KR100854573B1 - 힌지식 로터 내연 기관 - Google Patents

Abstract

로터리 내연 기관은 로터 조립체가 그 회전 동안 변형하여 하우징 내부 윤곽형상에 연속적으로 적응하도록 동축 하우징내에 수용되어 있는 4-세그먼트(four-segment) 힌지식 로터 조립체를 포함한다. 폐쇄식 비원형 로터 하우징 내부 윤곽형상은 신규한 수학적 관계에 의해 정의된 곡선이다. 이 곡선은 하기와 같은 제약을 가지는 이등변 직각 직동 및 동시 회전 삼각형의 밑변 말단들(A 및 B)에 의해 생성되는 모든 지점들의 궤적이다 : 삼각형의 밑변(AB)(길이 c)의 중심(P)은 항상 지점 O에 중심을 두고있는 반경이 c/2인 내접원상에 위치하여야만 한다; 삼각형의 꼭지점(C)은 항상 r=cos(2θ) 형태의 곡선의 4개의 로브(lobe)들 중 하나의 위에 위치되어야만 하며, 여기서, 각도 θ는 선 OA와 양의 수직(y) 축 사이의 각도이며, 또한, 선 OB와 양의 수평(x) 축 사이의 각도이다.

Description

힌지식 로터 내연 기관{HINGED ROTOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 가요성, 힌지식 로터 조립체를 활용하는 로터리 내연 기관에 관한 것이다. 로터 조립체는 그 내부 윤곽형상(profile)이 정확한 수학적 관계로부터 유도된 동축 하우징에 의해 수납된다. 이 기관은 동기식 동력 전달 시스템을 활용하며, 따라서, 이 로터는 크랭크축상에 직접적으로 지지된다.

관련 기술을 포함하는 문헌들은 US 특허 번호 3,139,722; 3,369,529; 3,872,852; 3,918,415; 4,181,481; GB 특허 번호 1,289,479; 1,521,960; DE 2,321,763;; CA 2,192,714 및 EP 0571637을 포함한다. 인용된 특허들은 동축 하우징내에 수납되어 있는 강성(예로서, 반켈(Wankel)) 또는 가요성 로터 조립체들에 기초한 내연 기관 디자인들에 관한 것이다. 본 발명은 소정의 회전 각도에서 4-세그먼트 가요성 또는 힌지식 로터 조립체를 수용하기 위해 필요한 하우징 윤곽형상의 정확한 수학적 정의를 기술한다. 이 신규한 수학적 관계는 상기 로터 조립체 하우징들의 설계 및 제조에 응용될 수 있다. 동기식 직접 동력 전달 시스템을 위한 세부사항(specification)도 기술되어 있다. 이런 동력 전달 시스템은 이 힌지식 로터 조립체의 회전을 크랭크축의 회전과 조화시킨다.

본 발명은 가변형 4-세그먼트 힌지식 로터 조립체의 개념을 채용하는 오토(Otto) 사이클(4 행정) 로터리 내연 기관의 디자인에 관한 것이다. 근본적 원리는 회전 등변 평행사변형의 4 꼭지점들이 소정의 회전 각도에서, 수납 곡선(로터 하우징 내부 외형(contour))과 일치하도록 동축 수납 하우징내에 4-세그먼트 등변 힌지식 로터를 수용하는 것으로 이루어진다. 이 기본 개념이 도 1에 예시되어 있다. 그 회전 동안, 4-세그먼트 로터 조립체(1)는 변형하고 로터 하우징(2)에 연속적으로 적응한다. 힌지식 등변 평행사변형이 회전할 때, 이는 정사각형으로부터 마름모형으로, 그리고, 그후, 정사각형으로 복원되는 등등의 방식으로 변화한다. 이 연속적인 로터 변형 과정에서, 로터 하우징 평판 측면 덮개들(3)과, 로터 하우징(2) 및 각 개별 로터 세그먼트면(4) 사이에 내포된 용적은 최소치로부터 최대치까지 주기적으로 변화한다. 이 내포 용적들의 연속적인 팽창 및 수축은 이 장치가 흡기, 압축, 폭발 및 배기의 오토 사이클 내연 기관 기능들을 수행할 수 있게 한다.

로터 하우징 곡선 또는 내부 윤곽형상은 본 명세서에 상세히 기술된 신규한 수학적 관계에 의해 규정된다. 이 곡선은 이 수학적 관계를 최초로 알아낸 것으로 믿어지는 발명자의 이름을 따서 스조레니이의 곡선(Szorenyi's curve)으로서 알려지게 될 것이다. 이 로터 하우징 곡선의 특성들은 로터 하우징 주 직경에 대한 로터하우징 부 직경의 비율(n)에 의존한다(타원 용어를 사용). 이들 직경들이 일대일 대응인 경우에, 이 곡선은 로터의 회전에 의해 어떠한 주기적 용적 변화도 발생되지 않는, 어떠한 실질적인 원동기에도 응용할 수 없는 원이다. 주 직경에 대한 부 직경의 비율(n)이 감소할 때, 곡선은 보다 많이 타원형인 것으로 가정되며, 3차원의 경우에, 최소 내포 용적에 대한 최대 내포 용적의 비율이 증가한다. n이 0에 접근하게될 때, 극한의 경우는 두 개의 합동 원들을 닮은 형상이나 구분원이 된다. n의 중간 비율들에 대해서는 도 2내지 도 7에 예시된 바와 같이, 곡선들의 특성들에 현저한 변화가 존재하다. 주 직경에 대한 부 직경의 비율이 약 0.625 미만이면, 곡선은 부 축을 따라 중앙 침입형상(intrusion)들을 나타내기 시작한다. 이런 "핀치형(pinched) 하우징 구조는 보다 큰 흡기/팽창실 용적을 제공하며, 20:1을 초과하는 압축비가 필요할 수 있는 디젤 분야에 특히 적합하다.

이 기관은 동기식 직접 동력 취출식의 독창적인 시스템을 채용하며, 따라서, 로터가 크랭크축상에 직접적으로 지지된다. 이 동기식 직접 동력 전달 시스템은 힌지식 로터 조립체의 회전을 크랭크축의 회전과 조화시킨다. 이 배열의 구현은 그 회전이 로터 조립체 정점들과 동기된 단일부재 크랭크축을 포함한다. 동력 전달은 크랭크축 크랭크핀들상에 직접적으로 일정하게 지지된 로터 세그먼트들에 의해 실행된다. 이 크랭크축은 로터 세그먼트들과 단지 미끄럼 접촉만하며, 따라서, 축방향으로는 분리되어 있다.

여기에 기술된 내포 용적 변화의 원리는 펌프들, 압축기들, 유압 모터들 및최대치로부터 최소치까지 주기적으로 변화하는 작업실 용적이 활용되는 기타 메카니즘들에도 적용될 수 있다. 흡기/압축 및 팽창/배기 위상들 각각이 4-세그먼트 힌지식 로터 조립체의 1/4(90도) 회전내에 완료되게 함으로써, 2행정 기관 변형도 가능하다. 오토 사이클 변형에서, 흡기/압축 및 팽창/배기 위상들 각각은 4-세그먼트 로터 조립체의 1/2(180도) 회전내에 완료되게 된다.

스조레니이의 곡선 생성에 대한 설명

스조레니이의 곡선은 이등변 직각 직동 및 동시 회전 삼각형의 밑변 극단들(지점 A 및 B)의 궤적에 의해 생성된다. 도 8은 개략적으로, 일반적 작도법의 도식적 설명을 제공한다. 본 예에서, 주 반경(OB)에 대한 부 반경(OA)의 비율은 0.75(즉, n=0.75)이다. 스조레니이의 곡선은 하기의 제약을 충족시키면서, 삼각형 ABC를 직동 및 회전시킴으로써 생성된 모든 지점들(A' 및 B')의 궤적으로서 정의된다 :

- 이등변 직각 생성 삼각형(ABC)의 밑변 길이(c)는 스조레니이의 곡선 윤곽형상을 가지는 로터 하우징의 수납부들내에 연속적으로 수용되는 등변 평행사변형의 일 측면(또는, 네 개의 동일한 로터 세그먼트들 중 하나의 길이)과 같다.

- 이등변 직각 생성 삼각형(ABC) 밑변(AB)(길이 c)의 중심점(P)은 반드시 항상 지점 O에 중심을 두고 있는 반경 c/2의 내접원상에 위치되어야만 한다.

- 생성 삼각형의 꼭지점(C)은 반드시 항상 하기의 형태의 곡선의 4개의 로브들 중 하나위에 위치되어야만 한다 :

r=cos(2θ) - 로터 하우징의 중심점(O)에 그 원점이 있는 "4-엽 장미(four-reaf rose)" 곡선.

여기서, 각도 θ(0°≤θ≤360°)는 선 OA와 양의 수직(y) 축 사이의, 그리고, 또한, 선 OB와 양의 수평(x) 축 사이의 각도이다.

상술한 제약을 고려하면서 각도 θ가 변화할 때, 지점들의 쌍들이 스조레니이의 곡선상에 생성된다. 예로서, 0으로부터 45도까지의 각도 θ를 통한 선 OA 및 OB의 시계방향 회전은 이 곡선을 따라 지점 A로부터 지점 A'까지와 지점 B로부터 지점 B'까지의, 그리고, "4-엽 장미"의 로브들 중 하나를 따라 지점 C로부터 지점 C'까지(이제 O와 일치함)의 생성 삼각형 정점들의 이동을 초래한다. 이 과정에서, 극(polar) "4-엽 장미" 곡선의 파라미터 r은 r의 그 최대값(θ=0°이고, cos2θ=1일때)으로부터 0(θ=45°이고, cos2θ=0일때)까지 변화한다. r은 선 OC(또는 생성 삼각형이 직동/회전할 때 OC')의 길이와 같다는 것을 인지하여야 한다. 생성 삼각형 밑변(AB)의 중심점(P)도 O에 중심을 두고 있는 반경 c/2의 내접원을 따라 지점 P'로 이동한다.

스조레니이의 곡선은 선 OA가 선 OB에 수직, 그리고, 유사하게, 모든 선 OA'가 그에 대응하는 쌍인 선 OB'에 수직이라는 특성을 부가적인 특징으로 한다.

A가 A'로, 그리고, B가 B'로 횡단하는 동안, 스조레니이의 곡선의 세그먼트들은 도 8에 특히 굵은 선으로 표시된 자취를 따른다. 대칭성에 의해, 이들 두 세그먼트들 AA' 및 BB'는 전체적으로 폐쇄된 곡선을 규정하며, 이는 이제 x 및 y축에 대한 세그먼트들 AA' 및 BB'의 다수회의 경면 대칭 이미지 변환에 의해 완성될 수 있다. 따라서, 완전한 폐쇄 곡선을 규정하기 위해서 θ를 나머지 45°에서 360°까지의 전체 범위를 횡단시킬 필요는 없다.

스조레니이의 곡선들은 단 두 개의 파라미터들에 의해 완전히 특징지어진다; 즉, 부 및 주 직경들(또는 부 및 주 반경들). 스조레니이의 곡선을 규정하는 상술한 수학적 관계들을 구현하는 컴퓨터 코드가 적용되어 소정의 사용자 정의 부 대 주 로터 하우징 직경비를 위한 정확한 하우징 윤곽형상을 생성할 수 있다.

변형된 스조레니이의 곡선

상술한 스조레니이의 곡선의 설명에서, 등변 평행사변형의 측면들(로터 하우징의 수납부내에 연속적으로 수용되는 네 개의 로터 세그먼트들과 등가임)이 네 지점들(5)에 힌지연결된다. 달리 말해서, 힌지 핀 직경들은 무한히 작고, 그래서, 비실체적이다. 기본 개념이 도 9 및 도 10에 예시되어 있다. 로터 세그먼트들(4)의 내면들은 네 개의 크랭크핀들(6)과 일정한 접촉 상태로 잔류하여 동력 전달 메카니즘을 제공하는 원통형 외형(13)을 가지는 두 개의 로브들을 포함한다.

실제 응용에 대하여, 힌지 핀 직경은 유한하며, 0이 아니다. 힌지 핀 직경들이 0이 아닌 경우를 수용하기 위해서, 곡선은 유한 힌지 핀(7)의 반경과 같은 양 만큼 모든 지점에서 스조레니이의 곡선에 대한 법선을 따라 외향으로 이를 확장시킴으로써 변형될 필요가 있다. 결과적인 곡선은 실질적인 실시예들의 기초가되는 "변형된 스조레니이의 곡선"이라 알려져 있다. 이 개념은 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14에 예시되어 있다.

일반적 기관 특성

힌지식 로터 내연 로터리 기관의 오토 사이클 구조에서, 로터 조립체 및 크랭크축의 각 완전한 회전에 대하여 4 동력 행정들이 존재한다. 이 특성은 로터리 기관의 챔버의 최대 용량과 동일한 입방 배기량(cubic displacement)을 각 실린더가 가지는 V-8 종래의 피스톤 기관과 등가(동일한 RPM)인 동력 출력을 제공한다. 일 작동실이 일(work)을 만드는 팽창 사이클을 겪을 때, 이어지는 작동실은 점화 대기상태인 압축 위상에 있다. 이 동력 행정들의 연속성은 종래의 기관들과는 달리 상대적으로 일정한 토크를 제공한다. 4-세그먼트 힌지식 로터 조립체(1)는 모든 회전 각도에서 균형적이며, 선대칭 크랭크축(8)도 완전히 균형적이어서 기관 회전 진동을 최소화한다. 낮은 RPM에서도 동력 및 토크가 비교적 높기 때문에, 이 기관은 항공기의 프로펠러들을 직접 구동하기에 이상적으로 적합하며, 감속 기어박스에 대한 필요성을 제거한다. 모터 차량의 구동 트레인에 대한 기관의 직접 결합도 가능할 수 있다. 회전 기어의 균형 특성은 플라이휠을 필요로하지 않는다. 결과적으로, 경량의 로터 조립체가 가능하기 때문에, 기관은 급속 가속을 제공하는 높은 응답성을 가질 것으로 기대된다.

소수의 가동부들이 존재하며, 이 기관은 가압유 윤활이나 섬프(sump)를 필요로하지 않는다. 크랭크축은 밀봉된 롤러/볼 베어링들 또는 탄소/흑연 저널 베어링들에 의해 외부적으로 지지될 수 있다. 이들 베어링들의 자체 윤활 특성은 가압식 윤활과 섬프 러던던트(sump redundant)를 형성한다. 오일 주입 소결 강철, 탄소, 흑연, 적응성 금속 보강 탄소 화합물 및 세라믹들 같은 진보적 재료들이 자체 윤활 해법을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다이아몬드형 탄소(DLC) 코팅들을 기관 구성요소들에 적용하는 것도 윤활유들에 대한 의존성을 감소시킨다.

가스 밀봉부는 반켈형 로터리 기관들에 사용된 것들과 유사하다. 이들은 자체 윤활 재료들이 사용되는 경우에 부가적인 윤활을 필요로하지 않을 수 있다. 그러나, 필요시, 소량의 윤활유를 포함하는 급기 혼합물(charge mixture)로부터 밀봉부 윤활이 얻어질 수 있다.

힌지식 로터 기관은 어떠한 밸브들이나 연계된 밸브 트레인들도 필요로하지 않으며, 적절한 흡기 포트들이 두 로터 평판 측면 덮개들 각각에 절삭될 수 있다. 로터 하우징에 위치된 주변 배기 포트는 원형 또는 난형(oval) 단면을 가질 수 있다. 개선된 용적 효율을 위해서, 주변 흡기 포트가 측면 덮개 흡기 포트(들) 대신 채용될 수 있다. 종래의 피스톤 기관들에서와 같이, 힌지식 로터 기관의 "밸브" 시기는 스캐빈징 효율(scavenging efficiency)을 위한 소정의 흡기 배기 중첩을 허용한다. 흡기 및 배기 포트들의 어떠한 비의도적 중첩도 필요하지 않으며, 직접 연료 분사, 과급 및 터보 부스트(turbo boost)가 모두 채용될 수 있다. 연소 생성물들의 급속 팽창은 질소 산화물들의 생성을 감소시키며, 부적절한 배기물들을 저하시킨다. 이 기관은 천연 가스와 수소를 포함하는 다양한 연료들로 동작할 수 있다. 점화 시스템은 종래의 것이며, 단일 스파크 플러그를 통해 연소를 개시한다. 디젤 동작을 가능하게 하는 높은 압축비는 로터 세그먼트면 곡률 반경 및/또는 형상을 변화시킴으로써 달성할 수 있다. 흡기 용량을 증가시키고, 구형의 이상형에 보다 근접한 연소실 형상을 제공하기 위해 로터 세그먼트면들에 반구형 공동(cavity)들이 기계가공될 수 있다.

로터 하우징(또는, 스테이터)의 냉각은 하우징내로 주조 또는 기계가공된 냉각핀들을 통해 실행될 수 있다. 보다 대형이고, 보다 출력이 큰 실시예들에서, 스테이터는 액체 냉각될 수 있다. 로터 조립체는 급기에 의해 냉각되고, 부가적인 냉각은 로터 세그먼트들의 내면들에 기계가공된 냉각 핀들에 의해, 그리고, 기관의 중앙 코어를 통한 냉각 공기의 자연 또는 강제 순환에 의해 제공될 수 있다. 냉각 공기의 강제 순환은 크랭크축 또는 로터 세그먼트들에 부착된 팬 날개들을 통해 달 성될 수 있다. 기관의 중앙 코어내로의 냉각 공기의 도입 및 그로부터의 배출은 두 평판 측면 덮개들내에 절삭된 개구들과 덕트들을 통해 제어될 수 있다.

기관 중량을 최소화하고 높은 동력 대 중량비를 달성하기 위해서 세라믹 재료들과 알루미늄 합금을 포함하는 경량 재료들이 구조에 채용될 수 있다. 이들 기관 특성들은 구조 재료들 및 에너지를 보호하고, 실제 설치시 연료 소모를 감소시킨다. 보다 작은 직접 공냉식 기관들에 대한 인지된 응용 분야들은 경항공기, UAV들, 하이브리드 도로 차량들, 휴대용 발전 세트들, 잔디 깍는 기계들, 수동작형(hand-held) 기계류 및 오토바이들이다. 보다 고출력의 액체 냉각식이 적합한 기관들은 보다 큰 차량들을 추진할 수 있다. 보다 큰 동력 출력과 러던던시 정도에서도, 다수의 기관 유니트들이 공통 크랭크축에 결합될 수 있다.

내연 기관 실시예

보다 작고 단순한 공냉식 실시예에서, 기관 동력 전달은 네 개의 등간격 원형 배치식 크랭크핀들을 수용하는 두 개의 수직 고정 아암들을 구비한 크랭크축에 의해 달성된다. 로터 회전 동안, 네 개의 크랭크 핀들 각각은 두 인접 로터 세그먼트들의 볼록 원통형 내부 외형과 일정한 미끄럼 접촉을 유지한다. 크랭크핀과 로터 재료들 및/또는 코팅들의 적절한 선택은 윤활에 대한 필요성을 제거한다. 크랭크핀들과 로터 세그먼트들 사이의 미끄럼 마찰은 구름 마찰로 대치될 수 있다. 이런 구조에서, 네 개의 등간격 원형 배치식 크랭크핀들상에 장착된 롤러들은 두 인접 로터 세그먼트들의 내부 외형과 일정한 접촉을 유지한다. 또한, 네 개의 등간격 원형 배치식 크랭크핀들 상에 장착된 선회하는 롤러 세그먼트들은 두 인접 로터 세그먼트들의 내부 윤곽 내에 절삭된 대응 기어 이빨과 맞물리는 기어 이빨을 가질 수 있다. 크랭크핀들은 중실형일 필요는 없으며, 중량을 저감시키기 위해 중공형으로 이루어질 수 있다. 부가적으로, 로터 세그먼트와의 크랭크핀 접점이 작은 원호에 한정되기 때문에, 크랭크핀은 완전한 중실 또는 중공 실린더일 필요는 없으며, 그 세그먼트나 개별 크랭크핀이 두 개의 보다 작은 직경의 크랭크핀들로 대체될 수 있다.

기관의 보다 크고 강한 실시예는 크랭크축 크랭크핀들에 로터 세그먼트들을 결합하는 크랭크아암들과 액체 냉각식 로터 하우징을 활용할 수 있다. 이들 크랭크 아암들이 로터 세그먼트 및 크랭크 핀 부착점들 둘레에서 작은 원호로만 진동(또는, 완전 회전)한다는 사실을 고려하면, 예비윤활식 크랭크아암 및 크랭크축 부싱들이 적합할 수 있다. 대안적으로, 필요시 종래의 건식-섬프 가압식 윤활이 채용될 수 있다. 로터 세그먼트들에 대한 크랭크아암 부착점들의 위치설정은 중요하며, 반드시 로터 세그먼트들의 원통형 로브들의 종축들과 일치되어야만 한다. 크랭크축에 로터 세그먼트들을 부착하는 방법이 도 15 및 도 16에 예시되어 있다. 도 15 및 도 16에서와 같이 네 쌍의 동일한 크랭크 아암들(9)이 등간격 원형 배치식 크랭크핀들에 각각 2개씩 장착되는데, 검게 표시된 하나는 상반부에 그리고 흐리게 표시된 하나는 하반부에 교대로 부착될 수 있다.

도 17 및 도 18은 기관의 양호한 구현예의 개략 평면도이다. 기관 회전은 화살표들로 도시된 바와 같이 시계방향이다. 또한, 이 도면들은 로터 하우징(2)내의 주변 흡기 포트(10), 주변 배기 포트(11) 및 스파크 플러그 구멍(12)을 표시하고 있다. 동력 전달은 크랭크핀들(6)상에 지지된 로터 세그먼트 볼록 원통형 내부 윤곽형상들(13)을 통해 직접적으로 얻어지며, 크랭크핀들과 로터 세그먼트 볼록 원통형 내부 윤곽형상들(13)들은 일정하게 미끄럼 접촉한다. 하기의 장(section)들은 기관 구성요소들에 대한 상세한 설명들을 제공한다.

로터 세그먼트

로터 세그먼트 외면들(14)은 내연 기관 모드의 동작에 필요한 최소 작업실 용적에 대한 최대 작업실 용적의 양호한 압축비를 생성하기 위해 볼록하다. 로터 세그먼트 내면들은 크랭크축(8)에 부착된 크랭크핀들(6)과 연속적으로 접촉하게 됨으로써, 기동 동력(motive power)의 직접 전달을 위해 볼록 원통형 외형들(13)을 가진다. 로터 하우징 및 로터 조립체 치수들, 크랭크 및 크랭크핀 반경들의 소정의 조합들에 대한 필요한 볼록 원통형 로터 세그먼트 외형들을 계산하기 위해 컴퓨터 응용 프로그램이 사용될 수 있다. 전형적인 로터 세그먼트가 도 19에 도시되어 있다.

고정 블록

로터 세그먼트들의 각 인접 쌍의 팁들은 도 20에 도시된 정면도 및 후면도의, "고정 블록(15)"과 결합된다. 또한, 이 도면들은 각 고정 블록이 인접 로터 세그먼트들(16)의 팁들을 선회식 미로 배열(pivoting labyrinth arrangement)로 유지하여 기밀식 밀봉부를 제공하는 방식을 예시한다. 이 부착법은 일 로터 세그먼트의 나머지에 대한, 그리고, 고정 블록에 대한 분절식 이동을 허용한다. 네 개의 고정 블록들은 네 개의 로터 세그먼트들을 연동시키고 또한 가스 밀봉부들을 위한 수용부를 제공하는 힌지식 로터 조립체의 필수 구성요소들이다.

밀봉부

각 고정 블록은 반경방향 외향 대면 축방향 정점 밀봉/밀봉 스프링 슬롯(17)과 상부 및 하부 코너 밀봉/밀봉 스프링 공동(18)을 포함한다. 각 완성 로터 세그먼트는 로터 세그먼트 본체(19)와 견고히 부착된 상부 및 하부 폐쇄판(20)을 포함한다. 이들 일체형 폐쇄판들은 고정 블록들내에 로킹되고, 측면 밀봉부들 및 측면 밀봉 스프링들을 위한 홈들을 포함한다. 고정 블록/로터 세그먼트 조립체내의 종래의 정점(21), 측면(22) 및 코너(23) 밀봉부들의 대응 배치가 도 21의 분해도에 도시되어 있다.

크랭크축

설명된 로터 세그먼트로부터 크랭크핀들로의 직접 동력 전달 방법은 크랭크축 회전이 로터 조립체 정점들(힌지들)과 동기되는 것을 보증한다. 동력 전달이 로터 세그머트들의 중앙점들(P)(이들은 항상 반경 c/2의 내접원상에 존재함)에 크랭크축을 연동시킴으로써 실행되는 경우에, 크랭크축의 회전은 불규칙적이 된다. 이 불규칙성은 로터 조립체 정점들의 일정한 회전에 관한 내접원 둘레의 로터 세그먼트의 비균일 회전/직동으로부터 초래한다.

이중 오목형, 개방면 베어링 블록들이 볼록 원통형 로터 세그먼트 내부 윤곽형상들과 크랭크핀들 사이에 삽입되어 접촉면적을 증가시키고 부하를 감소시킬 수 있다. 이들 베어링 블록들은 자체 윤활 재료(탄소-흑연 같은)로 제조될 수 있으며, 마모를 보상하기 위해 스카프-조인트형(scarf-jointed) 세그먼트들로 구성될 수 있다. 이 개념은 도 22에 예시되어 있다.

미끄럼 접촉만하기 때문에, 크랭크축은 로터 조립체로부터 축방향으로 분리되어 있다. 따라서, 로터 조립체는 소정의 측방향(축방향) 부하를 받지 않는다. 크랭크축 견부들상에 장착된 단순한 트러스트 와셔들이 예로서, 자동차 응용 분야들에서 클러치가 눌러져서 초래되는 부하 같은 그 구성요소상에 작용하는 소정의 축방향 부하를 지지하도록 채용될 수 있다.

안내 트랙 및 종동부

효과적인 기능을 위해서, 단지 스프링-부하식 밀봉부들(정점, 코너 및 측면)만이 로터 하우징 및 평판 측면 덮개들과 미끄럼접촉하게 된다. 힌지식 로터 조립체 형상이 로터 하우징 내부 윤곽형상과 접촉하지 않고 연속적으로 그에 적응하는 것을 보증하기 위해서, 로터 세그먼트들의 원통형 내부 외형들은 안내 트랙들을 따르고(그를 따라 미끄러짐), 그래서, 필요한 반경방향 및 측방향(또는, 축방향) 간극들을 제공한다. 이 두 개의 볼록 가이드 트랙들(24)은 평판 측면 덮개들의 내측에 부착된다. 로터 조립체의 이 반경방향 및 축방향 구속 방법은 도 23에 예시되어 있다.

기관의 양호한 실시예에서, 트랙 롤러들(25) 및 연계된 트랙들(26)의 시스템이 채용된다. 각 측면상에 하나씩, 두 개의 트랙 롤러들이 도 24에 도시된 바와 같이 각 로터 세그먼트들상에 장착된다. 롤러 샤프트들은 로터 세그먼트 본체들내의 대응 축방향 구멍들에 삽입된다. 트랙 롤러들의 위치 및 직경은 대응 트랙 윤곽형 상이 점진적으로 변화하는 볼록 곡율을 가지고, 트랙 롤러들의 회전 속도가 과도하지 않게 되는 것을 보증하도록 최적화된다. 트랙 판들이 도 25에 예시된 두 개의 평판 측면 덮개들(3) 각각에 내부적으로 부착된다. 트랙들은 동일하지 않다; 두 번째 트랙 윤곽형상은 x-축 또는 y-축 중 어느 한쪽의 둘레로 첫 번째 것을 180°회전시킴으로써 얻어진다. 안내 트랙들 사이의 대칭 관계는 도 26에 도시되어 있다. 트랙들의 원주에 절삭된 대응 기어 이빨과 맞물리는 피니언 기어들이 트랙 롤러들 및 매끄러운 트랙들을 대체할 수 있다.

또한, 트랙 롤러들은 로터 조립체를 위해 로터 하우징 및 평판 측면 덮개들에 대한 측방향(또는, 축방향) 위치설정을 제공한다. 이 기능은 로터 세그먼트들에 부착된 트랙 롤러들(25)의 림(rim)들(27)이 트랙(26)의 연장된 베이스 플랫폼(28)상에 놓여지게 함으로써 달성된다. 대안적으로, 트랙(26)의 내부 윤곽형상 에지(30)상에 놓여지는 플랜지형 롤러들(29)이 사용될 수 있다. 도 27에 도시된 이들 배열들은 로터 측면들과 평판 측면 덮개들 사이에 필요한 간극이 유지되는 것을 보증한다.

고정 블록들, 로터 세그먼트들, 크랭크핀들(로터 세그먼트 내부 외형들과 일정하게 접촉함) 및 대응 트랙들상에 놓여진 트랙 롤러들의 조합은 항상 로터와 로터 하우징 내벽 사이에 간극을 제공하기 위해 필수적인 로터 조립체를 위한 견고한 반경방향 고정을 제공한다. 트랙 롤러들(25)이 부착되고, 상부 및 하부 폐쇄판들(20)이 붙여지고, 고정 블록(15)이 링크된 완전한 로터 세그먼트의 구조가 도 28에 도시되어 있다.

양호한 실시예의 조립도

도 29 및 30은 기관의 평면도들이며, 트랙 롤러들 및 연계된 트랙들을 포함하는 조립된 부품들을 도시한다. 마지막으로, 주 기관 구성요소들의 사시도가 도 31에 제공되어 있다. 상사점 위치에 로터 세그먼트들 중 하나를 가지는 이 도면은 조립된 기관 구성요소들 사이의 관계를 예시한다. 평판 측면 덮개들 및 부착된 트랙들은 명료성을 위해 제거되어 있다.

Claims (21)

1. 회전하는 힌지식로터가 수용되며, 2개의 평판 측면 덮개들과 내부 윤곽형상을 구비하는 로터 하우징과,

   복수개의 로터 세그먼트들을 구비하며, 상기 각각의 로터 세그먼트는 힌지식 로터의 운동시 상기 내부 윤곽형상과 연속적으로 접촉하는 서로 대향하는 팁들을 포함하는 힌지식 로터 조립체를 구비하며,

   상기 내부 윤곽형상은 중심점 O를 교차하며 주직경을 가지는 장축(X축)과 부직경을 가지는 단축(Y축)을 규정하는 타원형상이며,

   상기 힌지식 로터의 대향하는 팁들은 지점 A, 지점 B, 및 이들 지점 사이의 중심점 P를 규정하고, 지점 A와 지점 B를 포함하고 상기 힌지식 로터의 내부에 꼭지점 C를 가지는 이등변 직각 삼각형을 규정하며,

   각각의 로터 세그먼트의 중심점 P가 중심점 O를 중심으로 하고 지점 A와 지점 B 사이의 거리의 절반을 반경으로 하는 원을 따라 이동하도록 규정되며,

   꼭지점 C가 r= cos(2θ)의 곡선인 4개의 로브 중 하나의 선상에 위치하도록 규정되며,

   여기서, 각도 θ는 중심점 O와 지점 A를 연결하는 선과 Y축의 양의 부분 사이의 각도이며, 각도 θ는 중심점 O와 지점 B를 연결하는 선과, X축의 양의 부분 사이의 각도이며, r은 중심점 O와 꼭지점 C를 연결하는 길이와 같은 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
2. 제 1 항에 기재되 로터리 장치를 구비는 내연기관으로,

   각 로터 세그먼트 내부 외형이 볼록 원통형 표면들을 포함하는 로터 조립체를 채용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
3. 제 2 항에 있어서, 크랭크축 크랭크핀들이 인접 로터 세그먼트들의 내부 외형(contour)과 일정한 접촉을 유지하는 직접 동력 전달 시스템을 구비한 내연 기관.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 인접 로터 세그먼트들의 팁들은 고정 블록과 연동되어 있고,

   상기 고정 블록은, 하나의 로터 세그먼트가 가지는 다른 로터 세그먼트 및 고정 블록에 대한 분절식 이동을 허용하는 내연 기관.
5. 제 2 항에 있어서, 크랭크핀들상에 장착된 롤러들(또는, 회전 블록들)이 인접 로터 세그먼트들의 내부 외형과 일정한 접촉을 유지하는 동력 전달 시스템을 구비하는 내연 기관.
6. 제 5 항에 있어서, 크랭크핀들상에 장착된 롤러들(또는, 회전 블록들)이 인접 로터 세그먼트들의 내부 외형에 절삭된 대응 기어 이빨과 맞물리는 기어 이빨을 구비하는 동력 전달 시스템을 구비하는 내연 기관.
7. 제 2 항에 있어서, 동일한 크랭크 아암을 활용하는 동력 전달 시스템을 구비하며, 상기 크랭크 아암은 크랭크핀을 상기 로터 세그먼트에 부착 지점에서 연결하되, 상기 부착 지점은 상기 로터 세그먼트의 원통형 로부의 종축과 일치하는 내연 기관.
8. 제 7 항에 있어서, 크랭크 아암들은 크랭크핀들의 상반부 및 하반부들에 교대로 부착되는 내연 기관.
9. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 힌지식 로터 조립체는 평판 측면 덮개들에 내부적으로 고정된 안내 트랙들을 직접적으로 따르는 로터 세그먼트들의 내부 원통형 로브들을 가짐으로써 반경방향 및 축방향으로 구속되는 내연 기관.
10. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 힌지식 로터 조립체는 평판 측면 덮개 들에 내부적으로 고정된 안내 트랙들과 상기 로터 세그먼트들의 원통형 로브들상에 장착된 트랙 롤러들의 시스템에 의해 반경방향 및 축방향으로 구속되는 내연 기관.
11. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 힌지식 로터 조립체는 평판 측면 덮개들에 내부적으로 고정된 치형 안내 트랙들과 상기 로터 세그먼트들의 원통형 로브들상에 장착된 피니언들의 시스템에 의해 반경방향 및 축방향으로 구속되는 내연 기관.
12. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 흡기 포트들이 로터 하우징 평판 측면 덮개들 중 하나 또는 양자 모두에 절삭되는 내연 기관.
13. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 흡기 포트(들)가 로터 하우징 평판 측면 덮개들 중 하나 또는 양자 모두에 절삭되고, 주변 배기 포트가 로터 하우징에 절삭되는 내연 기관.
14. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서, 주변 흡기 포트와 주변 배기 포트가 로터 하우징에 절삭되는 내연 기관.
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