KR20100128300A - 로터리 피스톤 내부 연소 엔진 동력 유닛 - Google Patents

Abstract

2 개 로브형 에피트로코이드 내측 주위 표면(14) 내의 공동 안에서 편심되게 회전하는 편심 샤프트(63)상에 장착된 3 측면 로터리 피스톤(R)을 구비하는 반켈 엔진(Wankel engine) 유형의 스파크 점화 엔진 유닛(1)을 가진 동력 유닛(14)으로서, 공동은 주위 압력의 공기가 작동 챔버 안으로 유도되는 유입 포트(7) 및 배기 개스가 작동 챔버로부터 배기되는 유출 포트(45)를 구비하고, 동력 유닛은 단일 로브형 에피트로코이드 챔버(25) 안에서 편심되게 회전하는 편심 샤프트(12)상에 장착된 2 측면 회전자(24)를 가진 로터리 팽창기 유닛(4)을 더 구비하고, 양쪽 샤프트(62,63)들은 함께 회전하도록 결합되고, 엔진 유닛(1)의 에피트로코이드 공동의 배기 포트(45)는 팽창기 유닛(4)의 유입 포트(26)에 연결됨으로써 엔진 유닛(1)으로부터의 배기 개스는 팽창기 유닛(4) 안에서 더 팽창된다.

Description

로터리 피스톤 내부 연소 엔진 동력 유닛{Rotary piston internal combustion engine power unit}

본 발명은 로터리 피스톤 내부 연소 엔진 동력 유닛에 관한 것이다.

보다 상세하게는 본 발명은 소위 반켈 엔진(Wankel engine)을 구비하는 동력 유닛에 관한 것으로서, 반켈 엔진에서는 로터리 피스톤 또는 소위 회전자가 단부 하우징 또는 소위 단부 케이싱들과 조합된 하우징 또는 소위 회전자 하우징에 의해 형성되는 공동(cavity) 안에서 회전하고, 공동의 내측 주위 표면 및 회전자 외측 주위는 회전자와 내측 벽들 사이에 작동 챔버들이 형성되도록 형상화되며, 그 작동 챔버의 체적은 회전자가 회전함에 따라서 변화되고, 공동에는 유입 포트 및 배기 포트가 제공된다. 언급된 종류의 엔진의 가장 잘 알려진 예에서 공동은 2 개 로브형 에피트로코이드(lobed epitrochoid) 형상 내측 주위 표면을 가진 정지 회전자 하우징에 의해 제공되고, 실질적으로 삼각형이지만 볼록한 원호의 측면(flank)을 가진 회전자가 제공되고, 회전자의 정점에 있는 시일 또는 소위 정점 시일들은 하우징의 주위 표면과 시일 접촉을 유지하고, 회전자의 측부에 있는 시일 또는 소위 측부 시일들은 2 개의 축방향으로 이격된 단부 케이싱들과 시일 접촉을 유지하고, 회전자는 공동 안에서 혹성의 방식으로 회전한다.

배타적인 것은 아니지만 보다 특정적으로 본 발명을 위해서 주로 의도된 적용예는 시리즈 하이브리드(series hybrid) 차량에서 이용되기 위한 것으로서, 그 차량들은 소위 플러그-인(plug-in) 전기 유형에 의해 유도된 것이다. 이러한 차량들은 전기 모터 또는 모터들에 의해서만 추진되며, 그 모터들에는 주 동력 공급부로부터 재충전된 탑재 배터리로부터 전력이 공급된다. 비록 그러한 배터리들의 단위 중량당 에너지 용량이 점진적으로 증가되었을지라도, 재충전 사이의 차량 주행 거리와 배터리의 중량 사이에는 절충이 이루어져야만 한다.

탑재 엔진/발전기 유닛 또는 소위 젠셋(genset)을 설치하려는 제안이 이루어졌는데, 이것은 필요할 때 배터리를 충전시키도록 간헐적으로 가동될 수 있어서 차량의 주행 거리를 연장시킬 수 있다. 그러한 차량은 시리즈 하이브리드(series hybrid)로 지칭된다. 여기에서 고려된 시리즈 하이브리드 차량은 주행 거리가 오직 엔진 연료 탱크의 용량에 의해서만 제한된다는 점에서 통상적인 차량들과 유사한 주행 거리를 가진 차량이다.

소비되고 있는 전기 에너지를 젠셋(genset)이 연속적으로 공급할 때, 젠셋의 동력 출력은 통상적으로 소망의 최대 순항 속도에서의 차량 동력 소비와 맞도록 선택된다. 단속적인 가속을 위해 필요한 추가적인 임의의 에너지는 일반적으로 배터리로부터 제공된다.

시리즈 하이브리드 차량의 실용성은 적절한 젠셋의 이용 가능성에 달려 있다.

최근의 개발은 저중량 고효율의 고속 전기 발전기를 이용할 수 있게 하였다. 따라서 다음의 특성을 구비하는 동력 유닛의 필요성이 있다:

-가벼운 중량 및 작은 부피

- 낮은 연료 소비율 (sfc)

- 낮은 소음 및 진동

- 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물(NOx)의 적은 배출

- 수용 가능한 제조 비용

- 최소의 관리로써 높은 신뢰성 및 오랜 수명

단일의 회전자를 가진 스파크 점화 반켈 엔진은 과거의 많은 연구에서 이러한 적용예를 위하여 잠재적으로 가장 적절한 엔진인 것으로 판단되었는데, 이는 주로 공지의 가벼운 중량, 작은 크기, 낮은 레벨의 진동 및, 특히 다중 실린더의 왕복 엔진들과 비교했을 때 저렴한 비용 때문이다. 그러나, 연료 소비율, HC 배출 및 배기 소음에 대한 다른 특성들은 전기 자동차 제조자들이 그러한 엔진을 생산 설계에 포함하도록 고무시킬만큼 충분히 매력적이지 않았다.

현저한 기계적 마찰 손실을 추가하지 않으면서 스파크 점화 내부 연소 엔진의 팽창 비율을 실질적으로 증가시키는 수단이 고안될 수 있다면, 그러한 엔진의 열효율이 향상될 것이라는 점이 잘 알려져 있다.

미국 특허 US 3,858,557 에는 로터리 엔진과 관련하여, 로터리 예비 콤프레서 및 팽창기 유닛을 이용하는 것이 제안되었다. 엔진은 디젤 연료를 이용하는 압축 점화 엔진으로서 작동될 수 있고, 예비 콤프레서를 구비하는 목적은 콤팩트한 연소 챔버를 가진 정상적인 기하 형상 로터리 엔진을 이용하면서 충분히 높은 전체 압축비가 달성될 수 있도록 하는 것이다. 대안으로서, 엔진은 스파크 점화 및 상사점 둘레의 직접 분사를 가진 계층화된 충전 엔진(stratified charge engine)으로서 작동될 수 있다. 대안으로서 엔진은 가솔린 연료의 균질 혼합물 및 캬브레터를 가지고 작동될 수 있다. 이들 2 가지 대안에서 콤프레서를 구비하는 목적은 코어 엔진 유닛의 주어진 크기에 대하여 동력 출력을 증가시키는 것이다. 팽창기 유닛을 구비하는 목적은 콤프레서를 구동시킴으로써 소비되는 것에 대한 동력의 기여를 만들어서, 열효율을 향상시키는 것이다.

영국 특허 GB 1068209 에는 압축 점화 엔진으로서 작동되는 팽창기 유닛 및 사전 콤프레서(pre-compressor)를 구비하는 복합 엔진에 대한 제안이 있다. 이러한 구성은 스파크 플러그를 포함할 수 있다. 이러한 스파크 플러그의 목적은 냉 시동(cold starting)을 보조하고 그리고/또는 디젤 연료보다 낮은 세탄 가(cetane number)를 가지는 대안의 연료 이용을 허용하도록 하는 것이다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하고 성능이 개선된 동력 유닛을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 국면에 따르면, 2 개 로브형 에피트로코이드(two lobed epitrochoid) 내측 주위 표면 내부의 공동(cavity) 안에서 편심되게 회전하는 편심 샤프트상에 장착된 3 측면 회전 피스톤(three flanked rotary piston)을 구비하는, 반켈 유형(Wankel type)의 스파크 점화 엔진 유닛을 가지는 동력 유닛이 제공되는데, 공동은 주위 압력의 공기가 작동 챔버 안으로 유도되는 유입 포트 및 배기 개스가 작동 챔버로부터 배기되는 유출 포트를 구비하고, 동력 유닛은 단일 로브형 에피트로코이드 챔버 안에서 편심되게 회전하는 편심 샤프트상에 장착된 2 측면 회전자를 가진 로터리 팽창기 유닛을 더 구비하고, 양쪽 샤프트들은 함께 회전하도록 결합되고, 엔진 유닛의 에피트로코이드 공동의 배기 포트는 팽창기 유닛의 유입 포트에 연결됨으로써 엔진 유닛으로부터의 배기 개스는 팽창기 유닛 안에서 더 팽창된다.

그러한 동력 유닛은 훨씬 증가된 결합 팽창비를 허용하는데, 그 팽창비는 엔진의 압축비의 적어도 2 배일 수 있거나, 또는 약 22 대 1 일 수 있다.

본 발명에 채용된 로터리 피스톤 엔진 유닛의 바람직한 유형은 영국 특허 GB 1385687, GB 1386811 및 GB 2199082 에 설명된 바와 같으며, 그러한 엔진들은 이러한 기관 효율을 위한 많은 이상적인 특성들을 가진다. 이러한 유형의 엔진들은 통상적으로 8.5 내지 9.5 대 1 의 범위에 있는 동등한 값의 압축비 및 팽창비를 채용한다.

요구되는 낮은 마찰 특성, 가벼운 중량 및 부피를 가지고 채용되어야 하는 팽창기 유닛은 소위 반켈 패밀리(Wankel family)의 다른 회전 피스톤 기계이며, 여기에서 팽창기 유닛의 2 측면 회전자는 그것이 장착된 편심 샤프트 속도의 절반으로 회전하도록 기어 결합됨으로써, 단일 로브형 에피트로코이드 챔버의 내측 표면과 팽창기 유닛 회전자 측면 사이에 2 개의 작동 챔버들이 형성되고, 단일 로브형 에피트로코이드 챔버는 배기 포트를 가지고, 엔진 유닛의 배기 포트와 팽창기 유닛의 유입 포트 사이에 연결 도관이 있고, 엔진 유닛으로부터의 배기 개스가 팽창기 유닛 안에서 더 팽창되도록 2 개의 샤프트들은 고정된 위상 관계에서 같은 속도로 가동되도록 직접 연결되거나 또는 기어로 결합된다.

이러한 장치에 의해서, 팽창기 유닛의 각각의 작동 챔버는 샤프트의 각각의 360°회전에서 최대 체적으로부터 최소 체적으로 사인 곡선의 방식으로(sinusoidal manner) 체적이 변화되며, 2 개의 작동 챔버들은 서로 360°로 위상이 다르다. 최대 작동 챔버 체적 대(對) 최소 작동 챔버 체적의 비율은 통상적으로 대략 65 대(對) 1 이며, 따라서 최소치에 있을 때 작동 챔버의 체적은 매우 작다.

본 발명은 본원에 첨부된 청구항 제 2 항 내지 제 12 항의 기재된 특징들중 그 어느 것이라도 포함할 수 있다.

본 발명의 제 2 특징에 따르면, 본 발명의 제 1 특징에 따른 동력 유닛 및, 전기 발전기의 결합체가 제공되는데, 발전기는 팽창기 유닛 및 엔진 유닛의 샤프트들중 하나 또는 다른 것에 의해 구동되는 회전자를 구비한다.

본 발명의 제 3 특징에 따르면, 적어도 하나의 바퀴 및/또는 적어도 하나의 프로펠러중 하나를 구동하기 위한 구동 시스템을 구비하는 차량이 제공되는데, 구동 시스템은 본 발명의 제 2 특징에 따른 결합체 및, 발전기로부터의 충전을 수용하는 전기 저장 장치를 구비하고, 바퀴 또는 프로펠러는 구동 시스템의 모터에 의해 구동되고, 모터는 전기 저장 장치로부터의 전력을 수용한다.

본 발명의 구현예들은 이제 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다:

본 발명에 의해서, 가벼운 중량 및 작은 부피, 낮은 연료 소비율 (sfc), 낮은 소음 및 진동, 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물(NOx)의 적은 배출, 수용 가능한 제조 비용, 최소의 관리로써 높은 신뢰성 및 오랜 수명이 가능한 동력 유닛이 제공될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 동력 유닛의 구성을 도시하는 예시적인 다이아그램이다.
도 2 는 동력 유닛의 엔진 유닛의 샤프트와 함께, 도 1 의 동력 유닛의 팽창기 유닛의 편심 샤프트의 근접한 통합체를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 3 은 중간 팽창 행정 위치/중간 배기 행정 위치에서 단일 로브형 트로코이드 하우징 내부의 팽창기 유닛의 회전자를 개략적으로 도시한 축방향 도면이다.
도 4, 도 5, 도 6 및 도 7 은 TDC/BDC 위치 및 편심 샤프트의 연속적인 90°간격을 가진 3 개의 다음 위치들에서 팽창기 유닛의 회전자에 대한 개략적인 도면이다.
도 8 은 엔진 유닛의 배기 포트에 연결된 팽창기 유닛의 개략적인 공통 평면의 도면이다.
도 9 는 도 8 로부터 180°로 샤프트가 회전된 것이다.
도 10 은 본 발명에 따른 동력 유닛의 팽창기 유닛 또는 엔진 유닛에서 이용될 수 있는 회전자를 위한 폐쇄 냉각 회로를 가지는, 로터리 엔진의 구성에 대한 예시적인 도면이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 특징에 따른 하이브리드 차량의 예시도이다.

도 1 및 도 2 를 참조하면, 엔진 유닛은 회전자 하우징(1), 단부 케이싱(2,3) 및 유도 도관(7)을 구비한다. 팽창기 유닛은 엔진 유닛과 동축으로(coaxially) 장착되고, 공유된 복합 단부 케이싱(3)을 통해서 엔진 유닛으로부터 캔티레버(cantilever)로 설치된다. 팽창기 유닛은 회전자 하우징(4), 외부 단부 케이싱(5) 및 배기 파이프(8)를 구비한다. 팽창기 유닛의 회전자(24)(도 3)는, 정지 기어(32)와 맞물리고, 엔진 편심 샤프트(63)의 연장 부재(62)상에 장착되며, 엔진 샤프트(63)는 단부 케이싱(2,3)에 각각 장착된 2 개의 주 베어링(14, 15)들에 저널(journal)되어 있다. 팽창기 유닛을 위한 소형 테일 베어링(tail bearing, 16)은 외부 평형 중량체(67)에 근접하여 도시되어 있다. 따라서 엔진 유닛 및 팽창기 유닛 샤프트(63,62)들은 함께 회전하도록 결합된다.

팽창기 유닛 회전자(24)는 그것이 장착된 샤프트(62) 속도의 절반으로 회전한다.

니들 베어링(needle bearing, 64)상에 정지 기어(66)와 맞물린 엔진 유닛의 회전자(R)(도 8 참조)를 위한 개스 냉각 흐름은, 도면 번호 11 에서 단부 케이싱(2)에 진입하고, 회전자(R)에 있는 축방향 통로(18)를 통과하고, 팽창기 유닛으로부터 배출되고, 또한 도면 번호 13 에서 단부 케이싱(3)으로부터 배출된다. 연료 분사기(9)는 유도 도관(7)에 장착된 것으로 도시되어 있지만, 회전자 하우징의 공동 안으로의 직접 분사가 대안으로서 채용될 수 있다.

시동 발전기 유닛(6)의 고정자(7)는 엔진 유닛과 동축으로 장착되고, 엔진 단부 케이싱(2)으로부터 캔티레버로 설치된다. 발전기 유닛(6)의 회전자(R2)는 엔진 샤프트(63)의 연장부상에 캔티레버 방식으로 장착된다. 발전기 유닛(6)의 회전자 샤프트의 소형의 선택적인 테일 베어링(tail bearing, 17)이 도시되어 있다.

도 3 은 회전자 하우징(4)의 단일 로브형 에피트로코이드(single lobed epitrochoidal) 챔버(25)내에 있는 팽창기 유닛의 2 코너 회전자(24)를 도시한다. 팽창기 유닛으로의 유입 포트(26) 및, 팽창기 유닛으로부터의 배기 포트(27)가 도시되어 있다. 팽창기 유닛 회전자(24)와 하우징(4) 사이의 개스 시일링(gas sealing)은 회전자(24)의 각각의 코너에서 정점 시일(apex seal, 29)에 의해 이루어지고, 측부 시일(side seal, 28)은 회전자(4)의 각각의 측에 장착된다. 정점 시일(29)은 회전자(24)가 회전할 때 하우징(4)의 내측의 2 개 로브형 에피트로코이드 표면(25)과 시일 맞물림을 유지하고, 측부 시일(28)은 팽창기 유닛의 단부 케이싱(3,5)과 시일 맞물림을 유지한다. 정지 기어(32)는 외부 단부 케이싱(5)에 의해 장착된다. 내측의 맞물림 링 기어(ring gear, 33)는 회전자(24)에 의해 장착되거나 또는 회전자(24)와 일체이다. 각각의 단부 케이싱(3,5)에 있는 개구(34)는 냉각 개스를 위한 입구 및 출구를 제공하며, 냉각 개스는 회전자 냉각의 목적을 위해서 회전자(24)내의 축방향 통로(또는 통로들)(19)를 통과하며, 그러한 개구(34)들은 회전자(24)의 모든 회전 위치들에서 측부 시일(28)들의 내측 가장자리의 궤적(locus)내에 놓인다.

회전자(24)가 에피트로코이드 챔버(25) 안에서 회전하면, 작동 챔버들이 형성된다. 도면 번호 35 에는 팽창 챔버가 도시되어 있는데, 팽창 챔버는 연결 도관(45)을 통해서 엔진 유닛으로부터 개스를 수용하고 (도 1, 도 8 및 도 9 참조), 도면 번호 36 에는 배기 챔버가 도시되어 있는데, 배기 챔버로부터 개스는 배기 소음기(silencer)로 통과되거나 또는 배기 파이프로 통과되어, 도관(8)과 소통하는 유출 포트(27)를 통해 자동차로부터 배출된다. 도 3 은 이러한 유닛에 의해 제공되는 전체 크기에 대한 배기량(swept volume)의 매우 유리한 비율을 도시하며, 이는 본 발명에서의 이러한 선택이 이루어지는 제 1 의 이유이다. 팽창기 유닛에서의 마찰 손실은 낮으며, 왕복 피스톤 장치에서와 같은 피스톤 측의 추력(thrust)이나 또는 커다란 관성 하중이 없으며, 이는 본 발명에서의 이러한 선택이 이루어지는 제 2 의 이유이다.

도 4, 도 5, 도 6 및 도 7 은 에피트로코이드 챔버(25) 내부의 4 개의 상이한 위치들에서 팽창기 유닛 회전자(24)를 도시한다. 엔진 유닛으로부터 가압된 개스는 유입 포트(26)에서 유닛으로 진입하고, 통상적으로 주위보다 아주 약간 높은 압력으로 배기 포트(27)를 통해서 배출된다.

엔진 유닛은 도 8 내지 도 10 에서 보다 상세하게 동일 평면상에 나타내는 방식으로 개략적으로 도시되어 있다.

팽창기 유닛이 엔진 유닛과 동축선상으로(co-axial) 있는 것이 바람직한 구성이라는 점이 이해될 것이며, 도 8 및 도 9 는 2 개의 회전자들의 상대적인 움직임을 이해하도록 제공된 것이다.

엔진 유닛의 회전자 하우징(1)은 2 개 로브형 에피트로코이드 내측 주위 표면을 가진 공동이나, 또는 단부 케이싱(2, 3) 사이의 보어(bore, 14)를 가진다.

엔진 유닛 회전자(R)는 시일 스트립(seal strip, 113)인 정점 시일을 가지는데, 이것은 3 개의 정점들중 각각에 배치되고, 각각의 시일 스트립(113)은 회전자(R)가 혹성과 같은 방식으로 공동 안에서 회전하면 회전자(R)의 개별적인 정점과 내측 주위 표면(114) 사이에서 시일 접촉을 유지한다.

하나의 단부 케이싱(3)은 유입 통로(119)를 가지며, 유입 통로는 정지 기어(32)의 양 측에 배치된 하나 또는 그 이상의 개구(120)들을 가지고, 개구(120)들은 이후에 설명되는 측부 시일(126)들의 회전의 내측 엔벨로프(envelope) 안에 포함되도록 형상화되며, 회전자(R)의 측부에서 측부 시일(126)들은 단부 케이싱(2, 3)과 회전자(R)의 측부 사이에 시일을 이루어서 유지된다. 유입 통로(119)를 가진 단부 케이싱은 냉각 개스 흐름과 관련하여 상류측 케이싱(3)이다.

다른 단부 케이싱(2)에는 개구(18) 및 유출 통로(117)가 유사하게 제공된다.

회전자 냉각 매체는 상류측 단부 케이싱(3)에서 유입 통로(119)를 통하여, 그리고 다음에는 단부 케이싱(3)내에 있는 개구 또는 각각의 개구(120)를 통해서 다른 하류측의 단부 케이싱(2)에 있는 하나 또는 그 이상의 개구(118)를 향해, 예를 들어 공기 유동을 허용하는 회전자(R)의 웹에 있는 통로(18)를 경유하여 회전자(R)의 내부를 통해 흐를 수 있다.

도관(123)은 하류측 단부 케이싱(2)에 있는 유출 통로(117)를 냉각 열교환기(124)에 연결시킨다. 다른 도관(125)은 냉각 열교환기(124)의 출구를 냉각 매체 순환 펌프(127)에 연결시키고, 다른 도관(128)은 펌프(127)로부터의 출구를 상류측 단부 케이싱(3)에 있는 통로(119)에 연결시킨다. 다른 예에서, 펌프(127)는 필요에 따라서 열교환기(124)의 상류측에 있을 수 있다.

냉각 매체를 위한 냉각 회로는, 상류측 및 하류측 단부 케이싱(3,2)에 있는 개별의 통로(119, 117), 회전자(R)를 통한 통로 또는 통로(18)들중 하나가 상류측 단부 케이싱(3)에 있는 개구들 또는 개구(120)들중 하나 및 하류측 단부 케이싱(2)에 있는 개구(118)들 또는 하나 이상의 개구들과 정렬되었을 때 회전자(R)를 통한 통로 또는 통로들(18)에 의하여, 열교환기(124)로의 도관(123), 펌프(127)로의 도관(125) 및 상류측 단부 케이싱(3)에 있는 유입 통로(119)로의 도관(128)을 경유하여 수립된다.

이러한 예에서, 냉각 회로의 냉각 매체는 냉각 회로와 엔진 유닛의 작동 챔버들 사이의 측부 시일(126)을 가로지르는 개스 누설 경로를 통한 압력으로 엔진 유닛의 작동 챔버들로부터 냉각 회로로 통과하는 블로바이(blow-by) 개스에 의해 제공된다.

(회전자(R)의 각 측에 있는) 측부 시일(126)은 이러한 예에서 회전자 측면을 따라서, 회전자(R) 둘레의 2 개의 연속적인 정점 시일(113)들 각각의 사이에서 연장됨으로써, 그러한 예에서, 3 개의 회전자 측면들 각각은 측부 시일(126)을 가지고, 측부 시일(126)은 회전자(R)의 각 측에서 회전자 회전의 내측 엔벨로프(envelope)를 만든다.

냉각 열교환기(124)는 냉각 회로 안에 냉각 개스의 냉각을 발생시키는 그 어떤 적절한 유형일 수 있다. 통상적으로, 열교환기(124)에서는 주위 공기가 냉각제이다. 그러나, 예를 들어 보트에 동력을 제공하는 것과 같이 해양 환경에서 이용되는 엔진에서는, 냉각제는 물인 것이 바람직스러울 수 있다.

냉각 회로 펌프(127)는 그 어떤 적절한 유형일 수도 있지만, 필요에 따라서, 엔진의 배기 개스에 의해 동력을 받는 터빈, 또는 전기 모터에 의해 구동되거나, 또는 엔진 유닛의 출력 샤프트(63)로부터 기계적으로 구동되는, 원심 팬 유형일 수 있다.

엔진 유닛(1)의 회전자(R)를 위한 냉각 회로가 바람직스럽게는 팽창기 유닛(4)의 회전자(24)를 위한 냉각 회로에 병렬로 연결됨으로써, 엔진 유닛의 회전자(R) 및 팽창기 유닛(4)의 회전자(24)는 공통의 냉각 회로에 의해 양쪽이 개스 냉각되며, 양쪽 회전자(R, 24)를 냉각하기 위한 냉각 개스를 공급하는 공통의 냉각 열교환기(124)가 있다. 필요하다면, 도 1 에 도시된 엔진 유닛(1)을 위한 것과 유사한 분리된 냉각 회로를 팽창기 유닛(4)이 가질 수 있다.

다른 예에서, 위에서 설명된 바와 같은 회전자 냉각 회로 대신에, 팽창기 유닛(4)의 회전자(24)는 다르게 개스 냉각될 수 있는데, 예를 들어 공기에 의해서 냉각될 수 있다.

도 8 은 엔진 유닛의 배기 작동 챔버(44)를 도시하는데, 이것은 가압된 개스를 통로(45)를 통하여 팽창기 유닛의 수용 작동 챔버(35)로 전달한다. 동시에 팽창기 유닛의 배기 챔버(36)는 배기 포트(27)를 통하여 개스를 배출시킨다.

도 9 는 회전자(24, R)가 장착된 샤프트(62, 63)들이 도 8 에 대하여 180°로 회전되었을 때의 상황을 도시한다. 엔진 유닛의 배기 작동 챔버(48)는 그것의 최소 체적에 가깝게 있고, 팽창기 유닛에 있는 연결된 챔버(49)는 그것의 최대 체적에 가깝게 있다. 팽창기 유닛의 배기 작동 챔버(51)는 배기 행정의 끝에 근접해 있다.

소망스럽게는, 결합된 엔진 유닛 및 팽창기 유닛의 팽창 비율이 대략 22 대 1 이며, 그러한 결합된 엔진 유닛 및 팽창기 유닛의 팽창 비율은, 바람직스럽게는 그 어떤 경우에도, 엔진 유닛 단독에 의해 달성될 수 있는 것의 적어도 2 배이다.

발전기(6)가 동력 유닛(1/4)에 동일축으로 장착되는 것이 바람직스러울지라도, 다르게 장착될 수도 있으며, 그러나 소망스럽게는 동력 유닛 또는 팽창기 유닛에 의해 구동된다.

팽창기 유닛(4)의 치수들은 비록 그것이 선택된 팽창 비율에 달려 있을지라도, 최대 작동 챔버 체적이 엔진 유닛의 배기량의 체적의 약 2.8 배이도록 선택될 수 있다.

팽창기 유닛과 엔진의 회전자들 사이의 각도 관계는, 엔진 유닛의 팽창 작동 챔버 체적이 최대값에 접근하고 그것의 배기 포트가 개방되기 시작할 때, 팽창기 유닛에 있는 작동 챔버가 최소 체적에 근접하도록 되어 있으며, 그 팽창기 유닛에 대하여 엔진 배기 포트가 도관(45)을 통해 연결된다. 엔진 유닛이 배기 국면을 수행할 때, 팽창기 유닛은 배기 개스를 받아들여서 그것을 주위 보다 단지 약간 높은 최종 압력으로 더 팽창시킴으로써 개스로부터 가외의 에너지를 추출한다. 이러한 시점에 팽창기 유닛의 배기 포트(27)가 개방되고 배기 개스는 대기로 방출되거나 또는 샤프트(62) 회전의 다음 360°동안 배기 소음기로 방출된다. 동시에, 팽창기 유닛의 다음 작동 챔버는 엔진 유닛의 이어지는 챔버로부터 배기되고 있는 개스를 수용하고, 사이클이 반복된다.

팽창기 유닛의 기하 형상 및 설계는 콤팩트하고 낮은 마찰의 종류로서 선택되며 회전자(24)의 반경 치수(회전자 중심으로부터 회전자 코너)의 비율은 회전자가 장착되는 샤프트(62)의 이심률의 대략 4.3 배이도록 선택된다. 그러한 설계로써 팽창기 유닛은 엔진 유닛과 유사한 직경을 가질 수 있고 또한 배기량의 거의 3 배를 가짐에도 불구하고 유사한 축방향 길이를 가질 수 있으며, 그러한 것은 공간상의 효율성을 가진다. 그에 의해서 콤팩트한 팩키지가 만들어진다.

바람직한 배치는 엔진 및 팽창기 유닛들이 축방향으로 선을 이루고 팽창기 유닛의 편심 샤프트(62)가 엔진 유닛의 샤프트의 캔티레버로 되어 있는 연장 부재로 됨으로써 중량 및 마찰 손실을 절감하는 것이다.

엔진 유닛의 배기 포트 및 팽창기 유닛의 유입 포트(26)가 근접하도록, 엔진 유닛 및 팽창기 유닛의 샤프트(63, 62) 축 둘레의 상대적인 각도 위치 선정이 이루어질 수 있다.

팽창기 유닛으로 진입하는 최대 개스 압력은 단지 대략 4 bar 이고, 따라서 팽창기 유닛 안의 개스 압력 부하는 낮다. 팽창기 유닛은, 모든 반켈 유형 유닛(Wankel-type unit)과 공통적으로, 회전자의 축방향 쪽으로 추력을 가지지 않고, 낮은 개스 압력이 포함되기 때문에, 저마찰 카본 유형이나 또는 유사한 정점 시일(29) 및 반경 방향으로 얇은 저마찰 측부 시일(28)을 채용할 수 있다. 정점 시일(29)은 그 어떤 외부로의 가속력도 겪지 않으며 따라서 매우 가벼운 부하의 스프링들도 정점 개스 시일을 위해서 이용될 수 있다. 그것의 전체적인 결과는 극히 낮은 기생 마찰 손실을 가진 유니트이다.

전체적인 팽창 비율을 대략 22 대 1 로 증가시킴으로써 팽창기 유닛이 엔진 유닛으로부터 팽창기 유닛으로의 개스의 전달에서 제로의 마찰 손실 및 제로의 개스 전달 에너지 손실을 가진다면, 복합적인 p-v 다이아그램상에 기초한 계산은 결합된 유닛들의 동력 출력이 엔진 유닛 단독의 동력 출력에 비하여 대략 33 % 로 상승될 것이다. sfc 및 배출 물질은 유사한 백분율로 감소될 것이다. 실제에 있어서 팽창기 유닛은 일부 마찰 손실을 가지고 일부 소량의 전달 에너지 손실이 있을 것이다; 따라서 그러한 이득이 달성되지 않을 것이다. 실제에 있어서 엔진에 대한 팽창기 유닛의 추가에 의해 달성되는 순 이득은 대략 20 % 에 달할 수 있다.

표준 유형의 반켈 엔진은, 특히 단일 회전자 형태에서, 왕복 엔진보다 상당히 높은 배기 소음의 레벨을 발생시킨다. 그 이유는, 반켈 엔진에서, 단일 배기 포트의 신속한 완전 개방 및 대략 3 내지 4 bar 의 압력과 함께 고온에서의 갑작스러운 개스 방출이 존재하는 반면에; 왕복 엔진에서는 배기 밸브들이 훨씬 느리게 개방되고 배기 가스가 엔진으로부터 나오기 전에 다른 실린더들로부터의 배기 흐름과 함께 접해 있는 배기 매니폴드로 넘치게 되기 때문이다.

연료 소비율(sfc) 감소시키기 위하여 위에서 설명된 바와 같이 22 대 1 의 팽창 비율을 제공하는, 팽창기 유닛과 로터리 엔진의 결합은 배기 소음을 감소시키는데 주된 기여를 한다. 팽창기 유닛의 배기 포트가 개방되었을 때, 배기 개스 온도는 엔진 유닛을 떠나는 개스의 온도에 대하여 대략 400℃ 로 감소되고, 압력은 주위에 근접하게 된다. 그 결과는 그 어떤 추가적인 배기 소음기의 설치 없이도 배기 소음이 극히 낮은 레벨로 되는 것이다. 따라서 공지된 로터리 회전 엔진의 배기 소음 문제가 제거되었다.

낮은 rpm 및 부분 쓰로틀 개방시에, 로터리 엔진은 왕복 엔진 보다 현저하게 높은 HC 의 배출이 이루어지는 반면에; CO 배출은 비슷하고, Nox 배출은 적다. 본 발명의 동력 유닛이 바람직스럽게는 높은 rpm 에서 쓰로틀되지 않은 상태로 작동되며, 그러한 조건하에서는 엔진 유닛 단독의 HC 배출 문제가 그렇게 불리하지 않으며, 현존의 유형들은 왕복 엔진과 비슷하거나 또는 그보다 우수하기도 할 수 있다. 그러나, 팽창기 유닛과 로터리 엔진의 추가적인 복합화는 그것이 HC 배기 배출의 레벨을 현저하게 감소시킨다는 추가적인 중요한 우수 효과를 가진다.

엔진 유닛으로부터의 매우 고온의 배기 개스는 팽창기 유닛 안으로 상당한 난류와 함께 배출된다. 냉 시동(cold starting)중의 잠시 동안을 제외하고, 엔진은 화학 양론적 값에 비하여 상당히 과도한 공기를 가지고 작동될 것이며 따라서 다른 연소를 위해서 이용될 수 있는 과도한 산소가 있다. 팽창기 유닛은 열적 반응기로서 작용할 것이고, HC 의 배출을 극히 낮은 레벨로 감소시킬 것이다.

전체적으로, 소위 1-2 유형의 반켈 팽창기 유닛(단일 로브형 하우징내에 있는 2 개 코너의 회전자)과 소위 2-3 유형의 반켈 엔진 유닛(2 개 로브형 하우징내에 있는 3 개 코너의 회전자)를 결합시키는 것은 sfc, 배기 소음 및 HC 배출의 이전의 3 가지 불충분한 특성들 각각에 대하여 현저한 향상을 제공한다.

이제 도 11 을 참조하면, 차량(V)이 도시되어 있는데, 이것은 하나 또는 그 이상의 바퀴(W)(예를 들어, 궤도 차량을 포함하는, 지면에 기초한 차량(V))를 구동하거나, 또는 무인 항공기(UAV)를 포함하는 항공기 또는 해양 운송기(예를 들어, 보트)의 경우에서와 같이 하나 또는 그 이상의 프로펠러(P)를 구동하기 위한 구동 시스템(D)을 포함한다.

구동 시스템(D)은 배터리(B)와 같은 전기 저장 장치를 포함하며, 이것은 바퀴(들)(W) 및/또는 프로펠러(들)(P)을 회전시키기 위한 하나 또는 그 이상의 모터(M)들을 구동한다.

배터리(B)는 차량이 사용되지 않을 때 소켓과 같은 고정 전원에 플러그 연결구(C)를 통해 연결됨으로써 충전되거나, 또는 사용중에 발전기(6)의 작동에 의해 충전된다.

배터리(B)를 충전시키는 전기 에너지는 차량이 제동/내리막길 모드에 있을 때 발전기에 의해 발생될 수도 있다.

그러한 적용예에서, 동력 유닛(1/4)은 단일 속도로만 작동될 수 있어서, 열효율과 관련하여 최적의 속도가 된다. 따라서 비록 높은 발전기 부하에서 엔진 속도가 공칭의 최적 속도 아래로 감소될 수 있다는 것이 이해될지라도, 동력 유닛은 쓰로틀되지 않을 수 있다.

배터리(B)를 고갈시키는 경향이 있을 수 있는 높은 발전기 부하에서, 소망된다면, 일시적으로, 짧은 기간 동안, 동력 유닛(1/4)은 최적 속도보다 빠른 속도로 작동됨으로써 배터리(B)를 재충전시킬 수 있게 구성될 수 있다.

그러한 예에서, 발전기(6)는 배터리(B)를 충전시키는 전력을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동력 유닛(1/4)의 시동을 개시하도록 동력 유닛(1/4)을 구동시키도록 이용될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이 동력 유닛이 시리즈 하이브리드 차량에 동력을 제공하도록 이용될 때 특히 효과적일지라도, 동력 유닛은 다른 적용예에서 이용될 수 있으며, 오직 예를 들자면, 전투용 항공기를 위한 보조 동력 유닛으로서, 또는 적절한 적용예에서 열 및 동력을 발생시키기 위한 것으로서 이용될 수 있다. 각각의 경우에, 동력 유닛은 소망스럽게는 단일의 최적 회전 속도로써 가장 효율적이고 정숙한 동력을 전달하도록 장시간 작동될 수 있다.

개시된 기능을 수행하기 위한 수단과 관련하여 특정의 형태로 기재된, 상기의 상세한 설명, 또는 다음의 청구항, 또는 첨부된 도면에 개시된 특징들, 또는 개시된 결과를 달성하기 위한 방법 또는 과정은 분리되거나 또는 그러한 특징들의 임의의 조합으로서, 본 발명을 다양한 형태로 구현하도록 이용될 수 있다.

1. 엔진 유닛 2. 단부 케이싱
3. 단부 케이싱 4. 회전자 하우징
7. 유도 도관 8. 배기 파이프
24. 회전자 32. 정지 기어

Claims (14)

1. 2 개 로브형 에피트로코이드(two lobed epitrochoid) 내측 주위 표면 내부의 공동(cavity) 안에서 편심되게 회전하는 편심 샤프트상에 장착된 3 측면 회전 피스톤(three flanked rotary piston)을 구비하는, 반켈 유형(Wankel type)의 스파크 점화 엔진 유닛을 가지는 동력 유닛으로서, 공동은 주위 압력의 공기가 작동 챔버 안으로 유도되는 유입 포트 및 배기 개스가 작동 챔버로부터 배기되는 유출 포트를 구비하고, 동력 유닛은 단일 로브형 에피트로코이드 챔버 안에서 편심되게 회전하는 편심 샤프트상에 장착된 2 측면 회전자를 가진 로터리 팽창기 유닛을 더 구비하고, 양쪽 샤프트들은 함께 회전하도록 결합되고, 엔진 유닛의 에피트로코이드 공동의 배기 포트는 팽창기 유닛의 유입 포트에 연결됨으로써 엔진 유닛으로부터의 배기 개스는 팽창기 유닛 안에서 더 팽창되는, 동력 유닛.
2. 제 1 항에 있어서,
   팽창기 유닛의 2 측면 회전자는 그것이 장착된 편심 샤프트 속도의 절반으로 회전하도록 기어 결합됨으로써, 작동 챔버들이 팽창기 유닛의 회전자 측면과 단일 로브형 에피트로코이드 챔버의 내측 표면 사이에 형성되고, 단일 로브형 에피트로코이드 챔버는 배기 포트를 가지고, 엔진 유닛의 배기 포트와 팽창기 유닛의 유입 포트 사이에 연결용 도관이 있고, 2 개의 샤프트들은 고정된 위상 관계로 동일한 속도에서 가동되도록 기어 결합되거나 또는 직접 연결됨으로써, 엔진 유닛으로부터의 배기 개스가 팽창기 유닛내에서 더 팽창되는, 동력 유닛.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   결합된 엔진 유닛 및 팽창기 유닛의 팽창 비율은 엔진 유닛 단독에 의해 달성되는 압축비의 2 배보다 큰, 동력 유닛.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
   결합된 엔진 유닛 및 팽창기 유닛의 팽창 비율은 대략 22 대 1 인, 동력 유닛.
5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
   팽창기 유닛의 회전자는 개스 냉각되고, 냉각 개스는 회전자 내부의 축방향 통로들을 통해서 지나고, 축방향 통로들은 단일 로브형 에피트로코이드 챔버를 폐쇄시키는 팽창기 유닛의 단부 케이싱들에 있는 개구들과 소통되고, 개구들은 회전자의 각각의 측부에서, 팽창기 유닛 회전자의 측부들에 제공된 측부 시일들의 내측 궤적 내부에 놓이고, 측부 시일들은 팽창기 유닛 단부 케이싱들과 시일 접촉을 유지하는, 동력 유닛.
6. 제 5 항에 있어서,
   냉각 개스는 팽창기 유닛으로부터 열교환기를 통하여 재순환되고, 열교환기에서 냉각 개스가 냉각되어 팽창기 유닛 회전자의 추가적인 냉각을 위해 팽창기 유닛으로 되돌아가는, 동력 유닛.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   엔진 유닛의 회전자는 개스 냉각되고, 공통의 순환 팬(fan) 및 공통의 냉각 열교환기가 양쪽 회전자의 냉각을 위한 냉각 개스의 공급을 위해 이용되는, 동력 유닛.
8. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
   팽창기 유닛은 엔진 유닛과 동축으로(co-axially)으로 장착되고, 팽창기 유닛의 유입 포트는 엔진 유닛의 배기 포트와 정렬되는, 동력 유닛.
9. 제 8 항에 있어서,
   팽창기 유닛의 샤프트는 엔진 유닛의 샤프트의 연장부상에 장착되는, 동력 유닛.
10. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    전기 발전기 유닛은 동력 유닛에 대하여 구동되게 연결되어 동축으로 장착되는, 동력 유닛.
11. 제 10 항에 있어서,
    발전기 유닛의 회전자는 팽창기 유닛에 대한 엔진 유닛 샤프트의 반대 단부에서 엔진 유닛 샤프트의 연장부상에 장착되는, 동력 유닛.
12. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    엔진 유닛은 사용시에 적어도 부하가 없을 경우에 오직 공칭의 고정된 단일의 미리 정해진 속도에서 작동되도록, 엔진 유닛은 쓰로틀되지 않는, 동력 유닛.
13. 전기한 항들중 어느 한 항에 따른 동력 유닛과, 전기 발전기의 결합체로서, 발전기는 엔진 유닛 및 팽창기 유닛의 샤프트들중 하나 또는 다른 것에 의해 구동되는 회전자를 구비하는, 결합체.
14. 적어도 하나의 바퀴 및/또는 적어도 하나의 프로펠러중 하나를 구동하기 위한 구동 시스템을 구비하는 하이브리드 차량으로서, 구동 시스템은 제 13 항에 따른 결합체 및, 발전기로부터의 충전을 수용하는 전기 저장 장치를 구비하고, 바퀴 또는 프로펠러는 구동 시스템의 모터에 의해 구동되고, 모터는 전기 저장 장치로부터의 전력을 수용하는, 하이브리드 차량.

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