KR20170000357A - 회전식 피스톤 내연기관 - Google Patents

회전식 피스톤 내연기관 Download PDF

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KR20170000357A
KR20170000357A KR1020160078335A KR20160078335A KR20170000357A KR 20170000357 A KR20170000357 A KR 20170000357A KR 1020160078335 A KR1020160078335 A KR 1020160078335A KR 20160078335 A KR20160078335 A KR 20160078335A KR 20170000357 A KR20170000357 A KR 20170000357A
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Abstract

본 발명은 작동 챔버를 형성하는 하우징 벽을 포함하는 하우징을 포함하는 회전식 피스톤 내연기관에 관한 것으로서, 상기 하우징 내에서 회전가능한 회전식 피스톤은 작동 챔버를 통해 연장되고 구동 표면을 형성하는 하우징 벽을 따라 회전식 피스톤의 에지를 이동시키도록 배열되며, 작동 챔버의 한 부분이 작동 챔버 내에 배열된 연료를 점화시키기 위해 연소 챔버 벽과 함께 연소 챔버로서 사용되고, 하나 이상의 마이크로파 윈도가 연소 챔버 벽 내에 배열되고, 작동 챔버의 연소 챔버 내에 마이크로파 형태의 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치가 연소 챔버로부터 멀어지도록 배열된 마이크로파 윈도의 한 면 위에 배열된다. 회전식 피스톤을 위한 구동 표면은 평평하게 구성되며 연소 챔버 내에 하나 이상의 마이크로파 윈도를 포함하여, 연료의 공간 점화가 연소 챔버 내에서 가능하게 된다. 회전식 피스톤 내연기관은 연료, 가령, 예를 들어, 연소 챔버 내의 연료-가스 혼합물의 공간 점화의 시작부분을 정확하게 조절하며, 종래의 회전식 피스톤 내연기관에 비해 효율성이 증가되어, 연료의 연소 배출물을 최적으로 낮게 유지하도록 구성된다. 기본적으로, 본 발명은 희박 연료-공기 혼합물의 안전한 점화를 용이하게 한다.

Description

회전식 피스톤 내연기관{ROTATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 작동 챔버를 형성하는 하우징 벽을 포함하는 하우징을 포함하는 회전식 피스톤 내연기관에 관한 것으로서, 상기 하우징 내에서 회전가능한 회전식 피스톤은 작동 챔버를 통해 연장되고 회전 동안 구동 표면을 형성하는 하우징 벽을 따라 회전식 피스톤의 에지를 이동시키도록 배열되며, 작동 챔버의 한 부분이 작동 챔버 내에 배열된 연료를 점화시키기 위해 연소 챔버 벽과 함께 연소 챔버로서 사용된다.
이러한 일반적인 타입의 엔진은 종래 기술에 알려져 있다. 가장 잘 알려진 실시예는 반켈 엔진(Wankel engine) 이름으로 알려져 있다. 이 엔진은 연료-공기 혼합물(fuel air mixture) 내에 주입된 연료를 더 잘 점화시키고 연소시키기 위해 마이크로파 에너지(microwave energy)를 통해 내연기관 내의 연소 챔버 안에 공간 점화(space ignition)를 생성하기 위하여 DE 103 56 916 A1에 알려져 있다. 용어 "연료(fuel)"는 디젤, 가솔린, 수소 또는 작동을 위해 적합한 또 다른 연료에 상관없이 일반적으로 지칭되는 용어이다. 연료의 점화를 수행하기 위하여, 연료-공기 혼합물이 연소 챔버 내에 주입된다. 이는 본 발명에서 개별적으로 지칭되는 용어가 아니라 자명한 상태로 간주된다.
종래의 회전식 피스톤 내연기관에서, 점화가능한 가솔린 공기 혼합물이 작동 챔버 내에서 압축되어 연소 챔버 안으로 유입되고, 스파크 플러그에 의해 산화/반응하게 된다. 스파크 플러그는 연소 챔버의 표면 내에서 오목부(indentation)를 형성하며 회전식 피스톤의 에지를 위해 구동 표면(running surface)로서 기능하는 표면이 불규칙적으로 형성되어 압축이 손실된다. 또한, 점화는, 기다랗고 평평한 연소 챔버 내에서 압력 및 반응 전방부(층류 연소 가스 상태)의 형태로 점화 위치로부터, 화학 산화반응이 구 방향으로(spherically) 분포되어 층류 연소(laminar combustion)를 일으켜 이 또한 압축이 손실되는 효과를 가진다. 이는 효율성이 손실되게 하며 연료의 연소 동안에 배출물(emission), 가령, 예를 들어, 검댕 또는 일산화탄소 등을 생성한다.
따라서, 본 발명의 목적은 연소 챔버 내에서 연료의 점화를 개선하고 효율성을 향상시키는 데 있다.
상기 목적은 본 발명의 청구항 제1항에 따라 모터(motor)에 의해 구현된다. 추가적인 바람직한 실시예들은 종속항들로부터 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 마이크로파 윈도가 연소 챔버 벽 내에 배열되며, 마이크로파 형태의 마이크로파 에너지를 작동 챔버의 연소 챔버 내에 주입하기 위한 장치가 연소 챔버로부터 멀어지도록 배열된 마이크로파 윈도의 한 면(side) 위에서 연소 챔버 벽 내에 배열된다. 이때, 마이크로파 윈도는 마이크로파 투과성을 가진 외부방향으로 밀폐된 부분을 의미한다. 연소 챔버 벽은 하우징 벽의 한 부분으로 구성되며 따라서 연소 챔버의 부분 내의 구동 표면으로서 사용된다. 마이크로파 윈도를 연소 챔버 벽 내에 배열함으로써, 기본적으로, 완전히 매끄러운 표면을 형성하는 것이 가능하여, 구동 표면을 따라 이동하는 동안 회전식 피스톤을 밀봉하기에 특히 바람직하다. 따라서, 종래의 엔진에서 발생되는 압축 손실(compression loss)이 방지된다. 필요 시에, 하나의 또는 복수의 마이크로파 윈도가 연소 챔버 벽 내에 배열될 수 있으며, 마이크로파 윈도의 재료가 하우징 벽 또는 연소 챔버 벽의 재료와 상이할 필요가 없다. 마이크로파 윈도로서 작동하는 부분은 마이크로파 윈도의 환경(environment)에 대해 마이크로파 투과성(microwave permeable)을 가지는 것이 중요하다. 따라서, 마이크로파 윈도의 투과성은 마이크로파 투과성 재료로 제작된 형성 부분(defined portion)에 의해 구현되거나 또는 마이크로파 투과성을 가지지만, 마이크로파 윈도로서 작동하는 부분을 제외하고는, 보호력(shield)이 어느 곳이든 제공되는 섹션(section)에 부딪히는 마이크로파에 대한 보호력을 통해, 마이크로파 윈도 외에는 마이크로파가 투과할 수 없는 더 큰 부분에 의해 구현될 수 있다. 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치는 연소 챔버로부터 멀어지도록 배열된 마이크로파 윈도의 한 면 위에 배열된다. 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치는 연소 챔버 벽 내의 보어 홀(bore hole) 내에 하나 이상의 마이크로파 스파크 플러그를 포함하며, 상기 마이크로파 스파크 플러그는 마이크로파 중공 컨덕터(microwave hollow conductor)를 통해 마이크로파 임펄스 제너레이터(microwave impulse generator) 또는 하우징에 직접 결부되어 꼭 맞게 구성된 마이크로파 임펄스 제너레이터에 연결될 수 있다.
마이크로파 에너지를 주입함으로써, 연소 챔버 내에 배열된 연료를 점화시키는 것이 가능하다. 따라서, 국소 점화(local ignition)가 공간 점화(space ignition) 또는 경계 층 점화(boundary layer ignition)로 대체되며, 여기서 연료는, 점화 전에, 연소 챔버의 전체 용적(volume)에 걸쳐 가능한 최대한 균질하게 여기되는데(excited), 이는 흡수(absorption)가 연소 챔버 걸쳐 분포되는(distributed) 연료 입자(fuel particle)에 의해 마이크로파 에너지의 흡수에 의해 제공된다. 따라서, 재료 변수 tanδ(t)에 의해 기술된 마이크로파의 흡수 성능(absorption capability) 및 그에 관련된 관통 깊이(penetration depth)는 중요한 역할을 한다. 마이크로파 에너지는 복수의 점화 코어(ignition core)를 통해 연소 챔버 내에서 공간 점화를 생성시키기 위하여, 연소 챔버 내의 가능한 최대로 많은 위치에서 충분한 양으로 집중된다(concentrated). 이와 동시에, 가능한 최대한 적은 양의 마이크로파 에너지가 마이크로파 공급원(microwave source)으로 다시 반사되어야 한다. 반사되는 양이 적으면 적을수록, 흡수가 더 많이 되고 따라서 공간 점화를 위한 연료 입자의 에너지 흡수가 더 많이 된다.
바람직한 한 실시예에 따르면, 적어도 연소 챔버 벽은 종래의 엔진에서와 같이 오목부(indentation)를 통해 구동 표면에서 변형(variation) 없이 작동 챔버를 형성하는 하우징 벽 내에 배열된다. 이는 연소 챔버 벽이 하나 또는 복수의 개별 마이크로파 윈도를 포함하지 않지만, 전체 연소 챔버 벽은 동일한 재료로 제작되어야 하고 상기 연소 챔버 벽 내에서 하나 또는 복수의 마이크로파 윈도, 따라서 위치들은 구동 표면 내에서 임의의 불규칙성을 야기하지 않고도 마이크로파를 위해 투과성을 가지도록 통합되어야(integrated) 하는 것을 의미한다. 이는 오직 연소 챔버 벽이 하우징 벽 내에 통합되거나 혹은 전체의 추가적인 벽 층이 연소 챔버 벽 외에도 작동 챔버를 둘러싸는(enveloping) 전체 하우징 벽 상에 배열되며 작동 챔버가 상기 추가적인 벽 층으로 덮히도록 제공될 수 있다.
바람직한 한 실시예에 따르면, 적어도 연소 챔버 벽은 구동 표면에서 변형 없이, 그리고, 종래의 엔진에 있어서 통상적인 오목부(indentation) 없이, 작동 챔버를 형성하는 하우징 벽 내에 배열된다. 이는 연소 챔버 벽이 하나 또는 복수의 개별 마이크로파 윈도를 포함하지는 않지만, 전체 연소 챔버 벽이 동일한 재료로 형성되고 하나 또는 복수의 마이크로파 윈도, 따라서 마이크로파에 대해 투과성을 지닌 위치들이 구동 표면 내에 불규칙성을 야기하지 않고도 연소 챔버 벽 내에 배열된다는 의미이다. 이는 오직 연소 챔버 벽이 하우징 벽 내에 통합되거나 혹은 추가적인 완전한 벽 층이 연소 챔버 벽 외에도 작동 챔버를 둘러싸는 전체 하우징 벽 상에 배열되며, 따라서 연소 챔버가 상기 추가적인 벽 층으로 덮히도록 제공될 수 있다.
연소 챔버 벽은 적어도 부분적으로 특히, 세라믹 재료 또는 사파이어 유리와 같이 마이크로파 투과성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 특히 99%보다 더 큰 순도를 가진 세라믹 재료 또는 마이크로파에 대해 투과성을 지닌 또 다른 고체 재료(solid material)일 수 있다. 이는 연소 챔버 벽이 상기 재료로 형성된 개별 부분들을 포함하거나 혹은 연소 챔버 벽이 전체적으로 상기 재료로 제작되며, 이 부분들은 마이크로파 에너지가 조절되어 통과할 수 있게 하고 따라서 각각의 마이크로파 윈도를 형성할 수 있게 하는 추가적인 특징에 의해 내부에 형성되도록 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 불규칙한 국소 기하학적 형상의(geometric) 구조물(structure)이 연소 챔버 벽 내에 배열되고 마이크로파를 반사하며, 마이크로파는 연소 챔버로부터 상기 형상에 따라 집중적으로 또는 분산적으로 연소 챔버 내에 다시 반사한다. 따라서, 이러한 국소 구조물들은 굽어지거나 또는 균일한 형상, 가령, 예를 들어, 조화 진동(harmonic oscillation), 예컨대, 에지(edge)를 가진 형상 또는 사인파(sine wave)를 가질 수 있다. 또한, 상기 구조물은 구(sphere) 등으로 구성된 요소(element)들로 형성하는 것도 가능하다. 이러한 구조물들은 마이크로파의 조절된 반사 또는 분산을 용이하게 하여 연료가 활성화될 수 있고(energized) 연료의 점화가 정상적으로는 수행되지 않는 연소 챔버 부분들 내에서 국소 필드 증대(local field augmentation)에 의해 점화될 수 있다.
불규칙한 국소 기하학적 형상의 구조물들은 금속 분말 층(metal powder layer) 또는 연소 챔버 벽 내에 주입되는 입자(particle)로서 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 금속 분말 층은, 예를 들어 세라믹 재료를 사용할 때, 압축된 사전-소결된 캐리어 층(녹색 블랭크(green blank)) 상에 제공되며, 상기 불규칙적인 부분들은 이미 알려져 있는 제작 방법, 가령, 예컨대, 롤링, 밀링 등에 의해 이 상태에서 이미 제작되거나 혹은 제공될 수 있다. 따라서, 준비되는 표면은 이제 금속으로 증기 증착될 수 있고(vapor deposited), 금속 분말로 도팅되거나(doted), 금속 층을 제공하기 위해 또 다른 알려진 방법 및 적절한 방법으로 처리될 수 있다. 그 뒤, 홀은 레이저에 의해, 에칭(etching)에 의해 혹은 또 다른 공지된 방법에 의해 제작될 수 있는데, 홀은 마이크로파의 통과를 용이하게 하고 마이크로파 윈도로서 사용된다. 그 후, 세라믹 재료 또는 사파이어 유리로 형성될 수 있는 마이크로파 투과성의 추가 층이 제공된다. 바람직하게는, 피스톤 벽 또는 하우징 벽 내에 삽입될 수 있는 인서트(insert)를 형성하기 위해 추가적인 정밀 그라인딩(precision grinding)이 사용될 수 있으며, 상기 인서트는 폼 로킹(form locking)에 의하여 회전에 대해 고정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 연소 챔버 벽에는 연소 챔버 벽 내에 혹은 연소 챔버로부터 멀어지도록 배열된 한 면 위에 금속 층이 제공되며, 상기 층은 연소 챔버 벽의 세로 방향(longitudinal direction)으로 연장되고 마이크로파를 통과시키기 위해서 하나 이상의 개구(opening)를 포함한다. 따라서, 금속 층은 외측면 위에 증기 증착될 수 있으며, 각각의 개구는 각각의 제공에 의해 필요 시에 에칭된다(etched out). 연소 챔버 벽 내에 제공되기 위해, 연소 챔버 벽의 세로 방향으로 연장되고 국소 금속 구조물과 함께 위에서 기술된 것과 비슷하게 마이크로파를 통과시키기 위해 하나 이상의 개구를 포함하는 금속 층이 배열된다. 상기 벽은 특히 세라믹 재료로 하우징 벽을 제작할 때 내부에 분사되어(sprinkled in), 증기 증착되어, 공-소결되고(co-sintered) 연소되어(fired) 삽입될 수 있다. 마이크로파는 금속 회전식 피스톤에 의해 반사되며(reflected), 연소 챔버 내에 주입되고 난 뒤, 연소 챔버 벽의 세라믹 재료를 통해 모터의 금속 하우징과 충돌되며, 그로부터 연소 챔버를 향한 방향으로 다시 반사된다. 세라믹 재료가 마이크로파의 댐핑(damping)을 제공하기 때문에, 세라믹 재료 내에 주입된 추가적인 금속 층은 세라믹 재료를 통과하는 마이크로파 경로를 짧게 하는 반사 표면으로서 사용될 수 있다. 금속 표면은 마이크로파가 주입되는 개구를 포함하는 것을 유의해야 한다.
본 발명에 따른 회전식 피스톤 내연기관의 또 다른 실시예에서, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 마이크로파가 연소 챔버 내에 주입되는 하우징에 배열된 하나 이상의 마이크로파 펄스 제너레이터를 포함한다. 이러한 타입의 마이크로파 펄스 제너레이터는 EP 15170029.1에 기술되어 있다. 하나 이상의 제공된 마이크로파 펄스 제너레이터는 정확히 마이크로파 윈도의 각각의 위치에 배열되거나 혹은 분포가 중공 마이크로파 컨덕터(hollow microwave conductor)로서 작동하는 하우징 벽 내의 채널(channel)을 통해 수행된다. 하나 이상의 마이크로파 펄스 제너레이터는 축방향으로 배열되며, 마이크로파가 하우징 벽 내에 가로 방향으로 주입되고(laterally introduced) 바람직하게는 하우징의 세로축에 대해 평행하게 주입되는 것이 바람직하다. 따라서, 마이크로파가 제1 회전식 피스톤 내연기관의 하우징 벽 내에 주입되고 난 뒤, 공통 구동 샤프트 상에서 작동되고 일렬로(in sequence) 배열된 복수의 회전식 피스톤 연소 엔진 및 하나 또는 복수의 배열된 마이크로파 채널을 사용하는 적절한 배열로, 각각의 연소 챔버 내에 주입되도록 하기 위해 그 다음 회전식 피스톤 내연기관의 하우징 벽 내에 주입될 수 있다.
상기 실시예는 하나 이상의 마이크로파 채널이 하우징 벽 내에 배열되고, 상기 마이크로파 채널은 하나 이상의 마이크로파 윈도와 연결되는 것이 바람직하다. 그 뒤, 상기 마이크로파 채널은 예를 들어, 밀링 또는 그 외의 다른 적합한 방법으로 하우징 벽 내에 주입될 수 있거나 혹은 그 외의 다른 적절한 방법 또는 마이크로파 채널이 최종 소결 전에 연소 챔버 벽의 세라믹 층 내에 주입될 수 있다. 하나 이상의 마이크로파 채널의 표면에는 마이크로파가 마이크로파 채널로부터 배출되는 위치에서 차단되는(interrupted) 금속 층이 추가로 제공될 수 있다. 따라서, 마이크로파 에너지는 조절된 방법으로 연소 챔버 내에 주입될 수 있는데, 이는 마이크로파 채널 내에서 진동하는(oscillate) 마이크로파가 벽으로부터 반사되어 하나 이상의 개구로부터 배출될 수 있기 때문이다. 기본적으로, 마이크로파 채널은 바람직한 위치에서 브랜치 오프(branch off)를 포함할 수 있다. 마이크로파 채널은 마이크로파 투과성 재료의 연소 챔버 벽에 의해 형성될 수 있는데, 금속 하우징 벽은 마이크로파 채널의 반사 면(reflective side)을 형성한다. 필요 시에, 금속 반사 층이 마이크로파 투과성 재료에 제공될 수 있다. 회전식 피스톤 내연기관을 가진 배열에서, 이러한 마이크로파 채널은 일렬로 서로 뒤에 배열될 수 있다. 상기 배열에서 개별 연소 챔버 내에서 시간에 맞게(in time) 다양한 지점들에서 점화가 수행되기 때문에, 마이크로파는 모든 개구를 통해 주입되거나 혹은 마이크로파 채널은 연료가 각각의 점화가능한 상태에서 있는 연소 챔버 내에서 점화를 생성한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 유럽 특허출원번호 15157298.9에 따른 마이크로파 스파크 플러그를 포함하는데, 이러한 마이크로파 스파크 플러그는 연소 챔버 벽 내의 하나 이상의 보어 홀(bore hole) 안에 배열된다. 마이크로파 스파크 플러그는 마이크로파 스파크 플러그를 위한 마이크로파 윈도를 형성하는 마이크로파 투과성 연소 챔버 벽에서 한 단부로 끝을 이룬다(terminate).
회전식 피스톤이 보통 금속 재료로 제작되기 때문에, 회전식 피스톤의 표면은 마이크로파를 위한 반사 층을 형성한다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 회전식 피스톤 상에 반사 층의 적어도 한 부분이 배열되는데, 반사 층의 한 부분은 마이크로파 에너지를 위해 투과성을 가지며 연소 챔버 내에서 연료를 연소시키기에 적합한 재료, 특히, 세라믹 재료 또는 사파이어 유리로 형성되며, 불규칙한 국소 기하학적 형상의 금속 구조물이 배열되어 마이크로파를 반사하고, 마이크로파는 회전식 피스톤을 상기 형상에 따라 집중적으로 또는 분산적으로 연소 챔버 내에 다시 충돌시킨다. 위에서 기술된 것과 같은 기하학적 형상의 금속 구조물은 연소 챔버 벽에서 이러한 구조물과 함께 마이크로파를 위한 개구를 통과하지 않고도 형성될 수 있다. 불규칙한 국소 기하학적 형상의 구조물들은 금속 분말 층 및/또는 반사 층 내에 주입되는 입자로서 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 연소 챔버 내의 마이크로파의 집중 또는 분산은 조절될 수 있다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에 따르면, 연소 챔버 벽 및/또는 반사 층은 적어도 부분적으로 피스톤 벽 내에 또는 하우징 벽 내에 삽입가능한 사전-제작된 소결 인서트로서 구성된다. 이는 오직 연소 챔버 벽이 하우징 벽 내에 삽입되거나 혹은 하우징 벽이 전체 챔버를 둘러싸는 벽 층으로 코팅되도록 수행될 수 있다. 이는 상기 타입의 벽 층에 의해 완전히 둘러싸일 수 있는 금속 회전식 피스톤에 도 똑같이 제공된다. 이에 따라 상기 타입의 회전식 피스톤 내연기관을 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 25 GHz 내지 95 GHz, 바람직하게는 30 GHz 내지 75 GHz의 주파수를 가진 마이크로파를 생성하며, 마이크로파의 주입 타입, 진폭(amplitude), 주파수, 시간에서의 한 지점의 조절을 포함하는 마이크로파 제너레이터를 포함한다. 주입 수단의 타입은, 주입이 개별 임펄스 또는 임펄스 패킷(impulse packet) 또는 마이크로파 조절의 그 밖의 필요 변형에 의해 수행되는 지에 따른다.
마이크로파를 주입하기 위한 장치는 임펄스 패킷으로 마이크로파를 주입하고 연료의 점화가 수행된 후에도 마이크로파를 유지하는 마이크로파 제너레이터를 포함할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 점화 외에도, 연료의 연소는 최적화되고 연료의 연소는 점화가 수행된 후에도 여기된다(excited).
본 엔진의 한 특정 이점은 마이크로파가 크랭크 샤프트에 대해 조절되는 방식으로 주입될 수 있어서 점화의 정밀한 조절이 수행될 수 있다는 점이다. 또한, 실질적인 동력(power)량을 손실하지 않고도, 가령, 예를 들어, 0.5 mm의 간격(gap)으로, 하우징 벽과 회전 피스톤 사이에 밀봉부(seal) 없이 이러한 타입의 회전식 피스톤 내연기관을 구성하는 것도 가능하며, 이는 제작을 간단하게 만든다.
본 발명에 따른 엔진은 불규칙적인 영역이 없는 구동 표면에 의해 압축 손실이 발행하는 공지된 결점을 방지하며 개별 연료 입자의 공간 점화가 방지된다. 공간 내의 임의의 지점에서 임의의 필요한 점화 에너지(ignition energy)를 제공하고 마이크로파를 주입하기 위해 각각의 변수 및 다수의 마이크로파 윈도를 선택함으로써 전체 연소 챔버 내에 균일한 연소를 생성하는 것이 가능하다. 구동 표면은 모든 적절한 변형으로 구성될 수 있다. 또한, 원형의 횡단면을 가진 작동 챔버도 가능하다. 게다가, 모터의 하우징의 형상 및 재료는, 특히, 세라믹 재료와 같은 소결 재료가 사용될 때, 특정 요건에 따라 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 엔진은 연소 챔버 내의 연료의 공간 점화의 시작부분을 보다 정확하게 조절하며, 종래의 회전식 피스톤 내연기관에 비해 효율성이 증가되어, 연료의 연소 배출물을 최적으로 낮게 유지하도록 구성된다. 기본적으로, 본 발명은 희박(lean) 연료-공기 혼합물의 안전한 점화를 용이하게 하며, 점화를 위해 추가로 농축시키는(enriching) 과정을 불필요하게 만들어서 연료 소모를 작게 만든다. 배출물 및 배출물 생성은 연료와 공기의 혼합비 및 연소 온도에 의해 조절될 수 있다. 본 발명에 따른 연소는 종래의 점화 시스템에 비해 더 신속하게 수행된다. 이는 "저온 연소(colder combustion)"를 야기하여 효율성이 증가된다. 게다가, 기본적으로, 저온 연소 사이클(colder combustion cycle)로 배출물이 더 적어진다. 저온 연소는 연료 배출 때 질소산화물의 농축이 줄어든다. 공간 점화를 이용하면, 연소 과정은 종래의 연소 과정과 상이하며, 확산염(diffusion flame) 형태의 연소 과정으로부터 훨씬 덜 좌우된다. 따라서, 추가적인 열손실이 방지되며 효율성이 증가된다. 이러한 타입의 연소를 위해서는, 산화 부분에서 공기 및 연소 챔버의 가열 상태가 현저하게 줄어든다.
본 발명은 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이다. 본 발명의 추가적인 특징들은 첨부도면들과 청구항들을 조합한 하기 발명의 상세한 설명으로부터 이해될 수 있다:
도 1은 회전식 피스톤 내연기관의 하우징 내에 배열된 마이크로파 펄스 제너레이터를 가진 회전식 피스톤 내연기관의 개략적인 도면으로서, 비스듬한 각도에서의 정면도(도 1a), 도 1a의 라인 A-A를 따라 절단한 하우징의 개략적인 횡단면도(도 1b), 및 작동 챔버를 향해 배열된 회전식 피스톤 벽 및 하우징 벽의 세부(X)의 다수의 실시예(도 1c-도 1e);
도 2는 회전식 피스톤 내연기관의 하우징 내에서 축방향으로 배열된 마이크로파 펄스 제너레이터를 가진 회전식 피스톤 내연기관의 개략적인 도면으로서, 전방도(도 2a)와, 도 2a의 라인 A-A를 따라 하우징의 개략적인 횡단면에서 마이크로파 펄스 제너레이터의 결부 부분 내에서 하우징의 횡단면의 평면도(도 2b);
도 3은 마이크로파 펄스 제너레이터 대신 마이크로파 스파크 플러그를 가진 도 1b와 비슷한 개략적인 횡단면도;
도 4는 도 1b에 따른 개략적인 도면들로서, 작동 챔버를 향해 배열된 측면 상에서(도 4a) 및 작동 챔버로부터 멀어지도록 배열된 측면 상에서(도 4b) 연소 챔버 벽의 복수의 금속 코팅을 가진 평면 횡단면도;
도 5는 도 1b와 비슷한 도면들로서, 라인 A-A를 따라 절단하여 확대한 횡단면도(도 5a), 및 금속 코팅 및 금속 코팅으로부터 형성된 반사 층의 제1 배열(도 5b);
도 6은 도 1b와 비슷한 도면들로서, 라인 B-B를 따라 절단하여 확대한 횡단면도(도 6a), 및 금속 코팅 및 금속 코팅으로부터 형성된 반사 층의 제1 배열(도 5b)이다.
도 1 및 2는 마이크로파 펄스 제너레이터(10)가 상이하게 배열되어 서로 다른 엔진(1)의 2개의 서로 다른 실시예를 예시한다. 도 3은 도 1에서 마이크로파 펄스 제너레이터 대신에 마이크로파 스파크 플러그(18)의 배열을 예시한다. 하우징(2) 및 내부에 포함된 장치들을 가진 엔진(1)에 대한 설명은 도 1, 2 및 3의 실시예들에도 적용된다. 또한, 이는 도 1c, 1d 및 1e에 예시된 도면의 세부(X)에 대해서도 적용된다.
엔진(1)은 회전식 피스톤(6)이 회전축(7) 주위로 회전되어 지지되는 작동 챔버(5)를 둘러싸는(envelop) 벽 층(22)을 가진 하우징 벽(3)을 포함한다. 회전식 피스톤(6)의 에지(edge)(17)는 하우징 벽(3)의 벽 층(22)을 따라 이동된다. 회전식 피스톤(6)의 회전에 의해 압축되는 연료가 함유되는 작동 챔버(5)의 부분은 연소 챔버(9)로서 지칭되며, 연소 챔버(9)와 결합된 벽 층(22)의 부분은 연소 챔버 벽(4)으로 지칭된다. 적어도, 연소 챔버 벽(4)은 마이크로파 투과성 재료 가령 세라믹 재료로 제작된다. 하지만, 상기 실시예에서, 연소 챔버 벽(4) 뿐만 아니라 작동 챔버(5)를 둘러싸는 하우징 벽(3)의 전체 부분도 세라믹 재료로 제작된 벽 층(22)으로 형성된다. 벽 층(22)은 인서트(insert)로 형성된다. 또한, 회전식 피스톤(6)은 세라믹 재료로 형성된 반사 층(8)을 포함한다. 도 1a 및 1b에서, 마이크로파 펄스 제너레이터(10)는 하우징(2)에 대해 비스듬한 각도로 배열되고 상기 제너레이터가 연소 챔버 벽(4)과 접촉하는 위치에서 연소 챔버 벽(4)에 대해 실질적으로 수직으로 배열된다. 마이크로파 펄스 제너레이터(10) 벽은 하우징(2) 내에 스레드구성될 수 있거나(threaded) 혹은 하우징(2)에서 베이오닛 클로저(bayonet closure)와 결부될 수도 있다. 마이크로파 펄스 제너레이터(10)는 유럽 대응 특허출원인 EP 15170029.1의 주된 주제로서 마이크로파를 조절하기 위한 적절한 컨트롤 장치를 포함한다. 마이크로파 펄스 제너레이터(10)와 인접한(adjoining) 연소 챔버 벽(4) 내의 부분(4')은 마이크로파 펄스 제너레이터(10)로부터 방출된 마이크로파가 연소 챔버(9) 내에 주입되는(injected) 마이크로파 윈도(microwave window)로 지칭된다. 또한, 상기 부분은 도 4에 예시된 것과 같이 연소 챔버 벽 내에 삽입된 금속 가이드 표면(guide surface)(15)을 포함할 수 있다.
기본적으로, 마이크로파는 금속에 의해 반사되며(reflected), 연소 챔버(9) 내에 주입된 마이크로파는 전체 연소 챔버(9) 내에 배열되고 활성화되어(energize) 연소 챔버(9) 내에서 전체 연료를 점화한다. 통상 회전식 피스톤(6) 뿐만 아니라 하우징(2)이 금속으로 제작되기 때문에, 연소 챔버(9) 내에 주입된 마이크로파는 보통 하우징(2)과 회전식 피스톤(6) 사이에서 앞뒤로 반사된다. 상기 실시예에서, 회전식 피스톤(6)의 금속 코어(14) 또는 금속 하우징(2) 상에서 반사 층(8) 또는 연소 챔버 벽(4)과 같이, 연소 챔버(9)를 형성하는 벽들이 마이크로파 투과성 재료로 형성되기 때문에, 마이크로파는 다소 감쇠되지만(attenuated) 여전히 연소 챔버(9) 내에 보유된다.
또한, 마이크로파 투과성 금속 층(11)은 연소 챔버 벽(4) 및/또는 반사 층(8) 내에 배열될 수 있으며, 금속 층(11)은, 챔버 벽(4) 또는 반사 층(8)의 형성 동안, 마이크로파의 반사를 안내하거나(guide) 혹은 반사 시까지 연소 챔버 벽을 통한 경로(path)를 줄이도록 구성된다. 따라서, 예를 들어, 가령, 연소 챔버 부분(9' 또는 9'') 내에서, 반사 동안 조절된 분산(scattering) 또는 집중(concentration)을 구현하기 위하여, 도 1에 따른 파형을 가진 금속 층(11) 또는 도 1d에 따른 불규칙적으로 구성된 금속 층이 제공될 수 있다. 어떠한 조절된 분산 또는 집중이 없는 위치에서도, 금속 층(11)은 평평하거나 또는 벽 층(22)의 곡률(curvature)에 딱 맞게 구성된다(adapted). 또한, 도 1e에서, 가령, 반사 층(8) 또는 연소 챔버 벽(4) 내에 예시된 것과 같이 금속 입자(12)를 제작하는 것도 가능하다. 또한, 금속 층(11)이 반사 층(8) 또는 연소 챔버 벽(4)의 마이크로파 투과성 층을 통과하는 경로를 줄이기 때문에, 상기 경로를 따라 마이크로파의 감쇠도 줄어든다. 또한, 평평한 금속 층(11) 혹은 각각의 곡률에 꼭 맞는 금속 층(11)이 통합될 수 있다(integrated).
도 1a 및 1b에 명백하게 도시된 것과 같이, 엔진은 개략적으로 표시된 회전식 피스톤(6)을 가진 작동 챔버(5)가 배열된 좁다란 하우징(2)을 포함한다. 이러한 타입의 회전식 피스톤 내연기관의 이점은, 예시되지는 않았지만, 상이한 점화 시간(ignition time)을 가진 공통 구동 샤프트(drive shaft)에 전력을 공급해주는(power), 복수의 디스크(disc) 형태의 회전식 피스톤 내연기관이 서로 인접하게 배열될 수 있다는 점이다. 특히, 이러한 경우, 도 2에 예시된 것과 같이, 마이크로파 펄스 제너레이터(10)를 배열하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 주입된 마이크로파가, 채널(channel)들을 통해 서로 인접하게 배열된 엔진의 모든 하우징(2)에 분포되는 것을 용이하게 한다. 도 1b에 명백하게 도시된 것과 같이, 마이크로파 펄스 제너레이터(10)는 상기 제너레이터가 마이크로파 투과성 연소 챔버 벽(4) 내에 마이크로파를 주입하도록 배열된다. 이러한 가장 간단한 실시예에서, 연소 챔버 벽(4)은, 채널의 한 벽이 금속 하우징 벽(3)에 의해 형성될 수 있으며 다른 맞은편 벽은 금속 층이 마이크로파가 통과하게 하기 위한 개구(도시되지 않음)를 포함하는 연소 챔버 벽(4) 내에 주입되거나 혹은 연소 챔버 벽(4)에 제공된 금속 층에 의해 형성될 수 있는 마이크로파 전달 채널을 형성한다. 이 층이 없으면, 연소 챔버(9)를 향해 배열된 전체 표면은 도 4에 예시된 것과 같이 마이크로파가 연소 챔버(9) 내에 결합된 마이크로파 윈도(4')를 가리킨다. 추가적인 금속 표면(15)이 연소 챔버 벽(4) 내에 가로 방향으로(laterally) 삽입될 수 있다(도 4). 도 2a는 금속 하우징 벽(3)을 예시하는데, 마이크로파 펄스 제너레이터(10)는 가로 벽(3'') 내의 개구(15)를 통과한다. 오직 디스크 형태의 하우징(2)이 사용되는 경우, 하우징(2)의 맞은편 금속 벽(3')은 밀폐된다(closed). 복수의 하우징(2)이 서로 인접하게 배열되면, 오직 마지막 하우징(2)의 벽(3')만이 밀폐되며, 다른 모든 하우징(2)은 마이크로파를 전달하기 위해 두 벽(3' 및 3'') 내에 각각의 개구(16)(세라믹 충진재(ceramic filling)가 있거나 혹은 없거나 간에)를 포함한다. 또한, 상기 하우징을 위해 가로 벽(3', 3'')을 벽(3', 3'') 내에 금속 표면을 가진 세라믹 재료로부터 채널을 형성하는 것도 가능하다.
특히 바람직한 실시예에서, 상기 마이크로파 전달 채널은 금속 하우징 벽(3) 내에 구성될 수 있다. 상기 경우에서, 금속 인서트를 가진 세라믹 층(22)은 마이크로파 개구 또는 마이크로파 윈도 또는 중공 컨덕터 터미널(hollow conductor terminal)을 형성한다. 추가적인 마이크로파 투과성 금속 구조물(11)이 연소 챔버 벽(4) 내에 배열될 때, 개구(16)와 결합된 부분들은 마이크로파 투과성 금속 층(11)(예시되지 않음) 내에 있는 개구를 포함한다. 채널(13)은 브랜치 오프(branch off)를 포함할 수 있으며 앞에서 기술된 것과 같이 추가적인 하우징(2)과 연결될 수 있다.
위에 기술된 것과 같이, 복수의 엔진(1)의 배열에서, 한 엔진(1)의 하우징(2)의 뒷면(back side)은 다른 엔진(1)의 하우징의 전면(front side)을 형성한다. 따라서, 디스크 형태의 하우징(2)의 전면 및 뒷면의 각각의 형상을 위하여, 각각의 하우징(2)의 작동 챔버 내에 입구 공기(inlet air) 및 출구 공기(outlet air)가 분포될 수 있다. 따라서, 도 2a는 도 2b에서 원형의 공기 출구 개구(20)로 변환(transition)되는 슬롯 홀(slotted hole) 형태의 출구 공기 개구(21)를 예시한다. 이에 따라, 도 2b에서 공기 입구(19)는 하우징(2)의 또 다른 면 상에서 예시되지 않은 공기 개구와 연결된다. 위에서 기술된 것과 같이 개별 디스크로 구성되고 따라서 복수의 피스톤을 포함하는 엔진이 특히 강력하고 특히 낮은 수준의 진동(vibration)을 가진다.
도 1b에 따른 마이크로파 펄스 제너레이터(10) 대신에, 도 3에 따르면, 마이크로파 스파크 플러그가 하우징 내에 삽입될 수 있으며, 마이크로파 스파크 플러그(18)는 그 단부와 연소 챔버 벽(4)과 접촉된다. 반사에 따라 마이크로파를 안내하는데(directing) 관해, 위에서 기술된 것과 같이, 나머지 사항들은 그대로 유지될 수 있다. 도 3은 마이크로파 윈도(18')를 가진 마이크로파 스파크 플러그(18)를 예시하는데, 상기 마이크로파 윈도(18')는 마이크로파 스파크 플러그(18)와 결합되지만, 상기 마이크로파 윈도는 세라믹 벽 층(22)이 마이크로파 윈도(4')를 형성하기 때문에 반드시 필요한 것은 아니다. 마이크로파 스파크 플러그(18)는 마이크로파 중공 컨덕터를 통해 예시되지 않은 적절한 마이크로파 펄스 제너레이터(10)와 연결된다.
도 4에서, 연소 챔버 벽(4)의 부분 내의 벽 층(22)에는 연소 챔버(9)로부터 멀어지도록 배열된 한 면 위에 추가적인 금속 층(13)이 제공되고(도 4a), 연소 챔버(9)의 다른 면 위에는 추가적인 금속 층(13')이 제공되며(도 4b), 각각, 마이크로파 윈도(4')를 위한 개구(23) 및 가로 금속 표면(15)이 제공된다. 이전 도면들에서 기술된 요소들과 동일한 요소들은 그에 상응하게 표시된다.
도 5 및 6은 연소 챔버(9) 내에 주입된 마이크로파의 반사에 영향을 끼치기 위해 도 5b 및 6b에서 금속 층(13')으로부터 에칭된(etched) 개구(23)의 추가적인 실시예들을 예시한다. 도 4에 관해 기술된 요소들과 동일한 요소들은 그에 상응하게 표시된다.

Claims (14)

  1. 작동 챔버(5)를 형성하는 하우징 벽(3)을 포함하는 하우징(2)을 포함하는 회전식 피스톤 내연기관(1)으로서, 상기 하우징 내에서 회전가능한 회전식 피스톤(6)은 작동 챔버(5)를 통해 연장되고 회전식 피스톤이 회전될 때 구동 표면(running surface)을 형성하는 하우징 벽(3)을 따라 회전식 피스톤(6)의 에지(17)를 이동시키도록 배열되며, 작동 챔버(5)의 한 부분이 작동 챔버(5) 내에 배열된 연료를 점화시키기 위해 연소 챔버 벽(4)과 함께 연소 챔버(9)로서 사용되는 회전식 피스톤 내연기관(1)에 있어서,
    하나 이상의 마이크로파 윈도(4')가 연소 챔버 벽(4) 내에 배열되고, 작동 챔버(5)의 연소 챔버(9) 내에 마이크로파 형태의 마이크로파 에너지를 주입하기 위한 장치(10; 18)가 연소 챔버(9)로부터 멀어지도록 배열된 마이크로파 윈도의 한 면 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  2. 제1항에 있어서, 적어도 연소 챔버 벽(4)은 구동 표면에서 임의의 변형 없이 하우징 벽(3) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 연소 챔버 벽(4)은 적어도 부분적으로 마이크로파 에너지를 위해 투과성을 가지며 연소 챔버(9) 내에서 연료를 연소시키기에 적합한 재료, 특히, 세라믹 재료 또는 사파이어 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  4. 제3항에 있어서, 불규칙한 국소 기하학적 형상의(geometric) 금속 구조물(11, 12)이 연소 챔버 벽(4) 내에 배열되고, 상기 금속 구조물들은 마이크로파를 집중적으로 또는 분산적으로 연소 챔버(9) 내에 다시 반사하며, 마이크로파는 처음에는 연소 챔버(9)로부터 반사되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  5. 제4항에 있어서, 불규칙한 국소 기하학적 형상의 구조물들은 금속 분말 층(11) 또는 연소 챔버 벽(4) 내에 주입되는 입자(12)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 연소 챔버 벽(4)에는 연소 챔버 벽(4)의 세로 방향으로 연장되는 금속 층(11)이 제공되는데, 상기 금속 층(11)은 마이크로파에 대해 불투과성을 지니며 마이크로파를 통과시키기 위해서 하나 이상의 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 하우징(2)에 배열된, 바람직하게는 하우징(2)의 축방향으로 배열된 하나 이상의 마이크로파 펄스 제너레이터(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  8. 제7항에 있어서, 하나 이상의 마이크로파 채널이 하우징 벽(3) 내에 배열되고, 상기 마이크로파 채널은 하나 이상의 마이크로파 윈도(4')와 연결되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 회전식 피스톤(6)의 표면의 적어도 한 부분은 마이크로파 에너지를 위해 투과성을 가지며 연소 챔버(9) 내에서 연료를 연소시키기에 적합한 재료, 특히, 세라믹 재료 또는 사파이어 유리로 형성된 반사 층(8)을 포함하며, 불규칙한 국소 기하학적 형상의 금속 구조물(11, 12)이 상기 반사 층(8) 내에 배열되고, 반사 마이크로파는 회전식 피스톤(6)을 집중적으로 또는 분산적으로 연소 챔버(9) 내에 다시 충돌시키는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  10. 제9항에 있어서, 불규칙한 국소 기하학적 형상의 구조물들은 금속 분말 층(11) 또는 반사 층(8) 내에 주입되는 입자(12)로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  11. 제5항 또는 제10항에 있어서, 적어도 연소 챔버 벽(4) 및/또는 반사 층(8)은 적어도 부분적으로 피스톤 벽(14) 또는 하우징(2) 혹은 하우징 벽(3) 내에 삽입가능한 사전-제작된 소결(sintered) 인서트로서 구성되는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 연소 챔버 벽(4)에 마이크로파 윈도(4')를 직접 인접하게 배열하는 마이크로파 제너레이터(10) 또는 마이크로파 스파크 플러그(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 25 GHz 내지 95 GHz, 바람직하게는 30 GHz 내지 75 GHz의 주파수를 가진 마이크로파를 생성하며, 마이크로파의 주입 타입, 진폭, 주파수, 시간에서의 한 지점의 조절을 포함하는 마이크로파 제너레이터(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파를 주입하기 위한 장치는 컨트롤 장치에 의해 조절되는 임펄스 패킷으로 마이크로파를 주입하는 마이크로파 제너레이터(10)를 포함하며, 마이크로파 제너레이터는 연료의 점화 후에도 마이크로파를 유지하는 것을 특징으로 하는 회전식 피스톤 내연기관(1).
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