件に応じて、膨張機の一時チャンバの可能な最大容積を変化させるステップ
を有する請求項14に記載の方法。
15. A method according to claim 14, comprising the step of changing the maximum possible volume of the temporary chamber of the expander depending on the requirements of the rotary device.
圧縮機及び/又は膨張機の一時チャンバの可能な最大容積が、前記一時チャンバ又は各一時チャンバの表面の少なくとも一部を定めるべく機能する適切に形作られた閉じ込め壁体を移動させることによって変化させられる請求項20又は21に記載の方法。   The maximum possible volume of the temporary chamber of the compressor and / or expander is varied by moving a suitably shaped containment wall that functions to define at least a portion of the surface of the temporary chamber or each temporary chamber. 22. The method according to claim 20 or 21, wherein: 実質的に、添付の図面の図1〜8のいずれかに示され、かつ/又は添付の図面の図1〜8のいずれかに関して説明されたロータリー装置。   A rotary device substantially as shown in any of Figures 1-8 of the accompanying drawings and / or described with respect to any of Figures 1-8 of the accompanying drawings. ロータリー装置の運転方法であって、添付の図面の図1〜8のいずれかに関して実質的に説明された方法。   A method of operating a rotary device substantially as described with respect to any of Figures 1-8 of the accompanying drawings.
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