KR20170122252A - 고파워 밀도 및 효율의 에피트로코이달 로터리 엔진 - Google Patents

고파워 밀도 및 효율의 에피트로코이달 로터리 엔진 Download PDF

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KR20170122252A
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Abstract

여러 실시예는, 바터밍 랜킨 사이클을 실시하기 위한 전용 챔버를 이용할 수 있는 X-엔진에 대한 수정예 뿐만 아니라, - 고효율에 모두가 기여하는 - 밀봉, 연소 효율의 부가적인 개선예를 설명한다.

Description

고파워 밀도 및 효율의 에피트로코이달 로터리 엔진
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 발명자가 Alexander Shkolnik, Nikolay Shkolnik, Mark Nickerson, Daniele Littera, 및 Alexander Kopache이고 2015년 3월 10일자로 출원된 "에피트로코이달 로터리 엔진(Epitrochoidal Rotary Engines)"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/130,956호, 및 발명자가 Alexander Shkolnik, Nikolay Shkolnik, Mark Nickerson, Daniele Littera, 및 Alexander Kopache이고 2015년 3월 24일자로 출원된 "윤활 및 바터밍 사이클이 개선된 열 엔진(Heat Engine with Improved Lubrication and Bottoming Cycle)"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/137,584호에 대한 우선권을 주장한다. 전술한 출원 모두는 그 전체가 본원에서 참조로 포함된다.
본원은 이하의 미국 특허의 전부 또는 임의의 특허와 관련될 수 있다.
2013년 2월 5일자로 Shkolnik 등에게 허여된 "하이브리드 사이클 연소 엔진 및 방법(Hybrid Cycle Combustion Engine and Methods)"이라는 명칭의 미국 특허 제8,365,698호;
2013년 9월 3일자로 Shkolnik 등에게 허여된 "사이클로이드 회전자 엔진(Cycloid Rotor Engine)"이라는 명칭의 미국 특허 제8,523,546호;
2014년 8월 15일자로 Shkolnik 등에게 허여된 "하이브리드 사이클 연소 엔진 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제8,794,211호; 및
2014년 10월 21일자로 N. Shkolnik 등에게 허여된 "등체적 열 부가 엔진 및 방법(Isochoric heat addition engines and methods)"이라는 명칭의 미국 특허 제8,863,724호로서;
이들 모두의 전체가 본원에서 참조로 포함된다.
본 발명은 로터리 기계에 관한 것이고, 보다 특히 로터리 엔진, 로터리 압축기, 로터리 펌프, 및 로터리 확장기에 관한 것이다.
토핑 사이클(topping cycle)(전형적으로 터빈 엔진 또는 내연 엔진)은 전형적으로 연료 내의 가용 열의 30% 초과를 배기물로 방출한다. 바터밍 사이클은 단순히, 토핑 사이클로부터 방출된 열을 이용할 수 있고 부가적인 기계적 에너지를 샤프트에 제공하여 전체 효율을 높일 수 있는 제2 열 엔진이다. 토핑 사이클에서 40% 효율을 달성하고, 이어서 조합된 사이클을 통해서 50 내지 60%의 전체적인 효율을 달성하기 위한 대형(MW 규모) 천연 가스 발전소는 드물지 않다. 이러한 것은 추가적인 구성요소를 필요로 하고, 관련 비용이 들며, 그리고 일반적으로 대형 고정적 파워 시스템에서만 적합하다.
연료 주입 기술의 진보를 또한 이용하여, 높은 주입 압력 - 오늘날 현대적 엔진에서 2,000 내지 2,500 바아의 주입 압력이 전형적이다 - 의 이용을 가능하게 함으로써 효율을 개선한다. 이는 (매우 고압인 펌프, 등으로 인해서) 엔진에서 높은 기생 손실(high parasitic losses)을 유발하고, 부피가 크며 매우 고가이다. 작은 엔진은 종종 이러한 시스템의 비용과 크기를 감당할 수 없다.
파워 밀도를 증가시키기 위해서, 2-행정 엔진이 종종 이용된다. 또한, 터보- 또는 수퍼-차지 엔진이 오늘날 널리 수용되고 있고 인기를 얻고 있다. 이들은 전형적으로 제조 및 유지보수에 비용이 많이 들고 복잡하다.
물 주입(WI)은 항공기 엔진의 파워를 높이기 위해서 2차 세계 대전(WWII)의 엔진에서 사용되었다. 연구원은 WI가 사이클 중이 물이 주입되는 때 - 압축, 연소 또는 팽창 행정 중에, 또는 부가적인 행정(소위 6-행정 엔진)으로서 - 에 따라서 약 2 내지 5%의 효율을 또한 증가시킬 수 있다는 것을 지적하였다. 미군은 또한 엔진을 내부적으로 냉각하기 위한 수단으로서의 직접적인 물 주입으로 엔진 워터 자켓(외부 냉각)을 제거하는데 있어서 성공적인 연구를 수행하였다.
우리가 아는 한, 이용 가능한 수단의 전부 또는 적어도 대부분을 일관성 있고 시너지 효과가 있는 방식으로 이용하는 발전소를 설계하고자 하지 않았고 즉, 그러한 발전소 설계에 시스템 차원으로 접근하는 것을 시도하지 않았다.
본 발명은 시스템 차원의 설계 관점으로부터 대형 및 소형 엔진 모두에 대해서 고효율 및 고파워 밀도를 해결하고자 하는 시도이다.
본원은 복수의 개선된 밀봉부 조립체를 가지는 콤팩트한 로터리 엔진의 실시예를 설명하고, 그러한 엔진은, 선택적으로, 엔진을 내부적으로 냉각하기 위해서 밀봉부 조립체를 통한 물 주입을 추가적으로 이용하고, 그에 의해서 외부 냉각으로의 열 손실을 감소시키며, 내부 냉각제를 엔진 배기물과 조합시키는 장점을 가져, 조합된 배기물의 열 및 냉각으로의 열 손실이 엔진의 바터밍 사이클에서 이용될 수 있게 하고, 그러한 경우에 엔진은 일체형 수퍼차징 메커니즘을 통합함으로써 그 파워 밀도를 선택적으로 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 로터리 기계의 회전자의 축방향 표면과 기계의 측면 하우징 사이의 간극을 밀봉하기 위한 밀봉부 조립체가 제공된다. 밀봉부 조립체는 (i) 측면 하우징(740)에 대해서 축방향으로 로딩되고(loaded) 회전자의 주변 모서리 절취부(725) 내에 상주하는 축방향 접촉 표면(715), (ii) 적어도 하나의 다른 유체-압력 수용 표면(714, 718), 및 (iii) 유체 압력에 의해서 회전자에 대해서 반경방향으로 로딩되는 내부 반경방향 접촉 표면(719)을 가지는 외부 부재(711)를 가지는 면 밀봉부를 포함한다. 면 밀봉부가 절취부 내에서 구속되도록, 면 밀봉부 및 회전자의 주변 모서리 절취부가 성형된다. 부가적으로, 유체 압력이, 축방향 접촉 표면을 측면 하우징에 대해서 축방향으로 압박하고 외부 부재의 내부 반경방향 접촉 표면을 회전자에 대해서 반경방향으로 압박하는 순수한 힘을 유발하도록, 축방향 접촉 표면 및 적어도 하나의 다른 유체-압력 수용 표면이 성형된다.
로터리 내연 엔진(예를 들어, 101)의 경우에, 밀봉부를 가압하는 유체는 각각의 작업 챔버를 충진하는 공기-연료 혼합물 가스일 수 있다. 추가적으로 관련된 실시예에서, 면 밀봉부는 외부 부재에 결합되고, 외부 부재로부터 내향적으로 반경방향 거리에 걸쳐지는 가교부 부재(713)를 더 포함한다.
다른 관련된 실시예에서, 면 밀봉부는 가교부 부재와 회전자의 특징부(724) 사이에 배치된 축방향 로딩형 스프링(750)을 더 포함하고, 그에 따라 측면 하우징에 대한 축방향 접촉 표면의 축방향 로딩을 유발한다. 선택적으로, 이차적인 밀봉부가 스프링에 의해서 일차적인 밀봉부에 대해서 축방향으로 예비-로딩되도록, 밀봉부 조립체는 축방향 로딩형 스프링과 가교부 부재 사이에 배치된 이차적인 밀봉부(760)를 포함한다. 이러한 밀봉부는 내부 반경방향 접촉 표면에 의해서 송풍된 임의 유체의 압력에 의해서 추가적으로 일차적인 밀봉부(713)에 대해서 축방향으로 에너지화되고(energized) 회전자 융기부(721)에 대해서 반경방향으로 로딩된다.
일부 실시예는 또한 회전자와 면 밀봉부 사이에 반경방향으로 배치된 가요성 이차적인 밀봉부(1304)를 포함한다.
일부 실시예는 또한 면 밀봉부 및 회전자에 결합되고 외부 부재를 회전자 축을 향해서 반경방향으로 당기도록 구성된 스프링(903)의 세트를 포함한다.
일부 실시예는 또한 외부 부재에 연결되고 외부 부재로부터 반경방향 내향 방향으로 축방향 표면을 따라서 배치된 판 부재(1009); 및 회전자에 대한 면 밀봉부의 회전을 방지하기 위해서 회전자의 상응하는 축방향 돌출 융기부(1003)을 수용하기 위해 판 부재 내에 배치된 회전방지 슬롯(1010)을 포함한다. 일부 실시예에서, 회전자를 통한 냉각 공기의 통과를 허용하기 위해서, 판 부재는 개구부(1020)의 세트를 내부에 포함한다.
다른 실시예는 이동 부재의 표면과 엔진의 하우징의 표면 사이의 간극을 폐쇄하기 위해서 밀봉부를 이용하는 유형의 개선된 내연 엔진을 교시하며, 그러한 엔진은 작업 챔버 및 배기부를 가지며, 그러한 개선예는: 가압된 증발성 액체의 공급원; 및 적어도 하나의 밀봉부에 대한 증발성 액체의 통로를 형성하는 도관을 포함하고, 그에 따라 증발성 액체가 표면과 접촉되며, 증발성 액체의 적어도 일부는, 표면에 의해서 열에 노출될 때, 가스로 상 변화되며, 가스는 엔진의 작업 챔버 내로 빠져 나가고 그 이후에 엔진 배기물의 일부가 되고, 열은 상 변화의 결과로서 엔진으로부터 제거된다. 선택적으로, 내연 엔진은 왕복 피스톤 유형이다. 선택적으로, 내연 엔진은 로터리 유형이다.
증발성 액체는 밀봉 계면의 윤활에 도움을 줄 수 있는 한편, 또한 엔진으로부터 열을 제거하며, 그에 의해서 외부 냉각 요구 사항을 감소시킬 수 있다(예를 들어, 충분한 내부 냉각이 제공되는 경우에, 엔진을 냉각시키기 위해서 전형적으로 이용되는 "워터 자켓"이 제거될 수 있다). 전형적으로 외부 냉각 자켓으로 손실될 수도 있었던 냉각제의 에너지는 작업 챔버 내에서 가스 압력으로 변환된다. 그에 따라, 팽창(파워) 행정 중에 더 많은 일을 함에 따라, 이러한 에너지의 일부가 회수된다.
일부 실시예는 또한, 증발성 액체의 상 변화로부터의 에너지를 포함하는, 배기물과 연관된 에너지를 이용하기 위해서 엔진 배기물의 경로 내에서 열 교환기를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 엔진은 제2 열 엔진을 더 포함하고, 제2 열 엔진은 배기 열로부터의 에너지를 부가적인 샤프트 일로 변환한다.
일부 실시예에서, 도관은 엔진의 밀봉부 내의 채널의 네트워크와 연통된다.
다른 실시예는 이동 부재의 표면과 엔진의 하우징의 표면 사이의 간극을 이용하는 유형의 개선된 내연 엔진을 교시하며, 그러한 엔진은 작업 챔버 및 배기부를 가지며, 그러한 개선예는: 가압된 증발성 액체의 공급원; 및 적어도 하나의 간극에 대한 증발성 액체의 통로를 형성하는 도관을 포함하고, 그에 따라 증발성 액체가 표면과 접촉되어 밀봉부를 형성하며, 증발성 액체의 적어도 일부는, 표면에 의해서 열에 노출될 때, 가스로 상 변화되며, 가스는 엔진의 작업 챔버 내로 빠져 나가고 그 이후에 엔진 배기물의 일부가 되고, 열은 상 변화의 결과로서 엔진으로부터 제거된다.
또 다른 실시예는 로터리 유형의 내연 엔진에서 이용되는 개선된 회전자를 교시하며, 그러한 회전자는 회전 축을 가지며, 그러한 개선예는: 회전자의 반경방향 표면을 회전자의 중앙 부분에 결합시키는 복수의 반경방향으로 배치된 리브(518)를 포함하고, 그러한 리브는 회전자를 통한 축방향을 따른 냉각 유체의 유동을 돕고 회전자의 구조적 무결성(integrity)을 제공한다. 냉각 유체는, 예를 들어, 공기 또는 공기-연료 혼합물, 또는 증발성 액체와 혼합된 공기를 포함할 수 있다.
일부 실시예는 회전자의 축에 대체로 수직이고 냉각 유체의 축방향 유동을 리브에 걸쳐, 판이 위치되지 않는, 리브들 사이의 적어도 하나의 개구부로 채널 전달하기 위해서 장착되는 적어도 하나의 판(507 또는 508)을 더 포함한다. 이는 냉각 유체를 회전자의 열-교환 영역을 향해서 지향시킬 수 있다. 이는, 예를 들어, 회전자로부터, 회전자의 축에 대체로 수직이고 공기의 축방향 유동을 리브에 걸쳐, 판이 위치되지 않는, 리브들 사이의 적어도 하나의 개구부 만으로 채널 전달하기 위해서 장착되는 적어도 하나의 판(507 또는 508)으로의 열 전달을 돕기 위해서 적어도 하나의 개구부 내에 배치되고 회전자의 반경방향 표면에 결합되는 냉각 핀(506); 및 회전자로부터의 열 전달을 돕기 위해서 적어도 하나의 개구부 내에 배치되는 냉각 핀(506)의 세트를 포함할 수 있다.
일부 실시예는, 회전자와 냉각 공기 사이의 열 교환을 증가시키기 위해서 회전자의 인접한 리브들 사이에 배치된 열 전도성 발포체(504)의 적어도 하나의 블록을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 N개의 로브를 가지는 사이클로이달 회전자 및, 회전자가 축을 중심으로 하우징에 대해서 회전될 때 로브를 연속적으로 수용하기 위한 상응하는 N+1개의 로브-수용 영역의 세트를 가지는 하우징을 포함하는 유형의 개선된 엔진을 제공하고, 하우징은 (i) 회전자의 제1 및 제2 측면 상에 축방향으로 배치된 커버의 쌍, 및 (ii) 인접한 로브-수용 영역의 각각의 쌍 사이에 배치된 피크(peak)를 가지며, 적어도 하나의 작업 챔버는 회전자와 하우징 사이의 공간 내에 형성된다. 이러한 실시예에서, 개선예는 흡기 포트 및 배기 포트를 포함하고, 각각의 포트는 커버들 중 동일한 커버 내에 또는 커버들 중 상이한 커버 내에 형성된다. 배기 포트는 흡기 포트에 앞서서 개방되며, 그에 따라 연소된 가스를 작업 챔버로부터 소기(scavenge)하고 챔버를 신선한 매체로 충진하여, 엔진의 2-행정 동작을 제공한다. 선택적으로, 가압된 유체 매체가 흡기 포트에 공급된다. 추가적 관련 실시예에서, 포트들이 비대칭적으로 배치된다.
일부 실시예에서, 포트들은 상이한 커버들 상에 비대칭적으로 배치되고, 일부 실시예에서, 포트들은 동일한 커버 상에 비대칭적으로 배치된다.
또 다른 실시예에서, 로터리 기계의 회전자 조립체는 반경방향 면을 가지는 회전자 본체(1201); 및 반경방향 면에 걸쳐 원주방향으로 배치되는 슬리브(1202)를 포함하고; 슬리브는 반경방향 내향으로 돌출되는 설부(tongue)(1203)를 가지고, 회전자 본체는 설부를 수용하기 위한 상응하는 반경방향으로 오목한 홈을 갖는다.
일부 그러한 실시예는 회전자 본체의 반경방향 면 상에 배치된 측면 밀봉부 조립체를 더 포함하고, 측면 밀봉부 조립체는 일차적인 밀봉부(1403) 및 압축 가능한 이차적인 밀봉부(1404)를 가지며, 이차적인 밀봉부는 일차적인 밀봉부와 접촉되고 회전자 본체의 홈 내에 배치된다. 또한, 일부 실시예는 상응하게 성형된 측면 밀봉부를 위한 주변 모서리 절취부를 포함한다. 또한, 일부 실시예는 신선한 매체를 작업 챔버 내로 도입될 수 있게 하는 흡기 포트 및 연소된 가스가 작업 챔버로부터 방출될 수 있게 하는 배기 포트를 포함한다.
또 다른 실시예는 N개의 로브를 가지는 회전자, 작업 매체의 흡기를 위한 흡기 포트, 배기 포트, 및 하우징에 대한 회전 운동을 위해서 회전자가 장착되는 하우징을 가지는 유형의 개선된 로터리 엔진을 포함하고, 하우징은 N+1개의 로브-수용 영역 및 (i) 인접한 N+1개의 로브-수용 영역의 각각의 쌍 사이에 배치된 피크 및 (ii) 측면의 쌍을 가지며, N+1개의 로브-수용 영역은, 회전자가 하우징에 대해서 회전될 때, N개의 로브를 연속적으로 수용하여 챔버를 구축하도록 회전자와 관련하여 추가적으로 구성되고, 챔버는 N+1개의 로브-수용 영역의 각각의 하나와 연관되며, 구축된 챔버 중 적어도 하나의 챔버는 흡기, 작업 매체 및 주입 연료의 압축, 연소, 팽창, 및 배기 위상을 연속적으로 처리하도록 구성되고, 개선예는 연소가 발생되는 각각의 챔버와 연관된 하우징 내의 함몰부를 포함하고, 함몰부는 압축 및 연료의 주입 과정에서 작업 매체 내에 와류를 생성하도록 비대칭적으로 성형된다. 일부 그러한 실시예에서, 함몰부는, 내부에 주입된 연료의 기둥(plume)과 연관된 형상 및 부피를 수용하는 세장형의, 눈물방울-유사 형상을 갖는다.
컬러 도면
특허 또는 출원 파일은 컬러로 작성된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 가지는 이러한 특허 또는 특허출원 공보의 복사본은 신청과 함께 필요 요금을 납부하면 관청에서 제공할 것이다.
실시예의 전술한 특징은, 첨부 도면을 참조한, 이하의 구체적인 설명을 참조할 때 더 용이하게 이해될 것이다.
도 1a는 매우 효율이 높은 조합된 열 및 파워 시스템(CHP)의 특징을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 도 1a에 개략적으로 도시된 CHP 시스템의 열역학적 장점을 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 전술한 CHP에서 이용될 수 있는 X-엔진 기하형태 및 사이클을 기초로 하는, 엔진의 특징을 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 전술한 CHP 시스템에서 이용될 수 있는 피스톤 엔진의 특징을 개략적으로 도시한다.
도 4는 전술한 CHP 시스템에서 이용될 수 있는 피스톤 엔진의 특징을 개략적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5e는 수퍼차징 및 부가적인 냉각을 실시하도록 구성된 회전자를 개략적으로 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 X-엔진 기하형태를 기초로 하는 2-행정 엔진의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7a 내지 도 7f는 "U-컵" 면 밀봉부의 설계를 개략적으로 도시한다.
도 8은 밀봉부의 축방향 접촉 표면 상으로의 밀봉부의 유체-압력 수용 표면의 표면적의 투사를 개략적으로 도시한다.
도 9는 회전자와 접촉 유지되도록 U-컵 밀봉부를 보조하는 부가적인 스프링을 포함하는 것에 의한 "U-컵 밀봉부"의 설계에 대한 잠재적인 개선예를 개략적으로 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 "판 밀봉부"의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는 정지적 밀봉부의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 12a 내지 도 12c는 슬리브형 회전자의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 밀봉부의 부가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 14의 (a) 내지 도 14의 (l)은 밀봉부의 부가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 15 및 도 16은 연소 챔버의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 17의 (a) 내지 도 17의 (f)는 "구배-성질" 재료 회전자를 생산하는 방법의 실시예를 개략적으로 도시한다.
여러 실시예는, 바터밍 랜킨 사이클을 실시하기 위한 전용 챔버를 이용할 수 있는 X-엔진에 대한 수정예뿐만 아니라, - 고효율에 모두가 기여하는 - 밀봉, 연소 효율의 부가적인 개선예를 설명한다.
정의. 이러한 설명 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같이, 맥락에서 달리 요구되지 않는 한, 이하의 용어는 표시된 의미를 가질 것이다.
"로터리 기계"는 로터리 엔진, 로터리 압축기, 로터리 펌프, 및 로터리 확장기로 이루어진 군으로부터 선택된 기계이다.
회전자의 "주변 모서리 절취부"는, 회전자의 반경방향 표면의 축방향 범위의 감소를 유발하도록, 회전자의 반경방향 극단부에 위치되는, 회전자로부터의, 절취부이다.
"가요성의 이차적인 밀봉부"는 중합체와 같은 가요성 또는 압축 가능 재료 또는 여러 얇은-횡단면 강, 예를 들어 O-링, X-링, E-링, C-링 및 기타로 제조된 밀봉부이고; 이러한 가요성 이차적인 밀봉부의 주요 특징은, 일차적인 밀봉부의 이동을 방지하지 않으면서, 회전자와 일차적인 밀봉부 사이의 동시적인 접촉을 제공하는 것이다.
"증발성 액체"는 내연 엔진의 하우징 내에서 발생되는 온도 및 압력에서 가스로의 상 변화가 이루어지는 액체이다. 본 맥락에서, 물은 "증발성 액체"인 반면, 윤활 오일은 증발성 액체가 아니다. "X-엔진"은, 전체가 본원에서 참조로 포함되는 미국 특허 제8,523,546호에 실시예가 설명된 엔진이다. X-엔진은 고효율 하이브리드 사이클(HEHC)로 동작된다.
"고효율 하이브리드 사이클(또는 "HEHC")는, 예를 들어 X-엔진과 같은 엔진에 의해서 실행될 수 있는 미국 특허 제8,523,546에서 설명된 바와 같은 사이클이다.
"매체"는 흡기 행정 중에 엔진의 작업 챔버로 진입하는 신선한 공기 또는 공기/연료 혼합물이다.
"분말 재료"는, 중량, 강도, 마모, 마찰, 열전도도, 열팽창 계수 등의 견지에서, 로터리 기계의 회전자에 유용한 세라믹, 그라파이트, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 결합제, 및 기타 재료를 포함할 수 있다.
"압밀 및 소결 프로세스"는, 여러 가지 유형의 구성요소를 제조하기 위해서 분말 형태의 공급 원료를 프로세스하는, 생산 기술군을 포함한다. 이러한 생산 기술은 일반적으로 이하의 프로세스 단계의 전부 또는 대부분을 포함한다:
a). 혼합 분말을 압밀체로 형성하는 단계(주요 압밀 프로세스는 다이, 펀치 및, 가능하게는, 굴대 또는 코어 막대를 포함하는 강성 도구 세트 내에서 프레싱하는 단계를 포함한다). 그러나, 니셰(niche) 적용예에서 이용되는 몇몇 다른 압밀 프로세스가 있다.
b). 무결성 및 강도를 향상시키기 위해서 압밀체를 소결하는 단계. 이러한 프로세스 단계는, 일반적으로 보호 대기 내에서, 재료를 주요 성분의 융점 미만의 온도까지 가열하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 소량의 성분이 소결 온도에서 액체 상을 형성할 수 있고; 그러한 경우는 액상 소결로 설명된다. 고상 및 액상 소결에 관련된 메커니즘이 후술되는 목차에서 간략히 설명된다.
전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2014년 7월 31일자로 공개된 미국 공개 특허출원 제2014/0209056호(2014년 1월 24일자로 출원된 특허출원 제14/163,654호)는 펌핑, 압축 또는 다른 목적을 위해서 사용될 수 있는 전용 특별 챔버를 가지는 X-엔진 기하형태를 설명하는 한편, 그러한 엔진의 나머지 챔버(들)는 통상적인 내연 엔진 연소 프로세스를 위해서 사용된다.
전체가 본원에서 참조로 포함되는, 특허 제8,523,546호는 고효율 하이브리드 사이클(HEHC)로 동작되는 "X-엔진"으로 지칭되는 로터리 엔진을 설명한다. HEHC 사이클은 본질적으로 더 효율적이고, 과-팽창에 의해서 배기물로부터 가능한 한 많은 에너지를 회수하려고 하지만, 그럼에도 불구하고, 배기물 및 냉각에는 상당한 열 에너지가 잔류한다.
본원은, (1) 미국 특허 제8,863,724호 및 제8,523,546호에서 설명된 일반적인 유형의 에피트로코이달 로터리 엔진, (2) 로터리 압축기, 또는 (3) 로터리 펌프 중 임의의 것에서 이용하기 위한, 회전자 그리고 관련 밀봉부 및 구성요소의 개선예에 관한 것이다. 도 2는 본원에서 제시된 개선예가 적용될 수 있는 유형의 전형적인 실시예를 도시한다. 미국 특허 제8,863,724호 및 제8,523,546호는 그 전체가 본원에서 참조로 포함된다.
X-엔진 동작 사이클
HEHC X 엔진은 흡기, 압축, 연소 및 팽창, 그리고 배기를 포함하는 4-행정 사이클을 이용한다. 이러한 행정의 각각은 2개의 엔진 챔버의 각각의 내부에서 순차적으로 발생된다. 엔진이 포트형이고, 그에 따라 포핏 밸브를 사용하지 않고도 전체 4-행정 동작을 가능하게 한다. 공기 및 연료는 회전자를 통해서 주어진 연소 챔버로 진입 또는 진출되도록 경로화된다. 흡기 포트 및 배기 포트 위치의 비대칭성은 과-팽창을 유발한다. 일정-부피 연소는 회전자가 회전되는 중에 긴 기간 동안 공기 및 연료의 부피를 각각의 격리된 연소 챔버 내에 포획하는 것에 의해서 달성되고, 회전자의 상단부의 궁형부는 하우징의 궁형부와 정렬된다. 그에 따라, 엔진 기하형태의 특유의 양태는 엔진이 HEHC 사이클을 구현할 수 있게 한다.
효율 개선은, 이하를 통합하는 것을 통해서, 열역학을 기초로 한다: 1) 전체가 본원에서 참조로 포함되는, LiquidPiston의 특허 제8,523,546호에서 설명된, 고효율 하이브리드 사이클(HEHC)으로 지칭되는 매우 최적화된 열역학적 사이클; 그러한 사이클은 고압축비, 일정-부피 연소, 및 과-팽창을 조합하며; 2) 엔진은 외부적으로 단열되고, 내부(실린더-내) 물 주입(WI)(또는 보다 일반적으로, 증발성 유체 주입)을 이용하여 냉각된다; 이러한 물이 증기로 전환됨에 따라(증발성 유체가 가스로 전환됨에 따라), 이는 챔버 내에 압력을 축적하여 냉각 손실의 부분적인 회수를 가능하게 하는 한편, 가스 및 실린더 온도를 낮추며; 3) 배기물로부터의 열뿐만 아니라 물 및/또는 증기에 의한 내부 냉각으로부터의 열 모두가 기본적 엔진에 통합된 바터밍 랜킨 사이클을 통해서 회수된다.
X-엔진에서, 내부 냉각을 위해서 이용되는 물 주입(WI)은 엔진의 밀봉 지점에서 실린더 내로 주입 또는 삽입될 수 있고, 그에 의해서 밀봉을 개선할 수 있고, 잠재적으로 오일 윤활 필요성을 제거하거나 감소시킬 수 있다. 오일이 없는 상태에서, 엔진은 더 고온으로 작동될 수 있고, 방출물이 더 양호해질 것이고, 유지보수 요구 사항이 적어질 것이다.
도 1a는 매우 효율이 높은 조합된 열 및 파워 시스템(CHP)(100)의 실시예를 도시한다. 예로서, 1 kWe 시스템이 전반적으로 이용될 것이나, 개념은 훨씬 더 큰 시스템에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
임의의 적합한 연료로 - 예로서, 천연 가스(NG)로 - 동작되는 로터리 X-엔진("E")이 교류발전기("A")에 결합되어, 전력망 인터커넥트/파워 전자기기 박스("I")에 1kW의 전력을 제공한다. 엔진은 3개의 챔버를 포함하고, E_HEHC 챔버로 지칭되는 그 중 2개는 천연 가스로 점화되고, E_STEAM로 지칭되는 제3 챔버는 랜킨(증기) 바터밍 사이클을 위해서 이용된다(챔버의 정의에 대해서 도 2a를 참조하고, 시스템의 에너지 균형에 대해서 도 1b를 참조한다). 상응하는 주입기는 NG(또는, 설계에 의해서 요구되는 바에 따라, 임의의 다른 연료)를 E_HEHC 챔버 내에 주입하고, 증기 주입기는 증기를 E_STEAM 챔버 내에 주입한다. 전자제어유닛("ECU")은 엔진(E) 연료, 교류발전기(A), 및 2-방향 밸브("2-w")를 제어한다. 물 주입은 냉각, 윤활 및 내부 폐열 회수를 위해서 이용될 것이다. 물은 가정용 수도로부터 탈이온기("de-I")에 공급되고, 이어서 교류발전기("A")를 냉각시키고 고압 펌프("P") 내로 이어서 작은 열 교환기("HE1") 내로 유동되며, 그러한 열 교환기에서 배기 가스로부터의 열이 이러한 물로 전달되어 물을 과열된 증기로 변환시키고, 이는 엔진의 바터밍 사이클 챔버(E_STEAM) 내로 더 주입된다. 연결된 회로에서, 상대적으로 저온인 물이 엔진 밀봉부로 직접적으로 공급되어 엔진의 회전자 및 다른 구성요소를 냉각하며; 이러한 물은 챔버 내에서 증기로 전환되며, 냉매로 손실될 수도 있는 에너지가 부분적으로 회수된다. 연소 후에, 배기물은 그러한 배기물을 정화하는 촉매 변환기("CAT")(108)를 통과한다. 연소된 공기는 "HE1" 내로 진출되고 이어서, 잔류 열이 필요치 않은 경우에, 연소된 공기는 밸브("2-w")를 통해서 대기중으로 버려진다. 그 대신에, 열이 요구되는 경우에, 배기물은 잔류 열 교환기("HE2")(132)로 지향된다. 외부적 열 손실을 최소화하기 위해서, 엔진, 교류발전기, 촉매 변환기, 및 HE1가 완전히 단열될 것이고, 그에 따라 모든 냉각이 물을 통해서만 발생된다.
선택적으로, 부가된 자본 비용에도 불구하고, 더 낮은 운영비를 위해서, 시스템 물이, 예를 들어, 사이클론 분리기("CS")에 의해서 회수될 수 있고, 그러한 경우에, 배기물 스트림이 물 응축점까지 냉각되고 가스로부터 분리된다. "CS"로부터의 물은 필터("F")를 통해서 유동되고 복귀 물 라인(135)을 통해서 "de-I"로 복귀된다. 이러한 선택사항은 외부 물 공급원에 대한 연결 필요성을 제거하나, 부가적인 구성요소를 포함한다. 도 1a의 타원 내에 도시된 구성요소는 또한 선택적이다.
이하에서, 엔진(E)이 내부 물 냉각 및 바터밍 사이클로 어떻게 동작되고 시스템의 나머지 구성요소와 어떻게 상호작용하는지를 설명할 것이다.
WI/냉각
전형적으로, 엔진은 워터 자켓을 통해서 유동되는 냉각제로 외부적으로 냉각되고; 그에 따라 연료 에너지의 약 1/3은 주변으로 방출되는 낮은 등급의 열로 변환된다. 이러한 실시예에서, 본 발명자는 엔진을 내부적으로 냉각시키기 위한 다른 전략을 실행하였다. 흡기 또는 압축 행정 중에 주입된 물은 가스를 냉각시키는 효과를 가지며, 이는 PV 도표의 압축 곡선을 아래로 이동시킨다(효율을 증가시킨다). 압축 또는 팽창 중에 주입된 물은 또한 장입물(charge)을 냉각시키고, 피크 압력 및 온도를 감소시킬 것이다. 이는 NOx 방출을 감소시키고, 노킹 한계(knock limit)를 증가시켜 더 큰 압축비를 허용할 수 있다(증가된 열 효율을 허용할 수 있다). X-엔진 구조에 특유하게, 물 주입은 밀봉부와 회전자, 및/또는 밀봉부와 커버 사이의 계면에서 직접적으로 이루어질 수 있고; 그러한 물은 밀봉부 및 회전자, 또는 밀봉부 및 커버 모두를 냉각시킬 수 있는 한편, 증기로 또한 전환될 수 있고 윤활 효과를 가질 수 있다. 주입된 물은 증기로 전환되나(엔진을 내측으로부터 냉각), 증기는 챔버 압력을 증가시킬 것(증기에 의해서 점유되는 부피는 대기 조건에서 물의 ~ 1400배이다)인 한편, 전체적인 온도는 감소된다. 이러한 효과는 증가된 파워 출력으로 나타나는 한편, 연소 온도를 낮추며, 이는 또한 NOx 방출을 감소시킨다. 또한, 가스의 과-팽창은 엔진이 발생된 증기로부터 더 많은 장점을 취할 수 있게 하여, 냉각제로 손실될 수도 있는 에너지를 더 많이 포획할 수 있게 한다. 이는 또한, 예를 들어, 초경질이고 습윤되었을 때 매우 낮은 마찰계수(.02)를 가지는 AlMgB14 코팅을 이용하는 것에 의한, 대안적인 윤활 전략 - 물/수증기에 의한 윤활 - 의 기회를 제공한다.
바터밍 사이클
바터밍 사이클, 또는 조합된 사이클은 특히 큰 발전소 시스템을 위해서 일반적으로 사용되는 전략이다. 토핑 사이클(전형적으로 터빈 엔진 또는 내연 엔진)은 전형적으로 연료 내의 가용 열의 약 1/3을 배기물로 방출한다. HEHC 사이클은 본질적으로 더 효율적이고, 4-행정 사이클에서 가능한 한 많은 에너지를 변환하려고 하지만, 그럼에도 불구하고, 배기물에는 상당한 에너지가 잔류한다. 전술한 바와 같이, 제시된 시스템에서, 단열된 엔진은 챔버 내로부터의 물에 의해서 냉각되고, 즉 챔버 외측의 냉각제 채널로부터가 아니라 물과 회전자 및/또는 하우징의 직접적인 접촉에 의해서 냉각된다. 이어서, 증기 형태의 물이 배기물과 혼합되고 - 그에 따라 기계적 샤프트 일에 사용되지 않은 본질적으로 모든 열, 예를 들어 "냉각" 또는 "열 전달"로 일반적으로 손실되는 열이 또한 "배기물 열"과 혼합되고 바터밍 사이클을 위해서 이용될 수 있게 한다. 전형적으로, 바터밍 사이클은, 토핑 사이클로부터 방출된 열을 이용할 수 있고 부가적인 기계적 에너지를 샤프트에 제공하여 전체 효율을 높일 수 있는 제2 열 엔진에 의해서 실시된다. 토핑 사이클에서 40% 효율을 달성하고, 이어서 조합된 사이클을 통해서 50 내지 60%의 전체적인 효율을 달성하기 위한 대형 (MW 규모) 천연 가스 발전소는 드물지 않다. 제시된 엔진의 신규한 특징은, 바터밍 사이클을 위한 배기물의 열에 더하여, 모든 "냉각" 손실이 이용 가능해진다는 것이다. 본원에서 제시된 본 발명은 3-챔버형 'X' 엔진을 기초로 하고, 여기에서 2개의 챔버는 토핑 HEHC 사이클을 담당하고, 제3 챔버는 바터밍 랜킨 사이클을 위한 확장부로서 이용된다. 증기 주입기 이외에, 제시된 엔진의 구현을 위한 새로운 하드웨어는 필요치 않다. 결과적으로 믿을 수 없을 정도로 콤팩트하고, 비용 효과적이며, 그리고 전체적으로 조합된 사이클이 적은 수의 이동 부분(더하기 플랜트의 균형) 만으로 달성된다.
큰 브레이크 효율을 달성하기 위해서, 엔진은 냉각 및 배기물 스트림 모두로부터 에너지를 회수한다:
3개의 엔진의 챔버 중 2개는 HEHC으로 작동된다. 엔진으로부터의 배기물이 열 교환기를 통해서 이동되어 과열된 증기를 생성한다. 엔진의 제3 챔버는 랜킨 바터밍 사이클을 이용하고, 증기는 TDC에서 주입된다.
엔진의 제시된 실시예에서, 물/증기가 냉각, 밀봉, 윤활, 및 열 회수 메커니즘으로서 이용된다. 회전자 냉각을 위해서 적은 양(흡기 공기의 질량의 ~ 30%)의 물만이 필요하고, 오일은 시스템으로 완전히 제거될 수 있다. 엔진 동작 온도는 (오일 막이 있는 경우에 전형적인 180 ℃ 대신에) 400 ℃까지 증가될 수 있는데, 이는 오일 막이 요구되지 않기 때문이다.
도 2a에는 전방 커버를 제거한 상태로 3-챔버 X-엔진이 도시되어 있다. 이는 하우징(201), 커버 판(202 및 도 2b의 206), 회전자(203), 3개의 정점 밀봉부(204) 및 2개의 면 밀봉부(205)를 포함한다. 흡기 공기 장입물(235)은 샤프트(233) 및 흡기 포트(232)를 통해서 챔버 내로 유동된다. 작업 챔버 공간은 회전자, 하우징 및 2개의 커버 판에 의해서 경계 지어진다. 제시된 토핑 사이클에서, "E_ HEHC"로 지칭되는 2개의 작업 챔버는, 2- 또는 4-행정 HEHC-SI 사이클을 실행하는 점화 챔버로서 구성될 것이다. "E_ STEAM"로 지칭되는 제3 챔버는 바터밍 사이클 전용일 것이다(도 2a 참조).
열 장벽 코팅은 연소 열의 대부분을 내부에서 유지하기 위해서 하우징의 내부 표면 및 커버 상에서 또는 하우징 주위의 단열부(미도시) 상에서 이용된다. 정점 밀봉부를 제외하고, 하우징은 어떠한 이동 부분과도 접촉되지 않고, 그에 따라, 전용 냉각을 정점 밀봉부에 제공하는 경우에, 하우징은 냉각될 필요가 없다. 냉각될 필요가 있는 유일한 구성요소는 회전자 및 모든 밀봉부이다 - 이들은 엔진 밀봉부를 통해서 펌핑되는 물에 의해서 내부적으로 냉각된다. 물의 유동이 도 2b에 도시되어 있다. 적색 화살표(271-내부 및 271-외부, 272-내부 및 272-외부, 273-내부 및 273-외부)는 정점 밀봉부(204)의 각각을 통한 축방향을 따른 커버 판(206) 내의 정량 오리피스(262)를 통한 물의 유동을 보여주고; 이러한 유동은 커버 판(202, 도 2a)을 통해서 엔진의 다른 측면 상에서 진출된다. 도 2e는 밀봉부(204)를 통한 유동(271)의 상세 부분을 제공한다. 정점 밀봉부는, 아래에서 뿐만 아니라, 전체가 본원에서 참조로 포함되는 2012년 3월 29일자로 출원된 출원 제13/434,827호(그리고 또한 US 8,523,546)에서 설명되어 있다. 그들은 2개의 절반체(241 및 242)로 제조되고, 스프링(244)에 의해서 에너지화되며; 이러한 2개의 절반체는 녹색 화살표로 도시된 바와 같이 서로에 대해서 활주되고 채널(243)을 통해서 유동되는 물이 이러한 활주 계면을 통해서 회전자(203) 상으로 누출될 수 있게 한다. 정점 밀봉부의 제2 버전이 도 2d에 도시되어 있다. 정점 밀봉부는 스프링(244) 에너지화된 패드(245) 및 세라믹 롤러(246)를 갖는다. 물은 패드 내의 채널을 통해서 유동되고, 롤러는 물을 끌고(drag) 회전자 상으로 확산시킨다. 정점 밀봉부가 하우징 내에서 정지적이기 때문에, 물은 정점 밀봉부를 통해서 연속적으로 유동된다.
면 밀봉부(205) 상으로의 물의 유동은 3차원적이고, 이는 도 2b 및 도 2c에 도시되어 있다. 수증기(281-내부)는 축방향으로 커버 판(206) 내의 정량 오리피스(261)로 진입되고; 이는 U-컵 면 밀봉부(205, 도 2c)의 접촉 표면 상의 홈 내로 들어간다. U-컵 면 밀봉부는 이하의 도 8 및 도 13에서 설명된다. 여기로부터, 유동(281-내부)은, 쇄선 화살표로 도시된 바와 같이, 2 방향으로 분할된다. 물은 홈 내에서 유동되고 동일한 커버 판으로부터 2개의 장소로 방출된다(281-외부) - 유동 화살표 방향이 어떻게 변화되는지 주목하여야 한다. X-엔진의 특유의 기하형태로 인해서, 면 밀봉부(205) 내의 홈은 항상 그리고 동시에 입구 오리피스(262) 및 출구 오리피스(263) 모두에 노출되고, 그에 따라, 면 밀봉부/커버 계면을 통해서 물이 연속적으로 유동될 수 있게 한다.
물은, 전술한 바와 같이, 밀봉부를 냉각할 뿐만 아니라 밀봉 자체를 돕는다. 그러나, 밀봉은 완벽하지 않고; 일부 물이 챔버 내로 누출되고 이는 전술한 바와 같이 물 주입을 구성한다. 또한, 고온의 정점 밀봉부/회전자 및 면 밀봉부/커버 계면을 통해서 유동되는 이러한 물은 물/증기 혼합물을 형성하고, 그러한 혼합물은 회전자 및 커버 판의 벽 상에서, 부분적으로, 증발되고 과열된다. 이러한 물/증기 혼합물은 6개의 구분된 기능을 갖는다:
1) 과열된 증기는, 소모될 때, 회전자 및 커버 판으로부터 추출된 열을 사용하여 부가적인 파워를 생성하고,
2) 부분적인 폐열 회수의 결과로서, 효율이 증가되고 - 이러한 폐열은 일반적으로 엔진 자켓 내의 물 냉각에 의해서 주변으로 손실되고,
3) 회전자 및 커버 판 모두의 냉각은 증발되는 물에 의해서 발생되고,
4) 회전자(피스톤)와 실린더 사이의 계면을 윤활하고,
5) 회전자(피스톤)를 밀봉하며, 그리고
6) 챔버로 진입되는 증기가, 결국, 배기되고 엔진 배기물과 조합됨에 따라, 고품질 에너지의 큰 풀(pool)을 생성한다.
도 1b를 참조하면: 실린더(지점 1 내지 4, 엔진의 E_HEHC 부분 내의 HEHC 사이클 도표의 내측)의 열역학이 작은 1 kWe 엔진에 대해서 1-D GT-파워 시뮬레이션 코드로 모델링된다. 배기 가스 및 수증기가 지점(4)에서 챔버를 빠져 나가고 촉매 변환기(CAT) 내로 진입하고, 그러한 촉매 변환기에서 임의의 미연소 연료가 추가적으로 산화되고 매개변수(5)를 가지고 빠져 나간다. 이어서, 가스/증기 혼합물은 열 교환기 #1("HE1") 내로 진입되고 지점(6)에서 빠져 나가며, 그에 따라 HE1의 제2 루프로 진입되는 물에 열을 전달한다. HE1 이후에, 연소된 가스/증기 혼합물이 사출기 내로 진입되고, 그러한 사출기에서 그 혼합물은 지점(10)에서 E_STEAM 를 빠져 나가는 저압 증기와 추가적으로 혼합된다.
수도로부터 공급되고 "de-I"에서 탈이온 처리된(도 1a) 물은 교류발전기로 진입되고 냉각하며 지점(7, 도 1b)에서 펌프로 진입된다. 물은 지점(8, 도 1b)에서 펌프를 빠져 나가고, 전술한 바와 같이, HE1로 진입된다. 물은 지점(9, 도 1b)에서 과열된 증기로서 HE1을 빠져 나가고 E_STEAM에 진입되며, 그 곳에서 그러한 물은 지점(10, 도 1b)으로 팽창되고 사출기로 진입되며, 그러한 사출기에서 물은, 전술한 바와 같이, EHEHC로 부터의 배기물과 혼합된다. 배기 가스 및 증기는 2-방향 밸브로 추가적으로 지향된다. 그에 따라, 엔진의 E_STEAM 챔버는 바터밍 사이클을 실행하여, 엔진의 냉각 및 배기물에 의해서 낭비될 수도 있는 폐열의 일부를 회수한다.
열역학적 모델링 분석
엔진은 기성품인 상용 교류발전기(FOA 당 96% 효율로 가정)에 파워를 공급한다. 효율은 기본적인 HEHC 엔진뿐만 아니라 부가적인 바터밍 사이클 구성요소를 포함한다. (WI을 이용한) HEHC 구성요소 효율은 다음과 같다:
Figure pct00001
.
엔진의 표시된 효율,
Figure pct00002
, 은 연소 비효율성,
Figure pct00003
및 기계적 비효율성,
Figure pct00004
, 에 의해서 감소된다. 물 주입으로 인한 BTE의 증가(1.052)에 대해서 보수적인 추정을 가정한다(
Figure pct00005
).
바터밍 랜킨 사이클(bRc) 브레이크 효율은
Figure pct00006
이다. 배기물/냉각 열의 약 79%가 랜킨 사이클에 대한 입력으로서 이용가능하다는 것을 주목하여야 할 것이다.
X-엔진 및 바터밍 사이클(bRc과 함께 HEHC) 브레이크 효율은 다음과 같다:
Figure pct00007
=
Figure pct00009
= .323 + (1-.323)*.795*.196 = 42.9%.
마지막으로, (교류발전기를 포함하는) 전체적인 전기 발전기 세트 효율은 ηgenerator = 42.9*.96 = 41.2%이다.
HEHC 사이클은 물 주입으로 향상될 것이고, 그에 따라 엔진 및 교류발전기에 대한 외부 냉각을 제거하고, 그에 더하여 단순한 수단을 효율적인 "바터밍 사이클"에 제공한다. 물 및 증기의 존재는 환경상의 장점 및 신뢰 가능성 장점 모두로 운용될 수 있다. 증기 윤활로 인해서, 오일의 이용이 완전히 제거될 수 있다. 외부 절연과 조합된 내부 냉각은 열을 시스템 내에서 유지하는 한편, 동시에 조용한 동작을 보장한다.
제시된 CHP 시스템의 전기 효율을 추정하기 위해서, 2개의 가정의 세트: 보수적 가정 및 공격적 가정을 이용하여 분석을 실시하였다. E_ HEHC의 1-D 모델을 위해서 이용된 가정 및 획득된 결과는 이하와 같다[브레이크 열 효율 = (BTE)]:
[표 1 - 엔진 성능의 보수적 및 공격적 분석]
Figure pct00010
모델에 관한 상세 내용: 엔진 프로세스(E_HEHC)의 4개의 행정이 X-엔진의 GT-파워 (1-D) 시뮬레이션 내에서 모델링된다. 모델은 X-미니 엔진의 부피, 표면적, 포트 면적 및 다른 특징을 포함한, 적절한 기하형태적 정보를 갖는다.
공기가 샤프트 및 흡기 포트를 통해서 진입된다.
공기가 압축된다(1→2). 오리피스를 통한 유동이 챔버를 빠져 나갈 때, 열전달(Woschni 유형 모델) 및 누출(불로바이(blowby))이 모델링된다. 누출의 일부가 인접 챔버로 가고, 일부는 주변으로 간다.
NG는 흡기 포트가 폐쇄된 후에 임의 시간에 주입된다.
공기/연료는 시차별 열 방출을 모방하기 위한 위베 함수(Wiebe function)를 이용하여 2→3 으로 연소된다. 95% 연소 효율이 가정된다. 이러한 위상 중의 부피는 대략적으로 일정하다.
연소 생성물은 3→4로 팽창되는 한편, 다시 누출 및 열 전달을 고려한다. 대기압에 도달할 때까지, 과-팽창이 계속된다.
연소 생성물은 회전자 내의 배기 포트를 통해서 배기되고, 커버 내의 창을 통과하고, 촉매 변환기(CAT)(도 1 및 도 2)로 진입된다.
CAT에서, 잔류 연료가 더 산화되고 배기물 온도가 높아진다.
CAT으로부터, 배기물이 열 교환기(HE1)로 지향된다.
GT-파워 시뮬레이션에서 물 및 증기를 모델링하는 것이 해결과제이다. 본원에서 제시된 분석에서, (물 주입 없이) HEHC을 모델링하였으나, 문헌적 연구를 기초로 5%(보수적) 또는 22%(공격적)의 효율 증가가 가능한 것으로 가정하였다.
계산의 나머지는 물/증기 표를 이용하여 실시하였다. 열 교환기(HE1)에서:
ME (h6 - h5) = Mw (h9 - h8) = QHE1 = 1.32 kW - HE1에서 교환된 열 (1)
여기에서:
ME 는, - (E_HEHC의 1D 시뮬레이션으로부터) - E_HEHC 를 빠져 나가는 배기 가스의 질량이고,
h1 내지 h6 는 (1D 시뮬레이션으로부터) 지점 1 내지 6에서의 가스의 엔탈피이다.
HE1로 진입되는 물의 질량은 - 식 (1)로부터 확인될 수 있으며:
Mw = 0.0004 kg/초는 물 유동이고,
h7 내지 h10 는 지점 7 내지 10에서의 물/증기의 엔탈피이다.
Figure pct00011
h7 - 은 교류발전기를 빠져 나가는 물의 조건을 제공한다(교류발전기 내의 물 온도 상승은 최소 - 12 ℃이다). 일단 펌프 압력(40 바아로 가정됨)이 선택되면 - E_STEAM 의 모든 다른 지점이 물/증기 표로부터 확인될 수 있다.
이하의 모든 나머지 매개변수는 공간 절약을 위해서 "보수적" 가정에 대해서 제시된 것이다:
Qin = 2.45 kW(매개변수로서 주어진, 연료 입력의 낮은 가열 값)
WOUT = WHEHC + WSTEAM - WPUMP
= 0.792kW + 0.2604 kW - 0.0016 kW= 1.05 kW
WHEHC_Indicated = 0.931 kW(HEHC 엔진의 GT-파워 모델로부터의 순수 표시 일)
Figure pct00012
;
Figure pct00013
E_HEHC 엔진에 대한 효율 "캐스케이드(cascade)"는 다음과 같다:
Figure pct00014
-- 브레이크 효율(ηcomb = 95% -- 가정된 연소 효율; ηind = 38% - "보수적" 가정을 가지는 GT-파워로부터 초래된 1-d 시뮬레이션 결과;
Figure pct00015
-- LPI에서 측정됨(5% BTE 총 마찰 손실에 상응);
Figure pct00016
- WI 이용으로부터의 효율 이득에 대한 보수적인 가정);
WS = Mw (h10 - h9) ηise_S = 0.2604 kW - E_Steam 가정에서 증기에 의해서 생성된 일
ηise _S = 0.7 (전형적으로, ηise _ S 는 65%로부터 85%로 변경된다);
WP = Mw (h8 - h7) ηise_p = 0.0016 kW - 펌프를 구동하기 위해 필요한 일
그에 따라,
Figure pct00017
Figure pct00018
WI 및 랜킨 바터밍에서, 완전한 X-엔진 효율은 다음과 같다:
ηX-engine = WOUT/Qin = 1.05kW/2.45kW; ηX-engine = 42.9%
96% 교류발전기 효율을 고려하면, 이하의 총 발전기 효율을 획득한다:
ηgenerator = ηX-engine x ηalt = 42.9 % x 96%; ηgenerator = 41.2%;
공격적인 시나리오를 반복하면(그리고 상세 내용은 생략하면), ηgenerator = 47.7%가 얻어진다.
그에 따라, 보수적 및 진보적 시나리오 모두에 대해서, 제시된 발전기의 효율은 필요한 40%를 초과할 것인 한편, 100 ℃ 초과의 온도에서 이용 가능한 열의 1 kWe 및 1 kW 보다 약간의 초과를 제공한다.
압축 공기 또는 질소, 또는 고압 액체 공기 또는 질소를 이용하는 것이 유리한 경우에, 가스 주입기가 증기 주입기 대신 사용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시된, 제시된 발명의 다른 실시예에서, 내연 엔진(300)의 피스톤 구성이 이용되고; 2-사이클 엔진(300)을 형성하는 단일 피스톤(303) 만이 도시되어 있으나, 이는 복수-피스톤 기하형태에도 마찬가지로 적합하다.
도 3a는 엔진(300)의 전반적인 도면을 제공하고; 도 3b는 하우징을 통해서 피스톤 내로 그리고 홈을 통해서 전달되는 물을 도시하는 횡단면도이다. 도 4는 피스톤 및 하우징 모두 내의 홈(304) 뿐만 아니라 "공급 라인"(305)을 도시하는 횡단면도이다. 도시된 실시예에서, 물은 이동 부재(피스톤(303)) 내의 도관을 통해서 공급되나, 대안적인 실시예(미도시)에서, 물은 하우징 내의 도관에 의해서 밀봉 표면에 직접적으로 공급될 수 있다.
밸브 그리고 연료 주입기(307) 및 물 주입기(308) 모두를 가지는 연소 챔버(306)가, 하나의 가능한 구성으로서, 엔진의 측면 상에 도시되어 있다. 연료 및 물 주입기에 더하여 또는 그 대신에, 하나의 챔버 또는 양 챔버가 증기 및/또는 가스 주입기(미도시)를 이용할 수 있고; 증기 및/또는 고압, 고온 가스가 엔진의 외부에서 형성될 수 있다. 또한, 필요한 경우에, 스파크 플러그(미도시)를 이용하여 공기/연료 혼합물을 점화할 수 있다. 물 주입이 간헐적으로 또는 연료 주입 및/또는 가스 주입과 동시에 이용될 수 있다. 증기 주입기의 포함은, 전술한 X-엔진과 유사하게, 바터밍 랜킨 사이클이 실행될 수 있게 한다. 물의 유동은 도 3b에서 청색 쇄선으로 도시되어 있다. 냉각수(301-내부)는 피스톤 내의 물 공급 라인을 통해서 피스톤 홈 내로 하우징에 진입한다(도 4). 피스톤의 홈 내에서 유동되는 이러한 물은 실린더 및 피스톤을 동시에 냉각시키고 또한 피스톤과 실린더 사이의 간극을 밀봉하며, 그에 따라 밀봉부로서의 역할을 한다. 물은 부분적으로 증발되어, 윤활제로서의 역할을 또한 하는 물/증기 혼합물을 형성할 것이다. 다시, X-엔진의 경우에서와 같이, 그러한 밀봉부를 빠져 나가는 증기는 실린더 내의 가스와 혼합될 것이고, 결국 엔진으로부터 배기되고 열 교환기 - 보일러/과열기 - 로 지향될 것이며, 그러한 열 교환기에서는 신선한 증기가 증기 주입기를 통해서 엔진 내로 주입되도록 형성될 것이고, 그에 따라 바터밍 랜킨 사이클을 실시할 것이다.
X-엔진에서 개략적으로 설명된 동일한 6개의 장점이 도 3a, 도 3b 및 도 4의 피스톤 엔진에 적용될 것이다.
도 5a 및 도 5b는 일 측면 상에서 판(501)으로 배기 포트 리브 지역을 전략적으로 차단하고, 그에 의해서 냉각 공기(502)가 배기 포트(503)를 가압하는 것을 차단하는 것에 의해서, 수퍼차지 엔진에 대한 가압 냉각 공기의 손실을 방지하는데 있어서 유용할 수 있는 회전자에 대한 수정예의 일부 상세 내용을 제공한다. 도 5a는 또한 공기 냉각형 적용예에서 회전자의 테두리(505)로부터의 열 전달의 효율을 높이기 위해서 열 전도성 발포체(504)를 이용하는 것을 보여준다. 발포체에 더하여, 회전자의 테두리에 일체형인, 작은 리브 또는 "핀(fin)"(506)이 회전자의 냉각에 매우 효과적이다. 회전자의 허브에 근접한 곳에서의 냉각 공기 유동은 효과적이지 않은데, 이는 이러한 영역 내의 리브의 온도가 비교적 낮기 때문이다. 판(507)은 냉각 공기 유동 요구 사항을 보전하기 위해서 리브의 지역으로만 공기의 유동을 지향시키기 위해서 사용될 수 있다. 대안적으로, 회전자의 상이한 축방향 평면들 내에 위치되는 판(508)은 지그-재그형 공기 유동 패턴을 부여할 수 있고, 이는 다시 열 교환의 효율을 높인다.
2-행정 설계
전술한 바와 같이, X-엔진 설계는 2-행정 및 4-행정 동작 모두에 적합하다. X-엔진의 2-행정 실시예가 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다; 2-로브형 회전자 및 3-로브형 하우징을 이용한, 측면 포트형 X-엔진. 이러한 도면에서, 전방 커버 판은 용이한 관찰을 위해서 도시하지 않았다. 하사점 위치에서 도시된 회전자(602)는, 기어 메커니즘을 통해서 하우징(601) 및 커버 판(604)에 맞춰 타이밍이 조율되어, 크랭크샤프트(605)를 중심으로 회전된다. 회전자(602)가 회전될 때, 회전자는 포트(603, 606, 및 607)에 걸쳐 밀봉하여(미도시), 그러한 포트를 그들의 각각의 작업 챔버로부터 효과적으로 폐쇄 또는 개방한다. 포트(603, 606, 및 607)는 어느 한 측면 판 내에, 그러나 형상 또는 포트(603, 606, 및 607)에 대한 위치가 잠재적으로 상이하게 제조될 수 있고 동일한 측면 커버(604) 및/또는 대향되는 측면 커버(미도시) 상에 만들어 질 수 있고 흡기 또는 배기 포트(이러한 도면에서 은폐됨)로서 작용하도록 배치되고 연결된다.
창(609)은 선택적이다. 이러한 구성의 엔진은 임의의 이용 가능한 연소 방법(스파크 점화형, 압축 점화, HCCI, 등) 중 임의의 방법과 함께 이용될 수 있다.
도시된 바와 같은 회전자(602)는 본질적으로 대칭적이나, 비대칭적 설계가 또한 가능하고 유사하게 기능할 것이다. 이러한 구성에서, 회전자의 양 로브는 사이클의 압축 및 팽창 부분을 위해서 이용된다. 이러한 회전자 내에 도시된 리브(608)는 선택적이다. 회전자의 양 측면이 중실형으로(solid)(미도시) 만들어질 수 있다.
도 6b는 2-행정 X-엔진 구조 포트 지역의 가능한 구성을 도시한다. 포트(3-a)(흡기) 및 포트(3-b)(배기)는 측면 커버의 어느 한 측면 또는 양 측면 상에 위치될 수 있고 및/또는 중첩될 수 있다. 일반적으로, 배기 포트가 먼저 개방되어 팽창된 가스가 배기되기 시작하게 할 것이다. 배기 포트를 향하는 공기의 유동은 흡기부가 개방될 때 재개되고, 포트형 2-행정 피스톤 엔진에서 전형적인 바와 같이, 이러한 유동은 흡기 장입물을 끌어 들이는데 도움을 준다. 다른 접근 방식은, 신선한 공기가 엔진으로 진입하도록 그리고 배기 가스가 배출되도록 보장하기 위해서, 흡기부를 통해서 가압 공기, 예를 들어 "공기 나이프(air knife)"를 유동시키는 것이다.
회전자(602)의 밀봉부(미도시)는 이러한 포트에 걸쳐지고 포트가 작업 챔버(604)와 연통되는 것을 효과적으로 개방 및 폐쇄한다. 포트(603-a, 603-b)의 형상 및 위치는 포트 타이밍, 포트 유동 면적, 포트 중첩, 압축비 및 다른 중요 엔진 매개변수를 결정한다. (하사점 주위에서 포트 대칭성을 가지는) 통상적인 포트형 2-행정 피스톤 엔진을 넘어서서 이러한 것이 가지는 하나의 장점은, 엔진 하사점 주위에서 비대칭적인 포트 타이밍을 가질 수 있는 능력이다. 이러한 장점을 이용하는 하나의 방식은, 사이클을 통해서 이동될 때 배기 포트가 폐쇄된 후에 흡기 포트를 폐쇄하는 것이다. 일부 지역의 강제된 유도(수퍼차저 또는 터보차저, 또는 전술한 바와 같은, 특히 사출 압축 수퍼차징)와 결합된 이러한 것은, 작업 챔버가 신선한 공기로 외부적으로 가압될 수 있게 하여, 더 큰 신선한 공기 질량을 효과적으로 포획할 수 있게 하며, 그에 의해서 엔진이 더 큰 파워를 생성할 수 있게 한다. 하사점 또는 상사점 주위의 비대칭적인 포트 타이밍이 이용될 수 있는 다른 방식은 과-팽창 사이클을 생성하는 것이다. 포트 중첩 기간 중에 잔류물을 소기하기 위해서 그리고 잔류물을 신선한 작업 유체로 대체하기 위해서, 강제된 유도가 또한 이러한 설계에서 이용될 수 있다. 포트 형상, 면적, 그리고 상류 설계 및 형상은 희망 성능 특성을 생성하는데 있어서 중요하고 많은 상이한 형태를 취할 수 있다.
이러한 2-행정 동작은 또한 임의의 N개-로브형 회전자 및 (N+1)개-로브형 하우징에 적용될 수 있다. N=1일 때의 구체적인 경우가 도 6c에 도시되어 있고, 즉 회전자는 1-로브형이고 하우징은 2-로브형이다. 창(603)의 형상, 기능 또는 위치는 도 6에 도시된 것과 동일하거나 상이할 수 있다.
엔진은 흡기 및 배기를 위해서 포트들 또는 포핏 밸브들의 조합을 이용할 수 있다.
밀봉부
사이클 또는 설계가 얼마나 효율적인지와 관계없이, 밀봉부가 양호하게 기능하지 못하는 경우에, 엔진의 높은 효율을 기대할 수 없다. 그에 따라, 엔진의 효율을 더 높이기 위해서, 밀봉의 효율성을 높이는 것이 가장 중요하다. 이하의 실시예는 X-엔진 기하형태를 위한 밀봉 개선의 개념을 보여준다. X-엔진 기하형태를 위해서 설계되고 실시된 밀봉부, 특히 이하의 U-컵 밀봉부는 로터리 X-엔진의 측정 성능을 상당히 개선하였고, 밀봉 성능은 표준 방켈(Wankel) 스타일 엔진의 밀봉 성능을 뛰어 넘었고 통상적인 피스톤 엔진의 밀봉 성능에 근접하였다. 이러한 밀봉부는 임의 엔진 이외에도 압축기 또는 펌프에서 이용될 수 있고, 그에 따라 밀봉할 필요가 있는 매체로서 유체 - 가스 또는 액체 - 에 대해서 설명할 것이다. 많은 경우에, 밀봉부는 다른 유형의 로터리 또는 피스톤 엔진, 압축기 또는 펌프에서 그 역할을 하는 것으로 일반화될 수 있다.
U-컵 밀봉부(710)는, 회전자(720) 및 정점 밀봉부(730, 도 7c)와 함께, 도 7a 내지 도 7d에 도시되어 있다. 이는, 전방 다리부(711), 후방 다리부(712), 및 이러한 2개의 다리부를 연결하는 가교부(713)로 이루어진 U-형상의 횡단면(도 7c 내지 도 7e)을 갖는다. 밀봉부(710)는 회전자의 상응하게 성형된 융기부(721) 상에 위치된다. U-컵 밀봉부의 전방 다리부의 반경방향 표면(714)은 밀봉되는 유체(액체 또는 가스)에 노출된다. 이러한 표면(714)은, 회전자의 반경방향 표면(722) 상에 놓이는 정점 밀봉부(730)와 접촉되는 것을 방지하기 위해서, 회전자의 OD(722)와 같거나 그보다 약간 작은 OD를 갖는다. 표면(714) 상에 작용하는 유체 압력은 융기부(721)과 접촉되도록 밀봉부의 다리부(711)를 가압하며, 그에 따라 유체를 위한 누출 경로를 밀봉한다. U-컵 밀봉부의 전방 다리부의 축방향 표면(715)은 엔진의 정지적인 측면 커버(740)와 접촉된다. 후방 다리부(712)의 기능은, 밀봉부가 선택적인 간극(717, 도 7a)을 가질 수 있음에 따라, 밀봉부가 회전자의 융기부(721)로부터 반경방향으로 멀리 당겨지거나 활주 이탈되는 것을 방지하는 것이다. 밀봉부 상의 회전 방지 특징부(716, 도 7a)는 회전자 내의 포켓과 정합된다. 회전자의 융기부의 홀(722) 내에 위치된 스프링(750)에 의해서 제공되는 초기 예비로딩을 제외하고, U-컵 밀봉부는 가스 작동되고 - 유체 표면(718)에 대해 노출된 제2 부분에 작용하는 유체의 압력은, 밀봉부를 측면 커버(740)를 향해서 강제하는 화살표 방향을 따른 축방향 힘을 제공한다. 그에 따라, 유체는 표면(714 및 718)을 가압하여, 정지적 커버에 대해서 그리고 융기부(721)에 대해서 강제로 밀봉한다. 밀봉부가 정지적인 부재(커버)로부터 들뜨지 않도록 보장하기 위해서, 커버와 접촉되는 표면(715)의 면적은 표면(715) 상으로의 면적의 돌출부(714 및 718)의 합계 보다 작아야 한다. 예를 들어, 도 8은 밀봉부의 축방향 접촉 표면(715) 상으로의 밀봉부의 유체-압력 수용 표면(예를 들어, 718; 714)의 돌출부(726), 또는 대안적으로, 측면 커버(740)에 의해서 형성되는 평면 상으로의 밀봉부의 유체-압력 수용 표면(예를 들어, 718; 714)의 표면적의 돌출부(726), 동일한 측면 커버(740) 상으로의 유체-압력 수용 표면(예를 들어, 718; 714)의 표면적의 돌출부(727)를 개략적으로 도시한다. 이러한 면적(715)의 계산은 다소 복잡하나, 일반적인 원리는, U-컵 밀봉부상에 작용하는 동적인 힘(스프링 예비로드, 가스 압력, 마찰력 및 관성력)이 밀봉부를 측면 커버(740)로부터 들뜨게 하지 않고 또한 마찰력이 최소화되어야 한다는 것이다. 이차적인 (선택적인) 스트립 밀봉부(760, 도 7d)를 또한 이용하여 U-컵 밀봉부의 밀봉 특성을 더 개선할 수 있고, 또한 일차적인 U-컵 밀봉부를 위한 에너지화 및 안정성 제공에 도움을 줄 수 있다. 회전자 내의 통상적인 홈 내에 배치된(도 7f), 그러한 이차적인 밀봉부는 융기부(721) 대신 이용될 수 있다.
또 다른 개선예가 도 7e에 도시되어 있다. 이러한 구성은 회전자의 융기부가 아니라 회전자(722) 및 4 조각 정점 밀봉부(731, 732, 733, 및 734)의 연부 상에 위치된 U-컵 밀봉부로 구성되고 - 그에 따라 "4P 밀봉부"로 지칭된다. 회전자-밀봉부 조립체는 회전자(720), U-컵 밀봉부(710), 하우징(770), 선택적인 내부 스트립 밀봉부(760), 정점 밀봉부 삼각형(733), 정점 밀봉부 긴 조각(732), 버튼 밀봉부(731 및 734), 코일 스프링(750) 및 판 스프링(780)으로 이루어진다. U-컵 밀봉부(710)의 OD는 회전자(720)의 OD 보다 크고; 정점 밀봉부 삼각형(733) 및 정점 밀봉부 긴 조각(732)은 회전자(720)와 접촉되는 한편, 2개의 U-컵 밀봉부(710)는 OD 상에서 버튼(731 및 734)과 접촉된다. 모든 밀봉부의 구성요소가 스프링 및 유체 활성화된다. 하우징(770)은, 회전자가 상사점 위치에 있을 때, U-컵 밀봉부의 내부 피팅을 위해서 절개된 홈(미도시)을 갖는다. 정점 밀봉부의 버튼 단편이 U-컵 밀봉부의 반경방향 표면 위에서 연속적으로 연장되기 때문에, U-컵 밀봉부 내의 분할은 정지적인 부재와 접촉되는 표면에 수직이 아니라, 예를 들어 15도의 예리한 각도로 이루어져야 한다. 이는 버튼 밀봉부가 분할부 위에서 매끄럽게 주행될 수 있게 한다.
도 9는 U-컵 밀봉부가 회전자의 "허리"에서 융기부와 접촉되어 유지되도록 보조할 수 있는 선택적인 스프링(903)을 도시한다 - 이러한 단편은 원심력 및 마찰로 인해서 융기부로부터 멀리 이동되는 경향이 있다.
도 10에는 면 밀봉부의 다른 실시예 - 회전자(1001)의 연부 상에 위치된 판 면 밀봉부(1002) - 가 도시되어 있다. 판 면 밀봉부(1002)는 화학적 식각, 레이저 절취, 가공 또는 임의의 다른 적합한 기술에 의해서 제조될 수 있다. 판 밀봉부는 융기부(1003)와 접촉되는 회전 방지 슬롯을 갖는다. 또한, 판이 고강도, 큰 탄성 한계 및 낮은 계수 재료로 제조되는 경우에, 밀봉부를 에너지화하기 위한 부가적인 스프링은 필요치 않고; 회전자 상의 작은 융기부(1006)가 판 밀봉부를 커버를 향해서 밀 것인 한편, 유체 압력이 장치의 동작 중에 취해질 수 있다.
밀봉부의 적절한 동작을 보장하기 위해서, 판 면 밀봉부(1004)의 ID는 회전자 홈(1005)의 OD 보다 약간 큰 반면, 판의 OD는 회전자의 OD 보다 약간 작아야 한다.
밀봉부가 정지적인 부재로부터 들뜨지 않게 보장하기 위해서, U-컵 밀봉부에 대해서 이용된 동일한 규칙이 여기에 적용되며, 다시 말해서, 정지적인 표면과 접촉되는 밀봉부의 다리부의 면적은 표면 상으로의 가압 유체에 노출된 면적의 돌출부의 합계 보다 작아야 한다.
도 11에는 면 밀봉부의 다른 실시예 - 커버(1104) 내의 홈 내에 위치된 정지적인 스트립 밀봉부(1102) - 가 도시되어 있다. 밀봉부 조립체는 회전자(1101), 정지적인 밀봉부(1102), 버튼 밀봉부(1103), 커버(1104), 정점 밀봉부 조립체(1105), 및 판 스프링(1106)으로 이루어진다. 정지적인 밀봉부(1102) 및 버튼 밀봉부(1103)은 커버(1104) 내의 밀봉 홈 내에 안착된다. 회전자(1101)는 측면 상에서 편평한 표면을 갖는다. 회전자(1101), 정점 밀봉부 조립체(1105), 정지적인 밀봉부(1102), 및 버튼 밀봉부(1103) 그리고 하우징은 밀봉 챔버를 함께 형성한다. 판 스프링(1106)은 정점 밀봉부 조립체(1105)를 회전자(1101) OD를 향해서 민다. 코일 스프링은 정지적인 밀봉부(1102) 및 버튼 밀봉부(1103)를 회전자(1101) 측면 표면 상으로 민다.
엔진의 회전자는, 강, 알루미늄, 세라믹 등과 같은 단일 재료로 제조될 수 있거나, 둘 이상의 재료로 제조될 수 있다. 도 12는, 회전자가 슬리브와 함께 어떻게 만들어질 수 있는지에 관한 예를 도시하고, 그러한 슬리브는, 적은 마모율 및 마찰율, 고온 능력, 등과 같은 일부 향상된 성질을 회전자에 부여할 수 있다. 회전자(1201)는 도 12a에서 슬리브(1202) 내로 삽입되어 도시되어 있다. 슬리브 및 회전자 내의 "설부 및 홈" 특징부(1203)를 이용하여, 슬리브를 회전자와 협력적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 회전-방지 특징을 유지할 수 있다. 또한, 슬리브는, 앞서서 제시된 많은 밀봉부 설계에서 요구되는 회전자 융기부로서 이용될 수 있고; 예로서, 슬리브(1202) 상에 장착된, U-컵 유형의 밀봉부(1205)를 도시하는 도 12c를 참조한다. 마지막으로, 슬리브 또는 회전자 자체는, 잠재적으로, 흡기 행정 중에 소정량의 연소된 가스의 복귀를 제한할 수 있는, 일부 유동 특징부(1204)를 가질 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 U-컵 밀봉부의 부가적인 변경예를 디스플레이하며, 그러한 변경예는 밀봉 성능을 보조하기 위해서 다양한 가요성 밀봉 요소(중합체 또는 금속; 스트립, 중공형 O-링, C-링, E-링, 쿼드-링(Quad-ring), X-링, 등)를 포함한다. 이러한 가요성 요소 모두는, 대부분의 압력 및 온도를 받는 일차적인 밀봉부와 협력하여 작용한다. 가요성 요소는, 그 자체의 탄성적 성질에 의해서 에너지화되는 이차적인 밀봉부를 형성하는 한편, 동작 중에 그러한 요소는 일차적인 밀봉부를 지나서 빠져 나가는 유체에 의해서 에너지화될 것이다.
도 13a 내지 도 13c 및 도 14의 (a) 내지 도 14의 (l)은 그러한 가요성 요소가 어떻게 사용될 수 있는지에 관한 가능한 예를 도시한다: (1301, 1401) - 회전자; (1302, 1402) - 슬리브; (1303, 1403) - 일차적인 밀봉 요소; (1304, 1404) - 가요성의 이차적인 밀봉부; (1305, 1405) 예비로드 스프링, (1406) 용기 금속 링, 그리고 일차적인 밀봉부와 회전자 사이의 쐐기 및 가스 압력에 의해서 활성화되는, (1407) 텅스텐 와이어. 이러한 마지막 개념은 또한 도 10에서 설명된 판 밀봉부와 함께 양호하게 그 역할을 할 것이다. 전술한 바와 같이, 텅스텐 와이어를 이용하는 밀봉부를 제외하고, 이러한 밀봉부 모두의 밀봉 표면, 즉 측면 커버(판)와 접촉되는 표면은, 커버와 접촉되는 표면의 면적이 이러한 표면 상으로의 가압 가스에 노출된 면적의 돌출부의 합계 보다 작아야 하는 방식으로 만들어져야 한다. 다른 특징부의 명료함을 위해서, 이러한 접촉 표면을 도 14에 도시하지 않았다.
도 13a는 분류(1)의 엔진을 위한, 또는 (2) 로터리 압축기를 위한, 또는 (3) 로터리 펌프를 위한 개선된 밀봉부의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 축을 중심으로 회전되는 에피트로코이달 회전자, 하우징, 그리고 제1 및 제2 측방향 배치 커버를 가지는 유형의 개선된 로터리 엔진(또는 압축기 또는 펌프)이 제공된다. 개선예는 축을 통과하는 평면 내에서 하우징과 제1 커버의 접합부에 의해서 형성된 제1의 에피트로코이달 형상의 코머(comer) 내에 배치되며 대체로 U-형상의 횡단면을 가지는 제1 면 밀봉부를 포함하고, 그에 따라, 제1 면 밀봉부는 축에 대해서 원위적인 외측 다리부 및 축에 대해서 근위적인 내측 다리부를 가지며, 2개의 다리부는 U-형상의 가교부에 의해서 결합되며, 외측 다리부는 회전자의 상응하는 외측 노치 내에 배치되고 내측 다리부는 회전자의 상응하는 내측 노치 내에 배치된다. 선택적으로, 이러한 실시예는 회전-방지 특징부를 가지며, 이는, 밀봉부에 부착되고 축을 향해서 반경방향 내향으로 회전자 내의 상응하는 함몰부 내로 돌출되는 대체로 둥근 패드를 이용하여, 도 15에 도시된 것과 유사하게, 밀봉부가 회전자에 대해서 회전되는 것을 방지한다.
추가적인 관련된 실시예에서, 개선예는 축을 통과하는 평면 내에서 하우징과 제2 커버의 접합부에 의해서 형성된 제2의 에피트로코이달 형상의 코머 내에 배치되며 대체로 U-형상의 횡단면을 가지는 제2 면 밀봉부를 포함하고, 그에 따라, 제2 면 밀봉부는 축에 대해서 원위적인 외측 다리부 및 축에 대해서 근위적인 내측 다리부를 가지며, 2개의 다리부는 U-형상의 가교부에 의해서 결합되며, 외측 다리부는 회전자의 상응하는 외측 노치 내에 배치되고 내측 다리부는 회전자의 상응하는 내측 노치 내에 배치된다.
선택적으로, 제1 면 밀봉부의 U-형상의 가교부는, 제1 커버와 접촉되는 그 표면 내에 배치된, 채널을 포함하고, 그러한 채널은, 물, 윤활제, 및 물과 윤활제의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 성분을 내부에서 유지한다.
텅스텐 와이어가 이차적인 밀봉부로서 이용되는 경우에, 측면 밀봉부의 밀봉 표면 즉, 측면 커버(판)와 접촉되는 표면은, 커버와 접촉되는 표면의 면적이 이러한 표면 상으로의 가압 가스에 노출된 면적의 돌출부 더하기 이러한 표면 상으로의 텅스텐의 돌출부의 합계 보다 작아야 하는 방식으로 만들어져야 한다.
연소
엔진의 효율을 더 높이기 위해서, 연소 프로세스를 향상시킬 필요가 있다. 도 15는 고속 연소 챔버(1501)를 도시한다. 연소 챔버는 하우징(1502) 내의 함몰부이고 비대칭적인 형상을 갖는다. 예를 들어, 함몰부(1501) 및 하우징(1502)의 중심 지점을 통과하는 선을 중심으로 비대칭적인 것으로, 함몰부(1501)의 형상이 설명될 수 있다.
내부 하우징 프로파일(1503)은 2개의 지역; 선행 연부(1504) 및 후행 연부(1505)에서 연소 챔버와 일치된다. 회전자가 TDC에 접근할 때, 날카로운 선행 연부(1504)는, 후행 연부에 의해서 유지되고 안내되는 반시계방향 공기 와류를 연소 챔버(1501) 내에서 생성한다. 공기 와류는 장입물 운동을 증가시키고, 연료 및 공기 혼합을 개선하는 한편, 연소 프로세스를 가속하며, 이들 2가지는 엔진 효율 및 성능에 대한 중요한 매개변수이다. 공기 와류는, 정상적인 자동차 엔진 속력에서 동작되는 동안, 45 m/s의 피크를 가지는 접선적 공기 속도에 도달한다. 도 16은, 주입 기둥(1506)을 수용하는, 고속 연소 챔버의 부가적인 특징을 제시한다. 엔진이 직접적인 연료 주입으로 동작될 때, 연소 챔버의 세장형 형상은 전체 연료 기둥을 수용할 수 있고, 그에 따라, 열등한 연소 및 많은 독성 방출물의 원인으로 알려진, 연료 벽 충돌을 제거할 수 있다.
도 15 및 도 16은 N개의 로브를 가지는 회전자(1509), 작업 매체의 흡기를 위한 흡기 포트, 배기 포트, 및 하우징에 대한 회전 운동을 위해서 회전자가 장착되는 하우징을 가지는 유형의 로터리 엔진을 개략적으로 도시하고, 하우징은 N+1개의 로브-수용 영역 및 (i) 인접한 N+1개의 로브-수용 영역의 각각의 쌍 사이에 배치된 피크 및 (ii) 측면의 쌍을 가지며, N+1개의 로브-수용 영역은, 회전자가 하우징에 대해서 회전될 때, N개의 로브를 연속적으로 수용하여 챔버를 구축하도록 회전자와 관련하여 추가적으로 구성되고, 챔버는 N+1개의 로브-수용 영역의 각각의 하나와 연관되며, 구축된 챔버 중 적어도 하나의 챔버는 흡기, 작업 매체 및 주입 연료의 압축, 연소, 팽창, 및 배기 위상을 연속적으로 처리하도록 구성된다. 엔진은 연소가 발생되는 각각의 챔버와 연관된 하우징 내의 함몰부(1501)를 포함하고, 함몰부는 압축 및 연료의 주입 과정에서 작업 매체 내에 와류를 생성하도록 비대칭적으로 성형된다. 일부 실시예에서, 함몰부(1501)는, 좁은 단부(예를 들어, 연료 주입기(1510)가 연료의 기둥(1506)을 주입하는 곳) 및 좁은 단부로부터 원위에 있는 넓은 단부를 가지는, 도 16에서 가장 용이하게 확인되는, 세장형의, 눈물방울-유사 형상을 갖는다. 그러한 형상은 내부로 주입되는 연료의 기둥(1506)과 연관된 형상 및 부피를 수용한다(예를 들어, 전술한 바와 같이, 연소 챔버/함몰부(1501)의 세장형 형상은 연료 기둥을 수용할 수 있고, 그에 따라, 열등한 연소 및 많은 독성 방출물의 원인으로 알려진 연료 벽 충돌을 제거한다).
개선된 연료 주입
연소 효율을 더 향상시키기 위해서, 연료 및 연소 공기의 양호한 혼합을 제공하는 것이 중요하다. 전술한 고속 와류를 생성하는 것은, 침투 길이가 짧고 5 내지 10 미크론 범위의 매우 작은 크기의 액적을 생성하는, 주입기에 의해서 보조될 수 있다. 전형적으로, 이는 공기 보조형 주입기(오비탈(Orbital) 및 기타; 또한 화재-진압 적용예에서 물 소비를 최소화하기 위해서 이용되는 공기 보조형 액체 무화 노즐을 설명하는 미국 특허 제5,520,331호 참조)로 달성될 수 있고; 이는 가압 공기를 제공하기 위한 별개의 작은 압축기를 요구한다. 본 발명에서, 발명자는, US 제5,520,331호에서 설명된 것과 유사하나, 공기 압축기를 필요로 하지 않는 접근 방식을 제시한다.
회전자 제조
X-엔진의 효율 및 파워를 더 높이기 위해서, 엔진의 동작 온도를 높이는 것 그리고 마찰(및 마모)을 감소시키는 것이 유리하다. 전체적으로 세라믹으로 제조된 회전자는 이러한 목적을 달성할 수 있는 큰 가능성을 제공하지만, 제조 비용이 극도로 높다. 예를 들어, [Dry Powder Deposition and Compaction for Functionally Graded Ceramics" Zachary N. Wing and John W. Halloran, Department of Materials Science Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109]에서 설명된, 구배 분말 침착(gradient powder deposition), 금속 분말 야금학적 프로세스를 이용하여 특별하게 제조된 회전자에 의해서 덜 고가이고 양호한 해결책이 제공될 수 있다. 회전자의 테두리가 세라믹 및/또는 금속 및/또는 그라파이트 분말의 혼합물을 이용하여 제조될 수 있는 한편, 회전자의 중앙 부분은 알루미늄 또는 티타늄 또는 임의의 다른 경금속 분말로 제조될 수 있다. 그러한 회전자의 제조 방법이 도 17에 도시되어 있다. 모두가 도 17의 (f)에 도시된, 기저부(1702), 삽입체(1703), 제거 가능한 얇은 안내부(분리부)(1704) 및 커버(1705)로 구성된 몰드(1701, 도 17의 (a)) 내측에서 회전자가 제조된다. 분말은 도 17의 (b)의 기저부, 커버 및 삽입체 사이의 공간 내로 "구배적으로"(즉, 3D 공간에서 불균일하게) 침착된다. 구배 침착은 반경방향 및/또는 축방향으로 달성될 수 있고, 기하형태 뿐만 아니라 분말 조성과 관련하여, 비대칭적으로 제조될 수 있다. 구배는 제거 가능한 얇은 안내부(1704)의 도움으로 정량화된 로봇 분말 분배 시스템에 의해서 또는 수동적으로 생성될 수 있다. 그 이후에 안내부가 제거되어, 기저부와 삽입체 사이에 재료의 구배 혼합물(1706)을 남기며(도 17의 (d)); 이어서, 몰드 커버가 기저부 상에 배치되고(도 17의 (e)), 큰 압력 및, 선택적인, 높은 온도하에서, 몰드를 압밀화하고 소결한다. 분말 층이 다른 층 내로 분산되는 것을 향상시키기 위해서, 몰드를 또한 진동시킬 수 있다.
참조 번호
Figure pct00019
Figure pct00020
Figure pct00021
Figure pct00022
Figure pct00023
Figure pct00024
본 발명의 여러 실시예는 본 단락에 이어지는 (그리고 본원의 말미에 제공된 실제 청구항 전의) 단락에 나열된 잠재적인 청구항에 의해서 특징화될 수 있다. 이러한 잠재적인 청구항은 본원의 기술된 설명의 일부를 형성한다. 따라서, 이하의 잠재적인 청구항의 청구 대상은, 본원 및 본원을 기초로 우선권을 주장하는 임의 출원을 포함하는 추후의 진행에서 실제 청구항으로 제시될 수 있다. 그러한 잠재적인 청구항의 포함은, 실제 청구항이 잠재적인 청구항의 청구 대상을 포함하지 않는다는 의미로 해석되지 않아야 한다. 그에 따라, 추후의 진행에서 이러한 잠재적인 청구항을 제시하지 않기로 하는 결정은 청구 대상을 공공에게 제공하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
비제한적으로, (이하에서 제시되는 실제 청구항과의 혼동을 피하기 위해서 문자 "P"를 앞에 붙인) 청구될 수 있는 잠재적 청구 대상은:
P1. 정지적인 부재와 이동 부재 사이의 간극을 밀봉하도록 의도되고 2개의 다리부 및 이러한 다리부를 연결하는 가교부로 이루어진 U-컵 형상의 밀봉부를 포함하고, 그에 따라 전방 다리부는 2개의 표면에서 가압 유체에 노출되고, 제3 표면은 정지적인 표면과 접촉되며, 제4 표면은 이동 부재의 융기부의 정합 표면과 접촉되며, 정지적인 표면과 접촉되는 밀봉부의 다리부의 면적은 그러한 표면 상에서 가압 유체에 노출되는 면적의 돌출부의 합계 보다 작다.
전술한 본 발명의 실시예는 단지 예시적인 것이고; 많은 변경 및 수정이 당업자에게 자명할 것이다. 그러한 변경 및 수정 모두는 임의의 첨부된 청구항에서 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (28)

  1. 로터리 기계의 회전자의 축방향 표면과 상기 기계의 측면 하우징 사이의 간극을 밀봉하기 위한 밀봉부 조립체이며:
    면 밀봉부를 포함하고, 상기 면 밀봉부는:
    (i) 측면 하우징(740)에 대해서 축방향으로 로딩되고 회전자의 주변 모서리 절취부(725) 내에 상주하는 축방향 접촉 표면(715), (ii) 적어도 하나의 다른 유체-압력 수용 표면(714, 718), 및 (iii) 유체 압력에 의해서 회전자에 대해서 반경방향으로 로딩되는 내부 반경방향 접촉 표면(719)을 가지는 외부 부재(711)를 포함하고;
    상기 면 밀봉부가 절취부 내에서 구속되도록, 상기 면 밀봉부 및 상기 회전자의 주변 모서리 절취부가 성형되며;
    유체 압력이, 축방향 접촉 표면을 측면 하우징에 대해서 축방향으로 압박하고 외부 부재의 내부 반경방향 접촉 표면을 회전자에 대해서 반경방향으로 압박하는 순수한 힘을 유발하도록, 상기 축방향 접촉 표면 및 적어도 하나의 다른 유체-압력 수용 표면이 성형되는, 밀봉부 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 면 밀봉부는 가교부 부재(713)를 더 포함하고, 가교부 부재는 상기 외부 부재에 결합되고, 상기 외부 부재로부터 내향적으로 반경방향 거리에 걸쳐지는, 밀봉부 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 면 밀봉부는 상기 가교부 부재와 회전자의 특징부(724) 사이에 배치된 축방향 로딩형 스프링(750)을 더 포함하고, 그에 따라 상기 측면 하우징에 대한 상기 축방향 접촉 표면의 축방향 로딩을 유발하는, 밀봉부 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 축방향 로딩형 스프링과 상기 가교부 부재 사이에 배치된 이차적인 밀봉부(760)를 더 포함하고, 그에 따라 상기 이차적인 밀봉부는 상기 스프링에 의해서 축방향으로 로딩되고 상기 내부 반경방향 접촉 표면에 의해서 송풍된 임의 유체의 압력에 의해서 상기 회전자에 대해서 반경방향으로 로딩되는, 밀봉부 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전자와 상기 면 밀봉부 사이에 반경방향으로 배치된 가요성의 이차적인 밀봉부(1304)를 더 포함하는, 밀봉부 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉부 조립체는 스프링(903)의 세트를 더 포함하고, 스프링의 세트는 상기 면 밀봉부 및 상기 회전자에 결합되고 상기 외부 부재를 상기 회전자 축을 향해서 반경방향으로 당기도록 구성되는, 밀봉부 조립체.
  7. 이동 부재의 표면과 엔진의 하우징의 표면 사이의 간극을 폐쇄하기 위해서 밀봉부를 이용하는 유형의 개선된 내연 엔진으로서, 상기 엔진은 작업 챔버 및 배기부를 가지는, 엔진이며:
    가압된 증발성 액체의 공급원; 및
    상기 증발성 액체가 표면과 접촉되도록 그리고 상기 증발성 액체의 적어도 일부가 상기 표면에 의해서 열에 노출될 때 가스로 상 변화되도록, 밀봉부 중 적어도 하나에 대한 증발성 액체의 통로를 형성하는 도관으로서, 상기 가스는 엔진의 작업 챔버 내로 빠져 나가고 그 이후에 엔진 배기물의 일부가 되고, 열은 상 변화의 결과로서 엔진으로부터 제거되는, 도관을 포함하는, 엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내연 엔진은 피스톤 유형인, 엔진.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 내연 엔진은 로터리 유형인, 엔진.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 증발성 액체의 상 변화로부터의 에너지를 포함하는, 배기물과 연관된 에너지를 이용하기 위해서 엔진 배기물의 경로 내에서 열 교환기를 더 포함하는, 엔진.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엔진은 제2 열 엔진을 더 포함하고, 제2 열 엔진은 배기 열로부터의 에너지를 부가적인 샤프트 일로 변환하는, 엔진.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 도관은 상기 엔진의 밀봉부 내의 채널의 네트워크와 연통되는, 엔진.
  13. 이동 부재의 표면과 엔진의 하우징의 표면 사이의 간극을 이용하는 유형의 개선된 내연 엔진으로서, 상기 엔진은 작업 챔버 및 배기부를 가지는, 엔진이며:
    가압된 증발성 액체의 공급원; 및
    상기 증발성 액체가 표면과 접촉되어 밀봉부를 형성하도록 그리고 상기 증발성 액체의 적어도 일부가 상기 표면에 의해서 열에 노출될 때 가스로 상 변화되도록, 간극 중 적어도 하나에 대한 증발성 액체의 통로를 형성하는 도관으로서, 상기 가스는 엔진의 작업 챔버 내로 빠져 나가고 그 이후에 엔진 배기물의 일부가 되고, 열은 상 변화의 결과로서 엔진으로부터 제거되는, 도관을 포함하는, 엔진.
  14. 로터리 유형의 내연 엔진에서 이용되는 개선된 회전자로서, 상기 회전자는 회전 축을 가지는, 개선된 회전자이며:
    상기 회전자의 반경방향 표면을 회전자의 중앙 부분에 결합시키는 복수의 반경방향으로 배치된 리브(518)를 포함하고, 상기 리브는 상기 회전자를 통한 축방향을 따른 냉각 공기의 유동을 돕고 상기 회전자의 구조적 무결성을 제공하는, 개선된 회전자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 회전자로부터의 열 전달을 촉진하기 위해서 상기 회전자의 반경방향 표면을 따라서 배치된 냉각 핀(506)의 세트를 더 포함하는, 개선된 회전자.
  16. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 판(507 또는 508)을 더 포함하고, 상기 판은 상기 회전자의 축에 대체로 수직이고, 판이 위치되지 않은 리브들 사이의 적어도 하나의 개구부로 리브에 걸쳐 냉각제의 유동을 채널 전달하기 위해서 장착되는, 개선된 회전자.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 회전자와 냉각 공기 사이의 열 교환을 증가시키기 위해서 상기 회전자의 인접한 리브들 사이에 배치된 열 전도성 발포체(504)의 적어도 하나의 블록을 더 포함하는, 개선된 회전자.
  18. N개의 로브를 가지는 사이클로이달 회전자 및, 상기 회전자가 축을 중심으로 하우징에 대해서 회전될 때 상기 로브를 연속적으로 수용하기 위한 상응하는 N+1개의 로브-수용 영역의 세트를 가지는 하우징을 포함하는 유형의 개선된 엔진으로서, 상기 하우징은 (i) 회전자의 제1 및 제2 측면 상에 축방향으로 배치된 커버의 쌍, 및 (ii) 인접한 로브-수용 영역의 각각의 쌍 사이에 배치된 피크를 가지며, 적어도 하나의 작업 챔버는 상기 회전자와 상기 하우징 사이의 공간 내에 형성되는, 개선된 엔진이며:
    흡기 포트 및 배기 포트를 포함하고, 각각의 포트는 상기 커버들 중 동일한 커버 내에 또는 상기 커버들 중 상이한 커버 내에 형성되며,
    상기 배기 포트는 흡기 포트에 앞서서 개방되며, 그에 따라 연소된 가스를 상기 작업 챔버로부터 소기하고 상기 챔버를 신선한 매체로 충진하여, 상기 엔진의 2-행정 동작을 제공하는, 개선된 엔진.
  19. 제18항에 있어서,
    가압된 유체 매체가 상기 흡기 포트에 공급되는, 개선된 엔진.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 포트들이 비대칭적으로 위치되는, 개선된 엔진.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 면 밀봉부는:
    상기 외부 부재에 연결되고 상기 외부 부재로부터 반경방향 내향 방향으로 상기 축방향 표면을 따라 배치되는 판 부재(1009); 및
    상기 회전자의 상응하는 축방향 돌출 융기부(1003)를 수용하여 상기 회전자에 대한 상기 면 밀봉부의 회전을 방지하기 위해서 상기 판 부재 내에 배치되는 회전-방지 슬롯(1010)을 더 포함하는, 밀봉부 조립체.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 회전자를 통한 냉각 공기의 통과를 허용하기 위해서, 상기 판 부재가 개구부(1020)의 세트를 내부에 포함하는, 밀봉부 조립체.
  23. 로터리 기계의 회전자 조립체이며:
    반경방향 면을 가지는 회전자 본체(1201); 및
    상기 반경방향 면 위에 원주방향으로 배치되는 슬리브(1202)를 포함하고;
    상기 슬리브는 반경방향 내향으로 돌출되는 설부(1203)를 가지고, 상기 회전자 본체는 상기 설부를 내부에 수용하는 상응하는 반경방향으로 오목한 홈을 가지는, 회전자 조립체.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 회전자 본체의 반경방향 면 상에 배치된 측면 밀봉 조립체를 더 포함하고, 상기 측면 밀봉 조립체는 일차적인 밀봉부(1403) 및 압축 가능한 이차적인 밀봉부(1404)를 가지며, 상기 이차적인 밀봉부는 일차적인 밀봉부와 접촉되고 상기 회전자 본체의 홈 내에 배치되는, 회전자 조립체.
  25. 제23항에 있어서,
    상응하게 성형된 측면 밀봉부를 위한 주변 모서리 절취부를 가지는, 회전자 조립체.
  26. 제23항에 있어서,
    신선한 매체가 상기 작업 챔버 내로 도입될 수 있게 하는 흡기 포트 및 연소된 가스가 작업 챔버로부터 방출될 수 있게 하는 배기 포트를 가지는, 회전자 조립체.
  27. N개의 로브를 가지는 회전자, 작업 매체의 흡기를 위한 흡기 포트, 배기 포트, 및 하우징을 가지는 유형의 개선된 로터리 엔진으로서, 상기 하우징에는 상기 하우징에 대한 회전 운동을 위해서 상기 회전자가 장착되고, 상기 하우징은 N+1개의 로브-수용 영역 및 (i) 인접한 N+1개의 로브-수용 영역의 각각의 쌍 사이에 배치된 피크 및 (ii) 측면의 쌍을 가지며, 상기 N+1개의 로브-수용 영역은, 상기 회전자가 하우징에 대해서 회전될 때, N개의 로브를 연속적으로 수용하여 챔버를 구축하도록 상기 회전자와 관련하여 추가적으로 구성되고, 챔버는 N+1개의 로브-수용 영역의 각각의 하나와 연관되며, 구축된 챔버 중 적어도 하나의 챔버는 흡기, 작업 매체 및 주입 연료의 압축, 연소, 팽창, 및 배기 위상을 연속적으로 처리하도록 구성되는, 개선된 로터리 엔진이며:
    연소가 발생되는 각각의 챔버와 연관된 하우징 내의 함몰부를 포함하고, 상기 함몰부는 압축 및 연료의 주입 과정에서 작업 매체 내에 와류를 생성하도록 비대칭적으로 성형되는, 개선된 로터리 엔진.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 함몰부는, 내부에 주입된 연료의 기둥과 연관된 형상 및 부피를 수용하는 세장형의, 눈물방울-유사 형상을 가지는, 개선된 로터리 엔진.
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