KR19990063602A

KR19990063602A - 로터리 내연엔진

Info

Publication number: KR19990063602A
Application number: KR1019980702045A
Authority: KR
Inventors: 로날드 레슬리 리차드스
Original assignee: 론 리차드스 엔진 테크놀로지스 피티와이 리미티드
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-16
Publication date: 1999-07-26
Also published as: NZ316854A; JPH11515072A; BG102387A; PL326348A1; EA199800314A1; HU222919B1; AR007763A1; CN1075156C; BG63222B1; MX9802148A; CZ290649B6; SK53398A3; HUP9802583A2; DE69627167D1; UA28111C2; SK284459B6; CZ82498A3; EP0851970A4; DE69627167T2; CN1200163A

Abstract

토로이달 엔진(20)은 각 로터 조립체(45)에 배열된 피스톤(47)을 지지하는 대향 로터 조립체(45)를 구비한다. 부분 토로이달 작업챔버는 공기와 연료의 연소 혼합기를 압축하여 최소 작업챔버체적에서 점화한 다음, 작용 피스톤을 가압하여 로터 조립체를 가속하는 피스톤(47)사이에 형성되어 있다. 로터조립체는 슬라이딩핀 연결체를 통해 그의 축에 대해 회전되도록 플라네타리 부재(50)를 구동한다. 각 플라네타리 부재(50)는 크랭크샤프트(40)의 크랭크핀(51)상에 지지되어 있으며, 크랭크샤프트 축에 중심고정된 선기어/링기어와 치합되는 플라넷 기어와 일체를 이룬다. 크랭크샤프트(40)는 링기어와 플라네타리 부재가 치합되어 로터 조립체(45)에 대해 역회전되거나 선기어와의 치합에 의해서 동일방향으로 회전되도록 배열되어 있다.

도 17

Description

로터리 내연엔진

본 발명은 로터리 내연엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 작업챔버로서 토로이달 실린더를 이용하는 유압펌프 및 엔진과 같은 로터리 용적식장치(rotary positive displacement apparatus)에 관한 것이다.

이하에서는 내연 엔진, 유압구동모터, 유압펌프와 외연 엔진 등을 토로이달 엔진으로 총괄하여 언급한다. 그러나, 예시의 목적을 위해서 본 발명에서는 내연 엔진의 적용을 참고적으로 예시할 것이다.

많은 형태의 로터리 엔진이 완성되거나 제조되어 왔다. 이것들의 대부분은 종래의 왕복 피스톤엔진과 관련된 근본적인 결점을 줄이기 위한 수단으로, 그리고/또는 제조 및 연료의 효율면에서 경제적인 콤팩트하고 경량인 엔진을 제공할 목적으로 제안되어 왔다. 하지만 이것들은 상품화되지 못하였다. 대량생산되는 유일한 내연 엔진으로는 방켈 로터리엔진과 통상의 왕복 피스톤 엔진이 있다.

통상의 왕복펌프 및 엔진은 시스템의 효율, 피스톤 회전운동의 간단한 변환과, 크랭크샤프트를 통한 회전운동으로 인해서 폭넓게 이용되어 왔다. 그러나, 통상의 왕복 내연엔진은 다수의 운동요소에서 발생되는 마찰에 의해 연료의 연소에 제한이 가해진다. 이러한 운동요소로는 회전속도에 따라 마찰이 증대되는 베어링 저널을 비롯하여, 다수의 베어링, 각 피스톤에 끼워진 다수의 링에 의해서 마찰이 가해지는 피스톤링, 다수의 요소들이 결합되어 엔진에 큰 마찰을 가하는 조합 시스템으로서 작동하는 밸브 트레인 등이 있다.

또한, 왕복 내연엔진의 열효율은 기구적인 요소들의 설계, 사용되는 재질, 운전방법 및 모든 사이클 위상에 대한 공동 실린더부의 사용에 의해 감소된다. 연료의 효율면에서 상업성이 있는 통상적인 왕복 내연엔진은 존재하지만 상당히 복잡한 구조를 갖는다. 그와 같은 복잡한 구조로 인해 제조 및 조립비용이 증가된다.

방켈엔진은 고성능의 실현 가능성으로 인해서 자동차에 적용하려는 시도가 있었다. 그러나, 여러 가지 이유로 인해서 통근차량이나 대량 생산되는 산업용 경량엔진과 같은 통상의 피스톤엔진을 대체할 수 있는 것으로서 널리 사용되지는 못하였다.

다른 형태의 로터리 엔진도 제안되었다. 여기에는 구동샤프트 조립체 둘레의 실린더 하우징에 형성된 토로이달 실린더와, 구동축 둘레에 회전 가능하게 지지됨과 동시에 토로이달 형상의 실린더에 결합되어 피스톤이 서로 가까워지거나 멀어지도록 주기적으로 움직여 토로이달 실린더 사이에 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 로터수단과, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하는 엔진이 포함된다.

종래의 대표적인 토로이달 엔진은 장 피 노바이(Jan P Norbye)에 의해 칠톤 북 컴퍼니(Chilton Book Company)에서 펴낸 "방켈 엔진 디자인 개발 출원서"에 개시되어 있다. 또한, (Societe Nationale D'Etude et de Construction de Moteurs D'Aviation Snecma)에 허여된 프랑스 특허 2498248호 및 겝하르트 하우저(Gebhard Hauser)에게 허여된 독일특허 3521593호 역시 종래의 토로이달 엔진을 개시하고 있다. 이러한 엔진중 일부는 실린더 내부를 이동하는 피스톤으로서 주기적으로 운동하는 외부기구를 이용하고 있으며, 다른 일부는 필요로 하는 구동요소를 기구적으로 결합하기 위해 회전 경사판과 캠등을 이용하는 파워 트레인을 구성한 것도 있다.

그러나 대량생산을 하기 위해서, 이러한 종래의 모든 기술은 작동상의 비효율적인 구조를 지니며, 지속적인 최적의 출력분배와 같은 정상 작업하중 하에서 만족하게 수행할 수 있는 능력면에서 많은 결점을 지니고 있다. 이 밖에도 종래의 많은 제한들은 복잡한 제조 또는 조립공정을 필요로 하며, 판매가 어렵고 전체적으로 복잡하며 비효율적인 방법으로 작동되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기한 결점들중 적어도 하나를 줄일 수 있는 토로이달 엔진을 제공하는 데 있다.

이러한 관점에서, 본 발명의 일 실시예는 토로이달형 실린더의 축과 동축적으로 배치되는 축을 갖는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 토로이달형 실린더 내의 피스톤이 구비된 병렬 로터조립체에 결합되어 구동샤프트의 회전에 따라 로터가 회전됨으로써, 토로이달 실린더 내에 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하되, 상기 결합수단은 토로이달형 실린더 내의 피스톤을 구동샤프트에 결합시키는 로터리 용적식장치에 있어서:

하나의 로터조립체를 구동샤프트에 결합시키기 위한 구동수단과; 구동샤프트로부터 편심된 크랭크핀과;

구동샤프트에 비례하는 소정의 회전속도로 크랭크핀 주위를 회전하도록 구동되는 것으로, 구동샤프트 둘레를 공전하도록 크랭크핀에 지지되어 있는 플라네타리 부재와;

다른 로터조립체와 그들의 개별축으로부터 편심된 플라네타리 부재 사이에 배치되는 것으로, 구동샤프트 축 둘레의 그의 상이한 각속도로 인해서 공전운동을 일으켜 다른 로터조립체의 피스톤이 하나의 로터조립체의 피스톤으부터 멀어지거나 가까워지도록 주기적으로 이동되는 직접구동 연결체를 포함하는 로터리 용적식장치를 제공한다.

구동샤프트는 로터조립체와 동일한 방향으로 회전될 수도 있으나, 대부분의 내연엔진에서와 같이 구동축은 로터조립체에 대해 역회전되도록 구속함으로써 로터조립체의 회전속도가 구동샤프트의 회전속도에 따라 감소되도록 하는 것이 바람직하다.

플라네타리 부재의 회전축 둘레로 이 플라네타리 부재를 회전시키기 위한 구동수단은 회전축과 동심의 플라네타리 부재에 장착된 종동 스프로켓/풀리와, 실린더 하우징 조립체에 장착된 구동 스프로켓/풀리를 지나는 체인 또는 톱니벨트를 포함할 수도 있다. 또한, 이 구동수단은 실린더 하우징 조립체에 고정된 선기어/링기어를 갖는 기어 트레인과 내접이나 외접 또는 직결되도록 치합되는 것으로, 플라네타리 부재에 장착된 기어를 포함할 수도 있다. 그러므로, 플라네타리 부재는 구동샤프트와 동축인 고정 선기어에 의해 구동되는 플라네타리 기어와 함께 회전되어 로터조립체와 동일방향으로 회전되는 것이 가능하다.

플라네타리 부재는 드라이브 샤프트와 동축인 링기어에 의해 구동되는 플라네타리 기어와 함께 회전됨으로써 구동샤프트가 로터조립체에 대해 역회전되도록 하는 형태가 바람직하다.

플라네타리 부재는 구동샤프트 축에 대해 공전하도록 구동되며 실린더 하우징 조립체에 결합된 보조 로브와 직접 동작되는 로브형 부재의 형태를 지닐 수도 있다. 가령, 8개의 피스톤을 지닌 구성에서 플라네타리 부재는 8개의 로브형 하우징부와 외접하는 6개의 로브부재를 구비하게 된다.

구동샤프트는 로터조립체를 통해 연장되며, 로터조립체의 반대쪽에서 실린더 하우징 조립체의 베어링에 회전 가능하게 장착되는 것이 바람직하다. 플라네타리 부재는 구동샤프트에 대해 연장되고 서포트 조립체에 형성된 트랙이나 구동샤프트 축에 대해서 회전 가능하게 장착되는 형태의 크랭크에 지지되는 구동샤프트 축 둘레를 회전될수 있게 구속할 수 있다. 그러나, 구동샤프트는 크랭크핀을 개재하여 실린더 하우징 조립체에 장착되는 크랭크샤프트 형태이며, 플라네타리 부재는 편심 크랭크핀에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 또한, 크랭크샤프트는 로터조립체가 장착된 중간 플로우팅 저널과 함께 형성되는 것이 바람직하다.

또, 직접구동 연결체는 플라네타리 부재나 다른 로터조립체 중 어나 하나에 고정되고 플라네타리 부재의 공전을 허용할 수 있도록 미끄럼 이동가능하게 장착되는 구동핀으로서, 이 고정 구동핀과 플라네타리 부재 및 각 로터조립체 간의 하중이동은 구동핀의 슬라이드 결합을 통해서 대체로 직선 하중경로를 따라 하중이 이동되는것에 의해서 달성된다. 즉, 하중이동은 매개 링키지나 기구가 없어도 달성될 수 있으므로, 보다 견고하고 단순, 컴팩트하며 신뢰성이 높은 엔진을 제공할 수 있다. 직접구동 연결체는 모든 기계적인 일이 토로이달 실린더의 내부에 구속되도록 할 수 있으며, 그의 직경은 강도나 내구성이 저하되지 않는 범위내에서 적절한 비율과 엔진 용량에 따라 제한된다.

플라네타리 부재는 크랭크핀 둘레를 회전할 수 있는 구동요크의 형태이며, 크랭크핀으로부터 연장되고 구동핀과 직접 결합되는 저마찰 슬라이드 수단을 갖는 것이 바람직하다. 그에 따라, 구동핀과 플라네타리 부재 간의 하중이동은 플라네타리 부재와 미끄럼 이동가능하게 결합되는 대략 직선인 하중경로를 따라서 이루어진다.

필요한 경우에 슬라이드 수단은 비선형 슬라이드 경로를 제공할 수는 있으나, 이 슬라이드 수단이 크랭크핀으로부터 방사상으로 연장되는 것이 바람직하다. 슬라이드 수단은 구동요크에서 방사상으로 연장되는 슬롯을 지니며, 이 슬롯을 따라 자유롭게 이동할 수 있으며, 다른 로터조립체와 결합되는 축방향 연장형 구동핀을 구비하는 슬라이드 블록을 포함한다. 이 슬라이드 블록은 세라믹 재질과 같은 저마찰 재질로 형성되고 구형상을 갖는 슬롯 내에 삽입됨으로써 슬라이드 블록이 스롯 내에 고정되는 것이 바람직하다. 필요한 경우, 구동핀은 직각 단면형 슬롯이나 수납부에 직접 결합할 수 있다. 또한, 구동핀을 슬라이드 블록 및/또는 로터조립체와 일체로 형성할 수도 있으나, 구동핀은 슬라이드 블록과 로터조립체에 회전 가능하게 수납되는 분리핀으로 구성하는 것도 좋다.

일정한 비례 각속도로 회전되면서 다른 조립체 만이 하나의 로터에대해 진동되어 다양한 작업챔버를 형성하도록 하기 위하여 로터조립체 중에서 하나를 구동샤프트에 결합하여 구성할 수도 있다. 그러나, 2개의 로터 조립체는 모두 같은 방법으로 구동샤프트에 결합하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르는 내연엔진에 있어서, 각각의 로터조립체 상의 피스톤은 작용 피스톤과 반작용 피스톤으로 교대로 작용하는 것이 바람직하다. 각 로터조립체가 작용 또는 반작용 위상에 각각 존재할 때에 동일한 동적 하중을 달성하기 위해서, 각 구동요크는 크랭크핀의 대각선 반대쪽으로부터 방사상으로 연장되는 각 슬라이드 수단과 함께 형성되고 그의 각 구동핀은 각 로터조립체와 결합되는 것이 바람직하다. 이것은 대향 구동핀의 서로 다른 각속도에 의해서 흡입 또는 팽창과정 동안에 각 피스톤으로부터 작용 피스톤이 주기적으로 멀어지도록 이동됨과 동시에, 압축 또는 배기과정 동안에 반작용 피스톤이 가까워지도록 이동하기 위함이다.

결합된 로터가 위상차가 없이 동일하게 구동되도록 결합수단을 배치하게 되면, 구성요소의 내부균형 및 모든 사이클 경로에 대한 물리적 특성의 등가성이 유지되는 이점이 있다. 또한, 이것은 로터의 시누소이달(sinusoidal)진동작용에 가까운 결과를 초래한다. 보다 견고한 엔진을 제공하기 위해서, 구동핀은 로터조립체를 통해 연장시켜 로터조립체의 반대쪽에 장착된 대응 구동요크에 직접 결합할 수 있다.

하우징부에는 각각, 토로이달 하우징의 보조 사이드부 및 환상 출입구를 형성하는 것이 좋다. 그러나, 필요한 경우 출입구는 하나의 하우징부에만 형성할 수도 있다.

로터리 용적식장치의 각 로터에 대한 피스톤의 수는 로터마다 최소한 한개 이상으로 할 수 있다. 엔진은 2행정/사이클 타입의 엔진이나 4행정/사이클 타입으로 동작할 수 있다. 각 쌍의 로터는 적어도 피스톤의 수가 사이클의 배수로 증가되는 엔진 타입의 사이클 수와 상응하는 피스톤 수를 갖는다. 즉, 2행정/사이클 타입의 엔진에서 피스톤의 총 갯수는 2, 4, 6, 8등이며, 4행정/사이클 타입의 엔진에서 피스톤의 총 갯수는 4, 8, 12, 16등이 된다. 엔진 타입마다 최소한의 바람직한 각 피스톤 수에 대한 흡기포트와 배기포트 수단은 하나의 흡입포트와 하나의 배기포트를 포함하는 것이 바람직하다. 각 로터조립체 상의 피스톤은 각 포터의 외측부로부터 등거리로 배치되는 것이 좋다.

엔진은 크랭크샤프트 회전속도의 1/3속도를 갖고 크랭크샤프트와 반대방향으로 회전되도록 구동되는 로터조립체를 지닌 4행정/사이클 엔진이며, 각 로터는 토로이달 실린더의 내측 개구부로 밀봉적으로 연장되는 로터바디와, 이 로터바디의 외측부에 대해서 등거리로 배치된 3개의 피스톤을 지니고, 상기 흡기 및 배기포트 수단은 반경방향으로 대향된 한쌍의 흡기포트와 반경방향으로 대향된 한쌍의 배기포트를 포함하며, 각 흡기포트와 배기포트는 서로 인접한 근방에 배치될 때의 피스톤의 위치와 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에 있어서, 유입수단은 실린더의 내측벽부에 대한 환상 개구부이며, 로터는 개구부로 연장되어 작동적으로 개구부를 밀봉함과 동시에 실린더 내에서 그들의 각 피스톤을 지지하도록 개구부와 나란한 관계로 배열된다. 개구부와 로터는 실린더의 토로이달 중심선을 포함하는 중심면에 대해 비대칭으로 구성할 수 있으나, 환상 개구부와 로터가 중심면에 대해 대칭인 것이 바람직하다. 토로이달 하우징의 단면 형상은 원형이 좋으나, 필요에 따라서 사각 또는 삼각형과 같은 다른 형태로도 형성할 수도 있다.

로터조립체는 실린더 하우징 조립체 내에서 대체로 동심으로 배치된다. 또한, 로터조립체는 동심으로 이격된 한 쌍의 플라네타리 부재를 지지하고, 인접한 로터조립체를 통해서 각 플라네타리 부재에 대해 로터조립체의 반대쪽으로부터 연장되는 각 구동핀을 지지하기 위해서 중앙저널의 반대쪽에 직렬 크랭크핀을 갖는 크랭크샤프트의 중앙저널 상에서 회전 가능하게 지지되는 것이 바람직하다.

로터마다 4개의 피스톤을 갖는 실시예에 있어서, 동일하지만 대향인 로터는 대향된 피스톤 사이로 연장되는 라인으로부터 22.5°편위된 구동핀을 이용하는 것도 가능하다. 구동핀의 방사상 위치는 각 로터조립체에서의 피스톤의 상대운동이 가변되도록 다양하게 변화시킬 수 있다.

흡기포트와 배기포트의 개방은 포핏밸브등에 의해서 개폐시간을 조정할 수 있으나 실린더 벽에 형성된 흡기포트와 배기포트는 작업챔버와 선택적으로 연통되도록 그들의 길이를 정확하게 조절함으로서, 개방시간을 조정하는 것이 바람직하다. 이 포트들은 하나의 하우징부에 모두 형성될 수 있으나, 흡기포트는 하나의 하우징에 형성하고 배기포트는 다른 하우징부에 형성하는 것이 바람직하다.

포트들은 토로이달 실린더의 반대쪽 벽으로부터 연장되는 것이 좋으나, 나란히 서로 적층되어 공동 크랭크샤프트 조립체 둘레에 배열된 다중 토로이달 실린더를 갖는 엔진을 형성하는 그와 같은 조립체를 쌓을 수 있도록 하기 위해서, 하나 또는 2개의 실린더 하우징 조립체를 방사상 또는 그 어떠한 각도로 연장되도록 형성하는 것이 바람직하다.

통근차에 동력을 공급하는 경우와 같이, 저속 고토오크 적용을 위한 엔진에 있어서, 이 엔진은 보어/행정의 비가 1:3 또는 1:4정도를 지님으로써, 연소/팽창과정이 고출력 추출을 달성하고 에너지 소비를 최소화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이것은 실린더 보어의 직경이 토로이달 반경의 1/4 내지 1/3 범위를 지닌 엔진에서 달성된다. 토로이달 직경은 크랭크핀 행정의 6배 내지 10배 사이의 크기를 가지며, 구동핀은 크랭크핀 행정의 3배 내지 5배 사이의 크기로 크랭크샤프트 축으로부터 편심되어 있는 것이 좋다. 로터마다 4개의 피스톤을 갖는 바람직한 실시예에 있어서, 구동핀은 크랭크샤프트로부터 이격된 크랭크핀의 간격보다 4배의 크기로 크랭크샤프트로부터 이격되어 있다.

또한, 각 쌍의 로터에 대해 12개 또는 16개의 피스톤을 갖는 고성능 엔진을 위해서 1:1 또는 1:2 정도의 보어/행정의 비로 형성할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 토로이달 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 결합수단에 의해서 토로이달 실린더 내의 피스톤을 지지하는 축방향으로 대향된 로터조립체에 결합된 상태에서 구동샤프트의 회전에 따라 피스톤이 서로 가까워지고 멀어지거나 또는 그 반대로 운동함으로써, 토로이달 실린더 내에 형성된 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하는 형태의 내연엔진에 있어서: 상기 구동샤프트는 로터조립체에 대해 역회전되도록 구속됨으로써, 로터조립체의 회전속도가 구동샤프트의 회전속도에 비례하여 감소되는 엔진을 제공한다.

고속도로 주행에 맞는 중형 차량의 출력용으로 적합한 내연 토로이달 엔진에 있어서, 100㎞/h속도에서의 평균 피스톤의 속도는 1100fpm정도로 유지되며, 150㎜와 200㎜의 토로이달 중심선을 갖는 엔진의 경우에 로터조립체의 회전속도는 300RPM 정도에서 정지되는 것이 바람직하다.

이것은 구동샤프트가 로터조립체보다 3배 빠른, 즉 900RPM정도로 회전되는 구조를 지닌 엔진에 의해서 달성된다. 이것의 출력축 속도는 1:1의 종구동비를 사용하도록 조절되어 있다. 종구동비가 유사한 소형차량이 존재할 것이다. 즉, 소형 휠의 직경은 동일한 피스톤 속도에 대해 높은 회전속도를 갖는 로터조립체를 구비하는 소형 토로이달 실린더와 관련될 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 토로이달 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전할 수 있도록 지지되는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 결합수단에 의해서 토로이달 실린더 내의 피스톤을 지지하는 축방향으로 대향된 로터조립체에 결합되어 구동샤프트의 회전에 따라 피스톤이 서로 가까워지고 멀어지거나 또는 그 반대로 운동함으로써 토로이달 실린더 내에 형성된 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하며, 상기 결합수단은 토로이달형 실린더 내의 피스톤을 구동샤프트에 결합시키는 형태의 내연 토로이달 엔진에 있어서: 하나의 로터조립체를 구동샤프트에 결합시키기 위한 구동수단과;

구동샤프트로부터 편심된 크랭크핀과; 구동샤프트에 비례하는 소정의 회전속도로 크랭크핀 주위를 회전하도록 구동되는 것으로, 구동샤프트 둘레를 공전할 수 있게 크랭크핀에 지지되어 있는 플라네타리 부재를 포함하되, 상기 구동샤프트는 실린더 하우징 조립체를 통해 연장됨과 동시에 크랭크핀을 개재하여 실린더 하우징 조립체에 장착된 내연 토로이달 엔진을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 토로이달형 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 결합수단에 의해서 토로이달형 실린더 내의 피스톤을 지지하는 축방향으로 대향된 로터조립체에 결합된 상태에서 구동샤프트의 회전에 따라 피스톤이 서로 가까워지고 멀어지거나 또는 그 반대로 운동함으로써 토로이달 실린더 내에 형성된 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하는 내연 토로이달 엔진에 있어서: 상기 실린더 하우징 조립체는 토로이달 실린더의 중심면을 따라 만나는 각기 대향된 하우징부를 포함하고;

하우징부 사이로 연장되는 상기 구동샤프트 조립체는 이 구동샤프트의 축방향 대향단을 하우징의 내부로부터 각기 대향된 하우징부에 안착시키는 것에 의해서 각기 대향된 하우징부와 회전 가능하게 결합하되, 상기 결합수단은 축방향으로 배치되는 구성요소의 상호결합에 의해서 구동샤프트의 일단이나 양단으로부터 작동적으로 결합되며, 로터리 용적식장치가 서로 축방향으로 작동할 수 있도록 결합되는 일련의 부가요소에 의해서 쉽게 조립되는 내연 토로이달 엔진을 제공한다.

구동샤프트는 크랭크샤프트로 형성되며, 결합수단은 구동샤프트 축과 동심적으로 인접 하우징부에 고정된 내부 링기어와 치합되는 플라네타리 기어와 함께, 크랭크샤프트의 크랭크핀 조립체 둘레의 플라네타리 기어와 회전 가능한 구동요크를 포함한다. 구동요크는 방사상으로 연장되는 슬롯을 포함한다. 구동샤프트에 구동요크가 결합되기 전에 슬롯에는 슬라이드 블록이 조립된다. 이러한 배열에 있어서, 슬라이드 블록은 조립방향으로 연장되어 로터조립체와 결합되는 구동핀과 적절하게 조립된다.

또한, 구성요소를 결합방향으로 배치하여 조립을 용이하게 하기 위하여, 함께 회전되도록 구동요크에 고정되어 있으며, 구동샤프트와 동축인 축을 갖는 하우징에 고정된 링기어와 치합되는 플라네타리 기어에 의해서 구동요크가 구동되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 토로이달형 실린더와 실린더로 개구된 환상 출입구를 갖는 실린더 하우징 조립체와;

토로이달형 실린더 축과 동축인 크랭크샤프트 축에 대해 회전되도록 실린더 하우징 조립체에 지지되어 있는 한편, 크랭크샤프트 축으로부터 편심된 축을 갖는 크랭크핀 조립체를 지지하는 크랭크샤프트 조립체와;

크랭크핀 조립체 둘레를 회전할 수 있도록 크랭크핀 조립체 상에 지지되어 있는 플라네타리 부재와;

상기 플라네타리 부재와 병렬로 배치되고 토로이달형 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 한쌍의 로터조립체를 포함하되, 각 로터조립체는 피스톤을 지지하는 바디부를 구비하며, 로터의 각 쌍에 대한 피스톤의 전체 갯수는 4의 배수이고, 이 피스톤은 각 로터의 바디부에 대해 등거리로 실린더와 밀봉적으로 결합되고 그의 둘레를 이동할 수 있도록 배치되며, 각 바디부는 출입구로 연장되어 토로이달 실린더를 작동적으로 막고 있으며;

결합수단은 플라네타리 부재와 로터조립체를 결합하여, 결합된로터와 플라네타리 부재를 크랭크샤프트 축 둘레에 장착시켜, 크랭크핀 둘레로 플라네타리 부재가 회전됨으로써 로터조립체가 서로에 대해 위상차 없이 이동되도록 하며, 피스톤이 서로 주기적으로 가까워지고 멀어지도록 이동되어 최대 및 최소 작업챔버 면적 사이에서 팽창하고 수축하는 토로이달 실린더 내에 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하며;

유체가 실린더로 유입되고 그로부터 배출되도록 하기 위해 실리더 하우징 조립체를 통해 연장되며, 각기 4개의 피스톤과 흡기포트 및 배기포트를 구비하는 흡기 및 배기포트수단과;

인접한 피스톤이 최소 작업챔버 체적을 형성하는 위치에 배치되는 흡기 및 배기포트들과;

플라네타리 부재를 상대 회전속도로 크랭크샤프트에 대해 회전시켜 상기 흡기포트 수단의 타이밍을 일정하게 조절하여 확장 작업챔버로 개방됨과 동시에, 배기포트 수단의 타이밍을 일정하게 조절하여 수축 작업챔버로 개방되는 내연 토로이달 엔진을 제공한다.

내연엔진은 로터조립체의 반대쪽 직렬 크랭크핀에 장착된 이중 플라네타리 부재와, 이 이중 플라네타리 부재를 로터조립체에 결합하는 결합수단을 포함한다. 또한, 내연엔진은 실린더 하우징 조립체의 내측부를 따라 이격되어 배치됨으로써 환상의 출입구를 형성하는 스플릿(실린더의 토로이달 중심선을 포함하는 중심면을 따라 형성됨)하우징으로 형성된 실린더 하우징 조립체와, 크랭크핀에 대해 회전할 수 있도록 각각의 동축 크랭크핀 상에 이격된 관계로 지지되어 있는 플라네타리 부재와, 이 플라네타리 부재와 결합된 각 슬라이드 수단을 포함하는 것으로, 크랭크샤프트 축과 평행하게 연장됨과 동시에 각 로터조립체의 반대쪽으로부터 각 플라네타리 부재까지 연장되는 각 구동핀 조립체와 결합되는 반경방향 대향 슬라이드를 갖는 결합수단을 구비한다.

도 1과 도 2는 각각, 엔진의 정면 및 후면 단면도;

도 3은 실린더 하우징 조립체의 횡단면도;

도 4는 크랭크샤프트 조립체의 분리 단면도;

도 5는 피스톤을 갖는 로터의 단면도;

도 6은 작동관계에 있는 피스톤을 지닌 대향로터를 다른 해칭으로 나타낸 단면도;

도 7은 구동핀과 베어링 블록의 측면도 및 단면도;

도 8은 구동핀과 베어링 블록을 포함하는 로터조립체의 단면도;

도 9는 플라네타리 부재의 정면도, 측면도 및 평면도;

도 10은 구동핀과 베어링 블록을 지지하는 이격된 플라네타리 부재를 보인 구성도;

도 11은 플라네타리 부재와 링기어 간의 연결상태를 보인 단면도;

도 12는 실린더 하우징에 설치되는 로터조립체의 실링 배치를 보이기 위한 확대 단면도;

도 13은 조립된 엔진 구성품들을 나타내는 종단면도;

도 14는 기관의 1사이클이 진행되는 동안 도 13에 도시한 엔진의 작업챔버가 변화되는 과정을 연속으로 도시한 단면도;

도 15는 로터조립체에 고정된 구형 베어링과 다른 구동핀의 결합상태를 나타낸 단면도;

도 16은 결합된 구동핀과 베어링 블록을 갖는 단일 플라네타리 부재 또는 산업용 경량엔진으로 제조되는 2개의 연결된 로터조립체를 도시한 단면도;

도 17은 산업용 경량엔진 또는 단일 기구엔진의 횡단면도;

도 18은 산업용 경량엔진 또는 단일 기구엔진의 정면도;

도 19는 도시의 목적상 90°의 위상차를 갖도록 도시한 것으로, 한쌍의 리어 로터를 지닌 한쌍의 토로이달 실린더 엔진의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(20)의 프론트 실린더 하우징부(22)는 2개의 흡기포트(24)와, 2개의 스파크 플러그 장착부(26)에 장착된 2개의 스파크 플러그(25)와, 연속된 레이디얼 보강리브(27)와, (해칭된)프론트 크랭크샤프트 카운터웨이터 커버(28)를 지닌다. 프론트 실린더 하우징부(22)는 연속된 가장자리 볼트(29)에 의해서 리어 실린더 하우징부(23)에 체결된다. 또한, 프론트 실린더 하우징부(22)는 크랭크 샤프트 풀리(31)와 톱니벨트(32)에 의해서 구동되는 일체형 오일펌프(30)를 구비한다. 오일펌프(30)에는 오일 갤러리(33)를 통해서 오일통(30)으로부터 오일이 공급되며, 오일통(30)내의 오일은 마개(35)를 통해서 드레인 될 수 있다. 냉각수 드레인 마개(36)는 워터재킷의 하단부위에 설치되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(20)의 리어 실린더 하우징부(23)는 2개의 배기포트(37)와 필요한 구동부재를 장착하기 위한 벨 하우징 장착부(38)를 지닌다. (해칭된)플라이 휘일(39)은 크랭크샤프트 조립체(40)에 체결된 상태로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 실린더 하우징 조립체(21)는 대향된 하우징부(22, 23)를 볼트 결합하여 형성한다. 하우징 조립체(21)는 토로이달 실린더(41) 및 그의 내부면이 하우징(59)의 내부로 개구된 환상 개구부(58)를 구비한다. 이 환상 개구부(58)는 토로이달 중심선(60)을 포함하는 평면에 대해서 그리고, 하우징부(22, 23)의 대향 이격된 원형면(61)사이에 대칭적으로 형성되어 있다.

로터 사이드-트러스트 면(64)이 환상 개구부(58)측에 형성되어 있는 반면에, 메인 베어링(62)과 메인 베어링 내측 사이드-트러스트 면(63)은 프론트 및 리어 실린더 하우징부(22, 23)에 중심적으로 배치되어 있다.

연소시일(65)과 또 하나의 시일(66)은 실린더 하우징부(22, 23)사이에 배치되어 있다. 여기에서, 연소시일(65)은 연소가스의 누출을 방지할 목적으로 토로이달 실린더(41)와 워터재킷(42)사이에 배치하며, 시일(66)은 엔진의 외부 또는 엔진의 하부로부터 냉각수가 오일통 쪽으로 누출되는 것을 방지할 목적으로 워터재킷(42)과 실린더 하우징 조립체(21)사이에 배치하였다.

라디에이터로 배출되는 엔진 냉각수 출구(69)가 프론트 실린더 하우징부(22)의 상부에 배치되어 있는 반면에, 냉각수 입구(68)는 리어 실린더 하우징부(23)의 상부에 배치되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크샤프트 조립체(40)는 2개의 크랭크핀 저널(51)과, 2개의 중심 로터저널(49) 및 탈착 가능한 2개의 메인 베어링 저널(44)을 포함하는 여러가지 부품들로 이루어진 유닛이다. 이 크랭크샤프트 조립체(40)에는 프론트 풀리(71)와 프론트 카운터웨이트(72) 및 카운터웨이트 플라이휘일(73)이 결합된다. 각 메인 베어링 저널(44)은 크랭크핀(51)의 양단에 형성된 테이퍼단부(75)와 결합되는 편심 테이퍼홀(74)을 지닌다.

또한, 메인 베어링 저널(44)에는 실린더 하우징 조립체(21)내에서 크랭크샤프트 조립체(40)의 부유정도를 조절하기 위한 트러스트 면(78)과 플라네타리 부재(도 9의 50)의 부유정도를 조절하기 위한 트러스트 면(79)이 형성되어 있다. 실린더 하우징 조립체(21)에 위치되는 크랭크 조립체(40)는 메인 베어링(도 3의 62)에 의해 지지된다. 베어링에 대한 오일공급은 크랭크샤프트(70)의 내부에 형성되어 있고 상기 저널(44, 49, 51)과 연통되어 있는 중심 메인 갤러리(80)를 통해 이루어진다.

도 5에 도시된 바와 같이, 각 로터조립체(45)는 세로로 대칭인 4개의 돌출부(49)를 지니다. 이 돌출부(47)의 밑면은 외측 플랜지(46)에 의해 지지되어 있다. 각 로터(45)는 외측 플랜지(46)로부터 내부로 이격되어 있는 구동핀 보스(81)를 포함하며, 이 보스(81)와 반경방향으로 대향된 아치형 절결홈(82)을 갖는다. 구동핀 보스(81)는 짝을 이룬 로터조립체의 피스톤이 토로이달 실린더(도 3의 41)둘레에 연속적으로 포개진 상태에서 베어링 허브(85)의 베어링 표면(84)위에서 서로 움직일 수 있도록 하기 위해서, 대향된 피스톤의 공동 중심선(83)으로부터 22.5°편위되어 있다. 로터조립체(45)의 질량은 일련의 윈도우(86)에 의해서 최소로 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 로터(45A)에 형성된 아치형 절결홈(82)에는 결합시에 대응되는 반대쪽 로터(45B)의 보스(81)가 수납된다. 이 절결홈(82)은 다른 각도로 해칭한 반대쪽 로터(45)가 절결홈(82)의 범위 내에서 서로 움직일 수 있도록 유동공간을 제공한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 각 구동핀(56)의 양단은 베어링 블록(57)에 의해 지지되며, 각 베어링 블록(57)은 부분-구형 외측베어링면(87)을 구비한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 피스톤(47)은 로터조립체(45)의 외측 플랜지(46)상에 장착되며, 피스톤(47)의 중심은 각 로터조립체(45)의 내측면(88)으로부터 연장되는 평면상에 배치되어 있다. 구동핀(56)은 각기, 로터조립체의 보스(81)를 관통하여 연장되며, 양단은 베어링 블록(57)에 의해 지지되어 있다. 구동핀(56)과 베어링 블록(57)이 로터조립체(45)와 결합됨으로써, 작동 가능한 로터조립체(89)를 형성한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 플라네타리 부재(50)에는 반경방향으로 대향된 슬라이딩 요크(54)가 형성되어 있다. 이 슬라이딩 요크(54)는 각각 베어링 허브(91)로부터 연장되는 부분-구형 플랜지(90)에 의해 지지되는 대향 부분-구형 슬라이드면(55)이 구비되어 있으며, 여기에서 슬라이드면(55)은 인접해 있는 허브(91)로부터 외측으로 뻗어 이격된 요크(54)의 개방단(92)까지 연장되어 있다. 플라네타리 부재(50)의 외측단에는 플라네타리 기어(52)가 결합되어 있으며, 베어링 허브(91)의 양쪽 측면에는 트러스트면(93)이 구비되어 있다.

도 10은 베어링 블록(57)을 개재하여 플라네타리 부재(50)와 결합됨으로써, 각 플라네타리 부재(50)의 슬라이드면(55)과 미끄럼 이동할 수 있도록 결합된 구동핀(56)을 도시한다. 베어링 블록의 부분-구형 베어링면(87)은 운전중에 구동핀의 편심운동을 가능케 한다.

도 11은 링기어(53)에 내접되어 있는 플라네타리 기어(52)를 통해서 그의 회전축에 대해 플라네타리 부재(50)를 회전시키기 위한 기어 구동수단을 도시하였다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이, 회전축은 플라네타리 부재(50)가 자유롭게 회전할 수 있는 크랭크핀의 중심선이다.

도 12에는 로터조립체의 실링요소가 도시되어 있다. 피스톤(47)은 통상적인 구조의 피스톤링(94)에 의해서 토로이달 실린더(41)내에 밀봉되어 있다. 통상, 각 피스톤(47)에 대한 피스톤링(94)은 로터(45)의 외측 플랜지(96A, 96B)로부터 연장되는 링홈(95)에 끼워져 있으며, 각 피스톤링(94)의 일단부는 슬라이드 실(97)과 접촉되어 있다.

이 슬라이드 실(97)은 그의 접촉면이 로터 외측면의 곡률반경에 상응하는 형태의 아치형인 원통으로서, 스프링(100)에 의해 가압되어 인접한 로터(45)의 노출단(99)과 밀착된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 피스톤링(94)을 연장하여 슬라이드 실(97)형태로 만들 수도 있다. 이때, 피스톤링(94)의 연장부분은 피스톤링 홈(95)의 확장부(98)내에 수납되어 인접한 로터(45)의 노출단(99)과 밀착된 상태를 유지하도록 가압된다.

필요한 경우에 토로이달 실린더(41)를 연장하여 만곡시킨 노출단(99)까지 피스톤링(94)을 연장시켜, 피스톤(47)과의 결합부에서 로터(45)를 통해 연장되는 터널에 의해서 피스톤(47)을 완전히 감쌀 수도 있다.

후르스토-코니컬(frusto-conical)링실 형태의 연소시일(101)은 실린더 하우징(21)내의 수납면(102)과 인접 외측면(96A, 96B)사이에, 그리고 결합되어 있는 로터(45)사이에 탄성적으로 연장되어 있다. 로터(45)사이에 배치된 연소시일(101)의 평탄 베이스부(104)는 번호(103)로 나타낸 바와 같이 서로 쓸리도록 접촉되어 있다. 또는, 링형태의 연소시일을 실린더 하우징 조립체(21)내에서 크랭크샤프트의 축에 대해 동심이나 편심인 홈에 배치할 수 있으며, 탭을 사용하여 회전을 제지하는 것도 가능하다.

실링의 목적을 높이기 위해 도시된 바와 같이 시일의 양 접촉부를 대략 대략 평탄하게 구성하여 각 하우징/로터 표면에 대한 축 실링이 효과적으로 이루어지도록 한다. 링 시일과 유사한 세트가 상기한 연소시일의 내부에 위치되어 있으며, 도시된 바와 같이 오일실(105)을 형성한다. 이 오일실은 실링성의 증대를 위해 O-링과 결합하여도 된다.

연소시일(101)은 갤러리(106)를 통해서 일정 유압을 지닌 오일이 공급되며, 공급된 오일은 시일(101)과 로터 트러스트면(108)으로 공급된다. 또는 오일 주입공을 통해서 오일을 공급하는 것도 가능하다.

도 13은 조립된 엔진(20)을 도시한 횡단면도이다. 이 엔진(20)은 워터재킷(42)에 의해서 부분적으로 둘러쌓인 토로이달 실린더(41)를 형성하는 2개의 대향된 실린더 하우징부(22, 23)로 구성된다. 실린더 하우징(21)의 하부는 오일통(34)으로 사용된다.

엔진(20)은 그의 메인 베어링 저널(44)상에 지지되어 있는 크랭크샤프트(40)를 포함한다. 2부분으로 구성된 대향 로터조립체(45)는 크랭크샤프트 조립체(40)의 중앙 저어널(49)에 배치된 각각의 베어링 허브(48)에 의해서 실린더 하우징부(22, 23)간에 지지되어 있다.

2부분으로 구성된 대향 플라네타리 부재(50)는 크랭크샤프트 조립체(40)의 각 크랭크핀(51)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 각 플라네타리 부재의 외측면에는 크랭크샤프트 축에 대해 동축적으로 배치된 각 하우징부(22, 23)의 수납부에 위치된 링기어(53)중 하나와 각각 치합되는 플라네타리 기어(52)가 맞물려 있다.

플라네타리 부재(50)의 내측면 상에 일체로 형성되어 있으며, 반경방향으로 대향인 슬라이드(55)를 지닌 슬라이드 요크(54)는 각각의 베어링 블록(57)을 개재하여 각 구동핀(56)과 결합되어 있다. 이 구동핀(56)은 서로 대향인 각 로터(45)에 장착되어 있다.

도시된 바와 같이 구성요소가 조립됨으로써, 연소공정 등에 의해서 서로 분리된 상태로 인접해 있는 한쌍의 피스톤(47)의 가압작용에 의해서 플라네타리 부재(50)의 회전이 유도되며, 플라네타리 부재(50)가 링기어(53)를 따라 맞물린 상태로 돌게 된다. 크랭크핀(51)에 지지되어 있는 플라네타리 부재(50)가 편심운동됨으로써, 크랭크샤프트 조립체(40)가 회전된다.

도 14는 크랭크샤프트가 33.75°씩 단계별로 회전되어 완전 엔진사이클을 나타내었다. 로터마다 4개의 피스톤을 갖는 8개-피스톤 엔진에 있어서, 그들의 시작점에서 시작되고 리턴되는 엔진의 모든 구성요소들과 상응하는 완전 엔진사이클에서는 로터가 1회전되고 크랭크샤프트가 3회전되어야 하며, 16개의 연소 및 팽창과정이 수행된다. 로터(A)상의 피스톤은 "A1" 내지 "A4"로, 로터(B)상의 피스톤은 "B1" 내지 "B4"로 표시되어 있다.

크랭크샤프트가 처음 135°로 회전하는 동안, 하나의 로터상에서 대향된 쌍을 이룬 피스톤 세트의 4개의 피스톤(A1 내지 A4)은 작용 피스톤이 되며, 트로이달 챔버내에서 각각 대향된 흡기/압축영역을 동시에 지나게 된다.

피스톤의 1/2행정에 해당되는 67.5°의 크랭크샤프트 회전 지점에서, 한쌍의 대향된 작동 피스톤(A1 내지 A3)의 선행면이 팽창 작업챔버내로 연소 혼합기를 유도하여 대향된 흡기포트에서 팽창시키며, 상기 한쌍의 대향된 작동 피스톤(A1 내지 A3)의 끌림면은 점화 포인트 쪽으로 접근하면서 수축 작업챔버내로 앞서 도입된 연소혼합기를 압축시킨다.

이와 동시에, 다른 한쌍의 대향된 작동 피스톤(A2 내지 A4)의 선행면은 연소가스의 팽창에 의해서 작업챔버를 형성하는 피스톤(A2 내지 A4)이 배기포트쪽으로 팽창되어 엔진 출력을 제공할 수 있도록 가압되며, 상기 한쌍의 대향된 작동 피스톤(A2 내지 A4)의 끌림면은 수축 작업챔버를 형성한 다음, 배기포트쪽으로 수축되어 수축 작업챔버내에서 앞서 팽창된 연소 혼합기의 잔여 연소가스가 배기포트를 통해 배출되도록 한다.

이렇게 크랭크샤프트가 135°의 각도로 회전되는 동안, 피스톤(B1 B4)의 선행면과 끌림면 모두는 통상의 왕복엔진에 장착된 실린더 헤더의 실린더 밀폐면에서와 같은 방식으로 작업챔버에 대한 반작용면으로 작용하게 된다.

다음 단계로 크랭크샤프트가 135°에서 270°까지 회전되는 동안에 각 피스톤 세트의 작동이 반복되며, 로터(B)상에서 대향된 쌍을 이룬 피스톤 세트의 4개의 피스톤(B1 내지 B4)은 작용 피스톤이 되며, 피스톤(A1 내지 A4)에 대해 위에서 설명한 작동과 동일하게 실행되어, 작업챔버에 대한 반작용 피스톤이 될 것이다.

표 1은 크랭크샤프트의 회전과 관련되는 16개의 피스톤 작업면 사이에 규정된 작업챔버 모드를 상세하게 나타낸다. 이 표는 또한, 로터의 상대회전 뿐만 아니라 표로된 사이클 위치에 대한 그들의 대응 각속도를 보여준다.

도 15는 분할부싱(113)에 내장된 중심 부분-구형베어링(111)을 지님으로써, 각 구동요크(도시생략)내의 베어링블록(112)사이의 배열을 약간 변형시켜 구동핀(110)에 가해진 힘에 불균형이 발생되지 않도록 하는 구동핀(110)의 다른 형태를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 베어링 블록(112)은 똑바로 치우쳐 있는 슬롯 내에서

미끄럼 이동되도록 적용하거나, 상기 실시예에서 기술한 바와 같이 구형블록으로 분리하여 구성할 수도 있다.

도 16은 단일 플라네타리 부재 또는 산업용 경량엔진의 2개의 결합 로터조립체를 나타낸다. 베어링 블록(119)과의 결합을 위해서 구동핀(116)은 로터조립체(118A)로부터 연장된 상태로 조립되어 있다.

도 17은 처음에 설명한 엔진과는 다른 산업용 경량엔진(114)을 도시한 것으로, 이것은 베어링 블록(119)과의 결합을 위해서 로터조립체(118A, 118B)로부터 연장된 상태로 조립된 구동핀(116)을 갖는 단일 플라네타리 부재(115)만을 사용한다. 이러한 엔진은 가해질지도 모르는 상당히 큰 충격하중에 대처할 수 있는 매우 견고한 출력 구동커블링(120)을 구비하고 있다. 그러므로, 이러한 엔진에 있어서 크랭크샤프트는 보조 드라이브나 디스크를 끼워넣기 위한 위치결정용 칼러(124)가 형성된 메인 베어링(122)까지 연장됨으로써, 그의 결합단은 비교적 중량으로 형성되어 있다. 크랭크샤프트 트러스트(121)는 크랭크샤프트 조립체 단부의 유동량을 조절한다.

도 18은 프론트 실린더 하우징(133)을 관통하는 흡기포트(130)와 배기포트(131)를 나타낸다. 대략적으로 볼 때에 산업용 엔진(114)은 도 1 내지 도 13에 도시한 엔진과 유사하다.

도 19에 도시된 엔진(140)은 도 17과 18에 도시된 바와 같이 기본적으로 2열의 단일 토로이달 실린더 엔진을 포함한다. 그러나, 크랭크샤프트(141)는 180°로 분기된 각각의 크랭크핀을 구비하고 있다. 이 실시예에서 2개의 실린더 하우징부(142, 143)모두는 도 18의 산업용 엔진에 도시한 바와 같이, 각 실린더에 대한 흡기포트와 배기포트가 형성되어 있다. 리어 실린더 하우징 내의 포트들은 프론트 하우징과 연관된 크랭크샤프트 축에 대해 90°로 회전되어 있어, 상한/하한 출력분배를 최소화할 수 있는 이상적인 결과를 얻게 된다.

엔진시뮬레이션

부 재 회 전	작업챔버지정(바운딩 피스톤면으로)	각 속 도
크랭크 샤프트 (도)	요크 (도)	1 A1:B1	2 B1:A2	3 A2:B2	4 B2:A3	5 A3:B3	6 B3:A4	7 A4:B4	8 B4:A1	로터A	로터B
0	0	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	중간(가속)	중간(감속)
33.75	·11.25	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축
67.5	·22.5	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	최대	최소
101.25	·33.75	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축
135	·45	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	중간(감속)	중간(가속)
168.75	·56.25	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창
202.5	·67.5	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	최소	최대
236.25	·78.75	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창
270	·90	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	중간(가속)	중간(감속)
303.75	·101.25	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기
337.5	·112.5	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	최대	최소
371.25	·123.75	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기
405	·135	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	중간(감속)	종간(가속)
438.75	·146.25	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기
472.5	·157.5	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	최소	최대
506.25	·168.75	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기
540	·180.43	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	중간(가속)	중간(감속)
573.75	·1914.25	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축
607.5	·202.5	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	최대	최소
641.25	·213.75	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축
675	·225	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	중간(감속)	중간(가속)
708.75	·236.25	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창
742.5	·247.5	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	최소	최대
776.25	·258.75	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창
810	·270	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	중간(가속)	중간(감속)
843.75	·281.25	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기
877.5	·292.5	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	배기	최대	최소
911.25	·303.75	팽창	압축	흡기	베기	팽창	압축	흡기	베기
945	·315	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	중간(감속)	종간(가속)
978.75	·326.25	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기
1012.5	·337.5	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기	최소	최대
1046.25	·348.75	배기	팽창	압축	흡기	배기	팽창	압축	흡기
1080 (3회전)	·360 (1회전)	배기/흡기	배기	점화	흡기	배기/흡기	배기	점화	흡기	중간(가속)	중간(감속)

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 여기에 기술된 엔진은 수냉식 스파크 점화 엔진으로 흡기, 압축, 팽창 및 배기의 4사이클 일을 한다. 8개의 피스톤이 형성되어 있고 16개의 작업면 사이로 연장되는 8개의 각 작업챔버에서는 이들 4개의 각 사이클이 연속으로 작동된다.

로터의 1회전 및 크랭크샤프트의 3회전에 상응하는 각각의 완전 엔진사이클을 이루기 위해서, 각기 비교적 냉간영역에서 발생하는 16개의 흡기 및 압축 사이클이 있어야 하며, 토로이달 실린더의 각기 다른 열간영역에서 발생하는 16개의 연소와 배기 사이클이 있어야 한다.

4개의 사이클중 각 사이클은 반경방향으로 대향된 챔버내에서 동시에 수행된다. 즉, 엔진의 일측에서의 동작은 엔진의 반대쪽에서 중복된다. 이러한 디자인은 엔진의 8개 작업챔버 내에서 압축력의 균형을 제공하게 된다.

상기한 토로이달 실린더의 4개의 고정영역은 대향된 쌍을 이룬 흡기 및 배기포트의 위치로 규정되며, 스파크 점화기관의 경우에는 대향된 쌍을 이룬 스파크 플러그 위치로 규정된다. 경우에 따라서는 모든 가능한 작업챔버를 반드시 이용할 필요는 없으며, 요구되는 엔진의 출력을 바탕으로 다양화시키는 바와 같이 선택적으로 및/또는 교대로 이용할 수도 있다.

토로이달 실린더에서 포트 개구부의 크기와 각도위치는 작업챔버로 유입 및 배출되는 공기의 흐름을 조절하게 되어, 엔진의 출력을 가변시킬 수 있다. 작업챔버와 연통되는 포트의 설치각도는 포트 타이밍을 결정하는 반면, 포트의 길이는 각 작업챔버와 연통된 포트의 내마모성을 결정한다. 결과적으로 포트의 폭은 공기의 체적유동을 조절한다.

각 토로이달 실린더 내의 로터의 수는 2개이지만, 크랭크샤프트 축을 따르는 열에 적층함으로써, 토로이달 실린더의 수를 증가시킬 수 있다. 로터 회전당 모우멘트나 위상의 수는 각 로터상의 피스톤의 수에 따라서 변화된다. 각 쌍의 로터에 대한 피스톤의 수는 연소공정의 4사이클 수와 상응하는 4의 배수로 변화시킬 수 있다. 여기에서 설명하는 엔진에 있어서, 각 로터에는 4개의 피스톤이 있으므로, 4개로 구분된 로터의 진행 및 이동은 로터의 각 회전시에 발생된다.

도 14에 도시된 바와 같이, 피스톤의 1/2행정에 상응하는 크랭크샤프트의 67.5°회전 및 그 이후의 135°사이에서 링기어의 피치원 직경과 일치하는 로터조립체 내의 구동핀의 축 배열에 의해 하나의 로터에 설치된 피스톤은 그들의 최대 각속도에 도달하는 반면, 다른 로터에 설치된 피스톤은 그들의 최소 각속도에 도달하여 정지된 상태로 된다. 토로이달 실린더 내에서의 이러한 피스톤 운동은 실린더 하우징에서의 동일한 상대위치에서 2개의 각 로터조립체에 의해 발생되며, 스파크 플러그의 위치와 각각의 흡기 및 배기포트의 작동 위치가 확립된다.

2개의 각 로터조립체의 회전속도는 최소 각속도로부터 최대 각속도 근처까지 근본적으로 시누소이달(sinusoidal)운동으로 변화된 다음, 최소 각속도로 되돌아 온다. 8개-피스톤 엔진의 로터조립체 쌍은 90°위상으로 번갈아 회전됨으로써, 1위상 동안 하나의 로터조립체에 설치된 작용 피스톤은 토로이달 실린더의 흡기/압축 및 팽창/배기의 각 영역을 통해서 빠르게 이동한 다음, 통상의 피스톤과 동일한 방법으로 작동하게 되며, 다른 로터조립체의 반작용 피스톤은 토로이달 실린더의 흡기/압축 및 팽창/배기의 각 영역 사이를 천천히 이동한 다음, 통상의 실린더 헤드와 동일한 방법으로 실린더 밀폐체로서 작동한다.

피스톤이 최소 챔버체적에서 정지하는 통상의 엔진과는 달리, 이 엔진의 피스톤은 최소 챔버체적에서 이동한다. 로터 속도가 순간적으로 동일해지며 평균 로터속도와 같아진다. 대체로 엔진에서 평균 로터속도는 크랭크샤프트 속도의 1/3이며 방향은 반대이다.

가스 압력과 반대 방향으로 작용하는 내부힘이 로터에 의해서 가해진다. 이 내부힘은 교대로 가속 및 감속되는 로터의 질량에 의해 발생된다. 그러나, 어느 한 점에서 로터의 내부힘은 반대방향의 서로 동일한 크기를 지님으로써, 그들이 균형을 이루게 된다.

로터 토오크는 2개의 로터조립체의 피스톤 면에 동일하게 작용하는 연소챔버내의 가스 압력에 의해서 생긴다. 순수한 로터 토오크는 구동핀과 베어링 블록을 통해 플라네타리 부재에 설치된 슬라이드 요크의 보상 베어링면에 균등하게 전달된다.

로터 구동핀을 통해 요크에 가해져 크랭크샤프트 토오크를 생성하는 힘은 항상 동일하다. 이 힘은 그러나, 지렛대로서 크랭크샤프트의 크랭크핀으로 사용하는 일정 가변형 레버의 길이에 걸쳐서 가해진다. 즉, 회전 크랭크핀의 중심과 각 구동핀 중심 간의 길이는 크랭크샤프트가 회전하는 동안에 일정하게 변하는 레버 길이로서 언급하게 된다.

플라네타리 부재의 슬라이더 요크가 크랭크핀의 중심선과 직각(통상의 엔진에서 상사점에 위치한 상태)이 되면, 구동핀은 레버길이와 같아져 아무런 크랭크샤프트 토오크를 생성하지 못한다. 상사점(TDC)을 지나서, 상이한 레버길이는 플라네타리 부재에 효과적으로 작용하여 도 14에서 33.75°의 크랭크샤프트 회전위치에 도시한 바와 같이, 크랭크핀을 회전시키게 된다. 구동핀(A)은 구동핀(B)의 길이보다 더 크다는 것은 명백하다.

플라네타리 부재는 고정 링기어와 치합되는 일단에 장착된 플라네타리 기어를 지닌다. 기어들의 치합으로 플라네타리 부재가 크랭크핀 주위를 강제로 회전하게 되면, 이것은 차례대로 크랭크샤프트를 회전시켜 크랭크샤프트 토오크를 생성하게 된다.

각 작업사이클이 완성되면, 각 로터조립체는 작용에서 반작용으로, 즉, 피스톤으로서의 역할에서 실린더 헤드로서의 역할로 그의 기능이 변화된다. 이 순간에, 로터 힘이 작용되는 면은 플라네타리 부재의 일측 요크 베어링면에서 타측 베어링면으로 전환된다. 링기어에서 생성된 반력의 방향이 바뀌지 않으므로 요크는 같은 방향으로 계속 회전하게 된다.

플라네타리 기어와 링거어의 기어비는 엔진에 설치되는 피스톤 수에 의해서 좌우된다. 이들 기어의 피치원 지름은 크랭크핀의 반경에 의해서 정해진다. 로터에 끼워진 구동핀의 방사상 위치와 크랭크핀의 반경은 로터의 각속도에 의해 정해진다.

오일은 프론트 실린더 하우징에 장착된 오일펌프에 의해서 엔진으로 공급되며, 윤활 후에 오일은 내부 드레인을 경유하여 오일통으로 리턴된다. 오일통 내의 오일 레벨이 하부 워터재킷과 밀접하게 접촉되어 있기 때문에 냉시동 후에 오일이 작동온도에 도달할 때까지 걸리는 시간이 줄어든다. 엔진의 워밍업 중에 냉각수 온도의 증가는 오일과 접촉되어 있는 워터재킷을 통한 열전달에 의해서 오일이 가열되는 비율로 증가되며, 냉각수 작동온도에서 오일은 안정된다.

엔진의 근본 특징은 왕복운동하는 요소가 없기 때문에 거의 완벽한 균형이 유지될 수 있다는 것이다. 분리된 구성요소인 로터조립체와 플라네타리 부재의 각쌍들은 안정적이며 역학적으로 균형이 유지된다. 이 플라네타리 부재 질량체는 크랭크샤프트 조립체에 결합되며, 엔진의 프론트 및 리어측에 카운터웨이트 질량체를 적용함으로써, 동적 균형이 유지된다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 크랭크샤프트가 3회전하는 동안 16개의 연소과정을 지나며, 단 2개의 메인 베어링 저널과, 2개의 크랭크핀 베어링 저널 및 2개의 로터 베어링 저널을 필요로 하는 엔진은 상응하는 종래의 엔진과 비교하여 베어링 마찰이 줄어들 가능성이 높다. 더구나, 흡기 및 압축사이클은 비교적 저온으로 유지되는 토로이달 실린더의 각 영역에서 실행되며, 압축 및 배기사이클은 비교적 고온으로 유지되는 토로이달 실린더의 다른 영역에서 실행된다. 이러한 토로이달 실린더에서 고온 및 저온영역의 물리적인 구분으로 흡기 및 팽창과정에서의 효율이 증대하게 된다.

또한, 엔진 조립체의 구조가 단순하므로 대량생산 기술이 촉진되며, 이동요소들을 위치시키기 위한 몇개의 접착제를 사용하여 대부분의 구성요소들을 하나씩 차례대로 적층하는 대단위 적층공정을 통해 용이하게 조립할 수 있다. 이 엔진 조립체는 공랭식이나 수냉식 및 오일 냉각식으로 구성할 있으며, 수평 및 수직을 포함하는 원하는 어떤 각도에서도 엔진의 출력축을 배치할 수 있다.

요약하면, 이 8개의 피스톤을 지닌 4사이클 엔진에서 점화는 토로이달 실린더 내에서 작동되는 8개의 피스톤 중 4개 사이에서 공기와 연료의 연소 혼합물이 압축된 후에, 반경방향으로 대향된 2개의 작업챔버의 최소 작업챔버체적(V/min)에서 행해진다. 작업챔버 내에서 가스압력이 빠르게 증가되면 토로이달 실린더, 병렬로 배치된 로터의 외부면과 피스톤면에 힘이 가해짐으로써, 작용 또는 선행 피스톤과 로터를 가압하게 되어 가속되며, 반작용 또는 끌림 피스톤과 로터를 가압하게 되어 감속된다.

엔진의 정면에서 볼 때에 크랭크샤프트가 시계방향으로 회전되는 반면, 2개의 로터조립체는 반시계방향으로 회전된다. 각 로터조립체에 장착된 2개의 구동핀은 크랭크핀의 반대쪽에서 그들의 슬라이드 베어링면을 통해 구동요크에 동일한 반대방향의 힘을 가한다. 슬라이드 베어링면이 크랭크핀과 크랭크샤프트 축을 포함하는 평면에 대해 수직으로 배치되면, 구동핀은 크랭크핀과 같은 거리에 놓이게 되어 구동요크의 회전이 제지된다. 그러나, 크랭크샤프트와 비교하여 다른 위치에서는 크랭크핀과 대향 구동핀 사이의 거리는 동일하지 않게 되고, 회전 모우멘트는 플라네타리 부재를 가압하여 크랭크핀을 회전시킨다. 각 구동요크가 고정 링기어와 일정하게 치합되는 플라네타리 기어와 회전되기 때문에, 합성된 회전 모우멘트는 크랭크샤프트 토오크를 생성한다.

크랭크샤프트에 출력 토오크를 만드는 내연기관의 하중경로는 다음 페이지에 흐름도로 표시되어 있다. 비록 상기한 엔진은 그것의 구성요소에 가해지는 예상하중에 잘 견딜 수 있도록 고려하였으나, 보다 높은 크랭크샤프트 속도가 요구되는 경우에도 실시할 수 있다. 가령, 선기어에 대해 외접하는 플라네타리 기어를 갖는 엔진의 경우에는 로터조립체의 5배속으로 회전하는 크랭크샤프트를 지닌 엔진을 제공할 수 있다.

하중 경로 흐름도

지금까지의 설명은 단지 본 발명의 실시예를 예시하기 위한 것이며, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 그것으로부터 다양한 변화와 수정이 가능하다는 것은 명백하며, 이러한 변형과 수정은 첨부한 특허청구범위에 규정된 바와 같이, 본 발명의 넓은 범위와 영역에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims

토로이달형 실린더의 축과 동축적으로 배치되는 축을 갖는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 토로이달형 실린더 내의 피스톤이 구비된 병렬 로터조립체에 결합되어 구동샤프트의 회전에 따라 로터가 회전됨으로써, 토로이달 실린더 내에 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하되, 상기 결합수단은 토로이달형 실린더 내의 피스톤을 구동샤프트에 결합시키는 로터리 용적식장치에 있어서:

하나의 로터조립체를 구동샤프트에 결합시키기 위한 구동수단과;

구동샤프트로부터 편심된 크랭크핀과; 구동샤프트에 비례하는 소정의 회전속도로 크랭크핀 주위를 회전하도록 구동되는 것으로, 구동샤프트 둘레를 공전하도록 크랭크핀에 지지되어 있는 플라네타리 부재와;

다른 로터조립체와 그들의 개별축으로부터 편심된 플라네타리 부재 사이에 배치되는 것으로, 구동샤프트 축 둘레의 그의 상이한 각속도로 인해서 공전운동을 일으켜 다른 로터조립체의 피스톤이 하나의 로터조립체의 피스톤으부터 멀어지거나 가까워지도록 주기적으로 이동되는 직접구동 연결체를 포함하는 로터리 용적식장치.
제 1항에 있어서,

상기 구동샤프트는 로터조립체를 통해 연장되고 로터조립체의 반대쪽에서 실린더 하우징 조립체의 베어링에 회전 가능하게 장착되며, 크랭크핀을 개재하여 실린더 하우징 조립체에 장착되는 크랭크샤프트의 형태인 로터리 용적식장치.
제 2항에 있어서,

상기 직접구동 연결체는 플라네타리 부재나 다른 로터조립체 중 어나 하나에 고정되고 다른 하나에 미끄럼 이동할 수 있도록 장착되는 구동핀인 로터리 용적식장치.
제 3항에 있어서,

플라네타리 부재는 크랭크핀 둘레를 회전할 수 있는 구동요크의 형태이며, 크랭크핀으로부터 연장되고 구동핀과 직접 결합되는 슬라이드 수단을 갖는 로터리 용적식장치.
제 4항에 있어서,

상기 슬라이드 수단은 구동요크에서 방사상으로 연장되는 슬롯과, 이 슬롯을 따라 자유롭게 미끄럼 이동할 수 있으며 다른 구동핀을 갖는 슬라이드 블록을 포함하는 로터리 용적식장치.
제 5항에 있어서,

상기 슬라이드 블록은 저마찰 재질로 형성되고 구형상을 갖는 슬롯 내에 삽입됨으로써 슬라이드 블록이 슬롯 내에 고정되는 로터리 용적식장치.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,

상기 각 구동요크는 함께 회전되도록 각 구동요크에 고정되고 구동샤프트와 동축인 축을 갖는 각각의 기어와 치합되는 플라네타리 기어에 의해서 구동되는 로터리 용적식장치.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하나의 로터 조립체를 구동샤프트에 결합하기 위한 수단은 상기 다른 로터 조립체를 구동샤프트에 결합하기 위한 수단과 상응하는 로터리 용적식장치.
제 2항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

각 구동요크는 크랭크핀의 대각선 반대쪽으로부터 방사상으로 연장되는 각 슬라이드 수단과 함께 형성되고,

각각의 슬라이드 수단과 결합된 각 구동핀은 각각의 로터조립체와 결합되며, 각각의 로터조립체 상의 피스톤은 작용 피스톤과 반작용 피스톤으로 교대로 작용하는 내연엔진으로 형성된 로터리 용적식장치.
제 9항에 있어서,

이중 구동요크는 로터조립체의 반대쪽에서 크랭크핀에 대략 직렬로 장착되며, 구동핀은 로터조립체의 반대쪽 및 이격된 구동요크 내의 각 대향 슬라이드 장착부 사이로 연장되는 내연엔진으로 형성된 로터리 용적식장치.
토로이달 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전할 수 있도록 지지되는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 결합수단에 의해서 토로이달 실린더 내의 피스톤을 지지하는 축방향으로 대향된 로터조립체에 결합되어 구동샤프트의 회전에 따라 피스톤이 서로 가까워지고 멀어지거나 또는 그 반대로 운동함으로써 토로이달 실린더 내에 형성된 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하며, 상기 결합수단은 토로이달형 실린더 내의 피스톤을 구동샤프트에 결합시키는 형태의 내연 토로이달 엔진으로 형성된 로터리 용적식장치에 있어서:

하나의 로터조립체를 구동샤프트에 결합시키기 위한 구동수단과;

구동샤프트로부터 편심된 크랭크핀과; 구동샤프트에 비례하는 소정의 회전속도로 크랭크핀 주위를 회전하도록 구동되는 것으로, 구동샤프트 둘레를 공전할 수 있게 크랭크핀에 지지되어 있는 플라네타리 부재를 포함하되,

상기 구동샤프트는 실린더 하우징 조립체를 통해 연장됨과 동시에 실린더 하우징 조립체에 장착된 크랭크핀 매개체를 형성하는 로터리 용적식장치.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구동샤프트는 로터 조립체가 장착되는 중간 저널을 구비하는 로터리 용적식장치.
토로이달 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 결합수단에 의해서 토로이달 실린더 내의 피스톤을 지지하는 축방향으로 대향된 로터조립체에 결합된 상태에서 구동샤프트의 회전에 따라 피스톤이 서로 가까워지고 멀어지거나 또는 그 반대로 운동함으로써, 토로이달 실린더 내에 형성된 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하는 형태의 내연 토로이달 엔진으로 형성된 로터리 용적식장치에 있어서:

상기 구동샤프트는 로터조립체에 대해 역회전되도록 구속됨으로써, 로터조립체의 회전속도가 구동샤프트의 회전속도에 비례하여 감소되는 로터리 용적식장치.
토로이달형 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 구동샤프트 둘레의 실린더 하우징에 형성되며, 결합수단에 의해서 토로이달형 실린더 내의 피스톤을 지지하는 축방향으로 대향된 로터조립체에 결합된 상태에서 구동샤프트의 회전에 따라 피스톤이 서로 가까워지고 멀어지거나 또는 그 반대로 운동함으로써 토로이달 실린더 내에 형성된 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하는 토로이달 실린더와, 실린더 하우징 조립체를 통해 연장되어 있으며 유체가 작업챔버로 유입 및 배출되도록 하는 흡기포트와 배기포트를 구비하는 형태의 로타리 용적식장치에 있어서:

상기 실린더 하우징 조립체는 토로이달 실린더의 중심면을 따라 만나는 각기 대향된 하우징부를 포함하고;

하우징부 사이로 연장되는 상기 구동샤프트 조립체는 이 구동샤프트의 축방향 반대쪽 단을 하우징의 내부로부터 각기 대향된 하우징부에 안착시킴으로써, 각기 대향된 하우징부와 회전 가능하게 결합하되,

상기 결합수단은 축방향으로 배치되는 구성요소의 상호결합에 의해서 구동샤프트의 일단이나 양단으로부터 작동적으로 결합되며, 로터리 용적식장치가 서로 축방향으로 작동할 수 있도록 결합되는 일련의 부가요소에 의해서 쉽게 조립되는 로터리 용적식장치.
제 11 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 결합수단은 구동샤프트 축과 동심적으로 인접 하우징부에 고정된 내부 링기어와 치합되는 플라네타리 기어와 함께, 크랭크샤프트의 크랭크핀 조립체 둘레의 플라네타리 기어와 회전 가능한 구동요크를 포함하는 로터리 용적식장치.
제 15항에 있어서,

구동요크는 방사상으로 연장되는 슬롯과 구동샤프트에 구동요크가 결합되기 전에 방사상으로 연장되는 슬롯에 조립되는 슬라이드 블록을 포함하며, 이 슬라이드 블록은 조립방향으로 연장되어 로터조립체와 결합되는 구동핀과 적절하게 조립되는 로터리 용적식장치.
제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구동요크는 함께 회전되도록 그에 고정되어 있으며, 구동샤프트와 동축인 축을 갖는 하우징에 고정된 링기어와 치합되는 플라네타리 기어에 의해서 구동되는 로터리 용적식장치.
토로이달형 실린더와 실린더로 개구된 환상 출입구를 갖는 실린더 하우징 조립체와;

토로이달형 실린더 축과 동축인 크랭크샤프트 축에 대해 회전되도록 실린더 하우징 조립체에 지지되어 있는 한편, 크랭크샤프트 축으로부터 편심된 축을 갖는 크랭크핀 조립체를 지지하는 크랭크샤프트 조립체와;

크랭크핀 조립체 둘레를 회전할 수 있도록 크랭크핀 조립체 상에 지지되어 있는 플라네타리 부재와;

상기 플라네타리 부재와 병렬로 배치되고 토로이달형 실린더의 축과 동축인 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 한쌍의 로터조립체를 포함하되, 각 로터조립체는 피스톤을 지지하는 바디부를 구비하며, 로터의 각 쌍에 대한 피스톤의 전체 갯수는 4의 배수이고, 이 피스톤은 각 로터의 바디부에 대해 등거리로 실린더와 밀봉적으로 결합되고 그의 둘레를 이동할 수 있도록 배치되며, 각 바디부는 출입구로 연장되어 토로이달 실린더를 작동적으로 막고 있으며;

결합수단은 플라네타리 부재와 로터조립체를 결합하여, 결합된로터와 플라네타리 부재를 크랭크샤프트 축 둘레에 장착시켜, 크랭크핀 둘레로 플라네타리 부재가 회전됨으로써 로터조립체가 서로에 대해 위상차 없이 이동되도록 하며, 피스톤이 서로 주기적으로 가까워지고 멀어지도록 이동되어 최대 및 최소 작업챔버 면적 사이에서 팽창하고 수축하는 토로이달 실린더 내에 팽창 및 수축 작업챔버를 형성하며;

유체가 실린더로 유입되고 그로부터 배출되도록 하기 위해 실리더 하우징 조립체를 통해 연장되며, 각기 4개의 피스톤과 흡기포트 및 배기포트를 구비하는 흡기 및 배기포트수단과;

인접한 피스톤이 최소 작업챔버 체적을 형성하는 위치에 배치되는 흡기 및 배기포트들과;

플라네타리 부재를 상대 회전속도로 크랭크샤프트에 대해 회전시켜 상기 흡기포트 수단의 타이밍을 일정하게 조절하여 확장 작업챔버로 개방됨과 동시에, 배기포트 수단의 타이밍을 일정하게 조절하여 수축 작업챔버로 개방되는 내연엔진.
제 18항에 있어서,

이중 플라네타리 부재는 로터조립체의 반대쪽에서 크랭크핀에 대략 직렬로 장착되며, 결합수단은 이중 플라네타리 부재를 로터 조립체에 결합하는 내연엔진.
제 18항 또는 제 19항에 있어서,

실린더 하우징 조립체의 내측부를 따라 이격되어 배치됨으로써 환상의 출입구를 형성하는 스플릿(실린더의 토로이달 중심선을 포함하는 중심면을 따라 형성됨)하우징으로 형성된 실린더 하우징 조립체를 포함하되;

상기 플라네타리 부재는 크랭크핀에 대해 회전할 수 있도록 각각의 동축 크랭크핀 상에 이격된 관계로 지지되어 있으며,

상기 결합수단은 플라네타리 부재와 결합된 각 슬라이드 수단을 포함하는 것으로, 크랭크샤프트 축과 평행하게 연장됨과 동시에 각 로터조립체의 반대쪽으로부터 각 플라네타리 부재까지 연장되는 각 구동핀 조립체와 결합되는 반경방향 대향 슬라이드를 포함하는 내연엔진.
제 20항에 있어서,

로터조립체는 이격된 한 쌍의 플라네타리 부재를 지지하고, 인접한 로터조립체를 통해서 각 플라네타리 부재에 대해 로터조립체의 반대쪽으로부터 연장되는 각 구동핀을 지지하기 위해 중앙저널의 반대쪽에 직렬 크랭크핀을 갖는 크랭크샤프트의 중앙저널 상에서 회전 가능하게 지지되는 실린더 하우징 조립체 내에서 대체로 동심으로 배치되며,

상기 출입구와 로터는 실린더의 토로이달 축을 포함하는 중심면에 대해 대칭인 내연 엔진.
제 1 항 내지 제 17항의 어느 한 항에 있어서,

각 쌍의 로터 조립체는 적어도 피스톤의 수가 사이클의 배수로 증가되는 엔진 타입의 사이클 수와 상응하는 피스톤 수를 갖는 내연 엔진.
제 22항에 있어서,

로터조립체는 크랭크샤프트와 반대방향으로 회전되고;

각 로터 조립체는 토로이달 실린더의 내측 개구부로 밀봉적으로 연장되는 로터바디를 구비하고;

2개의 피스톤 또는 다중 2개의 피스톤은 각 로터에 대해 동일한 갯수 및 로터 바디의 외측부에 대해 등거리로 배치되며;

상기 흡기포트와 배기포트 수단은 서로 인접하게 배치되고, 서로 가깝게 배치될 때 피스톤의 위치와 인접하게 배치되는 각각의 흡기포트와 배기포트를 구비하는 내연 엔진.
제 22항에 있어서,

로터조립체는 크랭크샤프트와 반대방향으로 회전되고;

각 로터 조립체는 토로이달 실린더의 내측 개구부로 밀봉적으로 연장되는 로터바디를 구비하고;

4개의 피스톤 또는 다중 4개의 피스톤은 각 로터에 대해 동일한 갯수 및 로터 바디의 외측부에 대해 등거리로 배치되고;

상기 흡기포트와 배기포트 수단은 한쌍의 반경방향 대향 흡기포트와 한쌍의 반경방향 대향 배기포트를 포함하며,

각 흡기포트와 배기포트는 서로 인접하게 배치되고, 서로 가깝게 배치될 때 피스톤의 위치와 인접하게 배치되는 내연 엔진.
제 1 내지 제 24항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구동샤프트는 로터조립체의 회전속도의 3배로 회전되고,

상기 토로이달 실린더는 150㎜ 내지 200㎜ 사이의 반경을 갖는 내연 기관.