KR102039448B1 - 사이클로이드 로터 엔진 - Google Patents

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KR102039448B1
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니콜라이 쉬콜릭
알렉산더 씨. 쉬콜릭
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리퀴드피스톤 인크.
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Abstract

로터리 엔진은 사이클로이드 로터와, 상기 로터와 함께 회전하는 페이스 시일과 상기 로터와 함께 회전하지 않는 다른 시일을 포함한 밀봉 격자를 갖는다. 로터가 하우징 내부에서 회전함에 따라, 하우징과 시일 격자는 그들 사이에 적어도 하나의 작동 챔버를 형성하며, 상기 챔버는 초기 체적(V1)으로부터 V1보다 작은 체적(V2)으로 변화됨으로써, 작동 매체를 압축한 다음, V1보다 큰 체적(V3)으로 팽창하며, 이에 따라, 챔버 체적이 로터 회전 각도의 원활하고 연속적인 함수가 된다.

Description

사이클로이드 로터 엔진{CYCLOID ROTOR ENGINE}
우선권
본 특허 출원은 니콜레이 쉬콜닉과 알렉산더 씨. 쉬콜릭을 발명자로 하여 "사이클로이드 로터 엔진"이란 명칭으로 2011년 3월 29일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/469,009 호를 우선권 주장하며, 상기 특허 출원의 내용 전체가 인용에 의해 본원에 통합되어 있다.
기술 분야
본 발명은 엔진에 관한 것이며, 구체적으로는, 로터리 엔진에 관한 것이다.
로터리 엔진은 높은 효율, 높은 출력 밀도 및 적은 부품 수를 보장하며, 이러한 것들은 많은 기술자들과 노력을 이 분야로 끌어들였다. 종래 기술에 존재하는 수많은 구성 중, 가장 간단하고 가장 유망한 구성은 제로터 개념에 기반을 두고 있다. 종래 기술을 도시하고 있는 도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 특히, 도 1a를 참조하면, 제로터는 암형 기어 프로파일을 갖고 하우징 공동(하우징은 도시되지 않음) 내부에 회전가능하게 장착된 외측 로터와, 수형 기어 프로파일을 가진 내측 로터를 포함한다. 작동시, 내외측 로터는 모두 하우징 내부에서 회전하며, 가변 체적의 복수의 연속적인 챔버들을 형성한다. 이 챔버들은 압축기/공압 모터/엔진에서의 가스의 압축이나 팽창, 또는 펌프/유압 모터에서의 액체의 운동을 실행시키기 위해 사용될 수 있다. 대안적인 구성으로서, 외측 로터는 고정식인 반면, 내측 로터는 편심 샤프트에 의해 구동되어 요동하는 것이 있다. 이와 같이 형성된 가변 체적 챔버는 첫 번째 구성과 유사하게 거동한다. 이러한 디자인과 연관된 마찰 손실을 도 1b에 도시된 롤러-베인 제로터 디자인을 이용하여 저감할 수 있다. 외측 및 내측 로터들을 직접 연결하는 대신, 롤러들이 통합되어 용적 챔버(displacement chamber)를 형성한다. 이러한 모든 디자인에서, 외측 로터는 챔버를 형성하기 위해서뿐만 아니라, 내측 로터를 안내하기 위해서도 사용된다.
이동부가 매우 적기 때문에, 이 간단한 디자인이 그 주위에 로터리 엔진을 설계하고자 시도한 많은 사람들의 주목을 받고 있다는 것은 놀라운 일이 아니다. 그러나, 모든 로터리 엔진이 경험할 수 있는 주된 문제는, 엔진의 압축, 팽창 및 연소 행정시 작동 유체의 밀봉이 곤란하다는 것이다. 이론적으로 대부분의 엔진들은, 시일을 사용하지 않고 작동 유체를 완벽하게 포위하기 때문에, 이론상 실현가능한 것처럼 보이지만, 실제로는, 가공 공차와 열팽창을 고려하면, 또한 부품들이 마모되기 시작하면, 시일 없이 작동 유체를 밀봉하는 것은 불가능하다. 제로터 기반 엔진의 가장 유명한 버전이면서 생산에 사용된 유일한 엔진은, 도 1c에 도시된 바와 같이, 2-로브 하우징 내부에서 3로브 로터가 운동하는 방켈 엔진이다. 이 엔진은 두 가지 주된 이유 때문에 비교적 성공적이었다. 첫째, 외측 로터가 내측 로터를 안내하는 데 사용되지 않는 대신, 편심 샤프트의 운동과 내측 로터의 운동 및 회전을 동조시키기 위해 한 쌍의 기어가 사용되었다. 둘째, 제조 공차, 열팽창 및 마모를 허용하기 위해 내측 로터와 외측 로터 사이에 제공된 간극이, "방켈 격자"라고도 알려져 있으며, 로터의 평탄부 상에 배치된 페이스 시일과 로터의 각 에이펙스(apex) 내부에 배치된 에이펙스 시일 및 이러한 유형의 시일들 모두에 연결된 "버튼"을 포함하는 시일 격자 워크(a grid work of seals)로 밀봉되었으며, 이 시일들 모두가 로터 상에 배치되어 있기 때문에, 로터와 함께 운동할 것이다. 로터 자체 및 하우징과 함께, 이론적으로, 이 시일들은 작동 유체를 완벽하게 포위한다. 역시, 실제로는, 시일들 사이에, 또는 시일들과 로터 및 시일들과 하우징 사이에 여전히 간극이 존재하지만, 그 간격이 비교적 작고, 관리가능하며, 엔진이 기능할 수 있도록 한다. 그렇지만, 이러한 엔진들이 비교적 효율이 낮고 배출물이 많으며, 이하의 이유들로 인해 압축 점화 동작 모드에 대해 부적합하다는 것이 잘 알려져 있다.
1. 시일 격자에도 불구하고, 비교적 높은 누설도. 예를 들어, 점화 플러그(들)를 수용하기 위한 엔진 속의 홀들과 아울러, 고속으로 운동하는 에이펙스 시일의 진동이 누설의 원인이 된다.
2. 긴 시일 이동 거리.
3. 최고 압축시 연소 챔버의 매우 높은 표면적 대 체적비로 인한 높은 열손실.
4. 기하학적으로 구현가능한 낮은 압축비.
5. 다른 어떤 수단으로도 윤활할 수 없는 에이펙스 시일을 윤활하기 위해 작동 챔버 속으로 오일을 주입하여야 하는 필요성, 및 이 오일이 통과하여 배출됨으로써 배출물 문제를 초래할 수 있는 포트의 존재.
이론적으로, 고정식 외측 로터를 구비한 제로터 엔진은 오직 하나의 주요 이동부, 즉 로터를 갖는다. 하우징 내부에서 운동하는 이 로터는 로터 회전시 수축 및 팽창하는 가변적인 기하학적 공동을 형성한다. 로터와 하우징 사이의 이론적인 선 접촉에 의해 밀봉이 실현되며, 이러한 접촉은 적어도 2개의 개소에서 발생한다. "미끄럼 없는 구름"을 구현하기 위한 시도가 이루어졌지만(그러한 시도의 예로서 카츠의 미국 특허 번호 제 7,520,738 호를 참조하라), 일반적으로, 제로터는 로터와 하우징 사이에 매우 작은 미끄럼 접촉이 이루어지도록 설계된다. 다른 예가 하우징 내부에서 로터를 안내하기 위해 편심과 함께 롤러를 사용하는 르네 린더의 미국 특허 번호 제 5,373,819 호에 개시되어 있다. 또 다른 예가 하우징 내부에서 시일을 사용하는 베셀로브스키의 러시아 특허 번호 제 RU 2078221 C1 호에 개시되어 있다. 실제로, 전술한 바와 같이, 제조 공차와 열팽창으로 인해, 설계자는 로터와 하우징 사이에 또는 로터와 롤러 사이에 비교적 큰 간극을 남기게 된다. 하우징과 로터가 비가요성이거나, 롤러가 가공 공차로 인한 프리로드 또는 열팽창을 수용할 수 없다면, 밀봉이 실현될 수 없다. 따라서, 로터와 하우징 사이의 순수한 구름 접촉에 대해 논의하는 것은 의미 없게 된다. 작동가능한 엔진을 가능하게 하기 위해서는, 이 간극이 어떻게 해서든 시일에 의해 폐쇄되어야 한다.
본 발명의 제 1 실시예에는, N개의 로브를 가진 사이클로이드 로터와, 상기 로터가 하우징에 대해 축을 중심으로 회전할 때 상기 로브를 연속적으로 수용하기 위해 대응하는 일련의 N+1개의 로브 수용 영역을 가진 하우징으로서, (ⅰ) 상기 로터의 제 1 및 제 2 측부에 축방향으로 배치된 한 쌍의 측부와, (ⅱ) 각각의 인접한 로브 수용 영역 쌍 사이에 배치된 피크(peak)와, (ⅲ) 흡기 포트 및 배기 포트를 가진 하우징을 포함하는 유형의 개선된 엔진이 제공되어 있으며, 상술한 개선은, 복수의 피크 시일로서, 상기 복수의 피크 시일 중 적어도 하나는 각각의 피크에 배치되며 상기 로터가 회전하는 기간 동안 상기 로터와의 접촉을 유지하도록 구성되어 있고, 상기 로브 수용 영역과 상기 로터의 사이클로이드 구조 때문에, 각각의 시일이 상기 로터가 회전하는 동안 상기 로터에 대해 반경방향으로 바이어스되는, 복수의 피크 시일; 2개의 피크 시일과 상기 하우징과 상기 로터 사이에 놓인 체적으로서 형성된 작동 챔버 및 상기 흡기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 로터 내에 형성된 제 1 통로; 상기 작동 챔버 및 상기 배기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 제 1 통로와는 별개로 상기 로터 내에 형성된 제 2 통로; 상기 제 1 측부와 상기 로터 사이에 배치된 제 1 페이스 시일; 상기 제 2 측부와 상기 로터 사이에 배치된 제 2 페이스 시일;에 의해 규정되며, 상기 통로들과 상기 시일들은 각각의 시일이 상기 포트들 중 어느 포트와의 소통도 피하면서 상기 로터의 모든 각 위치에서 상기 측부들 중 하나 및 상기 로터와 모두 접촉을 유지하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 각각의 피크 시일은 상기 로터와의 접촉 영역을 갖고 있으며, 상기 접촉 영역은 상기 로터의 기하학적 구조와 상기 로브 수용 영역의 기하학적 구조에 의해 특이하게 규정된 이론적 롤러의 곡률 반경과 동일한 곡률 반경으로 만곡되어 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 로터는 제 1 축면(axial face), 상기 제 1 축면에 대해 평행한 제 2 축면, 및 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면 사이에 배치되며 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면에 대해 수직인 방사면(radial surface)을 갖고, 상기 제 1 축면과 상기 방사면은 상기 로터의 제 1 에지를 형성하며, 상기 제 2 축면과 상기 방사면은 상기 로터의 제 2 에지를 형성하고, 상기 제 1 페이스 시일은 상기 로터의 상기 제 1 에지에 배치된다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 2 페이스 시일은 상기 로터의 상기 제 2 에지에 배치된다.
또 다른 실시예에서, 상기 로터는 제 1 축면, 상기 제 1 축면에 대해 평행한 제 2 축면, 및 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면 사이에 배치되며 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면에 대해 수직인 방사면을 갖고, 상기 제 1 축면과 상기 방사면은 상기 로터의 제 1 에지를 형성하며, 상기 제 1 페이스 시일은, 상기 제 1 에지와 상기 제 1 페이스 시일 사이의 상기 제 1 축면에 제 1 환형 안착부를 형성하기 위해, 상기 로터의 상기 제 1 에지로부터 변위된 상기 제 1 축면에 배치되고, 상기 엔진은 상기 제 1 환형 안착부에서 상기 로터 및 상기 제 1 페이스 시일에 접촉하도록 배치된 버튼 시일을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 하우징 내부의 상기 로터의 제 1 각도에서, 상기 작동 챔버는 최대 압축 챔버 체적을 가진 압축 챔버를 형성하고, 상기 하우징 내부의 상기 로터의 제 2 각도에서, 상기 작동 챔버는 최대 팽창 챔버 체적을 가진 팽창 챔버를 형성하며, 상기 최대 팽창 챔버 체적은 상기 최대 압축 챔버 체적의 1.0배이상이다.
또 다른 실시예에서, 상기 최대 팽창 챔버 체적은 상기 최대 압축 챔버 체적의 적어도 3배이다.
다른 실시예는 상기 측부들 중 적어도 하나에 복수의 윤활제 채널을 더 포함하며, 상기 복수의 윤활제 채널은 각각 상기 복수의 피크 시일 중 대응하는 피크 시일에 대해 윤활제를 전달하도록 배치된다.
또 다른 실시예는 상기 측부들 중 적어도 하나에 윤활제 채널을 더 포함하며, 상기 윤활제 채널은 상기 페이스 시일들 중 대응하는 페이스 시일에 윤활제를 연속적으로 전달하도록 배치된다.
또 다른 실시예에는, N개의 로브를 가진 로터와, 상기 로터가 자신의 축을 중심으로 회전하며 하우징에 대해 축을 중심으로 궤도 운동을 할 때 상기 로브를 연속적으로 수용하기 위해 대응하는 일련의 N+1개의 로브 수용 영역을 가진 하우징으로서, (ⅰ) 상기 로터의 제 1 및 제 2 측부에 축방향으로 배치된 한 쌍의 측부와, (ⅱ) 각각의 인접한 로브 수용 영역 쌍 사이에 배치된 피크와, (ⅲ) 흡기 포트 및 배기 포트를 가진 하우징을 포함하는 유형의 개선된 엔진이 제공되어 있으며, 상술한 개선은, 2개의 피크 시일과 상기 하우징과 상기 로터 사이에 놓인 체적으로서 형성된 작동 챔버 및 상기 흡기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 로터 내에 형성된 제 1 통로; 상기 작동 챔버 및 상기 배기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 제 1 통로와는 별개로 상기 로터 내에 형성된 제 2 통로; 복수의 피크 시일을 포함한 밀봉 격자로서, 상기 복수의 피크 시일 중 적어도 하나는 각각의 피크에 배치되며 상기 로터에 대해 반경방향으로 바이어스되도록 상기 로터와의 접촉을 유지하도록 구성되어 있고, 상기 밀봉 격자는, 상기 로터에 배치되며 상기 하우징 측부에 대해 축방향으로 바이어스되도록 상기 하우징 측부와의 접촉을 유지하도록 구성된 페이스 시일로서, 회전하는 동안 상기 측부 시일이 흡기 또는 배기 포트를 교차하지 않고, 모든 피크의 각 측부에 하나씩 2×(N+1)개의 버튼 시일이 상기 하우징 측부 내에 배치되고 상기 로터를 향해 축방향으로 바이어스되어 상기 피크 시일 및 상기 측부 시일과의 접촉을 유지하도록 구성된, 페이스 시일과, 상기 로터에 배치되며 상기 하우징 측부에 대해 축방향으로 바이어스되도록 상기 하우징 측부 및 상기 로터의 모따기부(chamfered portion)와의 접촉을 유지하도록 구성된 페이스 시일 중 하나를 포함하는, 밀봉 격자;를 포함하며, 상기 포트들, 통로들 및 페이스 시일은 상기 시일이 상기 포트들 중 어느 포트와의 교차도 피하면서 상기 로터의 모든 각 위치에서 상기 측부들 중 하나 및 상기 로터와 모두 접촉을 유지하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 상기 페이스 시일은 와이어 시일이다.
또 다른 실시예에서, 상기 페이스 시일은 상기 로터의 축면과 상기 로터의 방사면이 교차하여 형성된 상기 로터의 에지에 배치된다.
또 다른 실시예에서, 상기 페이스 시일의 프로파일은 사이클로이드 곡선으로서 생성되며, 상기 사이클로이드 곡선을 생성하기 위해 사용된 이론적 롤러의 반경은 상기 버튼 시일에서의 버튼의 반경이다.
또 다른 실시예에서, 상기 로터는 일련의 N+1개의 이론적 롤러에 의해 형성되는 사이클로이드 구조이고, 각각의 피크 시일은 상기 로터와의 접촉 영역을 갖고 있으며, 상기 접촉 영역은 상기 피크 시일이 대체하는 상기 이론적 롤러의 곡률 반경에 가까운 곡률 반경으로 만곡되어 있다.
또 다른 실시예는, 작동 공동 및 상기 작동 공동과 유체 소통하는 연소 챔버를 가진 하우징; 상기 하우징에 배치되어 상기 연소 챔버에 대해 제어가능하게 출입하도록 구성된 피스톤; 상기 작동 공동 내부의 상기 로터의 여러 회전 각도에서, 상기 하우징과 함께 가변 체적의 작동 챔버를 형성하도록, 상기 작동 공동 내부에 회전가능하게 장착된 로터; 및 상기 로터의 회전 각도 범위에서 상기 작동 챔버와 상기 연소 챔버의 조합된 체적이 일정하도록 하기 위해, 상기 로터의 회전 각도에 대해 동조되어 상기 연소 챔버에 대해 상기 피스톤이 제어가능하게 출입하게 하는 컨트롤러를 포함한다.
또 다른 실시예는, 작동 공동을 가진 하우징; 편심부를 가진 샤프트; 제 1 축면과 상기 제 1 축면에 대향하는 제 2 축면을 가진 로터로서, 상기 로터는 상기 작업 공동 내부에서 상기 편심부에 배치되며, 상기 샤프트의 편심부의 편심도에 대응하는 편심도를 가진 제 1 캠을 상기 제 1 축면 상에 포함하고 있는, 로터; 및 상기 하우징과 일체이거나 고정식으로 부착된 커버로서, 상기 커버는 상기 캠과 각각 맞물리는 복수의 롤러를 포함하며, 상기 로터가 작동 공동 내에서 회전하며 상기 샤프트를 중심으로 궤도 운동을 할 때 상기 캠이 상기 로터의 회전을 안내하는, 커버를 포함한다.
또 다른 실시예는 상기 로터의 제 2 축면 상의 제 2 캠을 포함한다.
첨부도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터, 전술한 실시예들의 특징을 더 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 제로터를 사용한 종래 기술의 로터리 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 사이클로이드 로터 엔진의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 엔진 사이클 실행시 다양한 지점에서 사이클로이드 로터 엔진의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 사이클로이드 엔진의 구성 요소를 형성하는 기하학적 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 사이클로이드 로터 엔진의 일 실시예의 다양한 구성 요소를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 사이클로이드 로터의 일 실시예의 로터 조립체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 로터 내의 흡기 및 배기 통로들과 엔진 하우징의 실시예들 간의 상호 작용을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 연소 챔버 피스톤의 일 실시예와 함께, 시일 격자의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 다양한 로터 각도에서 흡기 포트에 대한 페이스 시일의 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 페이스 시일의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 페이스 시일의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12g는 밀봉 격자의 구성 요소의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13a 내지 도 13g는 페이스 시일의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 페이스 시일의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 밀봉 격자의 구성 요소의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16a 내지 도 16d는 밀봉 격자의 구성 요소의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 17은 피크 시일의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 18은 피크 시일의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 19a 및 도 19b는 피크 시일의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 20a 내지 도 20c는 피크 시일의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 21은 제로터 엔진 하우징과 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 22a 내지 도 22c는 제로터 엔진의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 23은 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 24는 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 25는 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 26은 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 27은 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 28은 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 29a 및 도 29b는 로터리 엔진의 로터의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 30a 내지 도 30c는 로터리 엔진의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 31은 로터리 엔진의 로터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 32a 내지 도 32f는 엔진 사이클 실행시 로터 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
다양한 실시예들은 기존의 피스톤 엔진 또는 로터리 엔진보다 배기 가스가 적고 높은 효율로 작동하는 개선된 로터리 엔진을 제공한다. 이러한 특성들은 연료 효율을 향상시킬 수 있도록 하고, 예컨대, 마즈다 코포레이션에 의해 수십 년 동안 사용된 것과 같은 방켈 로터리 엔진 등의 기존의 로터리 엔진보다 환경 친화적인 엔진이 되게 한다.
이전의 내연 기관들과는 달리, 예시적 실시예들은 고정된 하우징 내부에서 회전하는 사이클로이드(또는 사이클로이드식) 로터를 사용한다.
본 상세한 설명과 첨부된 특허청구범위에서 사용된 바와 같이, 이하의 용어들은, 문맥상 달리 필요하지 않으면, 표시된 의미를 갖는다.
사이클로이드식: 용어 "사이클로이드식"은 로터리 엔진의 일부 실시예에서 로터의 기하학적 구조를 의미한다. ("사이클로이드 디스크"라고도 기술될 수 있는) 로터는 Z1개의 로브를 갖는다. 로터의 기하학적 구조는 Z2개의 이론적 롤러들에 기초하여 생성되며, 여기서, Z2 = Z1+1이고, 상기 이론적 롤러들은 반경(Rr)을 가지며 중심점으로부터의 거리(R)에 배치된다.
로터(사이클로이드 디스크) 프로파일은 신과 권에 의해 도출된 방정식을 사용하여 수학적으로 생성될 수 있다[Shin, J. H., and Kwon, S. M., 2006, "On the Lobe Profile Design in a Cycloid Reducer Using Instant Velocity Center," Mech. Mach. Theory, 41, pp. 596-616 참조].
Figure 112013096181373-pct00001
(1)
여기서, φ는 입력 샤프트의 각도이며, Ψ는 이하의 식 (2)에서와 같이 산출된 사이클로이드 로브와 롤러 사이의 접촉 각도이다.
Figure 112013096181373-pct00002
(2)
1에서 무한대까지인 임의의 Z1에 대해 이 기하학적 구조를 사용하여, 로터리 엔진 또는 심지어 로터리 압축기를 구축할 수 있다. 예를 들어, 후술하는 다양한 실시예들은 Z1=2이고 Z2=3인 로터를 갖지만, 임의의 Z1이 사용될 수도 있으므로, 본원은 엔진에만 국한되지 않고, 압축기, 펌프 및 유압 또는 공압 모터에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.
압축 챔버의 최대 체적: 압축 챔버의 최대 체적은 챔버가 엔진 외부의 환경으로부터 처음 차단되는 엔진 사이클 시점에서의 압축 챔버(이는, 작동 챔버 내부의 작동 매체가 신선한, 예컨대, 공기이며 연소에 앞서 압축되고 있을 때, 엔진 사이클 위상에서의 작동 챔버이다)의 체적이다. 예컨대, 엔진(200)에서, 압축 챔버의 최대 체적은, 압축 챔버로부터 엔진 하우징 외부의 환경까지 유체 통로가 더 이상 존재하지 않도록, 흡기 통로가 가려진 직후의 그 챔버의 체적이다.
팽창 챔버의 최대 체적: 팽창 챔버의 최대 체적은 챔버가 엔진 외부의 환경에 노출되기 전의 엔진 사이클 마지막 시점에서의 팽창 챔버(이는, 작동 챔버 내부의 작동 매체가 연소되어 로터에 대해 일을 수행하고 있을 때, 엔진 사이클 위상에서의 작동 챔버이다)의 체적이다. 예컨대, 엔진(200)에서, 팽창 챔버의 최대 체적은, 배기 통로의 가려짐이 중단되기 직전의 그 마지막 순간에, 배기 챔버로부터 엔진 하우징 외부의 환경까지 유체 통로가 남아 있지 않도록, 배기 통로의 가려짐이 중단되기 직전의 그 챔버의 체적이다.
각도 또는 회전 각도: 엔진의 로터는 엔진 내부에서 회전하고 궤도 운동하도록 구성되어 있다. 일부 실시예에서, 로터는 편심 샤프트에 의해 샤프트 각속도로 구동되는 엔진의 입력/출력 샤프트로 형성된 엔진의 축을 중심으로 궤도 운동하는 동시에, 로터는 이하에 규정된 동조 수단에 의해 반대 방향으로 어떤 샤프트 각속도로 자신의 축을 중심으로 회전한다. 다양한 위치에서, 로터는 다양한 작동 챔버를 형성하고, 흡기 및 배기 포트 등과 맞물린다. 로터의 각도, 또는 로터의 회전 각도에 대한 인용은 하우징 내부에서 로터의 위치에 대한 인용이다. 예를 들어, 도 3f에서, 로터의 위치를 0°로 간주하면, 도 3c에서의 로터의 위치는 반시계방향으로 60°변위될 것이다.
작동 매체: 용어 "작동 매체"는 엔진 내부의 가스를 의미하며, 예를 들면, 흡기 챔버로 유입되는 공기, 압축 챔버 내에서 압축되는 공기, 연소 챔버 내의 가스 및 팽창 챔버 내의 가스를 포함할 수 있다. 작동 매체는 연료(예를 들면, 가솔린 또는 디젤 연료)를 포함하거나, 연소 부산물을 포함할 수 있다.
편심도: 샤프트의 회전 중심과 샤프트에 고정된 원형 편심의 기하학적 중심 사이의 거리.
엔진의 예시적 실시예의 개요
도 2a는 사이클로이드 로터리 엔진(200)의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2b는 사이클로이드 로터리 엔진(200)을 개략적으로 도시한 분해도이고, 도 2c는 사이클로이드 로터리 엔진(200)을 개략적으로 도시한 단면도이다. 엔진(200)은 개구(201B)를 구비한 본체(201A)("원주상 본체"로 알려져 있음), 흡기 커버(201C) 및 배기 커버(201D)를 가진 하우징(201)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 흡기 커버(201C) 및/또는 배기 커버(201D)는 본체(201A)의 일부이며, 로터(202)로부터 축방향으로 변위되어 로터를 대면하고 있는 평탄면을 형성한다. 따라서, 흡기 커버(201C) 및/또는 배기 커버(201D)는 간단하게 하우징(201)의 평탄부라 할 수 있다. 본체(201A), 흡기 커버(201C) 및 배기 커버(201D)는 서로에 대해 고정된 공간적 관계를 가지며, 사이클로이드 로터(202)를 수용하기 위한 공동을 함께 형성한다.
하우징(201) 이외에, 도 2a 및 도 2b는 엔진(200)의 다른 요소들을 다수 포함하고 있다. 선택적 팬(203)은 냉각을 위해 기류를 엔진(200)에 제공하며, 및/또는 엔진 사이클 실행시 사용하기 위한 신선한 공기 투입물을 공급할 수 있다. 팬이 사용되지 않으면, 사이클의 특정 부분에서 회전 중에 진공을 생성하는 로터의 유도 작용에 의해 신선한 공기 투입물이 공급될 것이다. 선택적 오일 펌프(204)는 후술하는 바와 같이 엔진의 내부 구성 요소에 오일을 제공한다. 또한, 엔진(200)은, 엔진(200)에서의 연소를 위해 연료를 제공하는 연료 펌프(207) 및 연료 분사기(208)와 함께, 흡기 매니폴드(205)와 배기 매니폴드(206)를 포함한다.
엔진(200) 내부에서, 로터는 도 6에서 더 잘 보이는 편심 샤프트(201)에 회전가능하게 커플링되며, 상기 편심 샤프트는 간단히 "샤프트"라고도 할 수 있다. 편심 샤프트(210)는 샤프트(210)의 중심점(또는 축)(210A)을 중심으로 회전하도록 구성되며, 편심도("e") 만큼 샤프트로부터 오프셋된 편심부(210B)를 포함한다. 샤프트(210)의 편심부에 가해지는 힘이 샤프트(210)에 작용하여, 샤프트(210)가 회전하도록 할 것이다.
본 실시예에서, 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 로터(202)는 2개의 로브(202A, 202B)를 가지고 있으며, 개구(201B)는 3개의 로브 수용 영역(250, 252, 253)을 가지고 있다.
로브(202A, 202B)는 만곡되어 있으며, 곡률을 갖고 있다. 로브 수용 영역(220, 221, 222)은 동일한 개수의 교차 곡선들에 의해 형성되며, 이 곡선들은 동일한 개수의 피크(205, 206, 207)를 각각의 교점에 하나씩 형성한다. 구성 요소들의 제조 공차와 열팽창을 수용하기 위해 두 곡선들 사이에 작은 간극이 존재하는 것을 제외하고, 로브 수용 영역(220, 221, 222)의 내측 곡선과 로브(202A, 202B)의 외측 곡선이 동일하도록, 로브 수용 영역을 형성하는 곡선(208, 209, 201)들은 로브의 곡률과 유사한 형상의 곡률을 가지며, 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 모든 로브들이 모든 로브 수용 영역을 완전히 점유할 수 있다.
그리고, 각각의 피크(205, 206, 207)는 차례대로 피크 시일(251A, 251B, 251C)을 가지고 있으며, 각각의 피크 시일은 후술하는 바와 같이 다수의 작동 챔버를 형성하기 위해 로터(202)와 연속적으로 밀봉 접촉하도록 반경방향으로 바이어스되어 있다.
도 3a 내지 도 3f는 다양한 작동 위상에서의 엔진(200)을 개략적으로 도시하고 있으며, 엔진이 작동하는 동안, 로터(202)의 기하학적 중심은 샤프트(210)의 중심(210A)을 중심으로 궤도 운동하고, 로터(202)는 샤프트(210) 각속도의 절반인 각속도로 반대 방향으로 자신의 중심을 중심으로 회전한다. 본 실시예에서는 3:2의 관계로 커버에 고정된 내측 기어(211)와 로터에 고정된 피니언(212)인 동조 기구에 의해, 샤프트(210)가 로터(202)의 회전 방향과 반대인 방향으로 회전하게 된다. 예를 들면, 도 3a 내지 도 3f에서, 로터(202)는 반시계방향으로 회전하고, 샤프트(210)는 시계방향으로 회전한다.
로터(202)가 개구(201B)의 내부에서 회전할 때, 하우징(201)과 로터(202)는 협력하여 엔진 사이클을 실행하기 위한 3개의 작동 챔버(250, 252, 253)를 형성한다. 구체적으로, 원주상 하우징(201A), 로터(202), 다수의 시일 및 하우징의 측부(201C, 201D)에 의해, 각각의 작동 챔버가 형성된다.
예를 들어, 측부(201C, 201D)들 및 이 측부들과 로터 사이의 다른 시일과 함께, 로터(202), 원주상 하우징(201A) 및 시일(251A, 251B)에 의해 하나의 작동 챔버(250)가 형성된다. 예시의 편의상, 다른 시일들은 도 3a 내지 도 3f에 도시되어 있지 않다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 작동 챔버(250)는 유한 체적을 가지고 있으며, 엔진(200) 외부의 환경에 커플링되어 있지 않다. 로터(202)가 반시계방향으로 회전할 때, 가스 또는 작동 매체(예를 들어, 이 순간에 앞서 작동 챔버(250)로 유입된 공기)는 그 초기 체적(V1)으로부터 압축된다. 로터(202)가 계속 회전함에 따라, 로터(202)의 하나의 로브(202A)는 로브 수용 영역(221)을 점진적으로 더 점유하게 됨으로써, 작동 챔버(250) 내부의 가스를 점진적으로 압축하게 된다. 따라서, 작동 챔버(250)를, 이 엔진 사이클 단계에서, "압축 챔버"라 할 수 있다.
결국, 로브(202A)는 도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이 로브 수용 영역(221)을 완전히 점유하게 된다. 이 위치에서, 로브(202A)는 압축 챔버 내부의 모든 가스를 원주상 본체(201A) 내부의 연소 챔버(260)로 축출한다. 연소 챔버(260)는 일정한 체적(V2)을 갖고 있다.
로브 수용 영역(221) 내부에서 이 로터(202) 위치를 "상사점" 또는 "TDC"라 할 수 있다. 엔진 사이클의 이 지점에서, 연소 챔버 내부의 연료가 점화하여, 가스에 열이 추가되도록 함으로써, 가스의 압력을 크게 증대시킨다.
당업계에 공지된 다양한 방식으로 점화가 개시될 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 상사점에서의 연소 챔버의 체적(V2)과 압축 챔버의 채적(V1)의 비율이 30 이상으로 높을 수 있다. 따라서, 작동 챔버 내부의 연료 및 가스 혼합물이 압축 점화에 의해 점화될 수 있다. 사실상, 연소 챔버가 폐쇄되기 이전에(예컨대, 압축시), 또는 연소 챔버가 폐쇄될 때 또는 그 이후에, 작동 챔버에 연료가 분사될 수 있다.
로터(202)가 계속 회전할 때, 로브(202A)는 로브 수용 영역(221) 내부에서 짧은 기간 동안(또는 작은 회전 각도로) 실질적으로 정지되어 있다. 즉, 로브(202A)가 상사점에 있을 때, 샤프트(210)의 회전으로 인해, 로브(202A)는 로브 수용 영역(221)을 결국 벗어나기 시작하기 전에 로브 수용 영역(221) 내부에서 효율적으로 피벗하게 된다(도 3d). 따라서, 상사점과 그 부근에서 작동 챔버(즉, 연소 챔버)의 체적은 로터(202)의 일부 회전 각도에서 실질적으로 일정하다. 실용적인 문제로서, 약 5 내지 10°의 회전 각도에서 연소 챔버에 혼입된 작동 매체의 체적 변화는, 로터와 하우징 사이의 매우 작은 간격을 통과하는 가스의 공기 역학적 특성으로 인해, 연소 챔버 체적의 1%의 절반(0.5%) 이하이며, 이는 효과적으로 일정한 체적 또는 실질적으로 일정한 체적으로 간주될 수 있다.
일부 실시예들은 회전하는 로터에 의해 제공될 수 있는 것보다 긴 기간 동안(또는 큰 로터 회전 각도에서) 실질적으로 일정한 체적을 갖는다. 예를 들어, 도 8a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일부 실시예들은 연소 챔버(820) 속으로 제어가능하게 연장될 수 있는 피스톤(850)을 포함하고 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 피스톤(850)이 연소 챔버(820) 속으로 연장될 수 있다. 로터(821)가 압축 챔버의 체적을 감소시킬 때, 압축 챔버 내부의 작동 매체는 연소 챔버(820)로 축출된다. 소정의 엔진 사이클 시점에서, 피스톤(850)은, 연소 챔버(850) 내부에 추가적인 체적을 제공하여 압축 챔버의 체적 감소와 정확하게 일치시키기 위해, 연소 챔버(850)로부터 빠져나오기 시작한다. 마찬가지로, 로터(821)가 연소 챔버(852)를 지나 회전할 때, 피스톤(850)은 연소 챔버(850)를 더 많이 점진적으로 점유하기 시작할 수 있다. 이러한 방식으로, 압축 챔버와 연소 챔버(820)의 조합된 체적이 로터의 주어진 이동 거리 범위에서 일정하게 유지될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 작은 피스톤(850)은 스프링 작동식이거나, 엔진 사이클에 동조된 캠, 전기 또는 유압 드라이브에 의해 외부적으로 구동될 수 있다. 이러한 모든 구동 기구를 "컨트롤러"라 할 수 있다. 피스톤(850)은, 외부적으로 구동되면, 연소 챔버(820) 속으로 연장되어, 훨씬 긴 기간 동안 일정한 체적의 연소 챔버(820)를 유지하도록 제어될 수 있다. 대안적으로, 피스톤(850)은, 엔진 효율을 높이거나 다중의 연료로 엔진이 작동할 수 있도록 하기 위한 목적으로, -엔진의 여러 작동 모드에서 모두 유용한- 고속 압축 또는 가변 압축비 엔진들에서 도움이 될 수 있다. 대안적으로, 연소 위상에서 가스들의 체적(및 조성)이 물 분사에 의해 제어될 수 있다.
도 3a 내지 도 3f를 다시 참조하면, 연소 후, 작동 챔버(250) 내부의 가스가 팽창하기 시작함으로써, 도 3d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 로터(202)가 로브 수용 영역(221)을 벗어나도록 한다. 이 엔진 사이클 위상에서, 작동 챔버(250)를 "팽창 챔버"라 할 수 있다. 팽창 챔버는, 그 최대 팽창 지점에서, 압축 챔버의 최대 체적(V1)보다 큰 체적(V3)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 팽창 챔버의 최대 체적(V3)은 팽창 챔버의 최대 체적과 동일할 수 있으며, 일부 실시예들에서, 팽창 챔버의 최대 체적(V3)은 압축 챔버의 최대 체적(V1)보다 클 수 있다. 일부 실시예들에서, 팽창 챔버의 체적(V3)은 압축 챔버의 최대 체적(V1)보다 1.1 내지 3배 더 클 수 있다. 예를 들어, 도 32a 내지 도 32f는 체적(V3)이 체적(V1)보다 크도록 흡기 및 배기 통로가 구성된 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 흡기 및 배기 통로의 구성을 "비대칭적"이라 할 수 있으며, 이는 배기 통로가 작동 챔버와 맞물리는 각도(또는 각도의 범위)와는 다른 로터 회전 각도 및/또는 그보다 더 작은 로터 회전 각도 범위에서 흡기 통로가 작동 챔버와 맞물린다는 것을 의미한다.
팽창 챔버(250) 내부에서 팽창하는 가스는 로터(202)에 힘을 가함으로써, 로터(202)가 편심 샤프트(210)를 중심으로 계속 회전하도록 하며, 편심 샤프트(210)가 로터(202)의 회전 방향과는 반대인 방향으로 그 축(210A)을 중심으로 회전하도록 한다. 본 실시예에서, 샤프트(210)는 편심(210B) 상에서 화살표로 표시한 바와 같이 시계방향으로 회전한다.
팽창이 끝날 때, 로터(202)는 계속 회전하며, 로터(202) 내의 배기 통로(도 7a 내지 도 7d 참조)는 작동 챔버(250)와 소통한다. 배기 통로가 배기 포트와 인터페이싱함으로써, 작동 챔버(250)를 엔진(200) 외부의 환경에 노출시키게 되며, 이에 따라, 배기 가스가 엔진(200)을 빠져나갈 수 있게 된다. 로터(202)가 계속 회전하면, 작동 챔버의 체적이 감소되고, 배기 가스가 축출된다.
로터(202)가 계속 회전하면, 로터 내의 흡기 통로(도 7a 내지 도 7d 참조)는 작동 챔버에 노출되며, 이 흡기 통로는 하우징 측부의 흡기 포트와 소통한다. 이러한 방식으로, 작동 챔버(250)는 결국 엔진(200) 외부의 환경에 노출되며, 이에 따라, 로터의 추가적인 회전에 의해 작동 챔버의 체적이 증가하고 있을 때, (신선한 "투입물"이라 할 수 있는) 신선한 공기가 작동 챔버(250) 속으로 유도될 수 있다. 작동 챔버가 엔진(200) 외부의 환경에 노출될 때, 작동 챔버(250)의 체적은 유한 체적을 갖지 않는 것으로 특정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 배기 가스를 배기할 때는, 챔버(250)를 "배기 챔버"라 할 수 있으며, 신선한 투입물을 유도할 때는, 챔버(250)를 "흡기 챔버"라 할 수 있다.
작동 챔버(250)에 초점을 맞춰 상술하였으나, 도 3a 내지 도 3f는 엔진(200)이 2개의 다른 작동 챔버(252, 253)들도 형성하고 있음을 보여주고 있다. 각각의 작동 챔버는 챔버(250)와 관련하여 상술한 바와 같이 흡기, 압축, 연소, 팽창 및 배기를 포함한 사이클을 실행한다. 본 실시예에서, 각각의 작동 챔버의 엔진 사이클 위상은 다른 각각의 작동 챔버와 위상이 120°다르다. 사이클의 임의의 주어진 시점에서, 팽창하는 챔버는 편심 샤프트를 회전시킬 뿐만 아니라, 다른 2개의 작동 챔버들에서 실행되는 위상에 대해 동력을 제공한다.
엔진(200)과 그 작동에 대한 많은 관찰이 이 시점에서 유용할 수 있다. 첫째, 로터(202)는 로터(202)의 모든 회전 각도에서 3개의 모든 피크 시일(251A, 251B, 251C)과 접촉하고 있다. 실제로, 이는 후술한 바와 같은 유익한 결과를 가진 사이클로이드 로터의 특징이다.
또한, 본 실시예는 2개의 로브(202A, 202B)를 구비한 로터와, 3개의 로브 수용 영역(220, 221, 222)을 구비한 고정식 개구(201B)를 갖고 있지만, 다른 실시예는 다른 개수의 로브와 로브 수용 영역을 가질 수 있고, 여기서, 노브 수용 영역의 개수는 대응하는 로터의 로브의 개수(N)보다 1개 더 많다(N+1). 또한, 다른 실시예들에서, (N+1)개의 로브를 구비한 "하우징"과 N개의 로브를 구비한 로터가 모두 다른 고정된 하우징을 중심으로 회전하거나, N개의 로브를 구비한 로터는 고정되어 있고 그 로터를 중심으로 (N+1)개의 로브를 구비한 "하우징"이 회전할 수 있다.
하우징
하우징과 로터의 실시예에 대한 상세한 도면이 도 5 및 도 6에 제공되어 있다. 도 5는 하우징(201)과 로터(202)를 개략적으로 도시한 분해도이며, 흡기 커버(201C)와 배기 커버(201D) 사이의 원주상 본체(201A)를 나타내고 있다. 3개의 연소 챔버 중 2개의 연소 챔버(205, 215)와 함께, 3개의 피크 중 2개의 피크(205, 206)를 도 5에서 볼 수 있다. 로터(202)에 의해 가려져 있기 때문에, 제 3 피크(207)와 제 3 연소 챔버(217)를 도 5에서는 볼 수 없다. 그러나, 도 7a 내지 도 7c에는 3개의 모든 피크(215, 216, 217)가 개략적으로 도시되어 있다. 이하, 도 6에 대해 설명한다.
원주상 본체
본체(201A)는 로터(202)와 긴밀하게 관련된 3개의 로브 수용 영역을 갖고 있다. 공지의 편심도("e")를 가진 편심에 커플링된 주어진 로터에 있어서, 대응하는 원주상 본체의 개구의 기하학적 구조는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이 모곡선(413)에 배치된 일련의 이론적 롤러(410, 411, 412)를 특정함으로써 결정된다. 각각의 이론적 롤러(410, 411, 412)는 반경(Rr)을 구비한 원통형 형상을 갖고 있으며, 이론적 롤러(410, 411, 412)들은 반경(R)을 구비한 조형 원(413)을 중심으로 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 롤러(401)의 형상은 상술한 사이클로이드 방정식에 따라 반경(Rr)과 반경(R)에 의해 결정된다.
그리고, 각각의 이론적 롤러(410, 411, 412)의 상사점에 로터(401)를 배치함으로써 개구의 기하학적 구조가 결정된다. 그리고, 로터(401)의 반대측 단부는 로브 수용 영역의 곡선(420, 421, 422)을 규정한다. 실용적인 문제로서, 구성 요소의 제조 공차와 열팽창을 고려하여, 하우징의 로터 수용 영역과 로터 사이에 간극을 제공하여 로브 수용 영역의 실용적인 곡선을 구축하는 것에 대해 생각하여야만 한다. 각각의 이론적 롤러(420, 421, 422)에 대해 이 과정을 반복하면, 개구(430)의 기하학적 구조가 규정된다. 이론적 롤러의 위치는 원주상 본체의 피크에 대응한다. 일부 실시예들에서는, 실제 롤러(420, 421, 422)가 "이론적" 롤러의 치수를 갖도록 제조될 수 있으며, 그러한 로터들이 이론적으로 존재하는 것이 아니라 실제로 존재한다는 것을 유의하라.
따라서, 개구(430), 로터(401) 및 이론적 롤러(410, 411, 412) 사이에는 특이한 관계가 존재한다. 그 결과, 로터와 개구의 기하학적 구조가 R과 Rr에 의해 완전히 규정된다. 반경(Rr)은 후술하는 바와 같이 피크 시일 또는 피크 로터의 기하학적 구조를 결정하는 데 유용할 수 있다.
사이클로이드 기하학적 구조는 다수의 유리한 특징을 제공한다. 예를 들어, 로브와 로브 수용 영역의 기하학적 협력 구조는 매우 높은 압축비(즉, 압축 챔버의 최대 체적과 최소 체적 사이의 비율, 여기서, 압축 챔버의 최소 체적은 일정한 연소 챔버 체적을 규정한다)를 발생시킨다. 엔진(200)에서, 압축비는, 더 높은 비율도 가능하지만, 적어도 12 내지 25 정도이다. 이는 종래 기술의 로터리 엔진보다 개선된 것이다. 예를 들어, 방켈 엔진에 있어서, 실용적인 한계는 약 10 정도라는 것이 잘 알려져 있으며, 이는 압축 점화에 불충분하다. 이것이 자연 흡기식 방켈 디젤 엔진이 존재하지 않는 이유이다.
실용적인 문제로서, 로터가 그 "상사점"에 있을 때, 즉, 기하학적으로, 작동 챔버 체적이 최소일 때, 로터와 하우징 사이의 간격을 최소화하는 것이 바람직하다.
커버 및 로터
흡기 커버(201C)는 공기가 엔진(200) 내부의 다양한 작동 챔버로 유입될 수 있도록 하기 위해 흡기 포트(260)를 형성하는 개구들을 포함한다. 대칭성을 고려하여, 다른 개수도 선택될 수는 있지만, 3로브 하우징 구조에서는 3개의 개구들이 선택된다.
본 실시예에서, 로터(202)는 로터(202)의 흡기면(202F)과 로터(202)의 방사면(202R) 사이의 흡기 통로(261)를 포함한다. 다른 실시예들에서는, 흡기 통로가 샤프트를 통과할 수 있는 반면, 또 다른 실시예들에서는, 이 두 가지 방법들이 조합될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은 도 7d에 도시된 바와 같이 하우징의 커버 또는 측부에 배기 포트를 가질 수 있으며, 도 30a에 도시된 바와 같이 샤프트를 관통하는 흡기 포트를 가질 수 있다.
흡기 통로(261)는 흡기 포트(260)에 간헐적으로 노출된다. 하우징 내부의 회전 각도 범위에서, 흡기 통로(261)가 작동 챔버에 노출됨으로써, 엔진(200) 외부의 환경으로부터 작동 챔버로 임시 흡기 도관(262)을 생성할 것이다. 임시 흡기 도관(262)은, 흡기 통로(261)가 작동 챔버에 대해 적어도 부분적으로 노출되는 한, 하우징(201) 내부에서 로터(202)의 각 회전 범위에 존재할 것이다. 하우징(201) 내부에서 로터(202)의 다른 각 회전에서, 동일한 흡기 통로(261)가 다른 각각의 작동 챔버들과 주기적으로 정렬되어, 이들 각각의 다른 작동 챔버들까지 임시 흡기 도관을 생성할 것이다.
배기 커버(201D)는 소모된 작동 매체가 엔진(200) 내부의 다양한 작동 챔버들로부터 빠져나갈 수 있도록 하기 위해 배기 포트(265)를 형성하는 개구를 포함한다. 흡기 커버와 마찬가지로, 대칭성을 고려하여, 다른 개수도 선택될 수는 있지만, 3로브 하우징 구조에서는 3개의 개구들이 선택된다.
본 실시예에서, 로터(202)는 로터(202)의 배기면(202G)과 로터(202)의 방사면(202R) 사이의 배기 통로(270)를 포함한다. 다른 실시예들에서는, 배기 통로가 샤프트를 통과할 수 있는 반면, 또 다른 실시예들에서는, 이 두 가지 방법들이 조합될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은 도 7c에 도시된 바와 같이 하우징의 커버 또는 측부에 흡기 포트를 가질 수 있으며, 도 30a에 도시된 바와 같이 샤프트를 관통하는 배기 포트를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서는, 배기 통로(270)가 배기 포트(265)에 간헐적으로 노출되는 반면, 다른 실시예들에서는, 배기 통로가 배기 포트(265)에 연속적으로 노출된다. 하우징 내부의 회전 각도 범위에서, 배기 통로(266)가 작동 챔버들 중 하나와 정렬됨으로써, 주어진 작동 챔버로부터 엔진(200) 외부의 환경까지 임시 배기 도관을 생성할 것이다. 임시 배기 도관은, 배기 통로가 작동 챔버와 적어도 부분적으로 정렬되는 한, 하우징 내부에서 로터의 각 회전 범위에 존재할 것이다. 하우징 내부에서 로터의 다른 각 회전에서, 동일한 통로가 다른 각각의 작동 챔버들과 주기적으로 정렬되어, 이들 각각의 다른 작동 챔버들로부터 임시 배기 도관을 생성할 것이다. 배기 통로와 흡기 통로 모두가 짧은 중첩 기간 동안 작동 챔버에 대해 동시에 노출될 수도 있지만, 흡기 과정 중에 배기 가스가 엔진으로 역류하는 것을 방지하기 위해 배기 통로(270)가 체크 밸브를 선택적으로 포함할 수 있다.
커버(201C, 201D)들 중 하나 또는 모두는 샤프트를 지지하기 위한 베어링(650, 도 6)을 포함한다. 베어링(650)은, 도 30a에 도시된 바와 같이 특히 간단한 구성을 제공하기 때문에 특히 유용할 수 있는 저널(유체 역학) 타입을 포함하여, 임의의 기존의 타입일 수 있다. 또한, 이 구성에서는, 로터 샤프트를 편심적으로 및 회전식으로 유지하는 입력/출력 샤프트가 평형추로서도 사용된다. 따라서, 이들은 텅스텐과 같은 중금속으로 제조되거나, 중금속 인서트를 가질 수 있다.
도 6은 로터(202)와 편심 샤프트(210)를 개략적으로 도시한 분해도이다. 페이스 시일(801)을 수용하기 위해, 로터(202)는 2개의 그루브(802)를 (로터의 각 면에 하나씩) 가지며, 상기 그루브에는 2개의 페이스 시일(801)이 배치되어 있다. 이 그루브(802)들은 그루브(802) 내부의 페이스 시일(801)이 버튼 시일(810)과 일정하게 접촉하게 되도록 생성된다. 따라서, 일부 실시예들에서는 로터(821) 상의 안착부(811)가 일정한 폭을 갖는 반면, 다른 실시예들에서는 안착부(811)가 로터(821) 상의 여러 지점들에서 다른 폭을 가질 수 있다. 또한, 엔진은 각각의 피크(205, 206, 207) 근방의 각각의 하우징 측부(커버)(201C, 201D)에 3개의 지점(일반적으로, N로브 로터를 구비한 엔진의 경우, N+1개의 지점)을 가지며, 상기 하우징 측부(201C 또는 201D)의 이러한 지점은 페이스 시일(801)과 연속적으로 접촉하고 있다. 하우징 측부(201C, 201D)의 (예컨대, 도 2b의 참조번호 "270" 및 "271"과 같은) 오일 공급 포트가 이 지점들 중 적어도 하나에 배치된다. 따라서, 이 디자인은, 로터(821)가 회전할 때, 전체 페이스 시일(801)이 결국 오일 포트를 지나도록 보장한다. 즉, 각각의 페이스 시일(801)들은 각각의 하우징 측부(201C, 201D)에 배치된 자신의 윤활제 채널을 갖는다. 또한, 페이스 시일(801)과 흡기 포트(260)와 배기 포트(265)는 페이스 시일(801)이 고정된 포트(260, 265)에 절대로 노출되지 않도록 구성되며, 이는 포트를 통해 오일이 빠져나가는 것을 방지한다. 이 오일은 시일의 마모와 냉각을 저감시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 누설 방지를 도울 수 있다.
로터(202)의 운동은 편심 샤프트(210)와 한 쌍의 동조 기어들, 즉 로터(202)에 고정된 피니언 기어(212)(샤프트 축선이 이 피니언을 접촉하지 않고 통과한다)와 흡기 커버(201C) 중 하나에 고정된 내측 링 기어(211)에 의해 규정된다. 내측 링 기어(211)는 피니언(212)과 3:2로 치합된다.
샤프트(210)는 편심도(e)를 구비한 편심(210B)을 갖는다. 일부 실시예들은 샤프트(210)의 편심부와 로터(202) 사이에 배치된 베어링을 포함한다. 예컨대, 도 30에서와 같이, 다른 실시예들은, 샤프트(3210)가 로터(3202)에 부착되도록 하고 입력/출력 샤프트가-훨씬 더 큰 부하를 지지할 수 있는-유체 역학 베어링 상에 로터를 편심하여 지지하도록 함으로써, 이러한 베어링을 전부 생략한다.
흡기 커버(201C) 및 배기 커버(201D)와 함께 원주상 본체(201A)에 대한 2개의 도면을 포함하고 있는 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 흡기 포트(260), 배기 포트(265), 흡기 통로(261) 및 배기 통로(270)의 작동에 대해 더 잘 이해할 수 있다. 도 7a에서, 로터(202)는 흡기 커버(201C)의 흡기 포트(260) 중 하나와 정렬됨으로써, 공기("신선한 투입물")(710)가 팽창하는 작동 챔버(711)로 유입되도록 하는 흡기로를 생성한다. 공기는 흡기 포트(260)를 통과하여 로터(202)의 흡기 통로(261)로 유입된다. 공기는 로터(202)를 통과하여 로터(202)의 방사면(202R)을 빠져나가 작동 챔버(711)로 유입된다. 로터(202)가 회전함에 따라, 작동 챔버(711)가 팽창함으로써, 공기를 흡인한다.
로터(202)가 계속 회전함에 따라, 흡기 통로(260)의 개구가 결국 피크(206)를 지나게 될 것이다. 그 회전 각도에서, 흡기 통로(260)의 개구가 피크에 의해 가려질 것이고, 이에 따라, 흡기로 또는 도관이 더 이상 존재하지 않게 된다. 그 각도에서, 압축 챔버가 확립되고, 사실상, 그 각도에서, 압축 챔버는 최대 최적(V1)이 된다.
도시된 로터 각도에서, 도 7a는 배기 통로(270)로부터 인접한 로브 수용 영역(720)의 로터(202)의 방사면(202R)으로 형성된 개구도 개략적으로 도시하고 있다. 배기 가스는 작동 챔버(720)로부터 배기 통로로 흐르고, 궁극적으로는 배기 커버(201D)의 배기 포트(265)를 통해 엔진(200) 외부의 환경으로 흐르게 된다. 이는 배기 가스 재순환이 필요없도록 하여 배출물을 저감하기 때문에, 압축 점화를 위해 도움이 될 수 있다. 불꽃 점화 작동에 있어서, 예컨대, 불꽃 점화 작동 모드에 따라 가변할 수 있는 체크 밸브가 누화를 제거하기 위해 설치될 수 있다.
도 7a의 실시예에 도시된 바와 같이, 흡기 통로(261) 및 배기 통로(270)는 신선한 공기 및 배기 가스의 혼합물이 되도록 로터(202)의 몇몇 각도 또는 각도 범위에서 배기 가스가 엔진을 떠나가는 작업 챔버로 모두 개방될 수 있다.
도 7c에는 대안적 실시예(750)가 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예(750)에서는, 로터(202)의 방사면(202R)의 개구(751)가 도 7a의 대응하는 개구보다 작다. 따라서, 흡기 통로(261)는 도 7a에서와 같이 흡기 챔버 및 배기 챔버 모두에 대해 개방되지 않는다. 유사한 작은 개구가 배기 챔버로부터 배기 통로까지 연장되지만, 도시된 로터(202)의 배향에서는 보이지 않기 때문에 도 7c에는 도시되어 있지 않다. 따라서, 일부 실시예들은, 흡기 및 배기 통로들이 동일한 작동 챔버에 대해 동시에(또는 주어진 회전 각도 또는 회전 각도 범위에서) 개방되지 않도록 구성되고, 흡기 통로나 배기 통로가 하나 이상의 작동 챔버에 대해 일시에 개방되지 않도록 구성된, 흡기 통로와 배기 통로를 포함한다.
도 7d는 흡기 커버(761) 및 배기 커버(762)와 함께 하우징 본체(760)를 포함하는 다른 실시예에서의 공기의 흐름을 개략적으로 도시하고 있다. 흡기 통로(260)는 팽창하는 작동 챔버(763)와 소통함으로써, 신선한 투입물(764)이 작동 챔버(763)로 유입되도록 하는 흡기로를 생성한다. 공기는 흡기 포트(260)를 통과하여 로터(202)의 흡기 통로(261)로 유입된다. 공기는 로터(202)를 통과하여 로터(202)의 방사면(202R)을 빠져나가 작동 챔버(263)로 유입된다. 로터(202)가 회전함에 따라, 작동 챔버(263)가 팽창함으로써, 공기를 흡인한다. 마찬가지로, 도 7d는 배기 포트(765)를 통해 작동 챔버로부터의 배기 가스(765)의 흐름(연소된 가스 형태의 연소 부산물)을 개략적으로 도시하고 있다.
시일 격자
예컨대, 엔진(200)을 포함하여, 엔진이 작동하는 동안, 압력 하의 작동 매체는 임의의 가용 루트를 통해 작동 챔버로부터 빠져나가려 할 것이다. 따라서, 엔진은 다양한 작동 챔버로부터의 작동 매체의 탈출을 방지하거나 적어도 방해하기 위한 시일을 포함한다. 이를 위해, 엔진 내부의 시일을 "밀봉 격자" 또는 "시일 격자"라 할 수 있다. 로터리 엔진을 위한 밀봉 격자 시스템은 사이드 시일 또는 페이스 시일이라 하는 하우징(커버)의 평탄한 축면에 대해 로터의 평탄한 축면을 밀봉하는 시일과, 피크 시일이라 하는 하우징의 방사면에 대해 로터의 방사면을 밀봉하는 시일로 이루어진 시스템으로서 규정된다. 일부 실시예들에서, 밀봉 격자는 사이드 시일과 피크 시일 사이를 밀봉하는 버튼을 포함할 수 있다. 밀봉 격자 시스템은, 흡기 및 배기를 포함하여, 인접한 저압 영역으로 고압 작동 매체가 누설되지 않도록, 로터 및 하우징과 함께, 압축, 연수 및 팽창시, 작동 챔버가 실질적으로 폐쇄되도록, 구성될 수 있다. 실제로, 구성 요소의 열팽창을 수용하기 위해 로터 또는 하우징과 격자 부재 또는 격자 부재들 자체 사이에 간극을 남겨야 하는 필요성과 아울러 제조 공차로 인해, 누설로가 항상 존재할 것이며, 정확하게 설계되면, 이러한 누설은 최소화될 수 있다.
예를 들어, 상업적으로 성공한 유일한 로터리 엔진인 방켈 로터리 엔진을 고려하라. 엔진의 기하학적 구조는 방켈 이전에 잘 알려져 있었다. 방켈이 기여한 점은 그가 이론적 밀봉 격자를 개발하였으며, 상기 이론적 밀봉 격자가 이 엔진을 기술적으로 및 상업적으로 실현가능하게 만들었다는 것이다.
상술한 다른 특징들이 밀봉 격자의 다양한 실시예들의 일부를 예시하고 있기는 하지만, 도 8a에는 밀봉 격자의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 도 8a의 밀봉 격자는 페이스 시일(801), 피크 시일(205) 및 버튼 시일(810)을 포함한다. 이 시일들은 함께 작동 매체가 작동 챔버로부터 인접한 작동 챔버로 또는 엔진(200) 외부의 환경으로 탈출하지 않도록 방지한다. 예컨대, 피크 시일(205)은 하나의 작동 챔버로부터 로터(821)의 방사면(821R)을 가로질러 다른 작동 챔버로 작동 매체가 누설되지 않도록 방지한다. 페이스 시일(801)은 작동 챔버로부터 로터(821)의 축면(821A)을 가로질러 작동 매체가 누설되지 않도록 방지한다.
페이스 시일을 제외하고, 밀봉 격자의 모든 다른 부재(예컨대, 피크 시일 및 버튼 시일)들은 정지되어 있다. 이는 시일(예를 들어, 로터와 함께 궤도 운동하는 로터 상의 에이펙스 시일; 도 1c 및 도 1d 참조) 면에서 방켈보다 매우 유리하다. 방켈과는 대조적으로, 밀봉 격자의 요소들이 정지되어 있기 때문에, 방켈 엔진에서와 같이 흡기 포트로 오일을 주입/미터링(mitering)하는 대신, 이 요소들에 대해 (예컨대, 측부 커버의 오일 포트를 통해) 윤활제를 직접 공급할 수 있다. 이는 방켈 엔진에 비해 오일 소모와 엔진 배출물을 현저하게 저감할 것이다.
페이스 시일들이 로터와 함께 운동하는 동안, 이들에 대해서는 커버 내부의 전용 오일 포트를 통해 오일이 계속 공급될 것이며, 시일들이 흡기 또는 배기 포트에 대해 절대로 노출되지 않기 때문에, 이 시일들로부터의 오일 누설이 완벽하게 제거되지 않는다면 최소화된다. 버튼 시일 바로 옆의 커버 내부에 배치된 오일 포트로부터 공급된 오일을 유지할 수 있는 하나 이상의 작은 그루브, 채널 또는 크로스 해치를 페이스 시일 자체가 가질 수 있다. 페이스 시일의 형상은, 로터의 각 위치와는 무관하게, 시일의 중립면이 항상 커버의 (3로브 하우징의 경우에) 3개의 지점을 통과하도록 하는 사이클로이드 곡선 방정식에 의해 생성된다. 이 지점들 중 임의의 하나 또는 모두가 오일 포트의 위치를 결정한다. 따라서, 페이스 시일들은 오일 포트들에 대해 연속적으로 노출될 것이나, 오일 포트들은 페이스 시일들에 대해서만 노출됨으로써, 오일 누설이 발생하지 않을 것이다. 또한, 페이스 시일은 선택적 버튼 시일에 대응하는 가상의 롤러에 항상 인접하고 있다. 이는 가상의 버튼 롤러의 공간을 점유하고 있는 선택적 버튼 시일이 페이스 시일과 롤러/시일 사이에 배치될 수 있도록 한다. 상술한 바와 같이, 버튼 시일은 정지되어 있으며 로터의 평탄면 또는 안착부 상에 편승함으로써, 페이스 시일과 피크 시일 사이의 간극을 폐쇄한다.
페이스 시일
도 8a의 실시예에서, 페이스 시일(801)은 로터(821)의 축면(821A)이 로터(821)의 방사면(821R)과 만나는 로터(821)의 에지(821E)로부터 후방에 설치되어 있다. 에지(821E)와 페이스 시일(801) 사이에 있는 로터(821)의 축면(821A)의 일부를 안착부(811)라 할 수 있다. 도 8a의 실시예에서, 안착부는, 예컨대, 1/10 인치의 폭을 가질 수 있다. 따라서, 도 8a의 시일 격자는 피크 시일(205)과 페이스 시일(801) 사이의 로터(821)의 축면(821A)을 가로질러 작동 매체가 누설되는 것을 방지하는 버튼 시일(810)을 포함한다. 이하, 이 각각의 시일들에 대해 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에 개시된 각각의 페이스 시일들은 주철 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 페이스 시일로서 사용하기 위해 적당한 다른 재료들에는, 예컨대, 스틸 합금 및 다른 합금이 포함된다. 일반적으로, 페이스 시일과 그 재료들은 본 명세서에 개시된 바와 같이 요구되는 내연 기관의 환경 하에서 실시할 수 있도록 충분한 강도를 가져야만 하며, 낮은 마찰력, 낮은 마모도 및 낮은 열팽창 계수를 또한 가져야만 한다. 또한, 페이스 시일은 윤활제(예컨대, 오일)를 유지하기 위한 약간의 용량을 가져야만 하며, 높은 열전도도를 가져야만 한다.
도 8a는 로터(821)의 흡기면(821A) 상의 페이스 시일(801)의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있으나, 다른 페이스 시일이 로터(821)의 배기면에 배치되어 있다-예컨대, 도 6의 페이스 시일(801) 참조. 이 페이스 시일(801)들은 각각 대향하는 흡기 커버(201C) 및 배기 커버(201D)와 함께, 로터(821)의 면들을 가로질러 작동 매체가 탈출하는 것을 방해하거나 방지하도록 작동한다. 이를 위해, 페이스 시일(801)은 로터의 임의의 회전 각도에서 페이스 시일(801)이 흡기 포트(266) 또는 배기 포트(265)에 절대로 노출되지 않도록 로터(821) 상에 배치된다. 흡기 포트(260) 또는 배기 포트(265)에 대한 페이스 시일(801)의 노출은, 시일이 엔진(200) 외부의 환경에 노출됨으로써 시일에서 윤활제가 소실된다는 것을 의미한다. 예컨대, 도 9는 흡기 커버(201C)의 흡기 포트(260)에 대해 도시된 페이스 시일의 위치를 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 어떤 지점에서도, 페이스 시일(801)이 흡기 포트(266) 또는 배기 포트(265) 내부에 또는 이들을 통해 보이지 않는다.
페이스 시일(1001)의 일 실시예가 도 10a 및 도 10b에 개략적으로 도시되어 있다. 페이스 시일(1001)은 도 10a에 도시된 바와 같이 재료의 연속적인 밴드이거나, 도 10b에 도시된 바와 같이 다수개의 재료 부분들을 포함할 수 있다. 일부 실시예(1001)들은, 예컨대, 도 11a에 개략적으로 도시된 바와 같이 다수의 밴드를 포함하며, 여기서, 페이스 시일(1001)은 로터(202)의 리세스(1102) 내부에 3개의 밴드, 즉, 내측 밴드(1101A), 외측 밴드(1101C) 및 중간 밴드(1101B)를 포함한다.
하나의 이러한 밴드(1101A)의 예시적 실시예가 도 11b에 개략적으로 도시되어 있다. 밴드(1101A)는, 로터(202)의 리세스(1102)에 설치되었을 때, 리세스(1102B)의 바닥에 대해 힘을 가하여 밴드(1101A)를 로터(202)의 면(202F)으로부터 축방향으로 바이어스싱함으로써, 페이스 시일(1101A)을 대향하는 흡기 커버 또는 배기 커버에 대해 바이어싱하는 스프링부(1103)를 포함한다. 이는 커버와 시일의 초기 접촉을 생성하는데 도움이 된다. 작동에 있어서, 공기가 시일(1101A)과 그루브(1102)의 외측 에지 사이의 채널을 통과하여, 시일(1101A) 하부를 점유하고, 대응하는 커버의 방향으로 시일의 축방향 운동을 생성하여 상기 커버와 접촉하도록 함으로써, 고압 작동용 시일을 생성한다. 이를 가스 작동식 시일이라 한다.
세그먼트화된 밴드(1150)의 대안적 실시예가 도 11c에 개략적으로 도시되어 있다. 세그먼트화된 밴드(1150)는 결합되어 밴드를 형성하는 다수의 세그먼트(1150A, 1150B)를 포함하며, 스프링부(1150C)를 또한 포함한다.
페이스 시일의 대안적 실시예가 도 12a 내지 도 12g에 개략적으로 도시되어 있다. 일 실시예에서, 페이스 시일(1201)은 로터(1202)의 모따기되거나 사선형인 에지(1203)에 배치된다. 따라서, 페이스 시일(1201)은 대략 삼각형의 단면(1203)을 갖는다. 이러한 구성은, 로터(1202) 상에 안착 공간이 없기 때문에, 버튼 시일이 필요 없도록 한다. 이러한 유형의 시일에는 그루브가 없으며, 따라서, 로터와 시일 사이에 채널이 없으므로, 가스가 시일 하부를 통과할 수 없다. 그러나, 방사면이 가스에 노출될 수 있음으로써, 로터의 모따기된 에지에 의해 축력 및 그에 따른 커버를 향한 시일의 축방향 운동으로 변환되는 힘을 수용하여 밀봉 기능을 가능하게 하기 때문에, 이 시일을 여전히 공기 작동식이라 생각할 수 있다.
상술한 시일은 커버의 표면으로부터 매우 짧은 거리에 있을 수 있는 도 12d의 축면(평탄면)(1210)을 가질 수 있다. 이는 가스가 통과하는 간극을 생성하며, 전술한 축력에 대해 반대 방향으로 압력/힘을 생성한다. 이 간극의 표면적을 변화시킴으로써 원하지 않는 브레이크로서 작용할 수 있는 축력을 제어할 수 있으며, 이에 따라, 페이스 시일과 커버 사이의 마찰을 저감할 수 있다.
피크 시일(1201)의 모따기 면(1201B)이 웨지 시일(1220)과 동일한 모따기 각도를 가지면, 피크 시일의 작은 부분이 웨지 시일(1220)과 함께 움직이도록 설계될 수 있음으로써, 피크 시일(1201)과 웨지 시일(1202) 사이의 간극을 저감하거나 완전히 제거할 수 있다.
포스트(1230)가 페이스 시일(1201)에 인접한 로터(1202)에 배치되어, 페이스 시일(1201)이 사선형 에지(1203)를 타고 올라 로터(1202)의 축면(1203F)을 넘어가지 않도록 방지하는 역할을 한다. 웨지 시일(1220)이 포스트(1230)와 반대인 페이스 시일(1201)의 타 측부에 배치되어, 페이스 시일(1201)이 로터(1201)로부터 멀어지지 않도록 방지하는 역할을 한다.
도 12d는 페이스 시일(1201)에 공급된 윤활제를 유지하는 그루브 또는 채널(1206)을 포함한 페이스 시일(1201)의 상부 프로파일(1205)도 개략적으로 도시하고 있다. 대안적인 방식은 페이스 시일 표면에 교차 해치 패턴을 제공하는 것이다.
로터(1202)에 대해 페이스 시일(1250)을 유지하기 위한 대안적인 구조가 도 12e에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 페이스 시일(1250)은 로터(1202)의 축면(1202A)에 대해 평행하게 페이스 시일(1250)로부터 연장하는 래칭 스프링 암(1251)을 포함한다. 스프링 암(1251)은 로터(1202)의 공동(1252) 속으로 연장하며, 상기 공동(1252) 내부의 핀(1253) 주위로 연장한다. 이에 따라, 핀(1253)은 스프링 암(1251)이 로터의 중심을 향해 페이스 시일(1250)을 내측으로 당길 수 있도록 하기 위해 사용된다. 이는 하우징 측부에 대해 페이스 시일을 밀기 위해 필요한 프리로드 상태를 생성함으로써, 시일의 작동 개시를 가능하게 할 것이다. 가압된 조건 하에서, 가스 압력이 더 커질 것이다.
로터(1202)에 대해 페이스 시일(1260)을 유지하기 위한 또 다른 구조가 도 12f에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 로터(1202)의 사선형 에지(1201)는, 상기 에지가 피크(1261B)를 갖도록, 제 2 대향 사선형 영역(1261A)을 포함한다. 페이스 시일(1260)은 피크(1261B)와 결합하도록 구성된 단면을 구비한 노치(1261A)를 포함한다. 페이스 시일(1260)의 설부(1260B)가 대향 사선형 영역(1261)에 맞물림으로써, 페이스 시일(1260)이 에지(1261)로부터 분리되어 로터(1202)의 축면(1260F)을 넘지 않도록 방지한다. 웨지 시일(1220)이 페이스 시일(1260)의 반대측 측부를 고정한다.
로터(1202)에 대해 페이스 시일(1270)을 유지하기 위한 또 다른 대안적 구조가 도 12g에 개략적으로 도시되어 있다. 상술한 구조들과 마찬가지로, 래치 및 유지 기구(1203)의 기능은 시일에 대해 초기 프리로드를 제공하는 것이다.
페이스 시일에 대한 다른 접근 방식이 도 13a 내지 도 13g에 개략적으로 도시되어 있다. 제 1 실시예에서, 와이어 시일(1301)이 로터(1303)에 배치된 그루브(1302) 내에 설치되어 있다. 엔진이 저온일 때, 도 13a에 도시된 바와 같이, 와이어 시일(1301)은 로터 그루브(1302)와, 예컨대, 흡기 커버이거나 배기 커버일 수 있는 측부 커버(1304) 사이에 안착되어 있다. 원형 또는 삼각형 단면을 가질 수 있는 와이어 시일(1301)은 로터(1303) 및 커버(1304) 모두와 물리적으로 접촉하여 시일을 형성한다. 엔진이 고온일 때, 도 13b에 도시된 바와 같이, 열팽창으로 인해 구성 요소들이 팽창한다. 따라서, 구성 요소들 사이의 간극이 수축하기는 하지만, 와이어(1301)는 여전히 로터(1302)와 커버(1304) 사이에 물리적 접촉을 만든다.
임의의 고온 스틸 또는 텅스텐 와이어가 와이어 시일(1301)을 위해 사용될 수 있다. 0.020" 와이어 직경에 대한 냉간 시동 조건의 누설로가 0.11㎟ 단면적으로 산출되며, 열간 시동 조건에서의 단면적은 0.03㎟이다. 4개의 누설로 개소-로터의 2개의 측부×에이펙스 시일에 의한 2개소-가 존재하며, 따라서, 이러한 유형의 사이드 시일의 총 누설로는 냉간 시동 조건에서 0.33㎟이고, 열간 작동 조건에서 0.12㎟이다. 이는 방켈 엔진의 ~4㎟ 누설 면적과 비교된다[Performance and Combustion Characteristics of Dire-Injection Stratified-Charge Rotary Engines, Nguyen, Hung Lee, N.A.S.A. 1987) 참조].
도 13c 및 도 13d에 도시된 다른 실시예에서, 로터(1303)의 에지(1305)에 그루브(1302)가 있을 수 있다. 이 실시예에서, 와이어 시일(1301)은 웨지 시일(1220)에 의해 제 위치에 유지된다.
도 13e 및 도 13f에 도시된 다른 실시예에서, 로터(1303)는 그 축면 아래에 공동(1310)을 포함하며, 상기 공동은 로터(1303)의 방사면(1306)에 대해 개방되어 있다. 이러한 배열은 로터(1303)의 축면(1303A)에 캔틸레버식 빔(1301)을 생성하며, 상기 빔(1311)은 축방향으로 약간 휘어질 수 있다. 공동 내의 2개의 모따기 면(1310A, 1310B) 사이에 와이어 시일(1301)이 배치되어, (예컨대, 흡기 커버 또는 배기 커버와 같이) 대면하고 있는 커버를 향해 가스가 압력을 가할 때 축방향으로 빔(1311)을 바이어싱하는 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 시일의 캔틸레버부(1311)는 로터로부터 완전히 분리될 수 있다.
대안적 실시예가 도 13g에 개략적으로 도시되어 있다. 이는, 페이스 시일(1370)이 로터(1303)의 축면(1303A)에 대해 각도를 이룰 수 있다는 것을 제외하고, 상술한 실시예와 매우 유사하다. 이러한 실시예는 페이스 시일의 다수의 "층들"(1370A, 1370B)이 로터(1303) 상에 배치될 수 있도록 한다. 오일이 "층들" 사이에 수집되어 밀봉과 윤활에 도움이 될 것이다.
대안적 실시예가 도 14에 개략적으로 도시되어 있으며, 금속 페이스 시일(1401)을 포함한다. 이 실시예에서, 금속 페이스 시일(1401)은 로터와 인접한 커버 사이의 간격을 줄이기는 하지만 완전히 가로지르지는 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시일과 커버 사이의 미세한 간극은 여전히 가스 분자의 크기보다 3자리수만큼 더 클 수 있다.
시일을 가능하게 하기 위해, 상술한 간극을 충진하기 위한 오일막이 제공된다. 모세관력으로 인해, 오일이 간극을 완전히 충진할 것이며, 엔진 내부의 작동 매체(예컨대, 가스)로부터의 압력에 대해 저항할 것이다. 또한, 오일막이 시일과 커버 사이의 마찰을 크게 감소시킴으로써, 엔진의 냉각을 향상시킬 것이다.
상술한 바와 같이, 엔진(200)의 사이클로이드식 로터의 기하학적 구조의 유리한 특징 하나는, 커버 상의 적어도 3개의 지점에서, 윤활제 포트(홀)가 항상 페이스 시일 위에 배치될 수 있다는 것이다. 또한, 사이드 시일이 절대 인터페이싱하지 않도록 커버 상의 흡기/배기 포트들이 배치된다. 따라서, 이러한 기하학적 구조는 페이스 시일의 상부에 영구적인 오일 층이 생성될 수 있도록 한다. 이 층을 강화하기 위해, 페이스 시일과 인접한 커버 사이의 마찰을 저감하기 위해 필요한 유체 탄성 역학 윤활 조건을 생성하도록, 페이스 시일의 상면이 다양한 디자인의 오일 그루브 및/또는 패드를 가질 수 있다.
롤러
다른 실시예와 관련하여 상술한 바와 같이, 하우징(1502)의 원주상 본체(1501)의 각각의 피크(1505)는 피크 시일을 갖지만, 도 15a 내지 도 15c에 개략적으로 도시된 대안적 실시예들은 각각의 피크(1505)에 롤러(1503)를 포함한다. 이러한 실시예들에서, 롤러(1503)의 원통면(1503A)은 로터(1511)의 방사면(1511R)에 밀봉식으로 접촉하며, 즉, 이 접촉이 롤러(1505)와 로터(1511) 사이에 시일을 생성한다. 각각의 롤러는 원주상 본체의 로터 및 개구에 대응하는 이론적 롤러(Rr)의 반경과 동일한 반경을 가져야만 한다.
도 15a 내지 도 15c의 실시예에서, 롤러(1505)는 롤러 공동(1510) 내부에 배치되며, 상기 공동은 롤러(1503)를 윤활하거나 로터(1511)에 맞물리도록 반경방향으로 롤러(1503)를 바이어싱하기 위해 오일(1520) 또는 다른 윤활제로 충진되어 있다. 롤러 공동(1510)에는 하나 이상의 와이퍼(1520)가 배치되어, 롤러 공동(1510) 내부에 윤활제를 수용하며 롤러 공동(1510) 내부에 롤러(1505)를 고정하는 데 도움을 준다. 상술한 바와 같은 버튼 시일(1530)과 페이스 시일(1540)이 이 실시예에서 시일 격자를 완성한다.
시일 격자의 대안적 실시예들이 도 16a 내지 도 16d에 개략적으로 도시되어 있으며, 상술한 바와 같은 페이스 시일(1601)과 버튼 시일(1602)을 포함한다. 그러나, 이 실시예들은 웨지 시일(1610)도 포함한다. 웨지 시일(1610)은 피크에 배치되며(즉, 이는 피크 시일이다), 로터(1611)의 방사면(1611R)에 맞물리도록, 스프링 부재(1611)에 의해 (명료함을 위해 생략한) 원주상 하우징에 대해 바이어스되어 있다. 도 16d는 웨지 시일(1611)의 웨지부(1612)의 대안적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
피크 시일
다양한 엔진 실시예들에서의 사용을 위해, 다양한 피크 시일이 이용가능하다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 피크 시일은 하우징(880) 상에 배치된다. 이 실시예에서, 피크 시일(205)은 피크 시일 채널(825)의 피크(822)에 배치된다. 일부 실시예들에서, 피크 시일은 로터(821)에 맞물리도록 로터(821)를 향해 반경방향으로 바이어스될 수 있다.
이를 위해, 각각의 피크 시일은 피크 시일 채널(825)에 맞물리는 스프링을 포함할 수 있으며, 로터(821)의 방향으로 피크 시일에 대해 반경방향의 힘을 생성한다. 이러한 2개의 실시예가 도 17 및 도 18에 개략적으로 도시되어 있다. 피크 시일(1701)은 피크 시일 본체(1702)와 스프링 부재(1703)를 포함한다. 마찬가지로, 피크 시일(1801)은 피크 시일 본체(1802)와 스프링 부재(1803)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 피크 시일은 피크 시일 채널에 배치된 오일 또는 다른 유체에 의해 피크 시일 채널 내부에서 바이어싱될 수 있다.
피크 시일(1901)의 다른 실시예가 도 19a 및 도 19b에 개략적으로 도시되어 있다. 피크 시일(1901)은 도 19a에 도시된 바와 같이 나란히 배치된 2쌍의 시일 요소(1902, 1903)를 포함한다. 각각의 쌍은 분할된 스프링(1904)에 의해 지지되는 하나의 작은 세그먼트(1903)와 하나의 큰 세그먼트(1902)로 구성될 수 있다. 세그먼트들 사이의 윤활제 채널(1910)은 시일/로터 인터페이스에 직접 (오일과 같은) 윤활제를 제공한다. 이는 로터 상의 시일에 도달하도록 엔진 내부로 오일을 분사하는 종래 기술의 로터리 엔진과 구분된다. 시일과 시일/로터 인터페이스에 직접 오일을 공급함으로써, 오일이 덜 필요하며, 엔진 내부에서 오일이 적게 연소되므로, 오일 소비와 배출물을 저감할 수 있다.
피크 시일이 로터와 만나는 피크 시일(1925)의 에지는 도 19b에 개략적으로 도시된 바와 같이 만곡됨이 바람직하다. 일부 실시예들에서, 피크 시일은-이론적 롤러 반경인-곡률 반경(Rr)으로 만곡되어 있다. 이는 에이펙스 시일 운동을 최소화한다.
피크 시일(2001, 2010, 2020)의 또 다른 실시예가 도 20a 내지 도 20c에 개략적으로 도시되어 있다. 이 시일들은 시일 가스의 외부로부터의 압력을 등화하기 위해 밀봉면 아래로 가스가 유입될 수 있도록 분할되거나 천공(2020)되어 있다. 누설을 최소화하기 위해, 시일과 로터 또는 인서트 사이의 공간은 고온 금속 울(wool)(2003)로 충진되어야만 한다.
(대략 100㎾ 엔진의 경우) 로터 상에서 시일이 대략 0.070 내지 0.110인치 이동하여야 하는 방켈 에이펙스 시일과는 다르게, 상술한 다양한 실시예들에서는 피크 시일이 많아야 0.01인치(0.0254㎝)이상 이동하지 않고, 일부 실시예들에서는 그보다 훨씬 적게 이동한다는 것을 유의하여야 한다.
버튼 시일
간단한 버튼 시일(810)이 도 8a에 개략적으로 도시되어 있으며, 예를 들어, 방켈 엔진에서 사용되는 버튼 시일과 같은 공지의 유형일 수 있다. 그러나, 가열로 인해 로터(821)가 팽창하는 경우, 로터(821)의 그루브에 배치된 페이스 시일(801)이 외측 반경방향으로 이동한다. 재료 및 작동 온도의 선택에 따라, 페이스 시일(801)이 버튼(810)과 간섭할 수 있다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 버튼의 크기를 축소하거나, 로터(821)가 열팽창할 때 페이스 시일과 함께 버튼이 이동할 수 있도록 하는 것이다.
이를 위해, 도 8b의 버튼(810)은 버튼 슬리브(856) 내에 배치된다. 버튼 슬리브(856)는 버튼(870)이 로터(821)의 열팽창과 협력하여 반경방향으로 약간 움직일 수 있도록 한다. 버튼 시일(810)의 버튼(870)은 원형 단면과 버튼 반경을 갖는다.
대안적 실시예
사이클로이드식 로터와 관련하여 상술한 실시예들을 설명하였으나, 많은 특징들이 다양한 엔진들에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 3로브 로터(2102)를 가진 로터리 엔진 격실(2100)이 도 21에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서는, 내측 로터(2102)와 외측 로터(2103) 모두가 하우징(2100) 내부의 고정된 축을 중심으로 일정한 속도로 회전한다. 내측 로터(2102)는 외측 로터(2103)보다 하나 적은 치형을 갖고 있다. 로터(2102)는 상술한 실시예들에 따른 페이스 시일을 포함할 수 있다. 3로브 로터(2301)를 구비한 엔진(2300)의 대안적 실시예가 도 23에 개략적으로 도시되어 있다.
도 21의 실시예에서는, 내측 로터(2102)가 외측 로터(2103)의 대응하는 로브(2104)에 맞물릴 때, 실질적으로 일정한 체적이 생성된다.
내측 로터(2102)가 회전하여 외측 로터를 구동한다. 스프링 작동식 또는 오일 지지식 롤러(2110)가 밀봉에 도움을 주며 마찰을 저감한다. 흡기 체적이 팽창 체적보다 작도록, 흡기 포트와 배기 포트가 형성되고 배치된다. 연소 직후 존재하는 체적 팽창이 비교적 저속이므로, 실질적으로 일정 체적 연소 챔버가 가능하다.
본 실시예의 작동시, 내측 및 외측 로터와 하우징 커버에 의해 가변 체적 공동 또는 작동 챔버가 생성된다. 각각의 챔버는 회전하며, 그 운동 중에, 일정 체적 연소 챔버 체적에 대응하는 최소 체적(V2)으로부터 배기 체적에 대응하는 최대 체적(V4)으로 체적이 변화된다. 커버 내부에 배치된 정지식 연료 분사기(미도시)를 통해 연료가 분사된다. 통상적으로, 공기가 소기(배기 및 유도)되고, 공기가 압축되며, 연료가 분사되어 연소되고, 연소 생성물이 팽창되는, HEHC-S 사이클에 따라 작동이 이루어진다. 3/4 구성이 도시되어 있으나, 2/3, 4/5 등의 구성도 마찬가지로 가능하다. 이 엔진은 디지털 모드로 작동될 수도 있다.
다른 실시예는 싱글 베인 구성을 포함한다. 이러한 로터를 구비한 엔진 조립체가 도 22a 내지 도 22c에 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예는 하우징(2201)(외측 제로터)과 싱글 베인(2202)(내측 제로터)(2202)을 포함하며, 상기 베인이 축을 중심으로 회전할 때, 그 축은 하우징(2201)에 대해 (편심(2203) 상에서) 동시에 회전한다. 내측 제로터(2202)는 외측 제로터보다 하나 적은 치형(또는 로브)을 사용하며, 로브 수용 영역을 갖는다. 내측 제로터 로브가 외측 제로터의 대응하는 로브에 맞물릴 때, 실질적으로 일정한 체적(2200)이 생성된다. 로터(2202)는 상술한 실시예에 따른 페이스 시일을 포함할 수 있다.
본 실시예의 하우징(2201)은 베인(2202)과 함께, 4실린더 피스톤 엔진과 유사한 (이 경우에서) 4개의 가변 체적 공동 또는 챔버를 형성한다. 각각의 챔버에 맞물린 베인(2202)들은 4행정 동작을 시뮬레이션한다. 작동 매체가 유도, 압축, 연소, 팽창 및 배기될 것이다.
하우징은 하우징 프로퍼(proper) 또는 커버 내에 배치될 수 있는 일정 체적 연소 챔버를 수용할 것이다. 흡기 및 배기 행정의 타이밍을 제어하기 위해, 기존의 포펫 밸브 또는 구형 밸브 또는 디스크 밸브가 사용될 수 있다. 이 밸브들이 이 도면에는 도시되어 있지 않다. 일정 체적 연소 챔버(2220)가 도시된 바와 같이 하우징 내부에 배치되는 경우에는, 원통형 밸브들이 채용될 수 있다. 이 밸브들은 연소 챔버와 동심이며, 일정 체적 연소 챔버로부터 흡기 또는 배기 포트까지 개구를 노출시키면서 회전하게 된다. 챔버 체적이 감소할 때 흡기 밸브를 개방하면, 배기 체적보다 흡기 체적이 작아짐으로써, 사이클의 애트킨슨(Atkinson) 부분을 달성할 수 있다. 이 실시예는 디지털 작동 모드로 작동할 수 있으며, 연료 분사 시스템과 함께 사용될 수 있다.
3로브 로터(2300)를 구비한 엔진(2301)의 대안적 실시예가 도 23에 개략적으로 도시되어 있다.
도 24는 2로브(일반적으로, N개의 로브) 로터(2402)가 입력/출력 샤프트(2403)에 견고하게 커플링된 엔진(2401)의 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 샤프트(2403)는, 2로브 로터에 대해 편심되게 장착된 제 2의 3로브(일반적으로, N+1개의 로브) 외측 로터(2405)와 함께, 하우징(2404) 내부에서 회전한다. 측부 커버는 입력/출력 포트들을 수용하고 있으며, 이 포트들을 통해 신선한 투입물이 에어 나이프 방식으로 취입됨으로써, 배기 및 흡기를 동시에 달성하고 2행정 동작을 실행할 수 있다. 운동학적 단순성과 적은 개수의 이동부 이외에, 이 구성은 미국 특허 출원 공개 번호 제 US 2001/023814 A1 호에 개시된 바와 같이 "HEHC" 사이클로 알려진 엔진 사이클을 실행할 수 있으며, 이 출원 공개의 개시 내용 전체가 인용에 의해 본원에 통합되어 있다.
도 25는 엔진(2501)의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 2로브(일반적으로, N개의 로브) 내측 로터(2502)가 정지되어 있고, 3로브(일반적으로, N+1개의 로브) 외측 로터(2503)가 정지식 내측 로터(2502)를 중심으로 궤도 운동하고 회전하도록 구성되어 있다. 롤러(2505)를 구비한 구동 샤프트(2504)가 3로브 로터(2503)를 구동한다. 이는 적은 이동부를 가진 운동학적으로 간단한 구조이다.
도 26, 도 27 및 도 28은 로터의 회전 및 궤도 운동의 위상 동기 또는 동조가 기어 없이 달성될 수 있는 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 26은 로터(2602)에 고정된 캠(2601)과 커버에 고정된 3개의 롤러(2603)를 개략적으로 도시하고 있다(명료함을 위해 커버는 생략되어 있다). 대안적으로, 로터의 타측부에 제 2 캠이 배치되고 다른 커버에 제 4, 제 5 및 제 6 롤러가 배치된 2캠/6롤러와 같은-대칭적인 구조가 사용될 수도 있다. 편심도가 로터(2602)의 편심도와 동일할 때, 형성 반경(R)과 롤러 반경(Rr)이 다르다는 점을 제외하고, 캠 프로파일은 로터(2602) 자체와 동일한 공식으로 산출될 수 있음을 유의하여야 한다.
도 27은 캠(2701)이 커버에 고정되는 한편, 2개의 롤러가 로터에 고정된 다른 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 28은 W-플레이트로 알려진 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 롤러(2803)가 별도의 허브(2802)에 고정됨으로써, 롤러가 로터(2801)의 운동을 "픽업"하여 허브의 순수한 회전 운동으로 변환한다.
이러한 엔진은, 작동 공동을 가진 하우징, 편심부를 구비한 샤프트, 작동 챔버 내에서 편심부 상에 배치된 로터, 복수의 로터를 포함한 허브, 각각의 롤러들이 복수의 개구 중 대응하는 하나의 개구를 통과하도록 다수의 공동을 가지며 샤프트에 고정식으로 커플링된 플레이트를 갖는다. 작동시, 로터의 회전은 롤러가 개구 주위로 순환하도록 하고, 이에 따라, 로터의 편심 운동이 플레이트에서의 원 운동으로 변환된다.
도 26 내지 도 28의 실시예들의 특징들이 가능한 데드 스팟(dead spot)을 피하기 위해 원하는대로 조합될 수 있다. 또한, 많은 다른 실시예들이 당업자들에게는 명백할 것이다.
다른 실시예(2901)가 도 29a 및 도 29b에 개략적으로 도시되어 있다. 사이클로이드 엔진에서, 편심은 가스 압력으로부터 대부분의 부하를 취한다. 기어 쌍의 기능은 하우징에 대한 상관 관계에 따라 로터를 위상 동기시키는 것이다. 피니언의 크기를 비교적 작게하면, 샤프트의 크기와 그에 따른 로터의 두께를 제한하여,-거의 팬케익과 같은 기하학적 구조로 이어진다. 도 29는 로터(2901) 속에 형성된 추가적인 캠(들)(2903)을 포함한 대안적 방법을 도시하고 있다. 커버(들)에 견고하게 부착된 3개(또는 로터의 각 측부에 3개씩, 6개)의 캠 종동체(2905)가 기어 없이 로터를 위상 동기시킬 것이다. 캠(2904)과 캠 종동체(2905)는 로터(2902) 자체와 동일한 방정식과 편심도로 기술된다. 물론, 반경(R, Rr)은 로터의 반경과 다르다. 여기서 추가적인 장점은, 3개의 다소 큰 롤러가 단일의 치형과는 반대로 관성 부하를 받기 때문에, 잠재적으로 고속도가 가능하다는 것이다.
엔진의 대안적 실시예가 도 30a, 도 30b 및 도 30c에 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 로터 샤프트(3210)가 로터(3202)와 견고하게 연결된다. 로터 샤프트(3210)는 2개의 입력/출력 샤프트(3050)들에 의해 편심되게 지지되며, 여기서, 하나의 입력/출력 샤프트는 로터의 각각의 축방향에 배치되어 있다. 각각의 입력/출력 샤프트(3050)는 2개의 지지면(3050A, 3050B)을 가지며, 여기서, 외측 지지면(3050A)은 엔진의 중심과 센터링되고, 내측 지지면(3050B)은 편심되게 구성됨으로써, 로터 샤프트(3210)를 편심되게 유지한다. 입력/출력 샤프트(3050)들의 편심도로 인해, 이들은 로터를 동역학적으로 균형잡는 평형추로서의 역할을 하고, 별도의 평형추가 필요 없도록 하면서, 베어링과 평형추가 로터에 근접 배치될 수 있도록 한다. 입력/출력 샤프트(3050)는 로터(3202)의 궤도 운동을 순수한 회전 운동으로 변환한다. 그러나, 기어 또는 상술한 다른 수단에 의해, 예컨대, 기어(3051)에 의해, 로터의 동조가 여전히 이루어져야 할 필요가 있다. 베어링(3060)은 도시된 바와 같이 유압식이거나, 다른 유형일 수 있다.
가스 교환(흡기 및 배기)에 대한 대안적 구성도 도 30b 및 도 30c에 도시되어 있다. 이 대안적 구성은 도 2에 도시된 실시예에 (흡기 및 배기 포트 전략들 중 하나를 위해) 전부 또는 부분적으로 적용될 수 있다. 이 실시예에서는, 엔진으로의 흡기와 엔진으로부터의 작동 매체의 배기가 샤프트(3210)를 통해 이루어지며, 여기서, 상기 샤프트는 로터와 견고하게 연결되어 있다. 특히, 흡기 포트(3110)는 입력/출력 샤프트의 홀을 통과하는 통로와 소통하며, 상기 통로는 로터 샤프트(3210)의 중공부를 통해 계속된다. 이 통로는 견고하게 연결된 로터 내의 채널(3260)을 통해 계속되며, 작동 챔버(3225)와 주기적으로 소통한다. 마찬가지로, 배기 포트가 샤프트와 로터의 축방향으로 반대측 단부에 형성되며, 작동(배기) 챔버와 환경 사이의 소통을 주기적으로 가능하게 한다. 도시된 추가적인 요소들은 로터(3161) 내의 배기 채널, 샤프트(3111) 내의 배기 채널, 배기 포트(3112)이다.
상술한 다양한 실시예들은 종래의 연료 모듈화 또는 후술하는 바와 같은 연료 스킵-사이클(fuel skip-cycle) 방법을 이용하여 부분 부하로 작동할 수 있다. 예를 들어, 특히, 디젤, JP8 등과 같은 중유를 사용하여 부분 부하로 작동하기 위해, 다수의 옵션이 이용가능하다. 예를 들면, 엔진에 제공되는 연료의 양이 종래의 엔진에서와 같이 모듈화될 수 있다.
대안적으로, 모든 점화 사이클을 전부하에서 운영하고 사이클 중 일부를 생략함으로써, 엔진을 "디지털" 모드로 운영할 수 있다. 예컨대, 각각의 10회 사이클에서 3개의 사이클을 생략하면, 엔진이 전출력의 70% 이하로 운영될 수 있으며, 각각의 10회 사이클에서 8개의 사이클을 생략하면, 엔진이 20% 이하의 부하로 운영될 수 있다. 사이클 생략은 연료 공급을 차단함으로써 간단하게 실시될 수 있다. 이 경우, 중간에 연소가 발생하지 않아도, 압축 챔버 내에 압축된 공기가 팽창 챔버에서 팽창할 것이다. 이는, 작동 매체(이 경우에서는, 공기)가 공기 스프링 역할을 하기 때문에, 최소의 에너지 손실로 이루어질 뿐만 아니라, 작동 챔버의 벽체로부터 공기로 열이 전달되기 때문에, 일부 에너지의 회수가 가능하여, 엔진을 내부적으로 냉각하면서, 팽창 가스의 온도와 그에 따른 압력을 증대시킴으로써, 엔진 냉각과 연관된 손실중 일부가 유용한 일로서 부분적으로 회수될 수 있다.
도 31은 3:2 비율, 또는, 대안적으로, 편심 샤프트(3101)에 의해 아이들러(들)가 구동되는 경우에는 2:1 비율의 내측 기어 및 피니언을 포함한 실시예(3100)를 개략적으로 도시하고 있다.
도 32는 고효율 하이브리드 사이클("HEHC")을 실행하도록 구성된 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
종래의 피스톤 엔진과 유사하게, HEHC는, 4개의 구분되는 행정, 즉, 흡기, 압축, 연소 및 팽창, 그리고 배기를 갖기 때문에, 4행정 사이클이라 할 수 있다. HEHC(HEHC들)의 소기 변이체는, 팽창이 끝날 때, 취입된 주변 공기에 의해 공동이 소기되며, 이 주변 공기가 연소된 가스를 제거하고, 상기 공동이 신선한 공기 또는 공기/연료 혼합 투입물로 재충진되는 2행정 엔진 사이클과 동등하다.
HEHC 압력-체적도가 미국 특허 출원 공개 번호 제 US 2011/0023814 A1 호의 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 초기 상태에서는, 압축 행정에서, 디젤 사이클과 같이, 공기만 압축된다. 압축 행정이 끝날 때 또는 압축 행정 직후에 연료가 첨가될 수 있다. 이 시점에서는 공기가 비교적 고압(~55 bar)으로 이미 압축되었기 때문에, 완전 연소와 배기 가스를 제거를 위해서는, 현대의 디젤 엔진에서 사용되는 것과 유사하게 높은 분사 압력이 필요하다. 불꽃 점화되는 오토 사이클 엔진에서 이루어지는 바와 같이, 일정한 체적에서 연소가 발생한다는 사실을 제외하고, 동작은 디젤 엔진에 가깝다. 그러나, 불꽃 점화 엔진과는 다르게, 매우 고온의 압축 공기로 연료가 분사됨으로써 연소가 발생한다. 그렇지만, 스파크 플러그도 사용할 수 있다. 애트킨슨 사이클과 유사하게, 이 사이클에서 대기압으로 팽창이 발생한다.
이하에 후술하는 바와 같이, 분사의 일부를 전부 생략하거나, 디젤 엔진에서와 같이 연료 모듈화에 의해, 부분 부하 작동이 구현될 수 있다.
디젤, 오토 및 애트킨슨과 이 사이클의 유사성으로 인해, 이 사이클을 "하이브리드 사이클"이라 한다. 엔진 내부로부터의 냉각을 제공하면서, 엔진의 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 연소 및/또는 팽창 행정에서 물을 분사할 수도 있다.
이동하는 구성 요소와 하우징 사이의 누설이 낮은 수준으로 유지된다면, 이 사이클의 최대 효율은 약 57%가 될 것으로 예상되는 반면, 평균 효율은 50% 이상이 될 것으로 예상된다.
도 32a 내지 도 32f에 개략적으로 도시된 실시예(3201)는 하우징(3203) 내부에 로터(3202)를 포함한다. 로터(3202)가 회전함에 따라, 로터는 HEHC 사이클을 실행하기 위해 하우징(3202)과 함께 다양한 작동 챔버를 형성한다.
사이클은 신선한 공기 흡기 행정의 개시와 함께 시작되며, 그 시점에서 로터(3202)는 도 32a에 개략적으로 도시된 바와 같이 로브 수용 영역(3210) 내부에 존재한다. 이 위치에서는, 예컨대, 상술한 실시예에서 예시한 바와 같이, 엔진(3201) 내부에서 흡기 도관이 개방된다. 흡기가 완료된 시점에서, 공기 흡기가 폐쇄되고, 도 32b에 개략적으로 도시된 바와 같이, (작동 매체라 할 수 있는) 공기가 작동 챔버(3250) 내부에 한정된다. 로터가 계속 회전함에 따라, 작동 챔버(3250) 내부의 공기가 HEHC 사이클의 압축 위상에서 압축된다. 따라서, 사이클의 이 시점에서, 작동 챔버(3250)는 압축 챔버이다. 압축 챔버가 엔진(3201) 외부의 환경으로부터 초기에 차단되는 경우, 이는 체적(V1)을 갖는다.
로터(3202)가 계속 회전함에 따라, 이는 결국 로브 수용 영역(3210)을 완전히 점유하며, 작동 매체는 도 32c에 개략적으로 도시된 바와 같이 연소 챔버(3251) 내부에 한정된다. 연소 챔버(3251)는 체적(V1)보다 작은 체적(V2)을 갖는다. 이 시점에서, 작동 매체는 압축 공기와 연료를 모두 포함하며, 연소가 시작된다. 연소는 임의의 수단에 의해 개시될 수 있으나, 이 실시예에서는 작동 매체의 압축 정도에 의해 연소가 개시된다.
연소는 작동 매체의 압력을 증대시키고, 이는 로터(3202)에 힘을 가하여, 로터(3202)가 계속 회전하게 함으로써, 도 32d에 개략적으로 도시된 바와 같이, HEHC 사이클의 팽창 위상으로 작동 매체가 팽창할 수 있도록 한다. 도 32e에 개략적으로 도시된 바와 같이, 체적(V3)이 흡기 체적(V1)을 초과할 때까지, 작동 챔버의 체적과 그에 따른 작동 매체의 체적이 팽창한다.
마지막으로, 팽창 위상이 종료되고, 도 32f에 개략적으로 도시된 바와 같이, 엔진(3201) 외부의 환경으로 작동 매체가 배기된다.
내연 기관과 관련하여 상기 실시예들을 설명하였으나, 일부 실시예들은, 예컨대, 증기 엔진에서와 같이, 팽창기로 사용될 수도 있다. 사실상, 다양한 실시예들이 외부 열 엔진(예를 들어, 외연 기관)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 태양, 연소, 핵 등으로부터의 외부의 열이 작동 챔버에 전달될 수 있도록, 연소 챔버로 상술한 체적 속에 히트 파이프를 배치함으로써, 작동 챔버에 열을 공급할 수 있다.
사실상, 본 명세서의 개시 사항은 잠재적인 청구항들의 광범위한 다양성을 지지할 것이다. 예를 들어, 웨지 시일 및/또는 로터의 모따기된 에지 상의 페이스 시일과 관련된 실시예들에서, (예컨대, 가스 압력과 같은) 압력이 페이스 시일에 대해 반경방향의 힘을 생성할 것이며, 그 힘이 모따기된 에지를 타고 오르도록 페이스 시일을 바이어싱함으로써, 상기 힘을 로터의 모따기된 에지에 의한 시일의 축방향 운동으로 변환시킨다. 또한, 일부 실시예들에서, 페이스 시일은 커버의 표면으로부터 매우 짧은 거리에 있을 수 있는 축(평탄)면을 가질 수 있다. 이는 가스가 통과하는 간극을 생성하며, 전술한 축력과는 반대 방향으로 압력/힘을 생성한다. 이 간극의 표면적은 원하지 않는 브레이크의 역할을 흔히 하는 축력을 제어함으로써, 페이스 시일과 커버 사이의 마찰을 저감할 수 있다.
피크 시일의 표면이 웨지 시일과 동일한 모따기 각도를 가지면, 피크 시일의 작은 부분이 웨지 시일과 함께 이동하도록 설계될 수 있으므로, 피크와 웨지 시일 사이의 간극을 저감하거나 완전히 제거할 수 있다.
페이스 시일 및 피크와 같은 다양한 시일들에 대해 상술하였으며, 및/또는 이들 모두가 단독으로 또는 시일 격자와 관련하여 청구될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 엔진의 실시예는 다양한 모드로 작동할 수 있다. 예를 들면, 실시예들은 2행정 모드로 작동하거나, 어떠한 제한도 포함하지 않고, HEHC 사이클(즉, HEHC 작동)을 실행하는 다양한 4행정 모드로 작동할 수 있다.
일부 다른 잠재적 청구항들이 이하에 나열되어 있다.
P1. 로터리 엔진으로서,
작동 공동을 가진 하우징;
샤프트와 일체이거나 샤프트에 고정식으로 부착된 편심 로터를 가진 샤프트로서, 상기 편심 로터가 작동 공동 내부에 배치된, 샤프트;
상기 편심 로터가 작동 공동 내부에서 회전할 수 있도록 상기 샤프트를 지지하는 적어도 하나의 유체 역학 베어링을 포함하는, 로터리 엔진.
P2. 로터리 엔진으로서,
작동 공동을 가진 하우징;
편심부를 가진 샤프트;
상기 작동 공동 내부에서 상기 편심부 상에 배치된 로터;
복수의 로터를 포함한 허브;
상기 샤프트에 고정식으로 커플링되며, 복수의 개구를 포함하고, 상기 복수의 개구 중 대응하는 하나의 개구를 복수의 롤러가 각각 통과하는, 플레이트를 포함하며,
상기 로터의 회전은 롤러가 개구 주위로 순환하도록 하고, 이에 따라, 로터의 편심 운동이 플레이트에서의 원 운동으로 변환되는, 로터리 엔진.
P3. 로터리 엔진으로서,
작동 공동을 가진 하우징;
밀봉 격자;
샤프트와 일체이거나 샤프트에 고정식으로 부착된 로터를 가진 로터 샤프트로서, 상기 로터가 작동 공동 내부에 배치된, 로터 샤프트;
상기 로터 샤프트를 편심되게 지지하도록 엔진 내에 배치된 적어도 하나의 입력/출력 샤프트를 포함하는, 로터리 엔진.
P4. 잠재적 청구항 P3의 엔진에 있어서, 상기 입력/출력 샤프트는 상기 로터를 동력학적으로 균형잡는 평형추로서의 역할을 하도록 구성되어 있는, 로터리 엔진.
P5. 잠재적 청구항 P3의 엔진에 있어서, 상기 로터 샤프트와 상기 입력/출력 샤프트는 흡기 및 배기 통로들을 더 포함하는, 로터리 엔진(예컨대, 흡기/배기 샤프트 및 로터를 통과하는 흡기 및 배기 포트와 통로들을 포함하는 가스 교환 시스템을 가진 로터리 엔진).
P6. 잠재적 청구항 P3의 엔진에 있어서, 입력/출력 샤프트를 지지하는 유체 역학 베어링을 더 포함하는, 로터리 엔진.
상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시를 위한 것이며, 다양한 변형 및 변경이 당업자들에게는 명백할 것이다. 이러한 모든 변형 및 변경은 첨부된 특허청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예를 들어, 상술한 모든 다양한 시일들은 본 명세서에 개시된 다양한 로터들 중 임의의 로터와 함께 사용될 수 있다. 마찬가지로, 모든 다양한 흡기 및 배기 포트들은 본 명세서에 개시된 다양한 로터 및/또는 샤프트와 함께 사용될 수 있다.

Claims (18)

  1. N개의 로브를 가진 사이클로이드 로터와, 상기 로터가 하우징에 대해 축을 중심으로 회전할 때 상기 로브를 연속적으로 수용하기 위해 대응하는 일련의 N+1개의 로브 수용 영역을 가진 하우징으로서, (ⅰ) 상기 로터의 제 1 및 제 2 측부에 축방향으로 배치된 한 쌍의 측부와, (ⅱ) 각각의 인접한 로브 수용 영역 쌍 사이에 배치된 피크와, (ⅲ) 흡기 포트 및 배기 포트를 가진 하우징을 포함하는 유형의 개선된 엔진이며,
    복수의 피크 시일로서, 상기 복수의 피크 시일 중 적어도 하나는 각각의 피크에 배치되며 상기 로터가 회전하는 기간 동안 상기 로터와의 접촉을 유지하도록 구성되어 있고, 상기 로브 수용 영역과 상기 로터의 사이클로이드 구조 때문에, 각각의 피크 시일이 상기 로터가 회전하는 동안 상기 로터에 대해 반경방향으로 바이어스되는, 복수의 피크 시일;
    2개의 피크 시일과 상기 하우징과 상기 로터 사이에 놓인 체적으로서 형성된 작동 챔버 및 상기 흡기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 로터 내에 형성되고, 상기 흡기 포트를 통해 상기 작동 챔버로 공기가 유입될 수 있도록 구성되는 제 1 통로;
    상기 작동 챔버 및 상기 배기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 제 1 통로와는 별개로 상기 로터 내에 형성되고, 상기 작동 챔버로부터 상기 배기 포트로 배기 가스를 통과시키도록 구성되는 제 2 통로;
    상기 하우징의 제 1 측부와 상기 로터 사이에 배치되고, 상기 로터의 면을 가로지르는 작동 매체의 탈출을 방지하도록 구성되는 제 1 페이스 시일; 및
    상기 하우징의 제 2 측부와 상기 로터 사이에 배치되고, 상기 로터의 면을 가로지르는 작동 매체의 탈출을 방지하도록 구성되는 제 2 페이스 시일을 포함하며,
    상기 제 1 페이스 시일은 상기 로터의 제 1 에지에 배치되고, 상기 로터의 제 1 에지는 상기 로터의 제 1 축면과 상기 로터의 방사면이 교차하여 형성되며,
    상기 통로들과 상기 페이스 시일들은 각각의 페이스 시일이 상기 포트들 중 어느 포트와의 소통도 피하면서 상기 로터의 모든 각 위치에서 상기 하우징의 측부들 중 하나 및 상기 로터와 모두 접촉을 유지하도록 구성되고,
    상기 하우징 내부의 상기 로터의 제 1 각도에서, 상기 작동 챔버는 최대 압축 챔버 체적을 가진 압축 챔버를 형성하고, 상기 하우징 내부의 상기 로터의 제 2 각도에서, 상기 작동 챔버는 최대 팽창 챔버 체적을 가진 팽창 챔버를 형성하며, 상기 최대 팽창 챔버 체적은 상기 최대 압축 챔버 체적의 1.0배 이상인,
    엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 피크 시일은 상기 로터와의 접촉 영역을 갖고 있으며, 상기 접촉 영역은 상기 로터의 기하학적 구조와 상기 로브 수용 영역의 기하학적 구조에 의해 특이하게 규정된 이론적 롤러의 곡률 반경과 동일한 곡률 반경으로 만곡되어 있는,
    엔진.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터는 상기 제 1 축면에 대해 평행한 제 2 축면을 갖고, 상기 로터의 방사면은 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면 사이에 배치되며 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면에 대해 수직이고,
    상기 제 2 축면과 상기 방사면은 상기 로터의 제 2 에지를 형성하는,
    엔진.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 페이스 시일은 상기 로터의 상기 제 2 에지에 배치되는,
    엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터는 상기 제 1 축면에 대해 평행한 제 2 축면을 갖고, 상기 방사면은 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면 사이에 배치되며 상기 제 1 축면과 상기 제 2 축면에 대해 수직이고, 상기 제 1 페이스 시일은, 상기 제 1 에지와 상기 제 1 페이스 시일 사이의 상기 제 1 축면에 제 1 환형 안착부를 형성하기 위해, 상기 로터의 상기 제 1 에지로부터 변위된 상기 제 1 축면에 배치되고, 상기 엔진은 상기 제 1 환형 안착부에서 상기 로터 및 상기 제 1 페이스 시일에 접촉하도록 배치된 버튼 시일을 더 포함하는,
    엔진.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 최대 팽창 챔버 체적은 상기 최대 압축 챔버 체적의 적어도 3배인,
    엔진.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 측부들 중 적어도 하나에 복수의 윤활제 채널을 더 포함하며, 상기 복수의 윤활제 채널은 각각 상기 복수의 피크 시일 중 대응하는 피크 시일에 대해 윤활제를 전달하도록 배치된,
    엔진.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 측부들 중 적어도 하나에 윤활제 채널을 더 포함하며, 상기 윤활제 채널은 상기 페이스 시일들 중 대응하는 페이스 시일에 윤활제를 연속적으로 전달하도록 배치된,
    엔진.
  10. N개의 로브를 가진 로터와, 상기 로터가 자신의 축을 중심으로 회전하며 하우징에 대해 축을 중심으로 궤도 운동을 할 때 상기 로브를 연속적으로 수용하기 위해 대응하는 일련의 N+1개의 로브 수용 영역을 가진 하우징으로서, (ⅰ) 상기 로터의 제 1 및 제 2 측부에 축방향으로 배치된 한 쌍의 측부와, (ⅱ) 각각의 인접한 로브 수용 영역 쌍 사이에 배치된 피크와, (ⅲ) 흡기 포트 및 배기 포트를 가진 하우징을 포함하는 유형의 개선된 엔진이며,
    2개의 피크 시일과 상기 하우징과 상기 로터 사이에 놓인 체적으로서 형성된 작동 챔버 및 상기 흡기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 로터 내에 형성되고, 상기 흡기 포트를 통해 상기 작동 챔버로 공기가 유입될 수 있도록 구성되는 제 1 통로;
    상기 작동 챔버 및 상기 배기 포트와 주기적으로 소통하도록 상기 제 1 통로와는 별개로 상기 로터 내에 형성되고, 상기 작동 챔버로부터 상기 배기 포트로 배기 가스를 통과시키도록 구성되는 제 2 통로;
    복수의 피크 시일을 포함한 밀봉 격자로서, 상기 복수의 피크 시일 중 적어도 하나는 각각의 피크에 배치되며 상기 로터와의 접촉을 유지하도록 구성되고, 상기 피크 시일은 상기 로터에 대해 반경방향으로 바이어스되며,
    상기 밀봉 격자는,
    상기 로터에 배치되며 상기 로터의 제 1 축면을 가로지르는 작동 매체의 탈출을 방지하도록 상기 하우징 측부와의 접촉을 유지하도록 구성된 제 1 페이스 시일로서, 상기 제 1 페이스 시일은 상기 하우징 측부에 대해 축방향으로 바이어스되고, 회전하는 동안 상기 제 1 페이스 시일이 흡기 또는 배기 포트를 교차하지 않고, 모든 피크의 각 측부에 하나씩 2×(N+1)개의 버튼 시일이 상기 하우징 측부 내에 배치되고 상기 로터를 향해 축방향으로 바이어스되어 상기 피크 시일 및 상기 제 1 페이스 시일과의 접촉을 유지하도록 구성된, 제 1 페이스 시일과,
    상기 로터의 제 2 축면에 배치되며 상기 로터의 제 2 축면을 가로지르는 작동 매체의 탈출을 방지하도록 상기 하우징 측부 및 상기 로터의 모따기부와의 접촉을 유지하도록 구성되고, 상기 하우징 측부에 대해 축방향으로 바이어스되는 제 2 페이스 시일 중 하나를 포함하는, 밀봉 격자;를 포함하며,
    상기 제 1 페이스 시일은 상기 로터의 제 1 에지에 배치되고, 상기 로터의 제 1 에지는 상기 로터의 제 1 축면과 상기 로터의 방사면이 교차하여 형성되며,
    상기 포트들, 통로들 및 페이스 시일들은 상기 페이스 시일들이 상기 포트들 중 어느 포트와의 교차도 피하면서 상기 로터의 모든 각 위치에서 상기 하우징의 측부들 중 하나 및 상기 로터와 모두 접촉을 유지하도록 구성되고,
    상기 하우징 내부의 상기 로터의 제 1 각도에서, 상기 작동 챔버는 최대 압축 챔버 체적을 가진 압축 챔버를 형성하고, 상기 하우징 내부의 상기 로터의 제 2 각도에서, 상기 작동 챔버는 최대 팽창 챔버 체적을 가진 팽창 챔버를 형성하며, 상기 최대 팽창 챔버 체적은 상기 최대 압축 챔버 체적의 1.0배 이상인,
    엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 페이스 시일은 와이어 시일인,
    엔진.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 페이스 시일은 상기 로터의 제 2 축면과 상기 로터의 방사면이 교차하여 형성된 상기 로터의 제 2 에지에 배치되는,
    엔진.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 페이스 시일의 프로파일은 사이클로이드 곡선으로서 생성되며, 상기 사이클로이드 곡선을 생성하기 위해 사용된 이론적 롤러의 반경은 상기 버튼 시일에서의 버튼의 반경인,
    엔진.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 로터는 일련의 N+1개의 이론적 롤러에 의해 형성되는 사이클로이드 구조이고, 각각의 피크 시일은 상기 로터와의 접촉 영역을 갖고 있으며, 상기 접촉 영역은 상기 피크 시일이 대체하는 상기 이론적 롤러의 곡률 반경에 가까운 곡률 반경으로 만곡되어 있는,
    엔진.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로는 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로가 동일한 작동 챔버에 대해 동시에 개방되지 않도록 구성되는,
    엔진.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로는 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로가 동일한 작동 챔버에 대해 동시에 개방되지 않도록 구성되는,
    엔진.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로는 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로가 동일한 작동 챔버에 대해 동시에 개방되도록 구성되지만, 상기 제 2 통로는 흡기 행정 중에 배기 포트로부터 작동 챔버로의 역류가 최소화되도록 엄격하게 제한된 유동 영역을 가지는, 엔진.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로는 상기 제 1 통로 및 상기 제 2 통로가 동일한 작동 챔버에 대해 동시에 개방되도록 구성되지만, 상기 제 2 통로는 흡기 행정 중에 배기 포트로부터 작동 챔버로의 역류가 최소화되도록 엄격하게 제한된 유동 영역을 가지는, 엔진.
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