KR20070060078A - 동심 내연 로터리 기관 - Google Patents

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Abstract

내연 로터리 기관은 입구와 출구를 가지는 하우징 및 하우징 내부 중심에 장착되는 회전 가능한 로터를 포함한다. 로터는 그 주연부 주위에 위치되는 복수의 포켓을 포함하고, 로터는 로터 샤프트에 추가로 연결된다. 회전 가능한 타원형 본체는 복수의 포켓 각각에 배치된다. 각각의 회전 가능한 타원형 본체는 개별 유성 기에 결합되고 각각의 개별 유성 기어는 중심에 배치되어 고정된 태양 기어와 정합한다. 점화원은 연료/공기 혼합물을 점화시키기 위해 복수의 포켓 각각에 배치된다. 내연 로터리 기관의 작동 중, 로터의 매번 360도 회전에 대해, 각각의 타원형 본체는 720도 회전한다.
내연 로터리 기관, 하우징, 로터, 타원형 본체, 포켓

Description

동심 내연 로터리 기관 {CONCENTRIC INTERNAL COMBUSTION ROTARY ENGINE}
본 발명의 분야는 일반적으로는 연소 기관에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 본 발명의 분야는 내연 로터리 기관에 관한 것이다.
본 출원은 2004년 7월 14일에 출원된 미국 특허 가출원 제60/587,948호에 대한 우선권을 주장한다. '948호 출원은 본 명세서에서 일반적으로 설명되는 것과 같이 참조된다.
왕복 피스톤을 사용하여 작동하는 연소 기관은 다수의 불이익을 겪게 된다. 무엇보다 먼저, 예를 들면 피스톤과 같은 부품이 기관의 작동 중에 반복적으로 가속, 정지 및 가역 되는 비효율적인 방식이다. 이와 관련하여, 종래의 피스톤 계열 기관은 기관 내부에서 발생하는 지속적인 모멘텀 변화에 기인하여 불균형적이면서도 비효율적이다. 예를 들면, 종래의 피스톤 계열 기관에서는 내부 마찰 및 펌핑 손실로 인해 연료 에너지의 약 13%가 손실되는 것으로 추정되었다.
또한, 종래의 피스톤 계열 기관에 있어서, 토크 아암이 피스톤/커넥팅 로드와 최적의 구성을 이룰 때는 잠시 뿐이다. 이는 대게 피스톤 행정의 중간전 작은 각도에서 발생한다. 실제로, 정 90도(최적)의 토크 아암은 종래의 피스톤 계열 연소 기관에서는 절대 이루어지지 않는다.
내연 로터리 기관은 어느 정도까지는 이러한 고유의 비효율성을 감소시킬 수 있는 피스톤 계열 연소 기관의 하나의 대안이다. 펠릭스 완켈(Felix Wankel)은 에피트로코이드(예를 들면, 땅콩 형태) 방식으로 형성되는 하우징 내부에서 회전하는 삼각형 로터를 사용함으로써 작동하는 내연 로터리 기관을 발명함으로써 명성을 얻었다. 내연 로터리 기관은 피스톤 계열 연소 기관에 비해 많은 장점을 가진다.
먼저, 내연 로터리 기관은 좀더 경량이며 소형이다. 둘째, 내연 로터리 기관은 피스톤의 왕복 운동이 없기 때문에 자연스럽다. 셋째, 내연 로터리 기관은 피스톤 계열 등가물과 비교하여 출력 샤프트의 연장된 동력 행정 회전을 가진다. 넷째, 더 적은 이동 부품을 가지며, 예를 들면 밸브, 커넥팅 로드, 캠 및 타이밍 체인이 없다. 흡기 및 배기 행정의 타이밍은 로터의 운동에 의해 대체로 달성된다. 다섯째, 내연 로터리 기관은 밸브가 사용되지 않기 때문에 일반적으로 평평한 토크 곡선을 가진다. 여섯째, 내연 로터리 기관 내에서의 연소는 일반적으로 이들의 피스톤 계열 등가물보다 일반적으로 저온이다. 이는 더 적은 질소 산화물이 생성되는 것을 의미한다. 마지막으로, 내연 로터리 기관은 연소 영역을 흡기 영역으로부터 분리시킴으로써, 이들 기관이 수소 연료계 기관용으로 우수한 후보가 될 수 있다.
완켈식 내연 로터리 기관의 문제점은 일반적으로 연소 가스를 누출한다는 점이며, 이는 이들 형태의 기관에 대한 매력을 잃게 한다. 추가로, 삼각형 로터가 에피트로코이드형 하우징의 내부 주위에서 플립-플롭(flip-flop) 운동하는 방식이기 때문에 완켈식 내연 로터리 기관의 회전 속도[즉, 분당 회전수(rpm)]는 제한된 다.
따라서, 그 회전 속도가 제한되지 않는 정밀한 내연 로터리 기관이 필요하다. 또한, 배기 가스가 매우 적은 내연 로터리 기관이 필요하다. 또한, 높은 마력 및 높은 토크와 동시에 연료 효율을 가지는 내연 로터리 기관이 필요하다.
내연 로터리 기관은 입구와 출구를 가지는 하우징 및 하우징 내부 중심에 장착되는 회전 가능한 로터를 포함한다. 로터는 그 주연부 주위에 위치되는 복수의 포켓을 포함한다. 로터는 출력 샤프트에 기계식으로 연결되는 로터 샤프트에 추가로 연결된다. 회전 가능한 타원형 본체는 복수의 포켓 각각에 배치된다. 각각의 회전 가능한 타원형 본체는 개별 유성 기어에 결합된다. 개별 유성 기어 각각은 중심에 배치되어 고정된 태양 기어와 정합한다. 또한, 점화원은 복수의 포켓 각각에 배치된다. 로터의 매 360도 회전에 대해, 각각의 타원형 본체는 720도에 걸쳐 회전한다. 로터리 기관은 흡기, 압축, 동력 및 배기 행정이 일어나는 4개의 별도 영역을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 로터는 그의 주연부 주위에 위치되는 세 개의 포켓을 포함한다. 포켓은 로터 주연부 주위에서 동일하게 이격될 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, 내연 로터리 기관은 입구와 출구를 가지는 하우징을 포함하고, 입구는 압축기에 결합된다. 회전 가능한 로터는 하우징 내부 중심에 장착된다. 로터는 그의 주연부 주위에 위치되는 복수의 포켓을 포함한다. 로터는 로터 샤프트에 연결되고, 로터 샤프트는 출력 샤프트에 결합된다. 타원형 본체는 각각의 타원형 본체가 일단부에서 회전 샤프트 상에 장착되고, 대향 단부에서 유성 기어에 결합되는 상태로 복수의 포켓 각각에 배치된다. 각각의 유성 기어는 중심에 위치되어 고정된 태양 기어와 결합한다. 점화원은 복수의 포켓 각각에 배치된다. 로터의 매번의 완전한(즉, 360도) 회전에 대해, 각각의 타원형 본체는 720도에 걸쳐 회전한다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, 각각의 타원형 본체는 그의 외부면 상에 배치되는 밀봉부를 포함한다. 본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 타원형 본체는 타원형 본체 조립체를 형성하도록 두 개의 외부 스풀 사이에 개재된다. 본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 로터는 분배기에 결합된다. 분배기는 로터와 함께 회전하고, 각각의 점화원에 대해 전기 접촉부(예를 들면, 세 개의 전기 접촉부)를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, 로터 샤프트는 그 안에 타원형 본체 조립체의 회전 샤프트 내의 보어와 유체 연통하는 통로 또는 보어를 포함한다. 이 통로 및 보어는 타원형 본체 베어링, 유성 및 태양 기어를 윤활하기 위한 오일 또는 다른 윤활제용 접근 경로를 제공한다. 본 발명의 양호한 일 태양에 있어서, 각각의 유성 기어는 태양 기어의 피치 직경과 동일한 피치 직경을 가진다.
본 발명의 목적은 높은 마력, 매우 높은 토크 및 매우 낮은 배기 가스를 가지는 내연 로터리 기관을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가 목적은 단일 축을 중심으로 회전하는 로터를 사용하고 균형을 이루는 내연 로터리 기관을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 동심으로 균형을 이루는 로터를 사용하는 내연 로터리 기관을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 로터리 기관의 하우징 내부에 내장된 로터를 도시한다. 기관 하우징은 로터, 3개의 포켓 및 3개의 타원형 본체를 노출시키도록 개방된다.
도2는 로터가 노출된 상태인 내연 로터리 기관을 도시한다.
도3a는 타원형 본체 조립체의 평면도를 도시한다. 타원형 본체 조립체의 회전 샤프트는 유성 기어에 결합되어 도시된다.
도3b는 도3a의 선 A-A를 따라 취한 타원형 본체 조립체의 단부도를 도시한다. 조립체는 그 주연면 주위에 밀봉부를 갖는 스풀 또는 원형 단부를 포함한다. 타원형 본체는 회전 샤프트 상에서 지지된다. 결합된 유성 기어도 도시된다.
도4는 중심 태양 기어 및 주위의 유성 기어를 도시한다. 유성 기어의 회전 방향은 화살표 A 및 화살표 B로 도시된다. 단일 타원형 본체 조립체도 도시된다.
도5는 중심 분배기에 연결된 스파크 플러그를 도시하고 있는 로터를 도시한다.
도6은 기계식으로 결합된 로터 샤프트, 잭 샤프트 및 출력 샤프트를 도시하고 있는 감속 기어 및 기어 박스를 도시한다.
도7은 본 발명의 양호한 일 태양에 따른 기관의 단면도를 도시한다. 도7은 중심 판과 기어 박스 사이에 개재된 압축기를 도시한다.
도8은 도7의 선 A-A를 따라 취한 원심 압축기 임펠러의 정면도를 도시한다.
도9는 수납된 로터를 도시한 기관의 단부도를 도시한다.
도10의 (a)는 로터와 하우징 사이에 형성된 포켓 내에 내장된 타원형 본체 조립체의 확대 단면도를 도시한다.
도10의 (b)는 본 발명의 일 태양에 따른 타원형 본체의 단부도를 도시한다.
도1 및 도2는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연 로터리 기관(2)을 도시한다. 내연 로터리 기관(2)은 단축[도1에 도시된 화살표 A 방향에 있어서 하우징(4)의 상부와 하부 사이의 거리] 및 장축[도1에 도시된 화살표 B 방향에 있어서 하우징(4)의 좌측부와 우측부 사이의 거리]을 가지는 대체로 장방형인 하우징(4)을 포함한다. 하우징(4)은 기관(2) 내측에서 연소되는 연료/공기 혼합물용 입구로서 기능하는 입구(6)를 포함한다. 입구(6)는 예를 들면 도7 및 도8에 도시된 바와 같이 선택적인 압축기(8)에 결합될 수도 있다. 하우징(4)은 기관(2) 외측으로 연소 가스/공기를 배기시키도록 기능하는 출구(10)를 추가로 포함한다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 단면으로 관찰 시 하우징(4)은 스플라인(spline) 곡선의 프로파일을 가진다.
회전 가능한 로터(12)는 하우징(4) 내측에서 중심에 배치된다. 로터(12)는 로터 샤프트(14)에 장착되고 하우징(4) 내부에서 도1의 화살표 C 방향으로 회전 가능하다. 로터 샤프트(14)는 적절한 기어 결합, 예를 들면 잭 샤프트(16)를 통해 출력 샤프트(18)에 기계식으로 연결된다(예를 들어, 도6 및 도7에 도시). 회전 가능한 로터(12)는 로터 주연부 주위에 위치되는 복수의 포켓(20)을 더 포함한다. 포켓(20)은 일반적으로 로터(12) 내부에 반구형 또는 4분 구형의 캐비티를 포함한다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 로터(12)는 두 개의 포켓(20)을 포함한다. 그러나, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 세 개의 포켓(20)이 존재하는 것이 바람직하다. 세 개의 포켓(20)은 서로로부터 동일 거리로 이격된다(예를 들면, 120도 이격). 이후 설명될 바와 같이, 관련된 회전 가능한 타원형 본체(22)와 연관되어 작동하는 포켓(20)은 로터(12)가 로터 샤프트(14)를 중심으로 회전함에 따라 변위 체적을 증가 및 감소시킨다. 변위 체적은 포켓(20)의 체적과 함께 로터(12)의 외부면과 하우징(4)의 내부면 사이에서 형성된다.
도1은 선택적인 퍼지 포트(24)가 포켓(20) 내부에 합체되는 것을 도시한다. 공기 퍼지 포트(24)는 포켓(20)으로부터 사용된 연소 가스의 방출을 보조하는데 사용된다. 그러나, 공기 퍼지 포트(24)는 전적으로 선택적이며 일반적으로 생략될 수도 있음을 이해하여야 한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 타원형 본체(22)는 회전 샤프트(26)에 고정된다. 각각의 타원형 본체(22)의 회전 샤프트(26)는 유성 기어(28, 도1에 점선으로 도시되며, 도3a 및 도3b에도 도시됨)에 연결된다. 각각의 유성 기어(28)는 중심에 고정된 태양 기어(30, 도1에 점선으로 도시되며, 도3a 및 도3b에도 도시됨)와 정합한다. 따라서, 유성 기어(28)는 기관(2)의 작동 중 중심에 고정된 태양 기어(30)의 궤도를 따른다. 양호하게는, 유성 기어(28) 및 중심에 고정된 태양 기어(30)는 동일한 피치 직경을 가지고 다중 3 톱니(예를 들면, 12, 18, 24, 30 등의 톱니)뿐만 아니라 다중 2 톱니를 가진다.
기관(2)의 작동 중, 타원형 본체(22)는 도1에 있어 화살표 D 방향, 즉 로터(12)의 회전(도1에서 화살표 C)과 동일한 방향으로 회전한다. 양호하게는, 유성 기어(28) 및 태양 기어(30)는 타원형 본체(22)가 로터(12)의 두 배 속도(2:1)로 회전하도록 연동된다. 더 구체적으로는, 본 발명의 양호한 태양에 있어서, 로터(12)가 360도에 걸쳐 회전하는 경우, 타원형 본체(22)는 720도에 걸쳐 회전한다. 그러나 다른 회전비도 기관(2)과 연계하여 사용될 수 있다. 도1은 또한 하우징(4) 내부에서 이동함에 따른 타원형 본체(22)의 윤관선(E)을 도시한다.
도2는 중심 판(34) 및 기어 박스(36, 도7 참조)를 통해 일련의 볼트(32)에 의해 볼트 결합된 개방 로터(12)를 도시한다. 도2에 도시된 바와 같이, 중심 판(34)은 복수의 기관 장착 구멍(38)을 포함한다. 도2는 또한 분배기(42, 이후 상세 설명)를 고정하기 위한 세 개의 분배기 장착 구멍(40)을 도시한다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 타원형 본체(22)는 금속 및 합금과 같은 다른 재료가 사용될 수 있지만 산업용 세라믹 재료로 형성된다. 양호하게는, 타원형 본체(22)는 하우징(4) 내부와 타원형 본체(22) 사이의 공기 및/또는 연료의 누출을 최소화하도록 엄격한 허용 공차를 가지고서 기계 가공되거나 달리 형성된다. 추가로, 타원형 본체(22)는 양호하게는 포켓(20) 내측에서, 예를 들면 밀봉부(96)를 통해 밀봉된다.
이제 도3a 및 도3b를 참조하면, 본 발명의 일 태양에 있어서, 타원형 본체(22)는 두 개의 원형 단부(46, 48) 또는 스풀을 포함하는 타원형 본체 조립체(44) 내에 내장된다. 각각의 단부(46, 48)의 주연부는 각각의 개별 포켓(20) 내 부에 연소 밀봉을 형성하기 위한 밀봉부(50)를 포함할 수도 있다. 도10의 (a)에 도시된 바와 같이, 경화강과 같은 밀봉부(50)용의 선택적인 마모면(52)이 로터(12) 내부에 제공될 수도 있다. 밀봉부(50)는 포켓(20) 및/또는 하우징(4)의 내에 수용된 연료/공기/연소 가스를 유지시킨다. 계속하여 도3a 및 도3b를 참조하면, 각각의 타원형 본체(22)는 또한 타원형 본체(22)가 장착되는 회전 샤프트(26)를 포함한다.
도4는 고정된 태양 기어(30) 및 주위 유성 기어(28)를 도시한다. 고정된 태양 기어(30)는 예를 들면, 복수의 볼트(32, 도7에 도시)를 통해 중심 판(34, 도2에 도시)에 고정될 수도 있다. 세 개의 유성 기어(28)는 중심 태양 기어(30) 주위에서 동등하게 이격되고(120도 만큼 이격) 개별적으로 각각의 타원형 본체(22)의 회전 샤프트(26)의 단부에 고정된다. 로터 샤프트(14)는 중심 태양 기어(30)를 관통하고 회전 가능한 베어링(58) 등에 의해 회전식으로 유지될 수도 있다(도7에 도시된 바와 같음). 도4 및 도7에 도시된 바와 같이, 로터 샤프트(14)는 기어 박스(36) 내부로 연속하고 잭 샤프트(16)를 통해 출력 샤프트(18)에 기계식으로 결합된다.
도1, 도2 및 도5를 참조하면, 양호하게는 점화원(60)은 로터(12) 내에서 각각의 포켓(20)과 연관된다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 양호하게는 점화원(60)은 스파크 플러그이다. 점화원(60)을 점화시키기 위해, 종래의 분배기식 구조물이 개별 점화원을 점화하는데 사용된다. 도5는, 예를 들면 각각의 점화원(60)이 어떻게 중심의 전기 전도성 분배기(42)에 연결되는지를 도시한다. 이와 관련하 여, 어떠한 와이어도 개별 스파크 플러그(60)에 직접적으로 연결되지 않는다. 분배기(42)는 도2에 도시된 바와 같이 분배기 장착 구멍(40)을 통해 로터(12) 상에 직접적으로 장착된다. 도5에서 가장 잘 관찰되는 바와 같이, 분배기(42)는 강성 전도 부재(64, 예를 들면 강성 스파크 플러그 스트랩)를 통해 개별 점화원(60)에 전기적으로 연결되는 (고전압 전기 픽업과 같은) 세 개의 접촉점(62)을 포함한다. 기관(2)의 작동 중, 분배기(42)는 로터 샤프트(14)를 중심으로 회전한다. 도7에서 가장 잘 관찰되는 바와 같이, 정적 전기 접촉 부재(66)는 접촉점(62)에 의해 외접하는 회전 주연부 주위 지점에 제공된다. 정적 접촉 부재(66)는 분배기(42)가 축을 중심으로 회전함에 따라 세 개의 접촉점(62) 중 하나와 전기적으로 결합하도록 위치 설정된다. 이와 관련하여, 전기 접촉은 로터(12) 및 분배기(42)가 로터 샤프트(14)를 중심으로 회전함에 따라 전원(예를 들면, 고전압 공급원)과 개별 점화원(60) 사이에서 이루어진다. 전기 접촉은 점화원(60)이 점화되게 함으로써, 로터(12)에 원동력을 제공하도록 세 개의 포켓(20) 중 하나에서 연소 프로세스를 개시시킨다.
도6 및 도7은 기어 박스(36)의 내부를 도시한다. 로터 샤프트(14)는 잭 샤프트(16)의 스플라인식 또는 정합식 부분(16a)과 결합하는 스플라인식 또는 정합식 부분(14a)을 포함한다. 잭 샤프트(16)는 차례로 출력 샤프트(18)의 스플라인식 또는 정합식 부분(18a)에 결합된다. 로터 샤프트(14)의 기어 결합은 로터 샤프트(14)의 회전 속도와 비교하여 출력 샤프트(18)의 회전 속도를 감소시키는 기능을 한다. 예를 들면, 터빈 속도로부터 모터 차량, 보트 또는 비행기용에서 일반적으 로 사용되는 낮은 회전 속도로 회전 속도를 감속시키기 위해서는 약 8:1 정도의 감속이 필요할 수도 있다.
도7은 본 발명의 양호한 일 실시예에 따른 기관(2)의 단면도를 도시한다. 기어 박스(36)는 로터 샤프트(14), 잭 샤프트(16) 및 출력 샤프트(18)를 유지하기 위한 일련의 베어링(68) 또는 다른 회전 지지부를 내장한다. 로터 샤프트(14) 내부 통로(70)가 회전 타원형 본체 베어링(86)을 윤활하도록 제공될 수도 있다. 타원형 본체 조립체(44)의 회전 샤프트(26)는 통로(70)와 연통하는 보링 가공된 샤프트(26a)를 포함할 수도 있다. 이와 관련하여, 통로(70)를 통한 오일 통로 및 보링 가공된 샤프트(26a)는 타원형 본체(22) 및/또는 기어(28, 30)를 윤활하는 베어링 오일 복귀부로서 작동할 수도 있다.
도1을 다시 참조하면, 기관(2)은 일반적으로 4 행정 기관의 4 행정에 대응하는 5개의 영역(100, 110, 120, 130, 140)을 포함한다. 흡기 행정으로 여겨지는 영역(100)은 일반적으로 하부의 최좌측 포켓(20) 내부에 형성되는 공간의 일부분과 입구(6) 사이의 공간에 의해 경계가 지어진다. 기관(2)의 압축 행정으로 여겨지는 영역(110)은 일반적으로 하부의 최좌측 포켓(20)과 상사점 포켓(20)의 작은 부분 사이의 공간에 의해 경계가 지어진다. 타원형 본체(22)와 포켓(20) 사이의 공간에 의해 경계가 지어지는 영역(120)은 연소 챔버로서 여겨진다. 동력 행정으로 여겨지는 영역(130)은 일반적으로 상사점 포켓(20)과 하부 최우측 포켓(20) 사이의 공간에 의해 경계가 지어진다. 배기 행정으로 여겨지는 영역(140)은 하부 최우측 포켓(20)과 배기 출구(10) 사이의 공간에 의해 경계가 지어진다.
도7 및 도8을 참조하면, 압축기(8)는 중심 판(34)과 기어 박스(36) 사이에 개재된다. 압축기(8)는 로터 샤프트(14)에 고정되고 흡기부(8a), 출구(8b) 및 폐기 가스 출구(8c)를 포함한다(도8에 가장 잘 도시됨). 로터 샤프트(14)의 회전은 공기를 기관(2)의 입구(6) 내부로 압축하도록 압축기(8) 내부에서 복수의 베인(8d)을 회전시킨다. 도8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 연료 분사기(72)는 압축기 출구(8b)와 기관 입구(6) 사이에 직렬로 배치된다. 압축기(8)는 기관(2)의 압축비를 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 39.37 cm(15.5 인치)의 직경을 가지는 로터(12), 7.62 cm(3 인치) x 3.81 cm(1.5 인치)의 치수를 가지는 타원형 본체 및 17.78 cm(7 인치)의 직경을 가지는 유성 기어를 구비한 기관(2)에 있어서, 기관은 약 10.58 정도의 압축비를 달성할 수 있다. 압축기(8)는 약 5.29 내지 약 10.58의 범위로 기관(2)의 압축비를 두 배로 할 수 있다.
도2, 도5 및 도7을 참조하면, 기관(2)의 하우징(4)은 기관(2)을 냉각하기 위한 복수의 핀(74)을 포함한다. 핀(74)은 예를 들어 알루미늄과 같은 열전도성 금속으로 제조될 수도 있다. 또한, 도5 및 도7에서 가장 잘 관찰되는 바와 같이, 로터(12)는 복수의 팬 블레이드(76)를 포함한다. 팬 블레이드(76)는 아치형 또는 도우넛형 형상부를 포함하고, 작동 중 기관(2)을 냉각시키기 위해 공기 유동을 발생시키는데 사용될 수도 있다. 도7 및 도9를 참조하면, 로터 캡(78)은 복수의 볼트(79)를 통해 기관(2)에 고정된다. 로터 캡(78)은 양호하게는 단일편으로 형성되고 팬 블레이드(76)에 의해 생성된 공기 유동이 복수의 핀(74)의 표면을 가로질러 향하도록 하는 공기 재지향부(78a, air redirect portions)를 포함한다. 로터 캡(78)은 또한 정적 전기 접촉 부재(66)를 고정하는 기능을 한다.
도3a, 도3b, 도7, 도10의 (a) 및 도10의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 태양에 있어서 타원형 본체 조립체(44)는 부분 나사식 회전 샤프트[26, 도7 및 도10의 (a)에 도시됨]를 포함한다. 이와 관련하여, 타원형 본체 조립체(44)는 예를 들면 밀봉부(50) 또는 타원형 본체(22)를 교체하기 위해 용이하게 조립 및 분해될 수도 있다. 예를 들면, 타원형 본체 조립체(44)는 제1 스풀(46)을 회전 샤프트(26) 상에 삽입시킴으로써 형성될 수도 있다. 이어서, 타원형 본체(22)는 회전 샤프트(26) 상으로 공급될 수 있다. 타원형 본체(22)의 수용 구멍은 타원형 본체(22)를 조립체(44) 내부에서 적절하게 지향시키기 위해 도10의 (b)에 도시된 바와 같이 키이 가공될 수도 있다. 이어서 제2 스풀(48)이 회전 샤프트(26)에 걸쳐 위치될 수도 있다. 제2 스풀(48)은 제2 스풀(48)을 쪼이거나 (느슨하게) 하는데 사용되는 공구(도시 생략)를 수용하기 위한 복수의 리세스(84)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 리세스(84)는 렌치 또는 스패너 핀을 수용하도록 형성될 수도 있다. 따라서, 타원형 본체(22)는 제1 및 제2 스풀(46, 48) 사이에 끼워진다.
도3a 및 도10의 (a)에서 가장 잘 관찰되는 바와 같이, 회전 샤프트(26)는 두 개의 본체 베어링(86) 내부에서 회전 가능하다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 로터 샤프트(14) 내의 오일 통로(70)는 두 개의 본체 베어링(86)용 윤활 공간(88)에 결합된다. 따라서, 오일은 오일 통로(70)를 통해 외부 본체 베어링(86)으로, 보링 가공된 샤프트(26a)를 통해 내부 본체 베어링(86)으로 통과할 수 있다. 오일 밀봉 부(90)가 로터(12)의 내부(즉, 연소 영역)로부터 본체 베어링(86)을 밀봉하도록 제공된다.
계속 도10의 (a)를 참조하면, 내부 본체 베어링(86)의 윤활 공간(88)은 유성 기어(28) 내부의 플레넘(plenum) 또는 공간(91)과 연통한다. 유성 기어(28)는 오버행(overhang)을 감소시키고 기어 윤활을 제공하기 위한 컵형 유성 기어(28)일 수도 있다. 하나 이상의 배수 구멍(92)은 컵형 유성 기어(28) 내에 제공되어 오일이 유성 기어(28)와 고정된 태양 기어[30, 도10의 (a) 도시 생략] 사이의 경계면을 윤활하도록 한다.
도10의 (a)는 스풀(46, 48)의 외부 상에 위치되는 마모면(52) 및 밀봉부를 도시한다. 마모면(52)은 예를 들면 경화강으로 형성될 수도 있다. 도10의 (b)는 본 발명의 일 태양에 따른 타원형 본체(22)의 단부도를 도시한다. 타원형 본체(22)는 타원형 본체(22)에 균형을 제공하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 빈 틈(94)을 포함할 수도 있다. [타원형 본체(22)의 장축을 따라] 최외측 영역은 밀봉부(96)를 포함할 수도 있다. 밀봉부(96)는 타원형 본체(22)와 포켓(20)/하우징(4) 사이에 실질적인 기밀식 밀봉부를 형성한다. 이와 관련하여, 기관의 다섯 개의 영역(예를 들면, 도1의 영역 100, 110, 120, 130, 140) 사이에서 뒤섞이는 가스가 실질적으로 존재하지 않는다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 일 태양에 있어서, 단면으로 관찰 시 하우징(4)은 스플라인 곡선의 프로파일을 가진다. 아래의 표1 및 표2는 180도까지 2도의 증분으로 하우징 내부면의 반경을 나타낸다[나머지 180도의 측정은 하우징(4)의 대칭 특성 때문에 포함되지 않음]. 반경 측정은 헐거운 끼워 맞춤뿐만 아니라 타원형 본체(22) 사이의 억지 끼워 맞춤에 대해서 제공된다. 헐거운 끼워맞춤은 타원형 본체(22)와 하우징(4) 내부 사이에 대략 0.0508 mm(0.002 인치)의 간극을 포함한다. 측정은 타원형 본체(22)에 대해서 7.62 cm(3 인치)의 장축 및 3.81 cm(1.5 인치)의 단축을 가정하여 이루어졌다. 로터(12)의 반경은 19.05 cm(7.5 인치)로 가정하고, 타원형 본체(22)의 중심 반경은 17.78 cm(7 인치)로 가정하였다.
표1
Figure 112007013059403-PCT00001
표2
Figure 112007013059403-PCT00002
기관(2)의 작동 중, 타원형 본체(22)가 입구(6) 또는 흡기 포트를 비우는 경우, 공기/연료 충전이 뒤이어져서 흡기 스윕(intake sweep, 즉 도1에서 영역 100)을 채운다. 대게, 선택적인 압축기(8)를 구비한 경우, 공기/연료 충전은 약 두 개의 분위기에서 가압될 것이다. 이어서 공기/연료 충전은 기관의 압축 영역(즉, 도1에서 영역 110)으로 들어가게 된다. 상사점 근처에서, 타원형 본체(22)와 포켓(20) 사이의 공간에 의해 경계가 지어지는, 도1에 도시된 연소 챔버 영역(120)에 있어서, 공기/연료 충전은 로터(12)에 의해 유지되는 점화원(60)에 의해 점화된다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 점화원(60)은 점화 진각(ignition advance)을 수용하 기 위해 타원형 본체(22)가 상사점에 도달하기 이전에 점화된다[예를 들면, 조기 점화(early ignition)]. 이와 관련하여, 연소 가스가 구동 영역(130)으로 노출될 때, 이는 완전 연소 및 최적 구동 압력에 이르는 도중이다. 동력 행정 이후에, 연소 가스는 출구(10)를 통해 로터(12)와 하우징(4) 사이의 공간 외측으로 배기된다.
한정된 영역 내에서 생성되는 압력이 종래의 피스톤 기관에서와 같이 기관(2)에 대해서 작동하지 않음을 주목하여야 한다. 하부 우측의 타원형 본체(22)를 참조하면, 동력 행정의 완료 후, 타원형 본체(22)는 출구(10)를 통해 기관(2)으로부터 연소 가스를 방출하는 것을 실질적으로 보조한다. 이러한 것이 각각의 타원형 본체(22, 예들 들면 본 발명의 양호한 실시예에서는 3개)에 대해 발생하므로, 종래의 6기통, 4 행정 피스톤 계열 기관과 동일한 회수의 회전당 동력 행정을 수행한다.
본 기관(2)은 대게 연소 기관이 사용되는 임의의 적용예, 예를 들면 자동차 및 비행기에서 사용될 수 있다. 기관(2)은 수소 동력식 적용예에서 사용될 수도 있다. 다중 로터(12)가 역시 기관(2)의 출력을 증가시키도록 사용될 수 있다. 본 기관(2)은 일반적으로 동심인 운동을 생성하므로 동적 균형을 이룬다. 예를 들면, 완켈식 로터리 연소 기관에서와 같은 로터(12)와 관련된 플립-플롭 운동이 존재하지 않는다. 본 기관(2)은 고속, 예를 들면 약 25,000 내지 50,000 rpm의 범위에서 회전할 수 있다. 이는 약 4,000 내지 6,000 rpm 범위의 속도로 회전하는 피스톤 기관과 비교하여 양호하다.
기관(2)의 실제 rpm은 매우 높고 터빈의 것과 유사할 것이다. 추가로 가스 의 바이패스(bypass)가 거의 없다. 매우 긴 토크 아암은 높은 토크를 발생시키고 긴 행정 체적(swept volume)은 연료의 완전 연소를 야기시켜, 매우 깨끗하고 차가운 배기 가스를 남길 것이다. 기관(2)이 최근의 왕복 기관에 비해 18%의 효율 증가를 제공할 수 있는 것으로 추정된다.
본 발명의 실시예가 도시 및 기술되었지만, 다양한 변형예가 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 하기의 청구범위 및 그 등가 범위에 의해 한정되어야 한다.

Claims (17)

  1. 내연 로터리 기관이며,
    입구 및 출구를 가지는 하우징과,
    상기 하우징 내부 중심에 장착되고, 주연부 주위에 위치되는 복수의 포켓을 포함하고, 로터 샤프트에 추가로 연결되는 회전 가능한 로터와,
    복수의 포켓 각각에 배치되는 회전 가능한 타원형 본체와,
    복수의 포켓 각각에 배치되는 점화원을 포함하고,
    각각의 회전 가능한 타원형 본체는 각각 중심에 배치되어 고정된 태양 기어와 정합하는 개별 유성 기어에 결합되며,
    상기 로터의 매 360도 회전에 대해, 각각의 타원형 본체는 720도에 걸쳐 회전하는 내연 로터리 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 로터는 주연부 주위에 위치되는 세 개의 포켓을 포함하는 내연 로터리 기관.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세 개의 포켓은 로터 주연부 주위에서 동일하게 이격되어 있는 내연 로터리 기관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 점화원은 스파크 플러그를 포함하는 내연 로터리 기 관.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 스파크 플러그에 결합되는 스파크 플러그 컨덕터를 더 포함하는 내연 로터리 기관.
  6. 제1항에 있어서, 상기 로터 샤프트와 기계적으로 연동되는 출력 샤프트를 더 포함하는 내연 로터리 기관.
  7. 제1항에 있어서, 상기 로터 내 복수의 포켓 중 하나 이상에 배치되는 공기 퍼지 포트를 더 포함하는 내연 로터리 기관.
  8. 내연 로터리 기관이며,
    입구 및 출구를 가지는 하우징과,
    상기 하우징 내부 중심에 장착되고, 주연부 주위에 위치되는 복수의 포켓을 포함하고, 로터 샤프트에 추가로 연결되는 회전 가능한 로터와,
    복수의 포켓 각각에 배치되는 타원형 본체와,
    복수의 포켓 각각에 배치되는 점화원을 포함하고,
    상기 입구는 압축기에 결합되고, 각각의 타원형 본체는 일단부에서 회전 샤프트 상에 장착되고, 회전 샤프트는 대향 단부에서 개별 유성 기어에 결합되고, 개별 유성 기어 각각은 중심에 배치되어 고정된 태양 기어와 정합하며,
    상기 로터의 매 360도 회전에 대해, 각각의 타원형 본체는 720도에 걸쳐 회전하는 내연 로터리 기관.
  9. 제8항에 있어서, 상기 로터 샤프트는 잭 샤프트를 통해서 출력 샤프트에 기계식으로 결합되는 내연 로터리 기관.
  10. 제8항에 있어서, 각각의 타원형 본체는 외부면 상에 배치되는 밀봉부를 포함하는 내연 로터리 기관.
  11. 제8항에 있어서, 각각의 타원형 본체는 두 개의 외부 원형 부재 사이에 개재되는 내연 로터리 기관.
  12. 제8항에 있어서, 상기 로터는 분배기에 결합되고, 상기 분배기는 각각의 점화원에 대한 전기 접촉부를 포함하는 내연 로터리 기관.
  13. 제8항에 있어서, 상기 하우징은 복수의 외부 핀을 포함하는 내연 로터리 기관.
  14. 제8항에 있어서, 상기 점화원은 스파크 플러그를 포함하는 내연 로터리 기관.
  15. 제8항에 있어서, 상기 로터는 그의 주연부 주위에 위치되는 세 개의 포켓을 포함하는 내연 로터리 기관.
  16. 제8항에 있어서, 상기 로터 샤프트는 윤활 경로로서 타원형 본체의 회전 샤프트 내에 내장된 보어와 연통하는 통로를 내부에 포함하는 내연 로터리 기관.
  17. 제8항에 있어서, 각각의 유성 기어는 태양 기어의 피치 직경과 동일한 피치 직경을 가지는 내연 로터리 기관.
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