KR20060040546A - 연속 토크 역변위 비대칭 회전 엔진 - Google Patents

연속 토크 역변위 비대칭 회전 엔진 Download PDF

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Abstract

본 발명에는, 이동 챔버(170)와 고정 볼록 표면(100)의 역변위에 의해 전체 연소 사이클 동안 연속 토크를 발생시키는 회전 내연 기관이 개시된다. 하나 이상의 비대칭 챔버(170)와, 비대칭 크랭크 샤프트(50)와, 가변 길이를 갖는 기계식 크랭크 암(120)을 구비한 회전 엔진이 개시된다. 엔진의 단위 배기량당 종래 피스톤 엔진이나 회전 엔진보다 큰 마력을 출력시킬 수 있는 엔진이 개시된다.
연속 토크, 역변위, 비대칭, 회전 엔진

Description

연속 토크 역변위 비대칭 회전 엔진{CONTINUOUS TORQUE INVERSE DISPLACEMENT ASYMMETRIC ROTARY ENGINE}
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 2002년 7월 16일자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/396,176호의 일부 계속 출원으로서 상기 미국 특허 가출원의 우선권을 주장하는 출원이며, 상기 미국 특허 가출원은 본 명세서에 참고로 포함된다.
역변위(inverse displacement)와 비대칭 사이클과 연속 토크 발생 중 하나 이상을 나타내는 내연 기관이 개시된다.
내연 기관은 작동 유체(working fluid) 내의 화학 작용에 의해 열에너지가 발생되는 열기관이다. 내연 기관의 작동 유체는 가솔린, 디젤 엔진 등과 같이 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있는 연료와 공기이다. 열은 연료의 화학 작용에 의해 발생되며, 소모된 연료 부산물을 주위 환경으로 배기시킴으로써 배출된다. 이와는 대조적으로 증기 기관과 같은 외연 기관에서는, 열이 고체 벽을 통해 작동 유체로 전달되며, 다른 고체 벽을 통해 주위 환경으로 배출된다.
내연 기관은 증기 기관과 같은 다른 엔진 유형에 비해서 2가지 고유 이점을 갖고 있다. 첫째, 내연 기관에는 보조 냉각을 제외하고는 열교환기가 필요없기 때 문에, 엔진의 중량, 체적, 비용 및 복잡성이 감소될 수 있게 된다. 둘째, 내연 기관에는 벽을 통한 고온 열전달이 필요하지 않다. 따라서, 작동 유체의 최고 온도는 허용가능한 벽 재료 온도의 최고치를 초과할 수 있다. 하지만, 내연 기관은 공지되어 있는 고유 단점도 갖고 있다. 실제로, 작동 유체는 가연물 공급원, 공기 및 연소 생성물로 제한될 수 있어, 연소 조건의 융통성이 거의 없다. 폐열, 태양 에너지 및 원자력과 같은 비연료 열 공급원을 사용할 수 없다. 또한, 현재 설계된 내연 기관은 매우 비효율적일 수 있다.
하지만, 내연 기관 사용시 단점보다는 이점이 많다. 오토(Otto) 사이클에 기초한 4가지 사이클의 내연 기관은 현재 널리 사용되고 있다. 여타 다른 유형의 열기관을 모두 조합한 기관보다는 내연 기관이 보편적으로 사용되고 있다. 내연 기관의 한 가지 문제점은 엔진 효율이 낮다는 점이다. 내연 기관에 대한 현재 기술에 따르면, 작동 유체의 에너지를 사용가능한 동력으로 변환시키는 데 있어서 효율은 약 25%이다. 따라서, 이러한 낮은 엔진 효율로 인해, 연료에 대한 요건이 강화되며 이와 동시에 고등급의 오염 물질을 대기에 배출시킬 수 있는 연료의 필요성이 증가되고 있다.
엔진은 연료를 사용가능한 동력으로 변환시키도록 구성된다. 내연 기관에서는, 연료가 연소되어 고압 형태의 힘을 제공하게 되며, 이러한 힘은 어떤 기계식 수단에 의해 토크나 회전 운동으로 변환될 수 있어, 자동차 구동축, 톱날, 제초기 날(lawn mower blade) 등과 같은 소망하는 대상물을 운동시키게 된다. 아르키메데스 원리(Archimedes Principle)에 설명된 바와 같이, 임의의 주어진 시점에서 회전 축을 중심으로 하는 토크는 회전축으로부터 힘이 가해지는 작용점까지의 거리와 수직 힘 벡터의 곱이다. 마력은 다음 식에 의해 엔진의 토크 출력과 관계된다.
(1) 마력=토크×(분당 회전수/5252)
현재 엔진 설계에 따르면, 토크는, 임의의 주어진 시점에서 크랭크 샤프트에 가해질 수 있는 힘의 크기와, 크랭크 샤프트로부터 힘이 가해지는 작용점까지의 거리 및 각도를 조절하는 기계식 변환 수단의 기하학적 형상에 의해서 제한된다. 현재 내연 기관 기술에서는, 힘을 토크로 변환시키는 기계식 변환 수단의 기하학적 형상을 거의 변화시킬 수 없다. 토크를 증가시키기 위해서는, 발생된 힘의 크기가 증가되어야 하며, 이에 따라 보다 큰 엔진 배기량과 보다 많은 연료 소비가 필요하게 된다.
현재 내연 기관 기술에서는, 엔진 배기량의 입방 인치 또는 전체 엔진 작동 체적(working volume)과 마력(hp) 사이의 관계가 중시되고 있다. 엔진 배기량의 입방 인치와 마력 사이의 바람직한 관계는 대략 1 대 1이다. 이는 엔진 배기량의 각 입방 인치에 대해 1마력의 출력이 발생됨을 의미한다. 하지만, 현재 사용되고 있는 대부분의 내연 기관에서는, 이러한 1 대 1 관계가 성립되지 않으며, 엔진 배기량의 입방 인치당 약 0.85마력 정도만이 발생된다. 예를 들어, 과급기(turbo charger)를 부가시킴으로써 효율의 향상을 도모하는 공지된 여러 구성에 따르면, 마력 출력 수준은 전체 엔진 배기량의 입방 인치당 약 1마력을 초과하여 증가될 수 있다. 하지만, 현재의 효율 향상은 단지 이득의 증가만을 의미하며, 이에는 복잡성이 증가되고 고가의 비용이 소요되는 문제점이 수반된다.
대부분의 내연 기관은 피스톤 엔진이다. 피스톤 내연 기관에서는, 연료가 연소되어 압력을 발생시킬 수 있으며, 이 압력은 피스톤을 운동시키기 위한 힘을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 피스톤 엔진에서는 연료가 직접 챔버 내로 유입되어 피스톤에 의해 압축될 수 있다. 스파크에 의해 연료를 점화시키게 되며, 이에 따라 연료가 연소되고 챔버 내의 압력과 온도가 증가되어, 연료가 수용될 수 있는 작동 체적을 팽창시키게 된다. 연소 생성물 또는 배기 가스는 주위로 배출될 수 있다. (1)흡기, (2)압축, (3)연소 및 (4)배기로 공지되어 있는 상기 4가지 사이클은 오토 사이클로서 공지되어 있다. 현재 거의 대부분의 내연 기관은 오토 사이클을 이용하여 구성될 수 있다. 오토 사이클의 순서는 위에 열거된 순서대로 진행된다. 압축 및 연소 사이클은 서로 짝을 이루는 사이클이다. 대부분의 입력 일(work input)은 압축 사이클 중에 발생되며, 대부분의 출력은 연소 사이클 중에 발생될 수 있다. 이러한 2가지 사이클은 서로의 역공정이며, 대개는 시스템의 순 출력 일(work output)을 나타내는 압력 체적(PV) 다이어그램 상에 동일 좌표로 함께 도시된다. 배기 및 흡기 사이클도 서로 짝을 이루는 사이클이며, 종래 엔진에 있어서 서로의 역공정이다. 배기 사이클 중에는 작동 체적이 배기 가스를 배출시킬 수 있도록 축소되며, 흡기 사이클 중에는 작동 체적이 연료를 흡입할 수 있도록 팽창된다. 배기 사이클과 흡기 사이클은 그들의 각 사이클 중에 행해진 일을 무시할 수 있기 때문에 압력 체적(PV) 다이어그램 상에 도시되지 않는다. 압력 체적(PV) 다이어그램의 일례가 도 2에 도시되어 있으며, A와 B 사이가 압축 사이클이고, B와 C 사이에서 연료의 점화와 작동 체적의 압력 증가가 발생 되며, C와 D 사이가 작동 체적이 팽창되는 연소 사이클이고, D와 A가 배기 사이클과 흡기 사이클이다.
압축 사이클 또는 배기 사이클 중에 작동 체적이 축소되는 방식이 각각 연소 사이클 또는 흡기 사이클 중에 작동 체적이 팽창되는 방식에 정확히 역으로 진행된다는 점에서, 압축 사이클과 연소 사이클도 서로의 역공정이며, 배기 사이클과 흡기 사이클도 서로의 역공정이다. 피스톤의 각각의 운동 중에 작동 체적의 전체 변화량은 동일하지만 피스톤의 이전 운동시 작동 체적 변화 방향의 대향 방향으로 형성되며, 피스톤 운동 방향은 이전 운동 방향에 대향된 방향이다. 피스톤 힘이 토크로 변환되고 토크가 다시 피스톤 힘으로 변환되는 기계식 변환 공정은 서로 역공정이다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 피스톤 엔진의 각 개별 행정은 챔버(10) 내에서 피스톤(20)의 선형 운동에 해당된다. 도 1a에 도시된 바와 같이 피스톤(20)이 챔버 벽을 따라서 방향(26)을 따라 이동될 때, 작동 체적(170)이 증가되면서 연료가 흡기 포트(60)로부터 챔버(10) 내로 유입되어 흡기 사이클을 형성하게 된다(도 1b). 도 1c에 도시된 바와 같이 흡기 사이클이 종료될 때, 피스톤(20)이 챔버 벽을 따라서 방향(27)을 따라 역방향으로 이동됨으로써, 도 1d에 도시된 바와 같이 연료 및 공기를 압축시키면서 압축 사이클을 형성하게 된다. 연소 사이클을 거의 시작하는 시점에서, 압축된 연료/공기 혼합물이 점화 포트(80)의 스파크에 의해 점화되며, 이에 따라 연료/공기 혼합물의 온도와 압력이 급격히 증가되어 연료가 점화되고 연소됨으로써 가스를 생성시키게 된다. 이 가스로 인해 작동 체적 내 의 압력이 증가되어 챔버의 작동 체적(170)이 팽창되게 된다(도 1b). 연소 에너지에 의해 토크를 발생시킬 수 있는 힘이 발생하게 된다. 연소 생성물은 배기 사이클 중 배기 포트(70)를 통해 외부로 배출될 수 있다(도 1d). 위에서 설명한 바와 같이, 피스톤은 오토 사이클의 순서에 따라 챔버 길이를 4번 이동하게 된다. 피스톤은 오토 사이클의 순서대로 이동될 수 있다. 하지만, 일은 연소 사이클 중에만 얻어지기 때문에, 하나 이상의 피스톤이 연동되어 사용됨으로써, 주어진 시점에서 적어도 하나의 피스톤은 토크를 발생시키고 다른 피스톤들은 다른 사이클을 진행시킬 수 있게 된다. 2개, 4개, 6개, 8개 또는 그 이상의 다수의 피스톤이 함께 조합되어 사용되는 경우에도, 주어진 시점에서 하나 이상의 피스톤은 나머지 피스톤들과는 다른 오토 사이클 부분에 위치된다. 다수의 피스톤이 대향 방향으로 운동하게 되면, 운동이 균형 있게 형성되어 엔진이 제어되지 않을 정도로 진동하지 않게 되고 엔진을 보다 쉽게 시동시킬 수 있게 된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 피스톤 엔진에서, 챔버(10)에서의 피스톤(20) 운동은, 커넥팅 로드(30)와 크랭크 피봇(42)에 의해 그 커넥팅 로드(30)에 연결된 크랭크 암(40)을 통하여 피스톤(20)이 크랭크 샤프트(50)에 연결됨으로써 토크로 변환될 수 있게 된다. 피스톤(20)의 운동(26, 27)은 크랭크 샤프트(50)의 운동과 조화된다. 크랭크 샤프트는 피스톤의 선형 운동에 의해서 원형 운동(28)을 하게 된다. 토크는 힘과 본 경우에는 크랭크 샤프트(50)인 피봇점으로부터 힘이 가해진 작용점까지의 수직 거리를 곱한 것이다. 연소 사이클의 시작시에, 피스톤(20)과 크랭크 암(40)은 크랭크 샤프트(50)와 정렬되어 있으며, 피스톤(20)의 전체 힘은 도 1a 에 도시된 바와 같이 크랭크 샤프트(50)의 상단에 직접 가해진다. 이 시점에서, 힘이 가해진 작용점으로부터 피봇점까지의 거리는 0이고, 발생된 토크도 0이다. 크랭크 샤프트(50)가 어떤 크기만큼 회전되어야만, 크랭크 암(40)으로부터 크랭크 샤프트(50)까지의 수직 거리가 형성되어 토크가 발생하게 된다. 이러한 관계는 피스톤의 직선 운동에 따라 크랭크 암(40)이 형성하는 각도(A)의 대략 사인(sine)값에 따라서 변화된다. 피스톤(20)의 힘은, 연료가 우선 연소되어 최대 압력과 최소 체적하에 있게 되는 연소 사이클을 거의 시작하는 시점에 최대가 된다. 이러한 에너지의 큰 부분이 소실되게 되는데, 그 이유는 엔진의 기구학적 구조상 피스톤의 힘이 토크를 발생시키는 방향, 즉 크랭크 샤프트와 어느 각도를 형성하는 방향으로는 가해질 수 없기 때문이다. 실제로, 피스톤의 힘은 단지 부분적으로만 토크로 변환되며, 그 힘의 나머지는 폐열로서 소산된다. 피스톤의 힘을 샤프트의 토크로 변환시키는 데 있어서 기계적으로 제약이 있기 때문에, 현재의 피스톤 내연 기관에서는 에너지의 상당 부분이 소실된다. 이러한 문제점은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 "반켈(Wankel)" 회전 엔진과 같은 현재의 회전 내연 기관 기술 분야에도 존재한다.
예를 들어 도 3a 내지 도 3c에 가장 기본적인 형태로 도시된 회전 엔진에는 대개 단일 대칭 챔버(10)가 구비된다. 피스톤 대신에 다면 로터(multi-face rotor)(22)가 구비되며, 이 다면 로터는 그가 크랭크 샤프트(50) 주위로 챔버(10) 내에서 회전될 때 챔버 벽을 가압시킨다. 로터는 예를 들어 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 회전될 수 있다. 로터(22)가 선회하게 되면, 오토 사이클의 4가지 사이클 각각에 필요한 작동 체적(170a, 170b, 170c)의 변화가 발생 하게 된다. 반켈 회전 엔진에서, 챔버(10)는 대략 타원형이고, 크랭크 샤프트(50)는 중심에 있다. 반켈 회전 엔진의 로터(22)는 대략 삼각형 형상을 갖고 있으며, 3개의 볼록 형상 로터 면(5a, 5b, 5c)과 3개의 별도의 작동 체적(170a, 170b, 170c)을 형성한다. 크랭크 샤프트(50)용 원형 구멍(55)이 로터(22)의 중심에 위치될 수 있다. 로터(22)는 크랭크 샤프트(50) 주위로 대칭 운동한다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 로터(22)가 크랭크 샤프트(50) 주위로 선회될 때 로터(22)의 3개의 정점(21a, 21b, 21c) 모두가 챔버 벽과 일정하게 접촉되어 4가지 사이클 각각을 완료시킬 수 있도록 챔버 벽의 형상이 형성된다. 로터(22)의 내부는 원형 구멍(55)의 내부에 위치된 기어(미도시)에 의해 크랭크 샤프트(50)와 접촉되고 이를 선회시키게 된다. 피스톤 엔진에서와 같이, 흡기 포트(60), 배기 포트(70) 및 점화 포트(80)가 구비되어, 작동 체적(170a, 170b, 170c)으로 연료를 공급하고 작동 체적으로부터 연료를 배출시키며 작동 체적의 연료를 점화시킴으로써, 오토 사이클을 수행하게 된다.
회전 엔진에서는 챔버 벽이나 로터의 형상을 거의 변화시킬 수가 없다. 토크는 로터 면과 챔버 벽의 상호 작용에 의해 발생된다. 피스톤 엔진에서와 같이, 연소 사이클의 일부 동안에 토크 발생이 없는 문제점이 존재한다. 연소 엔진의 시작시와 종료시에 발생할 수 있는 바와 같이, 로터 면과 챔버 벽이 그들 사이의 입사각(angle of incidence)없이 서로를 직접 가압시키게 되는 경우에, 토크가 발생되지 않는다. 로터 면이 챔버 벽을 어떤 입사각하에서 가압시켜야만, 상기 로터 면이 챔버 벽을 따라 활주되어 샤프트를 회전시킴으로써 토크를 발생시킬 수 있게 된다. 회전 엔진에서는, 연소 사이클의 시작시와 연소 사이클의 종료시에 로터와 챔버 벽이 서로 가압되는 방향이 샤프트와 정렬된다. 따라서, 피스톤 엔진과 마찬가지로, 회전 엔진에 의해 발생되는 토크는 연소 사이클의 시작시와 종료시에 모두 0이며, 발생된 힘의 많은 양이 폐기된다. 회전 엔진에서는, 토크는 로터 면에 의해 발생된 힘의 방향과 챔버 외벽으로부터의 힘의 방향 사이의 입사각의 함수로서 변화하게 되며, 토크는 로터 면으로부터의 힘에 입사각의 사인값과 입사각의 코사인(cosine)값을 곱하여 산출된다. 입사각은 약 0도로부터 약 20도까지 변화된다. 이에 따라, 범위가 0도 내지 180도인 각도의 사인값의 함수로서 토크가 변화되는 피스톤 엔진에서보다 작게 힘이 토크로 변환되게 된다.
종래의 내연 기관에서는 피스톤의 힘 일부를 크랭크 샤프트를 중심으로 하는 토크로 변환시킨다. 피스톤과 크랭크 샤프트의 기하학적 관계를 살펴보게 되면, 피스톤 엔진의 토크를 산출하기 위한 수학식이 유도될 수 있다. 도 4에는 피스톤 힘[F(p)], 커넥팅 로드(L), 크랭크 암(C) 및 크랭크 샤프트(CS)의 기하학적 관계가 도시되어 있으며, 이들로부터 수학식이 유도될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크 암(C)이 크랭크 샤프트 주위로 회전될 때, 각도(A)가 형성된다. 연소 사이클의 시작시에, 각도(A)는 0이다. 연소 사이클이 진행되면서 각도(A)는 180도로 증가된다. 연소 사이클의 임의의 시점에서 크랭크 샤프트 주위로의 토크는, 다음식과 같이 공지된 삼각법 및 대수 대입법을 사용하여 커넥팅 로드(L)와 크랭크 암(C)의 운동에 의해 형성된 토크의 수평 성분[F(x)] 및 수직 성분[F(y)]을 합하여 연산될 수 있다.
(2) 토크=F(x)×C×sin(A)+F(y)×C×cos(A)
(3) L2=X2+Y2
(4) Y=C×sin(A)
식 (3)의 X를 풀기 위해 대입하면 다음과 같다.
(5)
Figure 112004063228290-PCT00001
(6)
Figure 112004063228290-PCT00002
F(x)=F(p)로 가정하면 다음과 같다.
(7)
Figure 112004063228290-PCT00003
이를 식 (1)에 대입하면 다음과 같다.
(8)
Figure 112004063228290-PCT00004
식 (2)에서 볼 수 있는 바와 같이, 엔진의 전체 토크는, 힘[F(x)]에 샤프트로부터의 수직 거리[C×sin(A)]를 곱한 값과, 힘[F(y)]에 샤프트로부터의 수직 거리[C×cos(A)]를 곱한 값을 더한 것이다. F(x), F(y) 및 F(p)의 관계를 대입하면 토크에 대한 식 (8)을 얻게 된다. 토크에 대한 식의 각 항에 sin(A)가 있기 때문에, 토크는 sin(A)에 따라 변화하게 된다. 각도(A)가 0도이거나 180도일 때 토크는 0이 된다. 1리터 피스톤 엔진의 경우에, 힘이 토크로 변환되는 기계식 변환 함수가 도 5에 라인(P)으로서 도시되어 있다.
피스톤 엔진에서, 피스톤의 힘은 챔버 내의 압력이 최대인 연소 사이클 거의 시작시에 최대가 된다. 연소 사이클의 시작시에, 각도(A)는 0도이며, 토크 성분은 0이 된다. 연소 사이클 거의 시작시에 피스톤의 전체 힘은 토크로 변환되지 않기 때문에, 열과 마찰력으로서 소산되어 폐기된다. 종래 피스톤 엔진에서는, 크랭크 암이 0도를 초과하는 어떤 각도만큼 회전될 때까지는 토크 발생이 시작되지 않는다.
종래 회전 엔진은 피스톤 엔진과는 다른 방식으로 토크를 발생시킨다. 회전 엔진은 2개의 표면을 서로 각도를 형성하면서 상호 작용시키거나 가압시킴으로써 토크를 발생시킨다. 토크는 로터 면과 고정 오목 챔버 벽 표면에 의해 발생된 힘들의 방향 사이의 입사각 함수이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 두 표면의 힘들이 정확히 대향 방향으로 형성될 때에는, 로터의 힘[F(r)]과 벽의 힘[F(s)]이 크랭크 샤프트(CS)와 일직선으로 형성되어 입사각이 형성되지 않기 때문에, 토크 성분이 발생되지 않게 된다. 토크 성분을 발생시키기 위해서는, 0도보다는 크고 90도보다는 작은 어떤 입사각을 형성하면서 힘들이 서로 작용하여야 한다. 0도보다는 크고 90도보다는 작은 각도로 형성된 힘들의 교차로 인해, 도 7에 도시된 바와 같이 교차 표면들이 크랭크 샤프트(CS)를 중심으로 서로에 대해 측방향 운동을 하게 되어 토크 성분[F(t)]이 발생된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 토크는 로터의 힘[F(r)]에 크랭크 샤프트(CS)로부터 챔버 벽(S)까지의 거리(D)를 곱한 값에 cos(C)×sin(C)를 곱한 것이며, 여기서 C는 토크[F(t)]를 발생시키는 힘의 성분 방향과 챔버 벽 사이에 형성된 입사각이고, F(s)는 챔버 벽의 힘이다.
(9) 토크=F(t)×D
(10) 챔버 벽을 따른 힘의 성분=F(s)×sin(C)
(11) 토크[F(t)]를 발생시키는 힘의 성분=F(s)×sin(C)×cos(C)
(12) F(s)=F(r), 여기서 F(r)=로터의 힘
(13) 토크=F(r)×sin(C)×cos(C)×D
sin(C)×cos(C)의 값은 45도에서 최대이다. 45도에서 cos(C)×sin(C)의 값은 1/2이다.
종래 회전 엔진은 종래 피스톤 엔진에서와 같이 힘이 토크로 기계식으로 변환되는 데 있어서 유사한 문제점을 갖고 있다. 회전 엔진에서는, 연소 사이클의 시작 및 종료시에 로터 면으로부터의 힘의 방향과 챔버 벽으로부터의 힘의 방향이 정렬된다. 따라서, 로터 면의 힘과 챔버 외벽의 힘이 서로 정렬되어 각각 크랭크 샤프트와 정렬됨으로써 입사각이 형성되지 않기 때문에, 토크가 발생되지 않는다. 로터 면과 챔버 외벽이 0도보다는 크고 90도보다는 작은 각도로 서로 가압되는 연소 사이클의 도중에서만 토크 성분이 발생하게 된다.
현재 기술을 이용하여 힘을 토크로 보다 크게 변환시키는 데 있어서 또 다른 문제점은 크랭크 암의 길이이다. 토크는 힘과 그 힘이 가해지는 작용점까지 피봇점이나 크랭크 샤프트로부터 떨어진 수직 거리를 곱한 값이다. 만일 크랭크 암이 보다 길게 제조된다면, 크랭크 샤프트와 힘 작용점 사이의 거리가 보다 길어지기 때문에 짧은 크랭크 암보다는 큰 토크가 발생될 수 있게 된다. 기능적으로, 크랭크 암의 길이는 예를 들어 엔진 연료의 압축비와 같은 엔진의 기구학적 구성에 의해 제한된다. 크랭크 암이 길어질수록, 연소 사이클 중 압축비가 높아진다. 피스톤 엔 진의 경우에, 피스톤은 보다 긴 거리를 이동해야 할 필요가 있게 된다. 하지만, 피스톤의 이동 거리가 길어지게 되면, 전체 엔진 배기량이 커지게 되고, 연소 사이클 중 연료 및 공기 혼합물의 압축비가 높아지게 된다. 가장 공통적으로 사용되는 연료인 가솔린의 압축비는 가솔린 폭발 전에 최대 약 10 대 1로 제한된다. 엔진의 크랭크 암 길이는 엔진의 기구학적 구성과 연료의 최대 압축비에 의해 결정된다. 크랭크 암 길이는 증가될 수 없는데, 그 이유는 크랭크 암 길이가 증가하게 되면 연료의 최대 압축점보다 높은 압축비가 형성될 수 있기 때문이다.
본 명세서에 개시되고 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 엔진의 토크는 식 (1)에 의해 마력으로 변환된다. 만일 피스톤이나 로터의 현존하는 힘을 연소 사이클 중에 연속하여 토크로 변환시키는 기계식 변환 수단이 결정된다면, 보다 큰 마력이 발생될 수 있고. 바람직한 열역학적 특성과 유체 기계적 특성을 유지시킬 수 있게 된다. 연소 사이클 중 샤프트로부터 보다 바람직한 거리에서 힘을 가할 수 있는 기계식 수단이 결정된다면, 보다 큰 토크와 마력을 발생시킬 수 있게 된다.
다양한 실시예들에 따르면, 종래 내연 기관에 비해 큰 토크를 발생시킬 수 있는 내연 기관이 제공된다. 다양한 실시예들에 따르면, 배기량의 입방 인치당 약 4 내지 1마력을 발생시킬 수 있는 내연 기관이 제공된다.
다양한 실시예들에 따르면, 고정 볼록 외형부에 대해 이동하는 오목 형상 외형부를 구비한 회전 엔진이 제공된다.
다양한 실시예들에 따르면, 연소 사이클 중에 연속하여 토크를 발생시킬 수 있는 회전 내연 기관이 제공된다. 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부에 의해 발생된 힘과 고정 표면에 의해 발생된 대향력의 입사각을 조절함으로써 전체 연소 사이클 중 토크가 연속하여 발생될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 본 명세서에 개시된 회전 내연 기관의 크랭크 암 길이는 동일 배기량을 갖는 피스톤 내연 기관의 크랭크 암 길이보다 길 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 내연 기관에는, 적어도 2개의 오목 형상 외형부와, 서로에 대해 180도로 위치된 적어도 2개의 챔버 각각 내에 위치된 하나의 샤프트가 구비되어, 균형 있는 엔진 조립체를 형성하게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 각 챔버는 비대칭으로 성형될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 엔진 사이클 중에 길이가 변화되는 크랭크 암을 구비한 내연 기관이 제공된다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 암 길이는 연소 사이클 중에 증가되고 압축 사이클 중에 감소된다.
다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 샤프트는 회전 내연 기관의 챔버 내에 편심되어 위치될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 내연 기관은, 작동 체적의 변화에 비대칭인 연소 사이클, 압축 사이클, 흡기 사이클 및 배기 사이클을 구비할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 내연 기관은 연소 사이클과 압축 사이클 사이에서 힘을 토크로 비대칭적으로 변환시킬 수 있다.
연소 사이클 중에 토크를 연속하여 발생시키는 방법이 제공된다.
이하에서는 본 발명의 실시예들과 종래 기술의 여러 가지 다양한 실시예들을 첨부 도면을 참고로 하여 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 피스톤 엔진의 엔진 사이클 중 피스톤의 여러 위치를 도시한 도면이다.
도 2는 피스톤 엔진의 압력-체적 곡선을 도시한 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 반켈 회전 엔진의 엔진 사이클 중 로터의 여러 위치를 도시한 도면이다.
도 4는 피스톤의 힘[F(p)]과 피스톤의 운동에 의해 크랭크 샤프트(CS)를 중심으로 형성된 토크의 기하학적 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 피스톤 엔진(P)과 본 명세서에 개시된 회전 내연 기관에 대해서 힘이 토크로 변환되는 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 로터의 힘과 벽의 성분력들이 일직선을 형성할 때 벽의 힘[F(s)]과 로터의 힘[F(r)] 사이의 기하학적 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 로터의 힘과 벽의 성분력들이 일직선을 형성하지 않을 때 토크[F(t)]를 형성하는 로터의 힘[F(r)]과 벽의 힘[F(s)] 사이의 기하학적 관계를 도시한 도면이다.
도 8a는 작동 체적이 최대가 되는 위치에 로터 면이 있는 로터의 한 면을 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
도 8b는 작동 체적이 최소가 되는 위치에 로터 면이 있는 로터의 한 면을 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
도 9a는 작동 체적이 최대가 되도록 오목 표면이 고정 볼록 표면에 대해 위치되어 있는 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
도 9b는 작동 체적이 최소가 되도록 오목 표면이 고정 볼록 표면에 대해 위치되어 있는 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 오목 형상 외형부의 일 실시예를 도시한 정면도이다.
도 11은 도 10의 선 11-11을 따라 본 발명의 오목 형상 외형부의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 12는 회전 엔진 챔버의 일 실시예를 개략적으로 도시한 다이어그램으로서, 흡기 포트, 점화 포트 및 배기 포트와, 면판과, 오목 형상 외형부와, 크랭크 피봇과, 유지기가 도시되어 있는 도면이다.
도 13은 도 12의 선 13-13을 따라 회전 엔진을 도시한 단면도이다.
도 14는 반경과 그 반경에 의해 형성된 곡선과의 기하학적 관계를 도시한 도면으로서, 반경이 피봇 핀을 중심으로 어느 증분 크기만큼 반시계 방향으로 회전될 때 반경 길이가 일정하게 유지되는 상태를 도시한 도면이다.
도 15는 반경과 그 반경에 의해 형성된 곡선과의 기하학적 관계를 도시한 도면으로서, 반경이 피봇 핀을 중심으로 어느 증분 크기만큼 반시계 방향으로 회전될 때 반경 길이가 증가되는 상태를 도시한 도면이다.
도 16은 반경이 피봇 핀을 중심으로 반시계 방향으로 회전될 때 반경 길이가 연속하여 증가되는 곡선의 그래프이다.
도 17은 고립부의 챔버 내벽에 대한 일 실시예의 형상과 고립부에서 크랭크 샤프트의 위치를 도시한 도면으로서, 상기 형상은 도 16의 곡선에 관련되는 도면이다.
도 18은 오목 형상 외형부, 크랭크 피봇, 유지기, 크랭크 샤프트 및 챔버 외벽과 함께 도 17의 고립부를 구비한 회전 엔진의 일 실시예를 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
도 19a는 도 17의 고립부와 챔버 외벽과의 관계를 도시한 다이어그램이다.
도 19b는 도 19a의 챔버 외벽의 형상과 대응되는 도 16의 곡선 일부를 확대하여 도시한 그래프이다.
도 20은 2개의 챔버, 크랭크 샤프트 및 크랭크 디스크를 구비한 엔진의 일 실시예를 도시한 분해도로서, 각 챔버는 2개의 오목 형상 외형부, 면판, 챔버 내벽, 챔버 뒷벽 및 챔버 외벽을 구비하고 있으며, 각 오목 형상 외형부는 유지기 및 크랭크 피봇을 구비하고 있는 상태를 도시한 도면이다.
동일 부품은 도면에 동일 도면 부호로 표기되어 있다. 도면들은 본 발명의 여러 가지 실시예들을 도시하고 있으며, 축척에 따라 도시되지 않았다. 이와 다른 실시예들은 본 기술 분야의 당업자라면 다음의 상세한 설명과 첨부 특허청구범위로부터 명확하게 파악할 수 있다.
단위 엔진 배기량당 보다 큰 마력과 토크를 발생시킬 수 있는 보다 효율적인 내연 기관을 얻기 위해서, 종래 내연 기관의 여러 특징들이 단독으로 또는 조합되어 변화될 수 있다. 이러한 특징들에는, 작동 체적의 변화를 발생시키는 이동 부품 과 고정 챔버 표면 사이의 관계와, 연소 사이클 중 힘이 크랭크 샤프트에 가해지는 각도와, 연소 사이클 중 힘이 토크로 변환되는 기계식 변환과, 작동 체적의 변화에 대한 엔진 사이클의 대칭성 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 이러한 특징들 중 하나 이상을 변화시킴으로써 첨부 도면을 참고로 설명하는 바와 같이 보다 에너지 효율적인 내연 기관이 형성된다.
피스톤 엔진과 회전 엔진을 모두 포함하는 종래 내연 기관은, 챔버 내에 작동 유체가 존재할 수 있는 공간의 체적이나 "작동 체적(working volume)"을 변화시킴으로써 작동된다. 작동 체적은 연료 흡입시 팽창되고, 연료 압축시 축소되며, 연료 점화시 팽창되고, 연소 부산물을 챔버로부터 배출시킬 때 축소된다. 종래의 피스톤 엔진과 회전 엔진에서는, 각각 도 1a 내지 도 1d와 도 3a 내지 도 3c에서 볼 수 있는 바와 같이 볼록한 형상의 피스톤 또는 로터 면을 챔버의 오목한 고정 표면을 따라 이동시킴으로써 작동 체적이 변화될 수 있다. 도 8a와 도 8b에는, 챔버(10)의 고정 오목 표면(11)과, 볼록 형상 로터(22)의 단일면(5)과, 고정 오목 표면(11)과 볼록 로터면(5) 사이의 공간에 의해 형성된 작동 체적(170) 사이의 관계가 도시되어 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 큰 선회 반경(150)을 갖는 챔버(10)의 고정 오목 표면(11)의 위치로부터 작은 선회 반경(160)을 갖는 챔버(10)의 오목 표면(11)의 위치로 볼록 로터 면(5)이 방향(23)을 따라 크랭크 샤프트(50) 주위로 이동될 때, 종래 회전 엔진의 작동 체적(170)이 증가된다. 따라서, 작동 체적(170)은 작은 선회 반경(160)을 갖는 챔버(10)의 고정 오목 표면(11)에 볼록 로터 면(5)이 위치될 때 최대가 된다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 작은 선회 반경(160)을 갖는 챔버(10)의 오목 표면(11)의 위치로부터 큰 선회 반경(150)을 갖는 챔버(10)의 오목 표면(11)의 위치로 볼록 로터 면(5)이 방향(23)을 따라 크랭크 샤프트(50) 주위로 이동될 때, 작동 체적(170)이 감소된다. 따라서, 작동 체적(170)은 큰 선회 반경(160)을 갖는 챔버(10)의 고정 오목 표면(11)에 볼록 로터 면(5)이 위치될 때 최소가 된다.
종래 회전 엔진 또는 피스톤 엔진의 엔진 효율을 증가시키기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 작동 체적이 형성되는 구조가 변경될 수 있다. 연소 사이클 중 엔진이 힘을 토크로 기계식으로 변환시키는 방식은, 종래 엔진의 이동 볼록 형상부와 고정 오목 표면 사이의 관계를 역전시킴으로써 보다 양호하게 제어될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 도 9a와 도 9b에 도시된 바와 같이 오목 형상 외형부가 고정 볼록 표면 주위로 이동되어 작동 체적을 변화시키게 된다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 종래 엔진과 비교하여 보면, 이러한 이동 부품과 고정 표면 사이의 역변위로 인해, 작은 선회 반경(160)을 갖는 고정 볼록 표면(90)의 위치로부터 큰 선회 반경(150)을 갖는 고정 볼록 표면(90)의 위치로 오목 형상 외형부(24)가 방향(29)을 따라 고정 볼록 표면(90) 상에서 크랭크 샤프트(50) 주위로 이동될 때 작동 체적(170)이 증가된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 큰 선회 반경(150)을 갖는 고정 볼록 표면(90)의 위치로부터 작은 선회 반경(160)을 갖는 고정 볼록 표면(90)의 위치로 오목한 형상의 외형부(24)가 방향(29)을 따라 크랭크 샤프트(50) 주위로 이동될 때 작동 체적(170)이 감소된다. 이렇게 작동 체적이 형성되는 방식으로 인해, 종래 회전 엔진 기술과 비교하여 고정 표면 상에서 최대 작동 체적이 형성되는 역관계가 성립된다.
엔진의 챔버 표면과 이동 부품 사이의 종래 공간 관계를 역으로 치환시키게 되면, 일부 이동 볼록 표면이 고정 오목 챔버의 작동 체적을 통해 이동되는 현재 엔진 기술과는 반대로 일부 고정 볼록 표면을 따라 작동 체적을 형성하는 오목 공간을 이동시킴으로써 작동 체적이 변화된다. 피스톤 엔진으로 유추하여 설명하면, 피스톤을 정지 상태로 유지시키고 실린더형 챔버를 피스톤을 따라 상하로 이동시켜서 작동 체적을 변화시킨다는 의미이다. 이동 부품과 고정 표면 사이의 역변위는 엔진의 회전 운동을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 현재의 엔진 기술 분야에서, 어느 부품이 챔버의 작동 체적을 통해 내부로 이동될 때 그 부품은 작동 체적을 통해 내부로 이동된 방식과 동일한 방식으로만 외부로 이동될 수 있기 때문에, 작동 체적은 그가 축소되는 방식에 정확히 역방식으로만 팽창될 수 있다. 종래 엔진의 작동 체적이 팽창되고 축소되는 공정은 정확히 역공정이며, 흡입, 압축, 연소 및 배기의 4가지 사이클 동안 대칭이다. 이동 부품과 고정 표면을 역변위시키게 되면, 작동 체적의 팽창 및 축소와 이에 의한 힘은 작동 체적의 형상을 특정함으로써 조절될 수 있다. 작동 체적의 경로와 형상을 조절함으로써 바람직하게 힘이 토크로 기계식으로 변환되어 엔진에 단위 변위당 보다 큰 마력이 제공된다. 작동 체적의 변화는 오목한 형상의 이동 외형부가 활주되는 볼록 표면의 곡선 반경의 함수로서 형성될 수 있다. 작동 체적은, 오목한 형상의 이동 외형부의 경로를 따른 각각의 위치에서 고정 볼록 표면의 형상에 따라 각기 다른 크기로 팽칭되고 축소될 수 있다. 역변위 엔진의 이동 부품과 고정 표면의 역관계로 인해, 흡기, 압축, 연소 및 배기의 4가지 사이클이 서로 독립적으로 수행되고 최적화됨으로써 상기 사이클들이 비대칭이 될 수 있다. 이제 엔진의 역변위를 상세히 설명한다.
다양한 실시예들에 따르면, 도 10과 도 11(도 10의 선 11-11을 따라 절단하여 도시한 단면도)에 도시된 오목한 형상의 외형부가 역변위 엔진에 사용될 수 있다. 도 10과 도 11에 도시된 바와 같이, 오목한 형상의 외형부(24)는 그 형상이 반구형일 수 있으며, 실린더의 길이 방향 반쪽과 유사할 수 있다. 오목 형상 외형부(24)의 내부 곡선(200)은 반원형일 수 있거나, 또는 엔진 챔버의 챔버 내벽 형상에 상보형인 여타 다른 형상일 수 있다. 오목 형상 외형부(24)의 내부 곡선(200)은 챔버 내벽의 최소 선회 반경보다 작은 선회 반경을 가질 수 있다. 오목 형상 외형부(24)에는, 그 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽을 따라 일주할 때 챔버 내벽과 활주가능하게 맞대어져 유지될 수 있는 레그(leg)(33, 34)가 구비된다. 오목 형상 외형부(24)의 레그(33, 34)와 내부 곡선(200)은 챔버 내벽과 함께 작동 체적을 형성한다. 오목 형상 외형부(24)의 외부 곡선(210)은 레그(33, 34)가 엔진 챔버의 챔버 내벽과 접촉될 때 엔진 챔버의 챔버 외벽과 접촉되기에 적합한 임의의 형상으로 형성될 수 있다. 오목 형상 외형부(24)의 내부 곡선(200)은, 압축 사이클 중 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽을 따라 활주될 때 연료 및 공기 혼합물의 소망하는 압축비를 제공하는 작동 체적을 챔버 내벽과 함께 형성할 수 있는 임의의 형상으로 형성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부, 챔버 내벽 및 챔버 외벽의 형상은 서로의 함수들일 수 있다. 이러한 형상들은 상호 작용할 수 있게 형성되어야 하지만 이에 국한되는 것은 아니며, 구형이나 타원형 또는 이와 다른 종래 기하학적 형상으로 한정되지 않는 임의의 다양한 곡선 형상으로 형성될 수 있다. 오목 형상 외형부(24)의 내부 곡선(200)이 반원형이고 오목 형상 외형부의 깊이가 오목 형상 외형부의 폭과 거의 동일한 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부의 내부 곡선의 유효 압력 표면적은 유사 체적을 갖는 피스톤의 유효 압력 표면적의 대략 2배이며, 이에 따라 크랭크 샤프트를 선회시키는 데 보다 큰 힘(힘=압력×면적)이 제공된다.
도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부(24)는 그가 챔버 외벽의 외주를 따라 활주되도록 하는 유지기(retainer)(130)에 의해 챔버 외벽에 해제가능하게 또는 영구적으로 활주가능하게 연결되거나 맞대어질 수 있다. 적절한 유지기로는 롤러 베어링, 기어 또는 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있는 여타 다른 활주가능 유지기가 포함되지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 유지기는 도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 오목 형상 외형부(24)의 외부 곡선(210) 중심에 위치될 수 있거나, 또는 하나 이상의 방향으로 편위될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부(24)의 레그(33, 34)는 챔버 내벽에 해제가능하게 또는 영구적으로 활주가능하게 연결되거나 맞대어질 수 있다. 오목 형상 외형부(24)의 하나 이상의 레그(33, 34)에 위치된 롤러 베어링, 기어 또는 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있는 여타 다른 활주가능 커넥터를 포함하지만 이에 국한되지는 않는 활주가능 커넥터가 오목 형상 외형부(24)의 레그(33, 34)에 구비될 수 있으며, 상기 활주가능 커넥터는 오목 형상 외형부(24)의 레그 (33, 34)가 챔버 내벽의 외주를 따라 활주되도록 한다.
도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 피봇(crank pivot)(120)이 오목 형상 외형부(24)의 전방 표면을 넘어 연장되도록 오목 형상 외형부(24)에 위치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 피봇(120)은 그가 크랭크 디스크와 상호 작용하기에 충분한 임의의 위치에서 오목 형상 외형부(24)의 전방 표면을 넘어 연장되도록 위치될 수 있다. 크랭크 피봇(120)은 오목 형상 외형부(24)가 챔버의 챔버 내벽을 따라 이동될 때 챔버 외부에 위치된 크랭크 디스크를 크랭크 샤프트 주위로 가압시키는 데 사용될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부(24)는 고정 볼록 표면(100)과 상호 작용하는 오목한 내부 곡선(200)을 구비할 수 있다. 고정 볼록 표면은 챔버(10)의 챔버 내벽(100)이다. 고정 볼록 표면(100)은 고립부(island)(90)의 외부 표면일 수 있다. 고정 볼록 표면(100), 오목 형상 외형부(24)의 내부 곡선(200) 및 후방 챔버 벽(180)은 면판(face plate)(140)과 함께 작동 체적(170)의 작동 체적 챔버를 형성한다. 오목 형상 외형부(24)의 오목한 내부 표면(200)은 종래 회전 엔진의 로터의 하나의 면과 기능면에서 동일할 수 있다. 오목 형상 외형부(24)의 외부 곡선(210)은 유지기(130)에 의해 챔버 외벽(110)과 상호 작용할 수 있고 그 챔버 외벽을 따라 활주될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부(24)의 외부 곡선(210)은 챔버 내벽(100)에 대해 오목 형상 외형부(24)의 레그(33, 34)를 유지시킬 수 있다. 오목 형상 외형부(24)는 활주가능 커넥터에 의해 챔버 내벽(100)을 따라 활주되거나 이동될 수 있다. 오목 형상 외형 부(24)가 챔버 내벽(100) 주위로 이동됨으로써, 크랭크 피봇(120)에서 오목 형상 외형부(24) 및 크랭크 샤프트(50)와 상호 작용하는 크랭크 디스크(미도시)에 의해 크랭크 샤프트(50)가 회전하게 된다.
다양한 실시예들에 따르면, 챔버(10)의 깊이가 오목 형상 외형부(24)의 두께와 동일하게 형성될 수 있다. 챔버(10)는, 고립부(90)를 형성하는 챔버 내벽(100)과, 챔버 외벽(110)과, 챔버 뒷벽(180)에 의해 형성될 수 있다. 챔버는 금속, 세라믹 또는 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있는 여타 다른 적절한 재료의 하나 이상의 부분으로 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 챔버 내벽(100), 고립부(90), 챔버 외벽(110) 및 챔버 뒷벽(180)은 적절한 재료를 성형하거나 기계 가공하여 주조함으로써 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 고립부(90) 및 일체형 챔버 내벽(100)은 챔버 외벽(110) 및 챔버 뒷벽(180)과 별도로 형성될 수 있으며, 예를 들어 용접, 가열 용합, 부착, 단조 또는 기계식 체결과 같이 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있는 임의의 방식을 사용하여 상기 챔버 외벽 및 챔버 뒷벽에 부착될 수 있지만 상기 방식에만 한정되는 것은 아니다. 또 다른 실시예에 따르면, 고립부(90)는 챔버 내벽(100)에 의해 형성된 공간 내에 위치될 수 있으며, 챔버 내벽(100)은 챔버 뒷벽(180)과 선택적으로는 챔버 외벽(110)과 일체로 형성될 수 있다. 고립부(90)는 챔버 내벽(100)에 의해 형성된 중공부일 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 고립부(90)는 고형체(solid)일 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 면판(140)이, 고립부(90)와, 챔버 내벽(100)과, 내부 곡선(200)을 포함한 오목 형상 외형부(24)의 일부 와, 챔버 뒷벽(180)의 일부를 덮게끔 챔버(10) 위에 위치될 수 있어, 작동 체적(170)을 포함하는 작동 체적 챔버를 형성하게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 면판(140)이 고립부(90), 챔버 내벽(100) 또는 그들 모두에 장착되거나 부착될 수 있어, 상기 면판(140)이 크랭크 샤프트(50) 또는 오목 형상 외형부(24)와 접촉되거나 그들의 운동을 방해할 수 없게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 면판(140)은 고립부(90)와 챔버 내벽(100)을 덮으며, 이 때 오목 형상 외형부(24)와 상호 작용하기에 충분하고 작동 체적(170)을 덮기에 충분한 거리만큼 챔버(10) 위에서 챔버 내벽(100)을 넘어 연장된다. 면판(140)은 크랭크 샤프트(50)가 그 면판(140)을 통과시키도록 하는 구멍을 구비할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 면판(140)은, 오목 형상 외형부(24)와 상호 작용하고 작동 체적(170)을 덮기에는 충분하지만 고립부(90)를 모두 덮지는 않는 거리만큼 챔버(10) 위에서 챔버 내벽(100)으로부터 연장될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 면판(140)은 오목 형상 외형부(24)에 위치된 크랭크 피봇(120)의 운동을 방해하지 않는다. 다양한 실시예들에 따르면, 면판(140)은 크랭크 디스크의 운동을 방해하지 않는다.
도 12에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 작동 체적(170)이 챔버(10) 내에서 이동될 때, 흡기 포트(60), 배기 포트(70) 및 점화 포트(80)가 챔버(10) 내에서 작동 체적(170) 영역 내의 챔버 뒷벽(180)에 위치될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 포트(60, 70, 80)들의 위치는 엔진이 흡기, 압축, 연소 및 배기 사이클을 연속하여 진행시킬 때 챔버 내벽(100) 주위로 오목 형상 외형부(24)의 반시계 방향 운동(29)에 맞추어 형성되어 있다. 포트(60, 70, 80)들은 각 사이클이 챔버(10) 내에서 발생되는 위치에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 점화 포트(80)는, 작동 체적(170)이 최소이고 챔버(10)에 존재하는 연료가 작동 체적(170) 내에서 최대로 압축되는 위치에서 챔버 뒷벽(180)에 배치될 수 있다. 이 위치에서, 작동 체적(170) 내의 연료 및 공기 혼합물은 점화 포트(80)의 스파크에 의해 점화될 수 있다. 오목 형상 외형부가 챔버 내벽(100) 주위로 이동되고 연료 및 공기 혼합물의 연소로 인해 작동 체적(170)이 최대로 팽창되면, 연소 사이클이 종료된다. 이 연소 사이클에 후속하여, 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽(100) 주위로 이동되면서 작동 체적(170)이 축소되어, 배기 사이클에서 챔버(10)의 배기 포트(70)로부터 소모된 연료와 가스를 배출시키게 된다. 오목 형상 외형부(24)가 계속하여 챔버 내벽(100) 주위로 이동하게 되면, 작동 체적(170)이 팽창되고 연료 및 공기가 흡기 포트(60)를 통해 흡입되면서 흡기 사이클이 시작될 수 있다. 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽(100) 주위로 이동하게 되면, 작동 체적(170)이 감소되면서 점화 포트(80)에 도달할 때까지 연료 및 공기 혼합물을 압축시키게 된다. 그 다음에, 상기 엔진 사이클이 반복될 수 있다.
여러 실시예들에 따르면, 크랭크 샤프트(50)는 일례로 도 12에 도시된 바와 같이 고립부(90) 중심에 위치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 샤프트(50)는 고립부(90)에 편심되어 위치될 수 있어, 오목 형상 외형부가 가변 반경을 가지고서 챔버 내벽(100) 주위로 챔버(10) 내에서 이동할 수 있게 된다. 상기 반경은 임의의 주어진 시점에서 크랭크 샤프트(50)로부터 오목 형상 외형부(24)의 크랭크 피봇(50)까지의 거리일 수 있다. 이 거리는 기계식 크랭크 암 길이일 수 있다. 편위되어 있는 크랭크 샤프트(50)에서는, 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽(100) 주위로 이동될 때 반경이 변화될 수 있다. 이러한 반경의 변화로 인해, 크랭크 샤프트(50)의 전체 토크가 엔진 사이클 중에 변화될 수 있게 된다. 반경이 증가되면, 크랭크 샤프트(50)의 토크가 증가될 수 있다. 반경이 감소되면, 크랭크 샤프트(50)의 토크가 감소될 수 있다. 크랭크 샤프트(50)가 편위되어 있는 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부(24)가 크랭크 샤프트(50) 주위로 이동되고 크랭크 피봇(120)을 통한 크랭크 디스크와의 상호 작용에 의해 크랭크 샤프트(50)를 회전시킬 때 크랭크 피봇(120)의 변화 위치를 수용하도록 슬롯이 크랭크 디스크에 위치될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 실시예의 선 13-13을 따라 절단하여 도시한 단면도로서, 부가적으로 하나 이상의 슬롯(36)을 구비한 크랭크 디스크(35)의 위치를 도시한 도면이다. 도 13에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 엔진은 챔버(10)로부터 면판(140)의 대향 측부에 있는 크랭크 디스크(35)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 디스크(35)는 오목 형상 외형부(24)의 크랭크 피봇(120)과 상호 작용하는 하나 이상의 슬롯(36)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 슬롯(36)은 도 13에 도시된 바와 같이 홈, 챔버, 채널 또는 크랭크 디스크(35)에 크랭크 피봇(120)을 수용할 수 있는 여타 다른 함몰부일 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 피봇(120)이 크랭크 디스크(35)를 통하여 그리고 크랭크 디스크(35)의 상부 표면을 넘어 연장될 수 있게 슬롯(36)이 크랭크 디스크(35)를 통해 연장될 수 있다. 크랭크 디스크(35)는 직접 또는 하나 이상의 기어, 벨트 또는 크랭크 샤프트(50)를 선회시킬 수 있는 여타 다른 장치와의 상호 작용을 통해 크랭크 샤프트(50)에 연결될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 디스크(35)가 크랭크 샤프트(50)에 영구적으로 부착됨으로써, 그 크랭크 샤프트(50)가 크랭크 디스크(35)와 함께 회전할 수 있게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 디스크(50)는, 크랭크 디스크(35)의 슬롯(36) 내에 설치되는 크랭크 피봇(120)을 통해 크랭크 디스크(35)와 상호 작용하는 오목 형상 외형부(24)의 운동에 의해서 크랭크 샤프트(50) 주위를 원형으로 또는 거의 원형 경로를 따라 회전될 수 있다. 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽(100) 주위로 이동될 때, 크랭크 피봇(120)은 반경이 증감되면서 슬롯(36)에서 전후로 활주될 수 있다. 크랭크 디스크(35), 슬롯(36) 및 크랭크 피봇(120)이 상호 작용함으로써 가변 길이를 갖는 크랭크 암의 기능을 하게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 샤프트(50)는 크랭크 디스크(35)를 관통하여 중심에 배치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 디스크(35)에는 하나 이상의 슬롯(36)이 구비될 수 있어, 하나 이상의 오목 형상 외형부(24)가 크랭크 디스크(35)와 동시에 상호 작용할 수 있게 된다. 하나 이상의 오목 형상 외형부(24)가 크랭크 디스크(35)와 동시에 상호 작용할 수 있는 다양한 실시예들에 따르면, 슬롯(36)은 각 오목 형상 외형부(24)를 챔버 내벽(100) 또는 크랭크 샤프트(50) 주위의 상대 위치에 고정시키도록 크랭크 디스크(35)에 위치된다.
다양한 실시예들에 따르면, 연소 사이클 중 모든 위치에서 오목 형상 외형부로부터의 힘의 방향과 챔버 외벽의 힘의 방향 사이의 입사각이 0도보다 크고 90도 보다 작도록 챔버를 형성시킴으로써, 연소 사이클 중 토크가 형성될 수 있게 된다. 0도와 90도 사이의 입사각을 형성시킬 수 있는 챔버 내벽, 챔버 외벽 및 오목 형상 외형부의 형상은 소정 입사각에 대해 대수적으로 결정될 수 있다. 표면과 상호 작용하는 힘[F(r)]에 의해 형성된 소정 입사각(C)에 의해서 생성되는 토크의 크기는 앞에서 설명한 바와 같이 F(r)×거리(D)×cos(C)×sin(C)이다. 수학적으로 결정될 수 있는 바와 같이, 토크는 입사각(C)이 45도일 때 최대 값이 된다. 45도의 각도에 대한 코사인(cosine)×사인(sine)의 값은 0.5이다. 다양한 실시예들에 따르면, 약 20도와 약 70도 사이의 다른 입사각이 적절한 크기의 토크를 발생시킬 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 입사각은 연소 사이클 중 변화될 수 있다. 입사각은 연소 사이클 중 감소될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 만일 반경(R)이 점(CS)을 중심으로 어느 각도(D)만큼 회전될 때 일정하게 유지되었다면, 반경(R)에 의해 형성된 원호의 접선(C)은 점(X, Z) 사이의 직선을 형성하게 된다. 접선(C)은 원호의 중심[각도(D/2)]에서 반경에 대해 직각을 형성한다. 만일 선(X-Z)이 각도(D/2)에서 반경이 연장되는 챔버의 표면을 형성한다면, 반경으로부터의 힘의 방향과 표면으로부터의 힘의 방향 사이의 입사각은 0이 된다. 이러한 관계는 연소 사이클의 개시 및 종료시에 입사각이 0이 되는 종래 회전 엔진 기술의 상태를 나타낸다. 모든 연소 사이클 중에 토크를 발생시키기 위하여, 입사각은 연소 사이클 중 모든 점에서 0도와 90도 사이가 될 수 있다.
도 15는 고정점(CS)을 중심으로 어느 각도(D)만큼 가변 반경이 회전되어 형 성된 원호의 점(Y, Z)들 사이의 접선(C)을 도시하고 있다. 만일 접선(C)이 가변 반경이 연장되는 표면이라면, 반경으로부터의 힘의 방향과 표면으로부터의 힘의 방향 사이의 입사각은 각도(E)가 되며, 이 각도(E)는 0도와 90도 사이이다. 도 15에 제공된 점에서 가변 반경의 길이는 R+dR이 될 수 있으며, 여기서 R은 초기 반경 길이이고 dR은 0 이상인 가변 길이이다. 만일 R과 dR의 값이 각도(D)에 걸쳐 공지되어 있다면, 입사각(E)이 산출될 수 있다. 역으로, 만일 입사각(E)이 회전각(D)의 중앙점(D/2)에 대해 공지되어 있다면, 길이(dR)가 결정될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 반경이 회전 기준점의 고정점을 중심으로 회전될 때 곡선의 반경이 곡선을 따른 모든 점에서 0도보다 크고 90도보다 작은 입사각을 형성하는 수학식이 곡선에 대해 유도될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 입사각은 곡선을 따른 모든 점에서 약 20도와 약 70도 사이일 수 있다. 수학식은 이동 외형부와 고정 챔버 내벽 일부의 외형일 수 있는 곡선을 유도하는 데 사용될 수 있다.
도 15에 따르면, 소정 입사각(E)은 반경(R+dR)이 크랭크 샤프트를 중심으로 회전될 때 입사각(E)을 유지시키기 위하여 반경(R)이 증가되어야 하는 크기(dR)를 산출하는 데 사용될 수 있다. 45도의 입사각(E)에 대해서, 도 15의 삼각형(XYZ)은 동일 길이의 변(XY, XZ)을 갖는다. 45도의 입사각(E) 형성에 필요한 반경(R)에 대한 반경 변화량(dR)의 결정식은 다음과 같다. 즉,
(14) dR×cos(D/2)=dR×sin(D/2)+2×R×sin(D/2)
(15) dR×(cos(D/2)-sin(D/2))=2×R×sin(D/2)
(16) dR/R=2×sin(D/2)/(cos(D/2)-sin(D/2))
식 (16)은 예를 들어 1도인 주어진 회전각(D)에 대해서 반경(R)이 길이(dR)와 동일한 일정 백분율만큼 변경되어야 함을 나타낸다. 반경(R)이 변화되어야 하는 백분율(dR/R)은 회전각(D)에 걸쳐 45도의 일정 입사각(E)을 유지시키도록 일정하다. 백분율이 변화되면 길이가 증가할 수 있다. 예를 들어, 식 (16)을 이용하여, 1도의 회전에 걸쳐 45도의 입사각(E)이 형성되면, 반경(R)은 약 1.76%만큼 증가될 수 있다. R이 변화되는 백분율은 각 회전각에 대해 R의 초기치와는 무관하게 일정하게 유지될 수 있다. 45도와는 다른 각도에 대한 일반식은 식 (16)의 우측항에 배율 계수(K)를 곱하여 산출될 수 있다. 배율 계수(K)는, 입사각(E)이 45도로부터 변화될 때 변(XZ)의 길이에 대한 삼각형(XYZ)의 변(XY)의 차이이며, 길이(XY, XZ)는 동일하다. 입사각(E)이 45도가 아닌 경우에, 식은 다음과 같다. 즉,
(17) dR/R=2×sin(D/2)/(K×cos(D/2)-sin(D/2))
배율 계수(K)는 1/tan(E)와 동일하다. 각도(E)가 45인 경우, 식 (16)으로부터 1/tan(45)=1이다. 각도(E)가 45도가 아닌 경우, 배율 계수(K)는 1과 동일하지 않은 어떤 값을 갖는다. 식 (17)은 회전각(D)에 걸쳐 얼마만큼의 백분율로 반경(R)이 변화되어야만 소정 입사각(E)을 형성시킬 수 있는지를 산출하는 데 사용될 수 있다. 일정 입사각(E)을 사용하여 식 (16) 또는 식 (17)에 의해 산출된 곡선은 고정 회전점으로부터 급격히 외부로 지향되는 나선형으로 형성된다. 반경의 백분율 변화가 작은 보다 완만한 나선형 형상의 경우에, 변화 입사각(E)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 곡선의 시작시에 입사각은 45도 이상이고 90도보다 작을 수 있으 며, 반경(R)이 고정점 주위로 회전될 때 점차 감소될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 예를 들어 연속하여 감소하는 입사각과 같이 입사각의 변화는 90도와 0도 사이 또는 70도와 20도 사이에서 유지될 수 있다. 도 15를 참고로 식 (14)에 따르면, 항 dR×sin(D/2)는 식의 다른 항들에 비해 아주 작은 값을 산출하게 된다. 만일 항 dR×sin(D/2)이 항 2×R×sin(D/2)에 추가되는 대신에 그로부터 차감된다면, 반경(R)의 값은 보다 신속하게 증가될 것이고, 입사각(E)은 점차 감소될 것이다. 항 2×R×sin(D/2)로부터 항 dR×sin(D/2)을 차감하고 45도와는 다른 초기 입사각에 배율 계수(K)를 곱하게 되면 식은 다음과 같이 된다. 즉,
(18) dR=2×R×sin(D/2)/(K×cos(D/2)+sin(D/2))
다양한 실시예들에 따르면, 초기 반경 길이(R)를 2로 그리고 초기 입사각(E)를 45도로 하여 식 (18)을 사용하면, 배율 계수(K)는 1이 되고, 도 16에 도시된 곡선이 산출되게 된다.
도 16은 2개의 원과 함께 식 (18)에 의해 산출된 예시적인 곡선을 도시하고 있으며, 상기 2개의 원 중 하나는 반경이 1단위이고 다른 하나는 반경이 2단위이다. 도 16에 따르면, 원점으로부터 식 (18)에 따라 산출된 곡선의 임의 위치의 접선까지 도시된 라인은 0도의 회전각에서 45도의 입사각을 갖게 되며, 입사각은 90도의 회전각에서 약 20도로 점차 감소될 것이다. 도 16의 곡선 외형을 갖는 챔버 내벽이 형성될 수 있으며, 이에 따라 0도의 회전각에서 45도로 시작하여 90도의 회전각에서 약 20도로 점차 감소하는 오목 형상 외형부의 입사각이 형성될 수 있다. 챔버 외벽의 외형이 챔버 내벽의 외형의 함수일 수 있기 때문에, 오목 형상 외형부 로부터의 토크에 의해 형성된 힘의 성분의 방향과 챔버 외벽의 힘 사이의 입사각이 연소 사이클 중 45도로부터 약 20도로 변화되게 된다.
챔버 내벽 외형을 형성하기 위해서, 일례로 도 16에 도시된 곡선과 같이 식 (18)에 의해 산출된 곡선은 반복되어 180도만큼 회전됨으로써, 도 17에 도시된 바와 같이 동일한 형상을 갖는 2개의 교차 곡선을 형성하게 된다. 일례로 도 17에 도시된 형상은, 오목 형상 외형부가 챔버 내에서 회전될 수 있는 고립부와 챔버 내벽을 형성할 수 있다. 식 (18)에 의해 산출된 곡선의 원점은 고립부 내의 크랭크 샤프트 위치일 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 샤프트는 고립부 내에 편심되어 위치될 수 있다. 챔버 내벽의 형상과 대응되는 오목 형상 외형부가 도 18에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.
도 18에 예를 들어 도시된 바와 같이, 오목 형상 외형부(24)는 내부 곡선(200)의 중심에 대해 편위되어 있는 유지기(130)와 크랭크 피봇(120)을 구비할 수 있다. 크랭크 피봇(120)과 유지기(130)의 위치는 내부 곡선(200)을 형성하는 데 사용된 기하학적 회전 중심에 대응될 수 있으며, 회전 중심은 식 (18)에 의해 산출된 곡선의 원점이나 크랭크 샤프트(50)의 위치에 대응될 수 있다. 도 18에는, 챔버 내벽(100)과, 고립부(90)와, 챔버 외벽(110)과, 크랭크 피봇(120) 및 유지기(130)를 구비하는 오목 형상 외형부(24)와, 챔버(10)의 크랭크 샤프트(50)와의 관계가 도시되어 있으며, 이들 각각의 외형 및/또는 위치는 식 (18)에 의해 산출된 곡선에 대해 결정된다.
다양한 실시예들에 따르면, 챔버 외벽의 형상은 오목 형상 외형부를 챔버 내 벽 주위로 이동시킴으로써 형성될 수 있다. 챔버 외벽은, 유지기 또는 오목 형상 외형부의 외부 곡선이 챔버 외벽을 따라 이동되는 동안에 챔버 내벽에 대해 오목 형상 외형부를 유지시킬 수 있도록 형성될 수 있다. 도 18은 챔버 내벽(100)과 오목 형상 외형부(24)로부터 산출된 챔버 외벽(110)의 형상을 도시하고 있다. 챔버 외벽(110)은 챔버 내벽(100)과 동일한 수학 함수로부터 유도될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 챔버 외벽(110)은 챔버 내벽(100)의 적어도 일부와 동일한 형상을 구비할 수 있지만, 연소 사이클에 대응되는 챔버(10)의 일부 중 원점을 중심으로 일례로 90도인 어느 각도만큼 회전되어 있고 축척이 보다 크게 형성되어 있다.
도 19a에는, 도 16의 곡선으로부터 형성된 챔버 내벽(100)과, 오목 형상 외형부를 챔버 내벽(100) 주위로 활주시켜 형성되는 챔버 외벽(110)이 도시되어 있다. 챔버 외벽(110)의 외형은 챔버 내벽(100)을 형성하는 데 사용된 곡선을 확대시킨 외형에 해당된다. 도 19b는 도 16에 도시된 챔버 내벽 외형을 확대시킨 외형(310)을 도시한 도면이다. 도 19a와 도 19b에 도시된 바와 같이, 오목 형상 외형부를 챔버 내벽(100)과 일정하게 접촉시켜 유지시키는 데 필요한 챔버 외벽(110)의 형상은, 적어도 연소 사이클에 대응되는 챔버 외벽(110)의 일부 중 챔버 내벽(100)의 외형을 확대시킨 외형일 수 있다.
챔버 내벽의 곡선은 본 명세서에 설명된 식에 의해 결정되는 곡선으로부터 변화될 수 있다. 이렇게 챔버 내벽의 곡선 형상을 변화시킴으로써, 전체 엔진 사이클의 효율을 증가시킬 수 있게 되고, 여러 사이클 중에 작동 체적을 비대칭으로 변화시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 종래 엔진에 있어서 배기 사이클과 압축 사이클 은 대체로 작동 체적을 동일한 크기로 압축시키는 사이클이다. 본 명세서에 개시된 엔진에서는, 각 사이클이 실제로 엔진 챔버의 다른 부분에서 발생되고 다른 크기를 갖는 작동 체적을 구비할 수 있기 때문에, 배기 사이클과 압축 사이클은 서로 독립적일 수 있다. 배기 사이클은 압축 사이클보다 크게 작동 체적을 압축시키도록 형성될 수 있어, 연소 부산물을 보다 완전하게 배기시킬 수 있게 된다. 배기 사이클 중에 챔버 내벽의 형상에 의해서 작동 체적이 보다 크게 변화될 수 있도록 상기 배기 사이클에 대응되는 위치에서 챔버 내벽의 형상을 변화시킴으로써 보다 완전한 배기가 이루어지게 된다. 챔버 내벽의 형상을 변화시킴으로써 더 이상 작동 체적 변화가 대칭이지 않은 사이클이 형성된다. 비대칭 엔진 사이클은, 흡기, 배기, 압축 또는 연소의 하나 이상의 나머지 사이클보다는 하나의 사이클에서 다른 크기로 작동 체적이 변화되는 경우에 형성될 수 있다. 본 기술 분야의 당업자라면, 본 명세서의 개시 내용과 첨부 도면으로부터 챔버 내벽 형상에 여타 다른 변형을 가하여 효율을 증대시킬 수 있음을 명확하게 파악할 수 있다.
연소 사이클 중, 피스톤 엔진에 있어서 힘을 토크로 변환시키는 변환 함수와, 본 명세서에 개시된 역변위 비대칭 회전 엔진에 있어서 힘을 토크로 변환시키는 변환 함수를 비교한 그래프가 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 두 엔진은 동일 배기량을 갖는다. 피스톤 엔진(P)에 의해 형성된 토크는 연소 사이클의 시작시에 비록 그 위치에서 피스톤의 힘이 가장 크더라도 0이 된다. 발생된 토크의 값은 연소 사이클 중 어느 최대치까지 상승되고 0으로 감소된다. 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)의 기계식 변환 함수 그래프는 0에서 시작되지 않는다. 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)의 그래프는 연소 사이클의 시작시에 어떤 값을 가지며, 그 값은 연소 사이클 중 증가되어, 연속하여 힘이 토크로 변환되게 된다. 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)에서 볼 수 있는 바와 같이 힘이 토크로 연속하여 변환되는 현상은, 역변위 비대칭 회전 엔진의 연소 사이클 중에 크랭크 암의 기계식 길이가 증가하기 때문이다. 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)에서 볼 수 있는 바와 같이 힘이 토크로 연속하여 변환되는 현상은, 오목 형상 외형부의 힘의 방향과 챔버 외벽의 힘의 방향 사이의 입사각이 최적화되기 때문이다. 변환 함수 곡선(P, IDAR) 아래의 면적을 비교하게 되면, 역변위 비대칭 회전 엔진은 동일 배기량을 갖는 종래 피스톤 엔진에 비해서 약 4배 큰 토크 발생 능력을 갖는다.
연속 토크 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)은 오목 형상 외형부의 힘의 방향과 챔버 외벽의 힘의 방향 사이의 입사각을 일정하게 하거나 변화시켜서 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 엔진은 연소 사이클 중에 연속하는 토크를 발생시킨다. 크랭크 샤프트가 고립부에 위치된 위치와 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)의 챔버 내벽의 형상은 오목 형상 외형부가 챔버 내벽을 일주할 때 그 오목 형상 외형부의 비대칭 경로를 형성할 수 있다. 오목 형상 외형부의 운동으로 인해, 작동 체적 챔버, 즉 작동 체적이 크랭크 샤프트 주위로 이동하게 된다. 오목 형상 외형부가 챔버 내벽 주위로 이동될 때, 크랭크 샤프트로부터 챔버 외벽 또는 크랭크 피봇까지의 반경이 흡기, 압축, 연소 및 배기의 4가지 사이클 중 변화하게 되어, 고정 회전점으로부터의 거리에 대해 사이클이 비대칭으로 형성되고, 작동 체적 챔버의 크기가 변화되면서 작동 체적이 비대칭으로 형성된다.
다양한 실시예들에 따르면, 진동 및 흔들림을 최소화시키고 전체 엔진의 균형 있는 운동을 달성하기 위해 서로에 대해 설치되고 크랭크 샤프트 주위로 회전되는 2개 이상의 챔버를 구비한 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)이 형성될 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 2개의 챔버(10)는 서로 인접하여 배치되고 크랭크 샤프트(50)를 따라 연결될 수 있다. 각 챔버(10)는, 고립부(90) 주위의 챔버 내벽(100)과, 챔버 외벽(110)과, 챔버 뒷벽(180)과, 크랭크 피봇(120) 및 유지기(130)를 구비한 오목 형상 외형부(24)와, 면판(140)을 포함할 수 있다. 각 오목 형상 외형부(24)의 크랭크 피봇(120)은 크랭크 샤프트(50)에 부착된 크랭크 디스크(35)의 슬롯(36)과 상호 작용할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 슬롯은, 홈, 챔버, 채널 또는 크랭크 디스크(35)에 크랭크 피봇(120)을 수용할 수 있는 여타 다른 함몰부일 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 슬롯은 크랭크 피봇(120)이 크랭크 디스크(35)를 통하여 그리고 크랭크 디스크(35)의 상부 표면을 넘어 연장될 수 있도록 크랭크 디스크(35)를 통해 연장될 수 있다. 각각 오목 형상 외형부(24)가 챔버 내벽(100) 주위로 회전됨으로써, 크랭크 피봇(120)과 크랭크 디스크(35)와의 상호 작용에 의해 크랭크 디스크(35)와 크랭크 샤프트(50)가 회전하게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 각 오목 형상 외형부(24)는 각기 다른 시점에서 각 연소 사이클에 위치하게 된다. 크랭크 샤프트(50)는 챔버 내벽(100) 내의 고립부(90)나 면판(140)으로부터의 방해없이 선회될 수 있도록 위치된다. 각 챔버(10)는 엔진 블록 내에 위치될 수 있다. 엔진 블록은 볼트, 스크류, 용접, 부착, 본 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있는 여타 다른 체결 기술 또는 그들을 조합 한 방식에 의해서 크랭크 디스크(35)의 공간을 넘어 함께 결합될 수 있다. 엔진 블록은, 크랭크 디스크(35)의 운동을 위해서, 또는 챔버(10)들 사이에 크랭크 디스크(35)의 위치 설정을 위해서, 또는 각 챔버(10)에 면판의 위치 설정을 위해서, 또는 그들의 조합된 목적을 위해서, 충분한 공간을 제공할 수 있도록 결합될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 챔버(10)들은 크랭크 디스크(35)를 공유할 수 있거나, 각 챔버(10)에는 별도의 크랭크 디스크(35)가 구비될 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이 다양한 실시예들에 따르면, 2개의 오목 형상 외형부(24)가 챔버(10)에 위치될 수 있으며, 이러한 챔버의 다수가 크랭크 디스크(35)의 운동 범위를 넘어서 그 챔버들의 외주에서 연결될 수 있다. 크랭크 샤프트(50)는 각 챔버(10)를 통해 연장될 수 있다. 각 오목 형상 외형부(24)가 각 크랭크 피봇(120)을 통해 크랭크 디스크(35)에 연결되어, 하나의 크랭크 디스크(35)가 그에 연결된 4개의 오목 형상 외형부(24)에 의해 선회될 수 있게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 하나의 오목 형상 외형부는 4개의 챔버의 각각에 위치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 오목 형상 외형부의 수는 하나 이상이며, 예를 들어 하나, 2개, 4개 또는 8개의 오목 형상 외형부가 단일 크랭크 디스크에 연결될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 도 20에 도시된 바와 같이 챔버(10)들이 크랭크 샤프트(50) 주위로 서로로부터 편위되어 크랭크 샤프트 주위로 균형 있게 운동할 수 있게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 예를 들어 2개의 챔버가 크랭크 샤프트 주위에 서로로부터 180도만큼 회전되어 위치될 수 있거나, 3개의 챔버가 크랭크 샤프트 주위에 서로로부터 120도만큼 회전되어 위치될 수 있거나, 4개의 챔버가 크랭크 샤프 트 주위에 서로로부터 90도만큼 회전되어 위치될 수 있다.
종래 회전 엔진 또는 피스톤 엔진과는 대조적으로, 역변위 비대칭 회전 엔진(IDAR)은, 압축 사이클 중 압축되는 방식과는 다른 방식으로 연소 사이클 중 팽창되는 작동 체적을 구비할 수 있다. 작동 체적의 변화는 오목 형상 외형부가 챔버 주위로 이동될 때 반경 변화에 관련되며, 이에 따라 기계식 크랭크 암 길이가 변화하게 된다. 다양한 실시예들에 따르면, 크랭크 샤프트의 편심 운동으로 인해 엔진의 비대칭성이 형성되며, 이로써 4가지 사이클 중 오목 형상 외형부가 챔버 내벽 주위로 비대칭으로 운동하게 된다. 챔버 내벽, 챔버 외벽, 오목 형상 외형부 중 하나 이상의 형상을 변화시킴으로써 비대칭성이 형성되어, 각 사이클에서 작동 체적이 변화되는 크기를 비대칭으로 형성시킬 수 있게 된다.
본 기술 분야의 당업자라면 본 명세서에 개시된 실시예 이외의 실시예도 파악할 수 있다. 본 발명은, 동등한 방법, 장치 및 수단을 포함하여 본 발명의 특허청구범위에 개시되고 본 발명의 범위 내에 있는 모든 실시예를 포함한다. 본 발명의 범위는 이제 기술하는 첨부 특허청구범위에 개시된다.

Claims (35)

  1. 작동 체적 챔버 내의 작동 체적과, 오목 형상 이동가능 외형부와, 고정 볼록 표면을 포함하는 회전 엔진으로서, 상기 오목 형상 이동가능 외형부와 고정 볼록 표면이 작동 체적 챔버를 형성하고, 상기 작동 체적 챔버가 고정 볼록 표면에 대해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    고정 볼록 표면은 극좌표로 R+(2×Rsin(D/2)/(K×cos(D/2)+sin(D/2)))로 나타낼 수 있는 외형을 구비하며, 상기 K는 0.27과 4.0 사이의 상수이고, 상기 R은 반경의 길이이며, 상기 D는 회전점을 중심으로 하는 반경의 회전각인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    K는 1.0인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  4. 제1항에 있어서,
    작동 체적은 작동 체적 챔버가 고정 볼록 표면에 대해 이동될 때 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    작동 체적의 변화는 엔진의 흡기 사이클, 압축 사이클, 연소 사이클 및 배기 사이클에 대응될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  6. 제4항에 있어서,
    작동 체적은 엔진의 흡기 사이클, 압축 사이클, 연소 사이클 및 배기 사이클중 2가지 이상의 사이클 사이에서 다를 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  7. 제4항에 있어서,
    작동 체적은 작동 체적 챔버가 작은 선회 반경을 구비한 고정 볼록 표면의 위치로부터 큰 선회 반경을 구비한 고정 볼록 표면의 위치로 이동될 때 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  8. 고립부를 둘러싸는 챔버 내벽, 챔버 뒷벽 및 챔버 외벽에 의해 형성되고, 흡기 포트, 배기 포트 및 점화 포트를 구비하는 챔버와;
    상기 챔버 내에서 이동가능하고, 하나 이상의 상기 챔버 내벽 및 챔버 외벽과 활주가능하게 상호 작용할 수 있는 오목 형상 외형부와;
    상기 오목 형상 외형부에 위치된 크랭크 피봇과;
    상기 크랭크 피봇에 의해 이동될 수 있고, 상기 크랭크 피봇을 수용할 수 있는 크랭크 디스크와;
    상기 크랭크 디스크에 연결되고, 상기 고립부를 통해 배치되는 크랭크 샤프트와;
    면판을 포함하고,
    상기 면판, 오목 형상 외형부, 챔버 뒷벽 및 챔버 내벽은 작동 체적을 포함하는 작동 체적 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  9. 제8항에 있어서,
    오목 형상 외형부는 유지기를 통해 챔버 외벽과 활주가능하게 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  10. 제9항에 있어서,
    유지기는 롤러 베어링인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  11. 제8항에 있어서,
    작동 체적은 오목 형상 외형부가 작은 선회 반경을 구비한 챔버 내벽의 위치로부터 큰 선회 반경을 구비한 챔버 내벽의 위치로 이동될 때 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  12. 제8항에 있어서,
    챔버 내벽의 형상은 극좌표로 R+(2×Rsin(D/2)/(K×cos(D/2)+sin(D/2)))로 나타낼 수 있는 외형을 구비하며, 상기 K는 0.27과 4.0 사이의 상수이고, 상기 R은 반경의 길이이며, 상기 D는 회전점을 중심으로 하는 반경의 회전각인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  13. 제12항에 있어서,
    오목 형상 외형부의 내부 곡선은 챔버 내벽의 외형 함수인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  14. 제8항에 있어서,
    크랭크 샤프트는 고립부 내에 비대칭으로 위치되는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  15. 제8항에 있어서,
    크랭크 샤프트로부터 크랭크 피봇까지의 거리는 엔진 사이클 중에 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  16. 제8항에 있어서,
    크랭크 샤프트로부터 크랭크 피봇까지의 거리는 연소 사이클 중에 연속하여 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  17. 제8항에 있어서,
    크랭크 샤프트로부터 크랭크 피봇까지의 거리는 압축 사이클 중에 연속하여 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  18. 제8항에 있어서,
    엔진의 각 사이클에는 흡기, 압축, 연소 및 배기의 부사이클(subcycle)이 포함되며, 상기 부사이클의 각각은 오목 형상 외형부가 챔버 내벽 주위로 회전된 회전량을 도(degree)로서 측정한 회전량에 대응되는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  19. 제18항에 있어서,
    적어도 한가지 부사이클의 회전량은 적어도 한가지 다른 부사이클의 회전량과 다른 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  20. 제18항에 있어서,
    적어도 한가지 부사이클의 작동 체적은 적어도 2가지 다른 부사이클의 작동 체적과 다른 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  21. 제8항에 있어서,
    오목 형상 외형부로부터의 토크 발생 힘의 방향과 챔버 외벽의 접선 사이의 입사각은 연소 사이클 중 0도와 90도 사이인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  22. 제21항에 있어서,
    입사각은 오목 형상 외형부가 챔버 내벽에 대해 이동될 때 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  23. 제21항에 있어서,
    입사각은 약 15도와 약 75도 사이인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  24. 제21항에 있어서,
    입사각은 약 30도와 약 60도 사이인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  25. 제21항에 있어서,
    입사각은 45도인 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  26. 제8항에 있어서,
    챔버 내에서 이동가능하고 챔버 내벽 및 챔버 외벽과 활주가능하게 상호 작용할 수 있는 제2 오목 형상 외형부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  27. 제26항에 있어서,
    제2 오목 형상 외형부는 챔버의 오목 형상 외형부로부터 크랭크 샤프트에 대해 약 180도로 위치되는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  28. 제8항에 있어서,
    챔버로부터 크랭크 샤프트에 대해 180도 회전된 제2 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  29. 제8항에 있어서,
    작동 체적 챔버는 엔진 내에서 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  30. 제29항에 있어서,
    작동 체적 챔버는 크랭크 샤프트에 대해 이동되는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  31. 제8항에 있어서,
    챔버 내벽의 형상은 비대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전 엔진.
  32. 회전 엔진의 연소 사이클에서 연속 토크를 발생시키는 방법으로서,
    고정 볼록 챔버 내벽과 챔버 뒷벽과 이동가능 오목 형상 외형부와 면판 사이 에 작동 체적을 형성하는 단계와;
    상기 오목 형상 외형부를 챔버 외벽을 따라 활주시킴으로써 오목 형상 외형부를 고정 볼록 챔버 내벽 주위로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 토크 발생 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    오목 형상 외형부로부터의 토크 발생 힘의 방향과 챔버 외벽의 접선 사이의 입사각은 0도와 90도 사이인 것을 특징으로 하는 연속 토크 발생 방법.
  34. 제32항에 있어서,
    입사각은 약 15도와 약 75도 사이인 것을 특징으로 하는 연속 토크 발생 방법.
  35. 제32항에 있어서,
    입사각은 약 30도와 약 60도 사이인 것을 특징으로 하는 연속 토크 발생 방법.
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