KR20200003399A - 가변 체적 챔버 장치 - Google Patents

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퀘스트 엔진스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명에 따르면, 가변 체적 챔버 장치가 개시된다. 상기 챔버는 2개의 측면 플레이트 내에 수용되는 4개의 피벗식으로 연결된 베인 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 상기 베인은 내연 엔진 내의 연소 챔버 또는 펌프 또는 압축기 내의 펌핑 챔버로서 사용될 수 있는 밀봉된 내부 챔버를 생성하도록 연결될 수 있다. 또한, 4개의 베인 조립체는 베인과 주위 구조체 사이에 추가적인 가변 체적 챔버를 형성할 수 있다. 복수의 가변 체적 챔버는 작동 유체에 점진적으로 작용하도록 상호연결될 수 있다.

Description

가변 체적 챔버 장치
관련 출원의 상호 참조
2017년 4월 28일 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/491,629, 2017년 5월 4일 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/501,318, 2018년 3월 23일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/934,625, 2018년 3월 23일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/934,742, 2018년 3월 27일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/936,713, 2018년 3월 27일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/937,293, 2018년 3월 28일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/938,130, 및 2018년 3월 28일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/938,427, 2018년 3월 30일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/941,397, 및 2018년 4월 27일 출원된 미국 특허 출원 번호 15/965,009에 관한 것으로서 그의 우선권을 청구한다.
본 발명은 대체로, 내연 엔진, 유체 펌프 및 압축기 등일 수 있지만 이에 제한되지 않는 가변 체적 챔버를 갖는 장치에 관한 것이다.
많은 내연 엔진은 연소 이벤트(combustion event)를 위한 가변 체적 챔버를 형성하는 협력 엔진 실린더 및 피스톤 배열체를 사용하여 동력을 발생시킨다. 대안적으로, 실린더 및 회전자 배열체가 연소 이벤트로부터의 에너지를 동력으로 활용하기 위해 사용된다. 엔진 피스톤 또는 회전자의 동작은, 예를 들어 2 사이클 및 4 사이클 작동과 같은 다중 사이클 작동에서, 연소를 위한 (연료 분사 엔진 내에서) 공기-연료 혼합물 또는 엄밀하게 공기 차지(air charge)를 흡기 또는 소기(scavenge)하고, 소모된 배기 가스를 배출하기 위해 사용될 수 있다. 피스톤 및 회전자 타입의 내연 엔진 모두에는 감소 또는 제거하는 것이 유리할 수 있는 많은 비효율성이 존재한다. 이러한 비효율성은, 적어도 부분적으로, 연소 이벤트로부터 동력을 발생시키기 위해 사용되는 가변 체적 챔버의 성질로부터 초래될 수 있다.
예를 들어, 피스톤 타입 엔진 내의 피스톤은 가변 체적 챔버를 생성하기 위해 하사 중심 및 상사 중심 위치의 구역 내에서의 동작을 계속적으로 가속, 이동, 감속, 정지 및 역전 되어야 한다. 피스톤의 이 계속적인 역전 펌핑 동작(reversing pumping motion)이 피스톤 헤드 및 둘러싸는 실린더 사이에 형성되는 가변 체적 챔버를 생성하지만, 이는 운동량의 보존을 제거하여, 효율을 감소시킨다. 따라서, 반복되는 연소 이벤트를 통해 축적되는 운동량의 적어도 일부를 보존하면서 가변 체적 연소 챔버를 사용하는 엔진 및 엔진 작동 방법에 대한 필요성이 존재한다.
로터리 엔진은, 운동량을 보존하는 로터리 엔진 요소의 유체, 비-정지 동작으로 인한 피스톤 타입 엔진에 비해 우수한 기계적 효율을 갖는 것으로 알려져 있다. 하지만, 엔진 효율 및 동력은 또한 연소 챔버 내의 공기의 질량의 함수일 수 있다. 연소 챔버 내에 장입될(loaded) 수 있는 공기 질량은, 흡기 포트의 유효 크기 및 유동 특성 및 흡기 사이클 이벤트의 지속 시간뿐만 아니라 흡기 사이클 동안의 연소 챔버와 흡기 공기 소스(예를 들어, 매니폴드) 사이의 차압의 함수이다. 피스톤 타입 엔진은 연소 차지가 장입되면 챔버의 체적을 감소시킴으로써 연소 차지의 압력을 더 증가시키는 데 가변 체적 연소 챔버를 활용한다. 연소 차지 압력 중 임의의 하나 이상을 증가시키면, 흡기 포트의 유효 크기 및/또는 유동 프로파일, 및/또는 유효 흡기 사이클 지속 시간이 연소 챔버 내에서 공기 질량을 증가시키는 경향을 가질 것이고, 따라서 효율 및 동력을 개선할 것이다. 로터리 타입 엔진은 피스톤 타입 엔진에 비해 연소 차지를 덜 압축할 수 있어서, 그 결과 효율을 감소시킨다. 따라서, 연소 차지 압력(combustion charge pressure), 흡기 포트 크기 및 유동, 및/또는 흡기 이벤트 지속 시간을 증가 및/또는 개선하면서, 동시에 엔진 운동량의 보존을 개선하는 엔진 및 엔진 작동 방법에 대한 필요가 존재한다.
연소 차지 압력을 증가시키는 하나의 방법은 연소 프로세스를 위해 공급되는 흡기 공기의 압력을 승압하기 위해 터보차저 또는 수퍼차저를 사용하는 것이다. 기존의 터보차저 및 수퍼차저는 애드-온(add-on) 요소를 이용할 때, 중량, 비용, 및 복잡도를 추가하는데, 이러한 애드-온 요소는 다르게는 엔진 작동에 불필요하다. 따라서, 흡기 공기 공급을 또한 과급하기 위해 연소 발생 구성요소를 사용하여, 전용 과급 애드-온 구성요소에 대한 필요를 제거 또는 감소시킬 수 있는 엔진 및 엔진 작동 방법에 대한 필요성이 있다.
Wankel 로터리 엔진과 같은 로터리 엔진은 왕복 피스톤 엔진에 비해, 밸브 트레인의 제거로부터 초래되는 더 적은 구성요소, 왕복 질량(reciprocating mass)의 제거로 인한 더 낮은 진동, 동력 출력을 위한 더 낮은 중량 및 크기, 및 더 높은 RPM 범위 내로의 더 매끄러운 동력 전달과 같은, 다른 장점을 갖는다. 하지만, Wankel 로터리 엔진은 낮은 연소 챔버 압축 비율로 인한 연비(fuel economy)의 측면에서 또는 피스톤 엔진에서의 더 완전하고 더 빠른 연소로 인한 배출의 측면에서 최적이 아니다. 따라서, 동시에 회전자 타입 및 피스톤 타입 엔진 모두의 이익 중 하나 이상을 제공하는 엔진 및 엔진 작동의 방법에 대한 필요가 존재한다.
기존 피스톤 타입 및 회전자 타입의 엔진은, 피스톤 또는 회전자와 피스톤 또는 회전자가 내부에서 이동하는 실린더 사이의 계면을 윤활하기 위해 엔진 오일과 같은 액체 윤활제를 거의 보편적으로 요구한다. 윤활 시스템은 일반적으로 매우 중요하며 윤활 시스템의 고장은 치명적이다. 윤활제의 필요성은 많은 단점을 초래한다. 윤활제는 시간이 경과됨에 따라 소진되어 오염되고, 따라서 교체를 요구하는데, 이는 엔진 작동에 비용 및 불편함을 추가한다. 많은 윤활제는 이동 부품에 윤활제를 재적용하기 위해 펌프 및 통로를 요구한다. 능동 윤활 시스템(active lubrication system)의 펌프 및 통로 그리고 다른 요소는 정확하게 작동할 필요가 있으며 상호 연결된 요소들 사이에 시일을 요구한다. 시간이 경과하면서 시일이 열화됨에 따라 윤활 시스템 누설이 자연적으로 발생하고, 펌프가 누설 및 마모되어, 엔진 작동에 대한 또 다른 유지보수 비용 및 불편함을 추가한다. 또한, 누설은 윤활제가 연소 챔버 내로 진입하는 것을 허용할 수 있어서, 연소를 방해하고, 인젝터 및 스파크 또는 글로 플러그가 정상 작동하지 않게 한다. 또한, 연소 챔버 내의 윤활제는 또한 원치않는 배기 배출을 초래할 수 있다. 또한, 누설은 연소 부산물에 의한 윤활제의 오염을 초래할 수 있다. 전술한 문제 모두는 윤활제의 사용에 수반되며, 이들 모두는 고장 모드 및 유지보수 비용을 추가한다. 따라서, 윤활제에 덜 의존하거나 전혀 의존하지 않는 내연 엔진 및 엔진 작동 방법에 대한 필요가 존재한다.
엔진 내의 윤활제의 사용을 제한 또는 제거하는 성능은 연소 챔버를 위한 밀봉 영역의 함수일 수 있다. 시일을 가로지르는 소정의 압력차에 대한 더 큰 밀봉 영역은 덜 효과적인 시일의 사용을 허용하거나, 더 강한 밀봉 작용 및 더 긴 시일 수명을 생성한다. 또한, 더 큰 시일 영역은 챔버 핫 스폿 및 열전달 문제의 확산을 제거하거나 감소시킬 수 있고, 생성된 열역학적 에너지의 더 양호한 이용을 허용한다. 따라서, 소정의 연소 챔버 변위에 대해 더 큰 시일 영역을 포함하는 내연 엔진 및 엔진 작동 방법에 대한 필요가 존재한다.
엔진 효율에 영향을 미치는 두 개의 추가적인 인자는 연료의 연소 동안의 화염 전방 전파 및 연소 가스의 팽창으로부터 동력을 발생시키기 위해 사용되는 피스톤으로의 유효 힘 전달이다. 개선된 화염 전방 전파는 더 완전한 연소를 제공할 수 있고, 따라서 연비를 강화할 수 있다. 또한, 연소 팽창으로부터의 개선된 힘 전달은 연비를 개선할 수 있다. 따라서, 팽창 연소 가스로부터 동력 발생 요소로의 힘 전달 및 우수한 화염 전방 전파를 갖는 엔진에 대한 필요가 존재한다.
내연 엔진은, 라디에이터 및 배기 시스템과 같은 하나 이상의 냉각 시스템을 사용하여 주위 환경으로 폐기되는 폐열을 당연히 발생시킨다. 폐열은 당연히 출력 동력을 발생시키기 위해 사용되지 않으며, 따라서 비효율의 형태를 나타낸다. 따라서, 양의 동력(positive power)을 발생시키기 위해 다르게는 폐열이 되었을 것을 이용하는 내연 엔진에 대한 필요가 존재한다.
내연 엔진 내의 공기의 압력을 승압하는 것은 많은 측면에서 효율에 이익이 될 수 있다. 수퍼차저는 공기 압력을 승압하기 위한 하나의 수단을 제공하지만, 이는 비용 및 중량을 추가하고, 공간을 차지하고, 유지보수를 요구한다. 따라서, 비용, 중량, 공간 이용 및 유지보수 요건과 관련하여 기존의 수퍼차저보다 우수한 수퍼차저에 대한 필요가 존재한다.
피스톤 타입 내연 엔진의 가변 체적 챔버는 유체 펌프 또는 압축기를 제공하기 위한 비엔진 용도로 사용될 수 있다. 하지만, 피스톤 타입 펌프 및 압축기의 효율은, 피스톤 타입 엔진의 효율이 차선인 것과 동일한 이유 중 많은 이유에 대해 감소된다. 예를 들어, 피스톤 운동량의 보존의 결여는 피스톤 타입 펌프 및 압축기의 효율에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 공지된 피스톤 타입의 펌프 및 압축기의 단점 중 하나 이상을 회피하는 펌프 및 압축기에 대한 필요가 존재한다.
따라서, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은 반복되는 연소 이벤트를 통해 축적되는 이동 부품의 운동량 중 적어도 일부를 보존하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 연소, 과급 및/또는 열 엔진 기능을 위해 사용되는 가변 체적 챔버를 형성하기 위해 상호연결된 피벗 베인을 사용하는 것은 축적된 운동량이 보존되도록 허용할 수 있다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은 상대적으로 낮은 연소 챔버 압축 비율을 갖는 단점이 없는 엔진에 로터리 엔진의 장점을 제공하는 것이다. 가변 체적 연소 챔버를 형성하기 위해 상호연결된 피벗 베인을 사용하는 것은, 피스톤 타입 엔진에서 달성되는 것에 비견되거나 또는 그를 초과하는, 그리고 공지된 회전자 타입 엔진으로 달성되는 것을 초과하는 압축 비율을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 기존의 엔진 구성요소를 사용하여 흡기 공기 압력을 증가시키고 및/또는 개선하고, 전용 애드-온 터보차저 또는 수퍼차저를 필요로 하지 않는 엔진 및 엔진 작동의 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예는 연소 챔버를 형성하기 위해 상호연결된 피벗 베인을 사용할 수 있고, 가변 체적 수퍼차저 챔버를 형성하기 위해 연소에 사용되는 동일한 상호연결된 피벗 베인을 이용하는 내부 수퍼차저를 제공할 수 있다. 이로 인해 이전에는 충분히 이용되지 않은 공간이 엔진 동력에 이익이 되도록 더욱 효율적으로 채용될 수 있다. 내부 수퍼차저를 엔진 내에 직접 위치시키는 것은 크랭크샤프트 출력으로부터 풀리, 벨트 또는 기어에 의해 구동되는 외부에 위치된 수퍼차저와 비교할 때 펌핑 및 동력 전달로 인한 관련된 동력 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 로터리 타입 엔진의 이익을 제공하는 한편 동시에 요구되는 수준의 연소 차지 압축을 제공하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 이러한 이익은 더 적은 구성요소, 특정 밸브의 제거, 더 낮은 진동, 더 낮은 중량 및 크기, 더 높은 RPM 성능, 및 더 매끄러운 동력 전달 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 대체로 매끄러운 만곡 동작 경로를 따르는 하나 이상의 가변 체적 챔버를 형성하기 위해 상호연결된 피벗 베인을 사용할 수 있으며, 이는 모두는 아니더라도, 많은 로터리 타입 엔진의 이익을 제공하면서도 요구되는 수준의 연소 차지 압축을 제공한다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 오일과 같은 윤활제의 사용에 덜 의존하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 연소 및 과급 챔버 내로의 오일의 침투를 제한 또는 방지하고, 그에 의해 부적절한 배출을 감소시키는 엔진 및 엔진 작동의 방법을 제공하는 것이다. 실용적인 경우에, 시스템으로부터 오일을 제거함으로써, 오일 에어로졸이 배기 가스로부터 제거되고, 그에 의해서 밸브, 인젝터, 스파크 플러그, 터보차저, 촉매 변환기, 및 다른 엔진 시스템 구성요소 상의 오일 및 오일 부산물 축적을 방지한다. 또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 탄소 입자(carbon particles), 비소모 탄화수소 및 오일의 pH를 오염시키고 수정할 수 있는 다른 입자를 도입할 수 있는 연소 부산물 및 부산물의 오일 내로의 침투를 제한 또는 방지하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 이들 오일 오염 소스를 감소 또는 제거하는 것은 오일 시스템 부식을 방지하고 오일 사용 수명을 연장시키고, 그에 의해 요구되는 유지보수 비용을 감소시키고 보조 오일 취급, 비축 및 재생 비용을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 전술한 목적 중 하나 이상을 달성하기 위해, 윤활제를 사용하지 않으면서, 인접한 벽에 대해 이동하는 한편 그러한 벽과 등가인 시일을 유지하는 상호연결된 피벗 베인을 사용할 수 있다. 피벗 베인 및/또는 인접한 벽에는 윤활제를 필요로 하지 않고 밀봉 시스템을 형성하는 포켓의 필드가 제공될 수 있다. 또한, 피벗 베인은 대체예와 비교할 때 비-윤활제 밀봉 시스템을 더욱 실행가능하게 만들 수 있는 더 큰 밀봉 영역을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 바람직한 수준의 화염 전방 전파 및/또는 팽창 연소 가스로부터 동력 발생 요소로의 힘 전달을 제공하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명의 실시예는 연소 동안 최적 및/또는 단축된 화염 전방 전파를 촉진하는 상호연결된 피벗 베인을 사용할 수 있다. 또한, 피벗 베인은 연소 차지 및 동력 발생 요소에 대한 다중 스파크 플러그의 사용 및 개선된 스파크 플러그 위치를 허용할 수 있다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 다르게는 폐열이 되었을 것으로부터 에너지를 포획하여 동력 발생을 위해 그러한 에너지를 사용하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예는 폐열 에너지를 포획하고 이를 동력 발생에 사용을 위해 열 엔진을 형성하기 위해 상호연결된 피벗 베인을 사용할 수 있다. 또한, 열 엔진을 형성하는 상호연결된 피벗 베인은 연소 이벤트로부터의 동력을 발생시키도록 엔진 내에 이미 포함될 수 있고, 그에 의해 기존의 구성요소로부터의 추가의 동력 발생 이익을 유도하고, 과도한 추가 중량, 비용 또는 복잡도를 회피한다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 개선된 외부 수퍼차저 설계를 포함하는 엔진 및 엔진 작동 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예는 비용, 중량, 성능, 유지보수 및 복잡도의 관점에서 우수한 수퍼차저를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 일 목적은, 펌프 및 압축기와 같은 비동력 용례를 위해 사용될 수 있는 가변 체적 챔버를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명의 실시예는, 유체를 펌핑 또는 가압하기 위해 독립적으로 또는 협력하여 작용할 수 있는 하나 이상의 가변 체적 챔버를 형성하기 위해 상호연결된 피벗 베인을 사용할 수 있다.
본 발명의 반드시 전체는 아닌 일부 실시예의 이러한 그리고 다른 장점은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
전술한 문제에 대한 응답으로서, 본 출원인은 독창적인 가변 체적 챔버 장치를 개발하였는데, 상기 장치는, 제2 부재 내에 포함되는 제2 표면으로부터 이격되고 제2 표면에 대해 고정되는 제1 부재 내에 포함되는 제1 표면으로서, 제1 표면은 제1 기준 평면 내에서 연장하고, 제2 표면은 제2 기준 평면 내에서 연장하고, 제1 기준 평면은 제2 기준 평면에 평행한, 제1 표면, 제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 제1 가변 체적 챔버로서, 상기 제1 가변 체적 챔버는 제1 표면, 제2 표면, 및 제1 베인, 제2 베인, 제3 베인 및 제4 베인을 포함하는 제1 조립체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 제1 가변 체적 챔버, 제1 베인과 제2 베인 사이의 제1 피벗 연결부로서, 제1 피벗 연결부는 제1 표면 및 제2 표면에 대해서 고정된 위치에서 유지되는, 제1 피벗 연결부, 제2 베인과 제3 베인 사이의 제2 피벗 연결부, 제3 베인과 제4 베인 사이의 제3 피벗 연결부, 및 제1 베인과 제4 베인 사이의 제4 피벗 연결부를 포함한다.
본 출원인은 독창적인 가변 체적 챔버 장치를 추가로 개발하였는데, 상기 장치는, 제2 구조체 내에 포함되는 제2 표면으로부터 이격되고 제2 표면에 대해 고정되는 제1 구조체 내에 포함되는 제1 표면으로서, 제1 표면은 제1 기준 평면 내에서 연장하고, 제2 표면은 제2 기준 평면 내에서 연장하고, 제1 기준 평면은 제2 기준 평면에 평행한, 제1 표면, 제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 제1 가변 체적 챔버로서, 상기 제1 가변 체적 챔버는 제1 표면, 제2 표면, 및 제1 베인, 제2 베인, 제3 베인 및 제4 베인을 포함하는 제1 조립체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 제1 가변 체적 챔버, 제1 베인과 제2 베인 사이의 제1 피벗 연결부, 제2 베인과 제3 베인 사이의 제2 피벗 연결부, 제3 베인과 상기 제4 베인 사이의 제3 피벗 연결부, 제1 베인과 제4 베인 사이의 제4 피벗 연결부, 및 제1 지점 및 제1 지점에서 원위에 있는 제2 지점을 갖는 구동 바를 포함하고, 구동 바 제1 지점은 제3 피벗 연결부에서 제1 조립체에 연결되고, 구동 바 제2 지점은 크랭크샤프트에 직접 또는 간접으로 연결된다.
본 출원인은 독창적인 가변 체적 챔버 장치를 추가로 개발하였는데, 상기 장치는, 제2 부재 내에 포함되는 제2 표면으로부터 이격되고 제2 표면에 대해 고정되는 제1 부재 내에 포함되는 제1 표면으로서, 제1 표면은 제1 기준 평면 내에서 연장하고, 제2 표면은 제2 기준 평면 내에서 연장하고, 제1 기준 평면은 제2 기준 평면에 평행한, 제1 표면, 제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 제1 가변 체적 챔버로서, 상기 제1 가변 체적 챔버는 제1 표면, 제2 표면, 및 제1 베인, 제2 베인, 제3 베인 및 제4 베인을 포함하는 제1 조립체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 제1 가변 체적 챔버, 제1 베인과 제2 베인 사이의 제1 피벗 연결부, 제2 베인과 제3 베인 사이의 제2 피벗 연결부, 제3 베인과 상기 제4 베인 사이의 제3 피벗 연결부, 제1 베인과 제4 베인 사이의 제4 피벗 연결부, 제1 베인 및 제2 베인의 적어도 일 부분을 둘러싸는 베인-주변 구조체, 및 제1 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제2 가변 체적 챔버를 포함한다.
본 출원인은 독창적인 내연 엔진을 추가로 개발하였는데, 상기 내연 엔진은, 가변 체적 내부 수퍼차저 챔버, 가변 체적 연소 챔버, 가변 체적 열 엔진 챔버, 가변 체적 수퍼차저 챔버를 가변 체적 연소 챔버에 연결하는 하나 이상의 제1 작동 유체 통로, 및 가변 체적 연소 챔버를 가변 체적 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로를 포함한다.
전술한 일반적인 설명 및 후속하는 상세한 설명 모두는 단지 예시 및 설명을 위한 것이며 청구되는 본 발명을 제한하지 않는 다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 이해를 보조하기 위해, 이제 유사한 참조 부호가 유사한 요소를 지칭하는 첨부 도면이 참조될 것이다. 도면은 단지 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2층 내연 엔진의 등각도이다.
도 2는 도 1의 내연 엔진에 포함된 제1 타입의 측면 플레이트의 평면도이다.
도 3은 도 1의 내연 엔진 내에 포함되는 특히 2개의 베인 조립체, 2개의 편자(horseshoe), 및 2 개의 측면 커버의 평면도이다.
도 4는 도 1의 내연 엔진에 포함되는 제2 타입의 측면 플레이트의 평면도이다.
도 5는 도 1의 엔진 내에 포함되고 도 3에 도시된 킹 핀에 의해 피벗식으로 연결되는 제1 및 제2 베인의 등각도이다.
도 6은 피벗식으로 함께 연결되고 도 1의 엔진에 포함되고 도 3에 도시된 제3 및 제4 베인의 등각도이다.
도 7은 베인 조립체 및 편자 상에 형성되는 밀봉 시스템을 포함하는 도 3에 도시된 베인 조립체, 편자, 구동 바, 크랭크 및 인터쿨러의 평면도이다.
도 8a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스파크 플러그 또는 글로 플러그 장착 및 배선을 도시하는 도 3, 도 5 및 도 7에 도시된 제1 베인 및 킹 핀의 단면도이다.
도 8b는 본 발명의 대안적 실시예에 따른 스파크 플러그 또는 글로 플러그 배선을 도시하는 도 3, 도 5 및 도 7에 도시된 킹 핀의 단면도이다.
도 8c는 본 발명의 대안적 실시예에 따른 스파크 플러그 또는 글로 플러그 배선을 도시하는 도 3, 도 5 및 도 7에 도시된 킹 핀의 단면도이다.
도 8d는 본 발명의 대안적 실시예에 따른 스파크 플러그 또는 글로 플러그 배선을 도시하는 도 3, 도 5 및 도 7에 도시된 킹 핀의 단면도이다.
도 9a 내지 도 9i는 다른 크랭크 회전도 배향에서 도시된 도 3의 요소의 평면도이다.
도 10은 도 1에 도시된 내연 엔진과 함께 사용될 수 있는 외부 수퍼차저의 예시적 실시예의 분해도이다.
도 11및 도 12는 도 1에 도시된 내연 엔진 내의 베인 조립체 및 측면 플레이트에 대한 예시적 물 인젝터의 배치를 도시한다.
도 13은 도 10에 도시된 외부 수퍼차저에 대한 외부 수퍼차저 각도 위치 및 틈새의 예측 그래프이다.
도 14는 도 10에 도시된 외부 수퍼차저에 대한 외부 수퍼차저 각속도의 예측 그래프이다.
도 15a 내지 도 15c는 다른 회전 지점에서 도 10으로부터 선택된 요소의 단면 평면도이다.
도 16은 내부 챔버의 은선 도시를 포함하는 대안적 실시예의 외부 수퍼차저 전방 회전자의 회화도이다.
도 17a 및 도 17b는 양호한 실시예에 따른 요소의 상대적 오프셋을 도시하는 도 3의 요소의 평면도이다.
도 18은 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열 및 상호연결되는 4개의 베인 조립체의 평면도이다.
도 19는 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열 및 상호연결되는 4개의 베인 조립체의 평면도이다.
도 20은 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열 및 상호연결된 4개의 베인 조립체의 평면도이다.
도 21은 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열 및 상호연결되는 2개의 베인 조립체의 평면도이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 대안적 실시예에서 사용되는 예시적 기어 조립체를 도시한다.
도 23은 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열 및 상호연결되는 2개의 엇갈린 베인 조립체의 분해도이다.
도 24는 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열 및 상호연결되는 2개의 엇갈린 베인 조립체의 분해도이다.
도 25는 특히 본 발명의 대안적 실시예에서 배열되는 베인 조립체의 분해도이다.
이제 그 예가 첨부 도면에 도시되어 있는 본 발명의 실시예에 대한 세부 사항이 참조될 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 예시적 내연 엔진 실시예가 도시된다. 이 예에서, 엔진은 층 당 2개의 가변 체적 연소 챔버를 포함하는 2개의 인접한 층을 포함할 수 있다. 대안적 엔진 실시예 및 펌프 실시예는 더 많거나 더 적은 층, 및 층 당 더 많거나 더 적은 가변적인 체적 챔버를 가질 수 있다는 것이 이해된다. 도 1에서 관찰자에 가장 가까운 엔진의 부분에서 시작하여 관찰자로부터 멀어지는 방향으로 진행하면서, 제1 층은 제1 타입-B 측면 플레이트(32)에 연결되는 제1 단부 플레이트(33)를 포함할 수 있다. 제1 단부 플레이트(33) 및 제1 타입-B 측면 플레이트(32)는 제1 및 제2 출력 크랭크샤프트(56), 및 제1 및 제2 스파크 플러그(138)를 수용하기 위해서 상기 플레이트를 통해서 연장하는 정렬된 개방부를 가질 수 있다. 또한, 제1 타입-B 측면 플레이트(32)는 제1 및 제2 연료 인젝터(136)를 수용하기 위해 그를 통과하는 개방부를 포함할 수도 있다.
제1 타입-B 측면 플레이트(32)는 다수의 외부 및 내부 중간 부품에 의해 제1 타입-A 측면 플레이트(31)로부터 이격될 수 있다. 외부 중간 부품은 타입-A 측면 커버(37) 및 타입-B 측면 커버(38)와 함께 제1 편자(101) 및 제2(하위) 편자를 포함할 수 있다.
엔진의 제2 층은 제1 층에 인접하여 연결될 수 있다. 제2 층은 제1 타입-A 측면 플레이트(31)에 연결되는 제2 타입-A 측면 플레이트(31)를 포함할 수 있다. 제2 층은 제3 편자(101), 제4 편자, 타입-A 측면 커버(37), 및 타입-B 측면 커버(38)에 의해서 제2 타입-A 측면 플레이트로부터 이격된 제2 타입-B 측면 플레이트(32)를 더 포함할 수 있다. 제2 단부 플레이트(34)가 제2 타입-B 측면 플레이트(32)에 연결될 수 있고, 그에 의해서 2-층 스택을 완성한다. 제2 단부 플레이트(34), 제2 타입-B 측면 플레이트(32), 및 제3 및 제4 편자(101)는, 엔진의 제1 층 내의 대응부와 동일한 수 및 타입의 개방부를 포함할 수 있다. 제1 단부 플레이트(33), 제2 단부 플레이트(34), 타입-A 측면 플레이트(31), 타입-B 측면 플레이트(32), 편자(101), 타입-A 측면 커버(37) 및 타입-B 측면 커버(38)는 각각 외부 에지를 따라 형성되는 복수의 냉각 핀을 가질 수 있다. 각각의 편자(101)는 편자를 통해 연장되는 배기 개방부(129)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 타입-A 측면 플레이트(31)의 각각은 제1 기준 평면 내에서 연장되는 대체로 편평한 연소-챔버-대면 내부 표면(도시된 것과 반대) 및 냉각 핀(30)으로 형성된 외부 에지를 포함할 수 있다. 제1 인터쿨러 통로(53)를 포함하는 제1 및 제2 인터쿨러(52)의 부분이 타입-A 측면 플레이트(31)의 대향 코너에 제공된다. 또한, 타입-A 측면 플레이트(31)는, 타입-A 측면 플레이트를 양분하는 기준 중심선 상에서 서로로부터 이격된 제1 및 제2 출력 크랭크샤프트(56)를 수용하기 위한 개방부를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 보어 또는 리세스(128)가 (도 3에 도시된) 킹 핀을 수용하기 위해 타입-A 측면 플레이트(31)에 제공된다.
또한, 각각의 타입-A 측면 플레이트(31)는 플레이트(도시된)의 비연소-챔버 측에 형성된 4개의 내부 수퍼차저 채널(즉, 통로)(48)을 포함할 수도 있다. 내부 수퍼차저 채널(48)의 각각은 타입-A 측면 플레이트(31)의 중심 외부 에지에 형성되는 개방 단부로부터 상기 플레이트의 연소 챔버 측과 소통하는 내부 수퍼차저 공기 유입구(49)로 연장될 수 있다. 채널(48)은 타입-A 측면 플레이트(31)의 냉각을 보조하는 연장된 유동 경로를 제공하도록 구성되는 만곡된 후크 형상을 가질 수 있다. 내부 수퍼차저 채널(48)의 협력 쌍이 제1 및 제2 출력 크랭크샤프트(56) 개방부를 통해 타입-A 측면 플레이트(31)를 양분하는 기준 중심선의 대향 측면에 제공될 수 있다. 내부 수퍼차저 채널(48)의 협력 쌍 각각은 타입-A 측면 플레이트(31)의 연소 챔버 측(도시된 것과 반대) 상의 열 엔진 블로우다운(blowdown) 포트(46)가 끼워진 하나의 채널을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 엔진 층의 각각의 반부에는 편자(101), 인터쿨러(52), 킹 핀(105), 및 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75), 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)으로 구성되는 베인 조립체가 제공될 수 있다. 엔진 층의 상위 부분 내의 베인 조립체는 구동 바(62)에 의해 엔진 층의 하위 부분 내에서 베인 조립체에 피벗식으로 연결될 수 있다. 이어서, 구동 바(62)는 크랭크(60)에 의해 내부 크랭크샤프트(58)의 각각에 피벗식으로 연결될 수 있다. 편자(101), 제1 타입-A 측면 커버(37), 및 제1 타입-B 측면 커버(38)는 일괄적으로 타입-B 측면 플레이트(32)로부터 타입-A 측면 플레이트(31)를 이격하여 도 1에 도시된 2개 층의 제2 엔진 층을 형성할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 엔진의 하위 부분은 유사 요소를 포함하고, 엔진의 제2 층은 제1 층과 유사한 요소를 포함한다는 이해를 바탕으로 단지 엔진의 상위 부분(베인 조립체, 편자 등)이 기술되었다.
도 3을 계속 참조하면, 편자(101)는 타입-A 측면 플레이트(31)에 인접하고 그에 대해 밀봉되는 전방 면(도시됨)을 갖는다. 또한, 편자(101)는 타입-B 측면 플레이트(32)에 인접하고 그에 대해 밀봉되는 후방 면을 갖는다. 일반적으로, 편자(101)는 그 내부에 형성되는 일부 다른 통로 뿐만 아니라 그를 통해 연장하는 배기 개방부(129)를 갖는 U-형상 절두체이다. 배기 파이프(130)가 각각의 편자(101)를 통해 연장되는 배기 개방부(129)에 연결될 수 있다. 편자(101)는 편자의 전방 면으로부터 후방 면까지 연장하는 기준 실린더와 동연(coextensive)인 내부 만곡 벽을 포함할 수 있다. 내부 만곡 벽은 U-형상의 개방 단부를 형성하는 만곡 벽에 개방부가 존재하도록 180도 초과, 그러나 360도 미만의 호를 통해 연장하는 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다. U-형상의 편자(101)의 만곡 벽 내의 개방부는 내부 크랭크샤프트(58)가 배치되는 엔진 층의 중심을 향할 수 있다. 제1 내부 수퍼차저 보스(102) 및 제2 수퍼차저 보스(103)가 만곡 벽의 대체로 대향하는 측면으로부터 내향 돌출될 수 있다. 또한, 편자(101)는 U-형상의 절두체의 대향 단부에서 만곡 벽 내의 개방부에 인접하여 배치되는 2개의 편류(windage) 리세스(104)를 포함할 수 있다. 외부 수퍼차저 유입구 통로(57)는 주위 환경 측으로부터 외부 챔버(55)로 편자(101)를 통해 연장될 수 있다. 통로를 수반하는 블로우-오프(blow-off) 및 전달 밸브(122)는 외부 수퍼차저 유입구 통로(57)를 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51) 또는 주위 환경에 연결할 수 있다.
편자(101)는 편자에 연결되거나 또는 대안적으로 단일 부품으로서 편자와 일체로 형성되는 인터쿨러(52)를 가질 수 있다. 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)는 인터쿨러(52) 및 편자(101)의 일 부분을 통해 연장될 수 있다. 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)는 편자(101)의 내부 만곡 벽의 외측 주연의 일 부분을 따라 서로를 향해 연장되는 2개의 하위-통로(sub-passage)를 포함할 수 있다. 2개의 하위-통로는 타입-B 측면 플레이트(32) 내의 대응하는 수퍼차저 유출구 통로(50)(도 4 참조)와 소통하는 편자(101)의 표면 상에 개방부를 각각 포함할 수 있다. 각각의 수퍼차저 유출구 통로(50)는 타입-B 측면 플레이트(32)의 연소 챔버 측으로부터 상기 플레이트의 비연소 챔버 측으로 연장되는데, 여기서 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)의 하위-통로 중 하나와 만난다.
베인 조립체는 편자(101)의 내부 만곡 벽에 의해 형성되는 공간에 배치될 수 있다. 도 3 및 도 5를 참조하면, 타입-A 베인(65)은 (도 3에서와 같이 정면에서 관찰할 때) 대체로 쐐기 형상인 평면형 전방 면 및 평면형 후방 면을 가질 수 있다. 3개의 주요 벽이 쐐기 형상을 형성할 수 있다. 3개의 주요 벽은 타입-A 베인(65)의 전방 면과 후방 면 사이에서 연장될 수 있다. 타입-A 베인(65)의 제1 벽 및 제2 벽이 외부 만곡된 제3 벽을 향해 2개의 타입-A 킹 핀 보스(71)로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 타입-A 킹 핀 보스(71)는 킹 핀(105)을 수용하도록 구성된 정렬된 보어를 가질 수 있다.
타입-A 베인(65)의 제1 및 제2 벽은 양호하게는 서로 경사 각도를 형성하는 기준 평면 내의 타입-A 킹 핀 보스(71)로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 제1 벽은 타입-A 베인(65)의 전방 면 및 후방 면이 연장되는 기준 평면으로부터 대체로 동일하게 이격되고 그와 평행한 방향으로 연장되는 매끄러운 피크 릿지 열 엔진 편향 돌출부(69)를 포함할 수 있다. 타입-A 베인(65)의 제2 벽은 제2 벽으로부터 외향 돌출하고 상기 베인의 전방 면 및 후방 면에 개별적으로 배치되는 2개의 타입-A 측면 보스(72)를 포함할 수 있다. 타입-A 연소 압축 쐐기(70)가 전방 면을 따라 타입-A 측면 보스(72)와 타입-A 킹 핀 보스(71) 사이에 형성될 수 있고, 제2 압축 쐐기(70)가 후방 면을 따라 타입-A 측면 보스(72)와 타입-A 킹 핀 보스(71) 사이에 형성될 수 있다.
타입-A 베인(65)의 외부 만곡된 제3 벽은, 개별적으로, 상기 베인의 전방 면과 후방 면으로부터 돌출하고 그와 동일 평면 상에 있는 내부 수퍼차저 핀(internal supercharger fins)(66)의 정합 쌍을 포함할 수 있다. 내부 수퍼차저 핀(66)의 외부 에지는 편자(101)의 내부 만곡 벽에 의해 형성되는 개방부의 곡률 반경보다 약간 작은 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다. 상기 핀(66)의 만곡된 외부 에지는 그 내부에서 피벗하는 상태에서 편자(101) 내의 원통형 개방부로부터 균일한 매우 작은 거리를 유지한다. 전방 면 핀(66)은 내부에 형성된 내부 수퍼차저 유입구 슬릿(67)을 포함할 수 있다. 후방 면 핀(66)은 유입구 슬릿(67)으로부터 원위에 있는 내부 수퍼차저 유출구 슬릿(68)을 포함할 수 있다. 내부 수퍼차저 핀(66)은 상기 핀 사이에 제1 내부 수퍼차저 챔버(47)를 형성할 수 있는데, 이는 상기 2개의 핀 사이에서 연장되는 타입-A 베인의 외부 만곡된 제3 벽의 부분에 의해 내측에서 결합되고 편자(101)의 만곡 벽에 의해 외측에서 결합된다. 편자(101)로부터 돌출하는 제1 내부 수퍼차저 보스(102)는 타입-A 베인(65)이 상기 보스에 대해 이동하는 것을 허용하면서 제1 내부 수퍼차저 챔버(47)에 대한 벽을 형성한다. 제1 내부 수퍼차저 보스(102)가 그를 지나는 유체 유동을 차단하기 때문에, 제1 내부 수퍼차저 챔버(47)의 체적은 타입-A 베인(65)이 전후로 피벗함에 따라 변경된다.
도 3및 도 5를 계속 참조하면, 타입-B 베인(75)은 (도 3에서와 같이 정면에서 관찰할 때) 대체로 쐐기 형상인 평면형 전방 면 및 평면형 후방 면을 가질 수 있다. 3개의 주요 벽이 쐐기 형상을 형성하도록 타입-B 베인(75)의 전방 면과 후방 면 사이에서 연장될 수 있다. 타입-B 베인(75)의 제1 벽 및 제2 벽은 외부 만곡된 제3 벽을 향해 중심 타입-B 킹 핀 보스(81)로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 타입-B 킹 핀 보스(81)는 타입-A 베인(65)의 2개의 타입-A 킹 핀 보스 사이에 안정적으로 수용되는 크기를 가질 수 있고, 킹 핀(105)을 수용하도록 구성된 보어를 가질 수 있다. 타입-A 킹 핀 보스(71) 및 타입-B 킹 핀 보스(81)는 상당한 작동 유체가 피벗 지점을 지나 누출되지 않는 상태로 도 5에 도시된 바와 같이 상호 배치될(interleaved) 때 서로에 대해 피벗되도록 구성되어야 한다.
타입-B 베인(75)의 제1 및 제2 벽은 양호하게는 서로 경사 각도를 형성하는 기준 평면 내에서 타입-B 킹 핀 보스(81)로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 타입-B 베인(75)에 대한 제1 및 제2 벽 기준 평면 사이에 형성되는 각도는 타입-A 베인(65)에 대한 제1 및 제2 벽 기준 평면 사이의 각도와 양호하게는 동일하거나 거의 동일하다. 타입-B 베인(75)의 제1 벽은 개별적으로 타입-B 베인(75)의 전방 면 및 후방 면으로부터 내향 연장되는 2개의 대칭하는 상부가 편평한 돌출부(79)를 포함할 수 있다. 돌출부(79)는 상기 2개의 베인이 함께 피벗할 때에 타입-A 베인(65) 상의 돌출부(69)를 수용하도록 구성되는 중심 골부를 상기 돌출부 사이에 형성할 수 있다. 타입-B 베인(75)의 제2 벽은, 제2 벽으로부터 멀어지는 방향으로 돌출하고 상기 베인의 전방 면과 후방 면 사이의 중간 지점 근처에 배치되는 타입-B 측면 보스(82)를 포함할 수 있다. 2개의 타입-B 연소 압축 쐐기(80)가, 개별적으로 타입-B 베인(75)의 제2 벽으로부터 상기 베인의 전방 면의 내부 부분 및 후방 면의 내부 부분을 따라 연장될 수 있다.
타입-B 베인(75)의 외부 만곡된 제3 벽은, 개별적으로 상기 베인의 전방 면과 후방 면으로부터 돌출하고 그와 동일 평면 상에 있는 내부 수퍼차저 핀(76)의 정합 쌍을 포함할 수 있다. 내부 수퍼차저 핀(76)의 외부 에지는 편자(101)의 내부 만곡 벽에 의해 형성되는 개방부의 곡률 반경보다 약간 작은 일정한 곡률 반경을 가질 수 있다. 상기 핀(76)의 만곡된 외부 에지는 그 내부에서 피벗하는 상태에서 편자(101) 내의 원통형 개방부로부터 균일한 매우 작은 거리를 유지한다. 전방 면 핀(76)은 내부에 형성되는 내부 수퍼차저 유입구 슬릿(77)을 포함할 수 있다. 후방 면 핀(76)은 유입구 슬릿(77)으로부터 원위에 있는 내부 수퍼차저 유출구 슬릿(78)을 포함할 수 있다. 내부 수퍼차저 핀(76)은 상기 핀 사이에 제2 내부 수퍼차저 챔버(47)를 형성할 수 있는데, 이는 상기 2개의 핀 사이에서 연장되는 타입-B 베인(75)의 외부 만곡된 제3 벽의 부분에 의해 내측에서 결합되고 편자(101)의 만곡 벽에 의해 외측에서 결합된다. 편자(101)로부터 돌출하는 제2 내부 수퍼차저 보스(103)는 타입-B 베인(75)이 상기 보스에 대해 이동하는 것을 허용하면서 제2 내부 수퍼차저 챔버(47)에 대한 벽을 형성한다. 제2 내부 수퍼차저 보스(103)가 그를 지나는 유체 유동을 차단하기 때문에, 제2 내부 수퍼차저 챔버(47)의 체적은 타입-B 베인(75)이 전후로 피벗함에 따라 변경된다.
타입-A 베인(65)은 킹 핀(105)을 사용하여 타입-B 베인(75)에 피벗식으로 연결될 수 있다. 킹 핀(105)은 상기 2개의 베인을 위한 고정된 피벗 지점을 제공하도록 타입-B 킹 핀 보스(81)와 상호 배치되는 타입-A 킹 핀 보스(71)를 통해 연장할 수 있다. 킹 핀(105)은 타입-A 측면 플레이트(31) 내의 제1 킹 핀 장착 리세스(128)에 의해 안정적으로 수용되고 및/또는 타입-B 측면 플레이트(32) 내의 제2 킹 핀 장착 리세스(128)에 의해 안정적으로 수용될 수 있다(도 4 참조). 킹 핀 장착 리세스(128)는 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)에 대한 고정 위치에 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)을 위한 킹 핀 피벗 지점 및 킹 핀(105)을 구속한다.
도 3및 도 6을 참조하면, 타입-C 베인(85)은 내부 볼록 벽 및 외부 볼록 벽에 의해 서로 연결된 평면형 전방 면 및 평면형 후방 면을 가질 수 있다. 내부 볼록 벽 및 외부 볼록 벽은 서로로부터 이격될 수 있다. 내부 볼록 벽은 (i) 상기 베인의 일 단부의 제1 및 제2 타입-C 측면 보스(86)로부터, (ii) 상기 베인의 대향 단부에 제공되는 제1 및 제2 타입-C 구동 바 보스(87)로 연장될 수 있다. 또한, 타입-C 베인(85)의 외부 볼록 벽은 상기 베인의 일 단부의 제1 및 제2 타입-C 측면 보스(86)로부터 대향 단부에 제공되는 제1 및 제2 타입-C 구동 바 보스(87)로 연장될 수 있다. 타입-C 측면 보스(86)는 보스의 외부 원주의 일 부분 주위로 연장되는 타입-C 가스 안내 슬릿(90)을 각각 가질 수 있다. 타입-C 측면 보스(86)는 타입-A 측면 리스트 핀(wrist pin)(114)을 수용하도록 구성되는 정렬된 보어를 가질 수 있다. 타입-C 구동 바 보스(87)는 구동 바 리스트 핀(118)을 수용하도록 구성되는 정렬된 보어를 가질 수 있다.
타입-B 베인(75)은 타입-A 측면 리스트 핀(114)을 사용하여 타입-C 베인(85)에 피벗식으로 연결될 수 있다. 타입-A 측면 리스트 핀(114)은, 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)에 대한 타입-B 베인(75) 및 타입-C 베인(85)을 위한 이동가능한 피벗 지점을 제공하도록 타입-C 측면 보스(86)와 상호 배치되는 타입-B 측면 보스(82)를 통해 연장할 수 있다. 타입-B 측면 보스(82) 및 타입-C 측면 보스(86)는 상당한 작동 유체가 피벗 지점을 지나 누출되지 않는 상태로 상호 배치될 때 서로에 대해서 피벗될 수 있다.
도 3 및 도 6을 계속 참조하면, 타입-D 베인(93)은 내부 볼록 벽 및 외부 볼록 벽에 의해 서로 연결된 평면형 전방 면 및 평면형 후방 면을 가질 수 있다. 내부 볼록 벽 및 외부 볼록 벽은 서로로부터 이격될 수 있다. 타입-D 베인(93)의 내부 볼록 벽은 상기 베인의 일 단부의 타입-D 측면 보스(94)로부터 대향 단부에 제공되는 제1 및 제2 타입-D 구동 바 보스(95)로 연장될 수 있다. 또한, 타입-D 베인(93)의 외부 볼록 벽은 상기 베인의 일 단부의 타입-D 측면 보스(94)로부터 대향 단부에 제공되는 타입-D 구동 바 보스(95)로 연장될 수 있다. 타입-D 측면 보스(94)는 보스의 외부 원주의 일 부분 주위로 연장되는 하나 이상의 타입-D 가스 안내 슬릿(98)을 가질 수 있다. 타입-D 측면 보스(94)는 타입-B 측면 리스트 핀(116)을 수용하도록 구성되는 보어를 가질 수 있다. 타입-D 구동 바 보스(95)는 구동 바 리스트 핀(118)을 수용하도록 구성되는 정렬된 보어를 가질 수 있다. 구동-바 리스트 핀(118), 타입-A 측면 리스트 핀(114), 및 타입-B 측면 리스트 핀(116)은, 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)로부터의 베인 기구 틈새(vane mechanism clearance)를 유지하기 위해서 내부에 수납되는 독립적인 커플링 로드(120)(도 6)를 가질 수 있다.
타입-A 베인(65)은 타입-B 측면 리스트 핀(116)을 사용하여 타입-D 베인(93)에 피벗식으로 연결될 수 있다. 타입-B 측면 리스트 핀(116)은 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)에 대한 타입-A 베인(65) 및 타입-D 베인(93)을 위한 이동가능한 피벗 지점을 제공하도록 타입-D 측면 보스(94)와 상호 배치되는 제1 및 제2 타입-A 측면 보스(72)를 통해 연장할 수 있다. 타입-A 측면 보스(72) 및 타입-D 측면 보스(94)는 상당한 작동 유체가 피벗 지점을 지나 누출되지 않는 상태로 상호 배치될 때 서로에 대해 피벗할 수 있다.
타입-C 베인(85), 타입-D 베인(93) 및 구동 바(62)가 구동 바 리스트 핀(118)을 사용하여 함께 피벗식으로 연결될 수 있다. 구동 바 리스트 핀(118)은 구동 바(62) 및 타입-C 구동 바 보스(87)와 상호 배치하는 타입-D 구동 바 보스(95)를 통해 연장될 수 있다. 구동 바 리스트 핀(118)은 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)에 대한 타입-C 베인(85), 타입-D 베인(93) 및 구동 바(63)를 위한 이동가능한 피벗 지점을 제공할 수 있다. 타입-C 구동 바 보스(87), 타입-D 구동 바 보스(95) 및 구동 바는 상당한 작동 유체가 피벗 지점을 지나 누출되지 않은 상태로 상호 배치될 때 서로에 대해 피벗할 수 있다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 구동 바(62)는 하나 이상의 대응하는 크랭크(60)에 의해 하나 이상의 내부 크랭크샤프트(58)에 피벗식으로 연결될 수 있다. 구동 바(62), 크랭크(60) 및 내부 크랭크샤프트(58)는 편자(101) 및 베인 조립체의 외측에 있는 엔진 층 내의 공간을 구성하는 외부 챔버(55) 내에 배치될 수 있다. 양호하게는, 외부 챔버(55)는 공기와 같은 가압 유체가 공급될 수 있는 외부 수퍼차저 유입구 포트(57)와 소통할 수 있다. 더 큰 압력이 채용될 수도 있지만, 양호하게는 외부 챔버(55)는 비-부하 엔진 작동(non-load engine operation) 동안 1.5 내지 3 대기압으로 유지될 수 있다. 외부 챔버(55)의 압력은 엔진 작동 동안에 연소 챔버(39)로부터의 허용불가한 유체 누출을 회피하기 위해 필요에 따라 엔진 작동의 과정 동안에 변경될 수 있다.
크랭크샤프트(56, 58)는 엔진 층 사이에서 그리고 제1 단부 플레이트(33)를 통해 엔진 외부로 연장될 수 있다(도 1). 내부 크랭크샤프트(58)는 하나 이상의 내부 크랭크샤프트 베어링(59)에 의해 엔진 내부의 제 위치에 고정될 수 있다. 크랭크샤프트(56, 58)는 구동 바(62) 및 크랭크(60)로부터 수용되는 회전 구동력에 응답하여 360도에 걸쳐 반복적으로 회전하도록 구성될 수 있다. 크랭크샤프트의 출력은 임의의 동력 공급 목적을 위해 사용될 수 있다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 크랭크(60), 구동 바(62), 내부 크랭크샤프트(58) 및 킹 핀(105)을 위한 상대적 치수 및 오프셋이 2개의 대향 챔버를 포함하는 실시예에 대해 도시된다. 이들 치수 및 오프셋은 대안적 실시예에서 변경될 수 있으며, 요구되는 베인 기하형상, 보스 크기, 압축 길이, 기생 길이 및 베인 사이의 틈새의 함수일 수 있다. 양호한 실시예에서, 킹 핀(105)과 구동 바 리스트 핀 사이의 거리는 압축 위상 및 기생 위상(parasitic phase)에 대해 결정될 수 있다. 크랭크(60) 길이는 압축 길이로부터 기생 길이를 차감하고 그 결과를 2로 나눔으로써 결정될 수 있다. 킹 핀(105)의 중심으로부터 내부 크랭크샤프트(58) 중심들 사이에 연결된 선분의 중간 지점까지의 거리는 기생 길이, 구동 바(62) 오프셋 길이 및 크랭크(60) 길이를 추가함으로써 계산될 수 있다. 대안적으로, 이 거리는 구동 바(62) 오프셋 길이에 압축 길이를 추가하고 크랭크(60) 길이를 차감하여 결정될 수 있다.
도 3및 도 4를 참조하면, 각각의 엔진 층은 타입-B 측면 플레이트(32)에 의해 완성된다. 타입-A 측면 플레이트(31), 편자(101), 타입-A 측면 커버(37), 타입-B 측면 커버(38), 및 타입-B 측면 플레이트(32)를 포함하는 완전한 엔진 층은 임의의 공지된 구조체, 예를 들어 볼트, 용접, 접착제, 클램프 등을 사용하여 함께 유지될 수 있다. 양호하게는, 연소 챔버(39) 외부로의 작동 유체의 과도한 누출을 충분히 방지하고, 외부 챔버(55) 외부로의 저압 작동 유체의 누출을 방지하기 위해, 하나 이상의 시일이 부품 사이에 유지될 수 있다.
도 4를 참조하면, 타입-B 측면 플레이트(32)의 각각은 제2 기준 평면 내에서 연장되는 대체로 편평한 연소-챔버-대면 내부 표면(도시됨)을 포함할 수 있다. 제2 기준 평면은 타입-A 측면 플레이트(31)(도 1)의 대체로 편평한 연소-챔버-대면 내부 표면이 연장되는 제1 기준 평면에 평행하게 그로부터 동일하게 이격된다. 제1 인터쿨러 통로(54)를 포함하는 제1 및 제2 인터쿨러(52)의 부분은 타입-B 측면 플레이트(32)의 대향 코너에 제공될 수 있다. 블로우-오프 통로 및 밸브(121)가 각각의 제1 인터쿨러 통로(54)를 주위 환경에 연결할 수 있다. 타입-B 측면 플레이트(32)는, 타입-B 측면 플레이트를 양분하는 기준 중심선 상에서 서로로부터 이격되는 제1 및 제2 내부 크랭크샤프트(58)를 수용하기 위한 개방부를 포함할 수 있다. 내부 크랭크샤프트(58) 및 출력 크랭크샤프트(56)(도 3)는 하나 이상의 크랭크샤프트 베어링(59)에 의해 지지될 수 있다. 제1 및 제2 보어 또는 리세스(128)는 킹 핀(105)을 수용하도록 타입-B 측면 플레이트(32)에 제공될 수 있다(도 3). 타입-B 측면 플레이트(32)는 연료 인젝터(136) 및 스파크 플러그(138)를 수용하기 위한 개방부를 포함할 수 있다. 스파크 플러그(138)는 상기 챔버가 최소 체적에 있거나 그 부근에 있을 때 연소 챔버(39)에 노출되도록 타입-B 측면 플레이트(32) 내에 위치될 수 있다.
또한, 타입-B 측면 플레이트(32) 각각은 베인 조립체의 풋프린트 내에서 상기 플레이트를 통해 연장되는 6개의 포트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 연소 차지 유입구 포트(40)는 상기 챔버의 체적이 증가하고 있을 때 연소 챔버(39)와 선택적으로 소통하도록 타입-B 측면 플레이트(32) 상에 위치 및 크기 결정된다. 연소 배기 포트(41)는 상기 챔버의 체적이 감소하고 있을 때 연소 챔버(39)와 선택적으로 소통하도록 위치 및 크기 결정될 수 있다. 연소 차지 유입구 포트(40) 및 연소 배기 포트(41)는 대체로 사다리꼴 형상이며 허브로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 스포크와 대략 동일한 거리만큼 킹 핀 리세스(128)로부터 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다. 연소 차지 유입구 포트(40) 및 연소 배기 포트(41)의 중심은 킹 핀 리세스(128)에 대해 대략 170 내지 200도만큼 서로로부터 분리될 수 있다.
도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75), 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)의 내부 벽은 도 3에 도시된 엔진 실시예에서 연소 챔버를 포함하는 가변 체적 챔버(39)를 형성한다. 더 구체적으로는, 구동 바(62), 크랭크(60), 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75), 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)은 그들 사이에 평행사변형 또는 마름모꼴 연소 챔버(39)를 형성하도록 연결될 수 있는데, 이때 내부 각도는 그 원형 경로 상의 구동 바 위치에 따라 결정된다. 이 평행사변형 또는 마름모꼴 연소 챔버(39)는 하나의 크랭크(360 도) 회전 내에서 흡기, 압축, 팽창, 배기, 및 기생 이벤트를 갖는 4-행정 피스톤 엔진의 2-크랭크 회전 사이클과 완전히 등가인 사이클을 완성하는 오토 또는 앳킨슨 사이클 연소 챔버로서 사용될 수도 있다.
연소 챔버(39)의 체적은, 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75), 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)이 피벗식으로 연결된 상태에서 그들의 이동의 결과로서 변경될 수 있다. 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)은 전후 동작에서 킹 핀(105)을 중심으로 피벗한다. 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)은 우선 서로로부터 멀어지는 방향으로 그리고 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)을 향해 피벗하고, 이후 서로를 향해 그리고 타입-A 베인 및 타입-B 베인으로부터 멀어지는 방향으로 피벗한다. 이러한 동작의 결과로, 연소 챔버(39)는 구동 바(62)의 회전 당 최대 체적의 2배 및 2개의 최소 체적을 달성한다.
도 4를 다시 참조하면, 타입-B 측면 플레이트(32)는 연소 차지 유입구 포트(40)에 인접하여 위치되는 열 엔진 배기 포트(45) 및 열 엔진 배기 포트에 인접하여 위치되는 열 엔진 유입구 포트(44)를 더 포함할 수 있다. 열 엔진 유입구 포트(44) 및 열 엔진 배기 포트(45)는 대체로 사다리꼴 형상이며 허브로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 스포크와 대략 동일한 거리만큼 킹 핀 리세스(128)로부터 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다. 열 엔진 유입구 포트(44) 및 열 엔진 배기 포트(45)는 연소 챔버 유입구 포트(40)가 킹 핀 리세스로부터 멀어지는 방향으로 연장하는 거리의 대략 2배를 킹 핀 리세스(128)로부터 멀어지는 방향으로 연장될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 열 엔진 유입구 포트(44)는, 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75) 및 편자(101)의 내부 만곡 벽 사이에 형성되는 열 엔진 챔버(43)와 선택적으로 소통하고 그에 전적으로 노출되도록 타입-B 측면 플레이트(32) 상에서 위치 및 크기 결정될 수 있다. 전달 채널(42)은 연소 배기 포트(41)를 타입-B 측면 플레이트(32)의 후방 면(즉, 비연소 챔버 면) 상의 열 엔진 유입구 포트(44)와 연결한다. 열 엔진 배기 포트(45)는 열 엔진 챔버(43)와 선택적으로 소통하고 그에 전적으로 노출되도록 타입-B 측면 플레이트(32) 상에서 위치 및 크기 결정될 수 있다. 작동 유체를 전달하기 위한 채널은, 타입-B 측면 플레이트(32)의 후방 면(즉, 비연소 챔버 면)에 연결되는 편자(101) 내부의 통로를 통해 배기 개방부(129)를 열 엔진 배기 포트(45)와 연결할 수 있다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 타입-A 베인(65)의 제1 벽 및 타입-B 베인(75)의 제1 벽은 편자(101)의 내부 만곡 벽에 의해 결합되는 그들 사이의 가변 체적 열 엔진 챔버(43)를 형성할 수 있다. 열 엔진 챔버(43)의 체적은 킹 핀(105)에 대한 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)의 피벗 이동으로 인해 최대 체적과 최소 체적 사이를 왕복할 수 있다. 작동 유체는 타입-B 측면 플레이트(32) 내의 열 엔진 유입구 포트(44)를 통해 열 엔진 챔버(43)에 진입할 수 있고, 작동 유체는 열 엔진 배기 포트(45)를 통해 열 엔진 챔버에서 진출할 수 있다.
도 4를 참조하면, 타입-B 측면 플레이트(32)는 다중 내부 수퍼차저 유출구 통로(50)를 더 포함할 수 있다. 내부 수퍼차저 유출구 통로(50) 각각은 타입-B 측면 플레이트(32)의 연소 챔버 측으로부터 상기 플레이트의 비연소 챔버 측으로 연장될 수 있는데, 여기에서 상기 통로는 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)의 하위-통로 중 하나와 만난다. 도 2, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 및 제2 내부 수퍼차저 챔버(47)는, 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)이 전후로 피벗함에 따라 제1 및 제2 내부 수퍼차저 보스(102, 103)가 유체 유동을 차단하기 때문에, 가변 체적을 가질 수 있다. 이들 가변 체적 내부 수퍼차저 챔버(47)는 개별적으로 수퍼차저 유입구 슬릿(67, 77)을 통해 타입-A 측면 플레이트(31) 내의 내부 수퍼차저 공기 유입구(49)와 소통할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 내부 수퍼차저 챔버(47)는 개별적으로 수퍼차저 유출구 슬릿(68, 78)을 통해 내부 수퍼차저 유출구 통로(50)와 소통할 수 있다.
도 2, 도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 제1, 제2, 제3 및 제4 베인(65, 75, 85, 93)의 평면형 전방 및 후방 면은 타입-A 및 타입-B 측면 플레이트(31, 32)의 연소 챔버 면으로부터 균일하게 그리고 평행하게 이격된다. 도 7을 참조하면, 4개의 베인의 평면형 전방 및 후방 면은 개별적으로 그 위에 제공되는 유체 밀봉 시스템(64, 74, 84, 92)을 가질 수 있다. 유사하게, 제1 및 제2 내부 수퍼차저 보스(102, 103)는 그 위에 제공되는 유체 밀봉 시스템(100)을 가질 수 있다. 유체 밀봉 시스템(64, 74, 84, 92, 100)은 포켓의 필드를 형성하는 랜드(land)에 의해 분리되는 복수의 리세스 또는 포켓으로 구성될 수 있다. 양호하게는, 포켓은 마우스의 형상, 베이스의 형상, 높이, 폭, 직경, 깊이 및/또는 체적에 대해 유사한 형상 및 치수일 수 있다. 양호하게는, 포켓은 언급된 베인 및 보스의 표면 내에 또는 표면 상에 형성된다. 상기 필드 내의 포켓은 적어도 하나의 로우(row)로, 또는 더 양호하게는 포켓의 2개 이상의 수직으로 이격된 로우로 구성되는 그리드 패턴으로 배열될 수 있다. 도면에 도시된 필드 내의 랜드 및 포켓의 수, 형상, 크기 및 배열은 논의 및 설명을 용이하게 하기 위해 선택되었으며, 제한적인 것으로 고려되지 않는다.
적절한 밀봉 시스템 필드에 배열되는 포켓 및 랜드의 존재로 인해, 시일 또는 시일 등가물이 언급된 베인 및 보스의 팽창에 걸쳐 고압측에서 저압측으로 생성될 수 있다. 시일 또는 그 등가물은 고압측(예를 들어, 연소 챔버(39) 측)과 저압측(예를 들어, 외부 챔버(55) 측) 사이에서 작동 유체의 압력차의 결과로서 발생될 수 있다. 예를 들어, 베인 조립체가 이동함에 따라, 연소 챔버(39) 내의 작동 유체의 압력 및 온도가 상승할 수 있으며 연소 챔버(39)와 외부 챔버(55) 사이의 작동 유체 차압을 생성할 수 있다. 이러한 차압은, 베인 조립체와 타입-A 측면 플레이트 및 타입-B 측면 플레이트 사이의 공간, 즉 시일 간극 내의 작동 유체가 외부 챔버(55)를 향해 유동하게 할 수 있다. 시일 간극을 통한 작동 유체의 유동은 상기 필드 내의 각각의 포켓에서 국소적인 벤츄리 효과를 유도할 수 있는데, 이는 작동 유체의 속력을 국소적으로 증가시키고 작동 유체의 압력을 감소시킬 수 있다. 작동 유체의 속력 및 압력 변화는 베인 조립체와 타입-A 측면 플레이트 및 타입-B 측면 플레이트 사이의 실제 작은 틈새 거리의 함수일 수 있다.
포켓은 양호하게는 베인의 평면형 전방 및 후방 면과의 접합부, 즉 랜드와의 접합부에서 상대적으로 날카로운 에지를 가질 수도 있다. 작동 유체가 포켓의 날카로운 에지에 대해 유동함에 따라, 난류로 인해 국소 압력의 감소가 발생할 수 있다. 그 결과, 작동 유체는 팽창하여 순간적인 압력 감소 및 국소적 난류의 증가를 생성할 수 있다. 각각의 연속적인 포켓 위로 그리고 그 내로 유동하는 추가의 작동 유체가 사이클을 시작할 수 있는데, 여기서 각각의 포켓은 (전개된 포켓 형상에 따라) 헬름홀츠형 공진기 또는 공진 칼럼으로서 기능하며, 이로인해 추가의 국소적 난류를 생성하는 규정가능한 주파수로 작동 유체가 포켓 내부로 견인되고 포켓 외부로 배출되게 된다.
결과적 난류(resulting turbulence)는 시스템 내의 작동 유체의 물리적 특성 및 필드 내의 각각의 개별 포켓의 직경(또는 높이 및 폭), 기하형상, 관련 위치, 및 깊이의 함수일 수 있다. 또한, 결과적 난류는 각각의 포켓 위의 그리고 그 내부의 공간 체적에 대한 각 랜드 위의 공간 체적의 비율에 기인한 실제 작은 틈새 거리 시일 간극의 함수일 수 있다. 이 국소적 난류는 유동하는 작동 유체와 상호작용하고, 작동 유체의 추가 유동을 방해하는 와동 동작을 발생시킬 수 있다. 유동의 감소는 순간적으로 공진 효과를 감소시킬 수 있고, 이는 이어서 순간적으로 국소적 난류를 순간적으로 감소시킬 수 있는데, 이는 이후에 작동 유체의 유량을 다시 순간적으로 증가하게 할 수 있다.
베인 조립체가 최소 체적을 향해 진행할 때, (연소 챔버(39)에 가장 가까운) 최상위 로우 내의 포켓을 지나간 작동 유체는 다음에 포켓 필드의 인접한 로우 내의 포켓과 조우하는데, 여기서 설명된 난류 현상이 반복되지만 시작 압력은 낮아진다. 이 프로세스는, 작동 유체가 밀봉 시스템 포켓 필드의 연속적인 로우를 지남에 따라 반복되는데, 이때 시작 압력은 시일 간극 내의 국소 압력이 외부 챔버(55) 내에 수용되는 작동 유체의 압력 수준으로 감소될 때까지 연속해서 상대적으로 감소된다. 상기 필드 내에서 포켓으로부터 포켓으로의 압력 감소의 반복 사이클은, 어떠한 작동 유체도 시일 간극 내의 국소 압력이 외부 챔버(55) 내의 작동 유체의 압력 이하인 지점을 지나 유동하지 않을 것이기 때문에, 시일 또는 시일의 유효한 등가물을 생성할 수 있다.
각각의 포켓에서 국소적 난류는 포켓의 공진 작용에 의해 허용되는 점진적 누설로 인해 시간 경과에 따라 감소할 수도 있다. 따라서, 국소 난류는 타입-A 측면 플레이트와 타입-B 측면 플레이트에 대한 베인 조립체의 동작 속도(rate)의 함수일 수도 있다. 밀봉 시스템의 유효성은, 포켓 내외로 일관된 유동을 제공함으로써 밀봉 시스템 필드 내로 활동적 유동을 제공하도록 요동하는 작동 유체 압력을 요구할 수 있으며, 이로 인해 밀봉 시스템의 유효성을 유지할 수 있다.
밀봉 시스템 누출의 속도는 밀봉 시스템 필드 내의 포켓 기하형상 및 다른 랜드 이격 패턴을 사용하여 수정될 수 있다. 랜드 이격은 이전 (상위) 포켓으로의 역류를 제공하기 위해 포켓을 유도하기 위해 선택될 수 있는 한편, 전방(하위) 포켓은 유체 유동이 밀봉 시스템 필드 내에서 내부적으로 쇠퇴하는 자체-보강 왕복진동(self-reinforcing oscillation)을 유도하는 것을 방지할 수 있다.
특정 용례를 위한 밀봉 시스템 필드의 유효성은 개별 포켓의 설계 파라미터에 추가하여 밀봉 시스템 필드의 외측 치수의 함수일 수 있다. 시일 효율은, 포켓의 내부 베이스에서의 수렴 영역 및 포켓의 마우스에서의 발산 영역을 포함하도록 일부 또는 전체 포켓의 기하형상을 수정하여 개선될 수 있다. 드라발 노즐 효과가, 포켓의 저부에서 공진 공동을 형성하도록 수렴 영역 및 더 큰 발산 영역을 사용하여 포켓에서 생성될 수 있는데, 이는 국소적 초음속 작동 유체 이동(localized supersonic working fluid movement)으로 인해 더 큰 국소적 난류를 생성할 수 있다.
언급된 베인 및 보스의 표면 상에 또는 표면 내에 형성되는 것으로 기술된 포켓의 필드는 대안적 실시예에서, 대신에 상기 표면과 대향하는 표면 상에 또는 표면 내에 형성될 수 있다. 또한, 언급된 베인 및 보스의 표면 상에 또는 표면 내에 형성되는 것으로서 설명된 포켓의 필드는, 또한 베인 및 보스의 표면 상에 또는 표면 내에 형성되는 것에 추가하여 피스톤에 대향하는 표면 상에 또는 표면 내에 형성될 수도 있다는 것이 이해된다.
도 7과 관련하여 설명된 밀봉 시스템의 유효성은 주위 환경 분위기의 압력보다 외부 챔버(55)의 압력을 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 외부 상대 동작 왕복진동 수퍼차저(external relative motion oscillating supercharger)가 외부 챔버(55)를 가압하기 위해 사용될 수 있다. 이 외부 챔버(55)의 조절로부터의 블리드 오프(Bleed off)는 엔진을 위해 이용가능한 냉각 및 압축 공기 체적을 증강하고 외부 챔버(55) 내로 이탈할 수 있는 임의의 연소 가스를 위한 배기 가스 재순환으로 기능하도록 인터쿨러로의 내부 수퍼차저 통로에 급송될 수 있다.
도 10을 참조하면, 외부 상대 동작 왕복진동 수퍼차저의 예시적 실시예가 도시되어 있다. 외부 상대 동작 왕복진동 수퍼차저는 수퍼차저 포트(57)(도 3)를 통해 외부 챔버(55)를 가압하는데 사용될 수 있다. 이 외부 챔버(55)의 조절로부터의 블리드 오프는 엔진을 위해 이용가능한 냉각 및 압축 공기 체적을 증강하고 외부 챔버 내로 이탈할 수 있는 임의의 연소 가스를 위한 배기 가스 재순환으로 기능하도록 블로우-오프 및 전달 밸브(122)를 통해 인터쿨러로(52) 내의 내부 수퍼차저 통로(54)에 급송될 수 있다. 외부 수퍼차저는 흡기-배기 매니폴드 및 커버(125), 전방 회전자(124), 및 후방 회전자(123)를 포함할 수 있다. 매니폴드 및 커버(125)는 공기 유입구 포켓 및 통로(134)와 배기 통로(135)를 포함할 수 있다. 후방 회전자(123)는 중심 허브 주위에 위치된 통로 및 압축 공기 출력 슬릿(132, 133)과 중심에서 중심까지 120도로 이격되는 3개의 핀(fin)을 포함한다. 후방 회전자(123) 내의 슬릿 및 통로(132, 133)는, 챔버의 어느 하나의 그룹이 최소 체적에 가까울 때 전방 회전자(124) 허브 내의 압축 공기 출력 통로(131)와 정렬된다. 전방 회전자(124)의 이들 압축 공기 출력 통로(131)는 흡기-배기 매니폴드 및 커버(125) 내의 배기 통로(135)로 이어진다.
3개의 공기 흡기 슬릿(119)이 서로로부터 동일한 거리에서 전방 회전자(124)의 외측 원주 주위에 제공될 수 있다. 공기 흡기 슬릿(119)은 여과된 신선한 공기가 흡기-배기 매니폴드 및 커버(125) 내의 큰 원형 공기 유입구 포켓 및 통로(134)로부터 전방 회전자(124) 내로 견인될 수 있게 한다. 후방 회전자(123) 상의 핀이 전방 회전자(124) 내의 3개의 챔버를 총 6개의 챔버를 위해 3개 그룹의 정합 하프-챔버(mating half-chamber)로 분할함에 따라, 전방 회전자(124) 상의 핀들 사이의 영역의 1/2 내로 공기가 견인될 수 있다. 후방 회전자(123)는, 후방 회전자의 핀이 3개 그룹의 하프 챔버 각각의 중심 위치에 있을 때 전방 회전자(124) 내의 공기 흡기 슬릿(119)을 차단할 수 있지만, 상기 흡기 슬릿(119)를 3개의 하프 챔버의 일 그룹에 노출 시킬 수도 있는데, 이는 3개의 하프 챔버의 다른 그룹이 최소 체적에 있을 때이다.
외부 상대 동작 왕복진동 수퍼차저는 다르게는 타원형 또는 난형 기어로 공지된 2 세트의 이중 로브 기어(bi-lobe gear)(126, 127)를 사용하여 구동될 수 있다. 2개의 수퍼차저 구성요소(즉, 전방 회전자(124) 및 후방 회전자(123))는 90도 오프셋으로 기어 형성될 수 있고, 대향하는 회전자 상의 핀은 서로 60도 변위에 위치될 수 있다. 따라서, 전방 회전자(124) 및 후방 회전자(123)를 위한 수퍼차저 샤프트 키는 서로로부터의 30도의 시작 오프셋을 가질 수 있다. 이중-로브 기어(126, 127)는 4개의 영역에서 2개의 교번 속력 및 입력 샤프트 회전 당 4개 영역의 속력 전이를 제공한다. 또한, 외부 상대 동작 왕복진동 수퍼차저는 전자식으로 제어되는 동작 시스템, 왕복진동 기구, 또는 다른 기어 타입, 예를 들어 다중-로브 일정 속력 기어링(gearing), 노틸러스 기어, 또는 기구의 적절한 동작을 허용하는 다른 기어에 의해 구동될 수 있다.
도 10, 도 13 및 도 15a 내지 도 15c를 참조하면, 외부 상대 동작 수퍼차저는 기어링에 의해 제공되는 2개의 속력 사이에서 각각의 회전자를 가속 및 감속함으로써 전방 회전자(124) 핀과 후방 회전자(123) 핀의 상대 동작을 생성할 수 있다. 상기 2개의 회전자 각속도 선이 도 13에 도시된 바와 같이 교차할 때마다, 6개의 하프 챔버 중 3개의 제1 그룹이 도 14에 도시된 바와 같이 하프 챔버 최소 틈새 각도에서 압축 공기를 출력한다.
도 14에 도시된 최소 틈새 각도는 전방 회전자(124) 핀과 후방 회전자(123) 핀 사이의 핀 자체의 만곡된 설계로 인해 거의 영(zero)인 틈새 거리(clearance distance)로 해석되는데, 이는 다른 그룹보다 큰 최소 각도 틈새를 갖는 것으로 보이는 하프 챔버의 제1 그룹을 또한 고려한다. 도 13 및 도 14에 의해 설명된 시뮬레이션에서, 입력 샤프트는 초 당 120도로 구동되었고, 이는 속력 스케일링 인자가 입력 속력 위아래로 대략 1.7인 2개의 속력으로 수퍼차저 부품을 구동할 것이다. 하나의 입력 구동 샤프트 회전이 상기 그룹으로부터 4개의 압축 공기 출력 사이클을 발생시키는데, 챔버는 수퍼차저의 상기 6개의 하프 챔버로부터 번갈아 교번한다.
전방 및 후방 회전자 속도 선의 교차부에서의 출력은 전방 회전자(124)가 후방 회전자(123)를 추종 및 포획한 후, 후방 회전자(123)가 전방 회전자(124)를 추종 및 포획하는 경우에 생성된 추종 이동에 기인한다. 각각의 추종 동작 동안, 공기는 공기 흡기 슬릿(119)을 통해 전방 회전자와 후방 회전자(123) 사이의 공간으로 진행하고, 그 후 회전자 사이에서 압축된다. 이는, 상기 하나의 회전자를 시작, 정지, 역전 및 계속적으로 정지하지 않게 하면서 다른 회전자는 고정 상태를 유지하면서 의사 또는 상대 동작 왕복진동을 생성한다. 이는, 피스톤 압축기와 비교할 때, 상기 기구가 일부 운동량을 보존하고 공기 출력을 증가시킬 수 있게 한다. 피스톤 압축기와 유사하게, 압축 공기 출력 펄싱은 기어 트레인으로부터의 상이한 오프셋 각도로 키 결합되는 다중 챔버를 사용하여 평활화될 수 있어, 감소된 비용으로 공통의 기어링을 허용하지만 더 일관되고 및/또는 더 큰 출력 체적 및 압력을 생성한다.
도 15a를 참조하면, 후방 회전자 핀은 회전자의 주연 둘레에 제공되는 전방 회전자 공기 흡기 슬릿(119)을 차단하고 있다. 3개의 하프 챔버는 설계가 출력 통로 상에 일방향 밸브(도시 생략)를 구비한 경우 대기압 미만이거나, 또는 그렇게 구비하지 않는 경우에는 대기압 부근이다. 챔버의 다른 3개의 하프는 대기압이거나 대기압보다 약간 높다. 이때, 전방 회전자는 느리게 이동하고, 후방 회전자는 활발하게 이동한다. 구동 샤프트가 반시계 방향으로 회전함에 따라, 전방 회전자 핀은 시계 방향으로 회전한다. 이것은 하프 챔버 중 3개가 공기를 흡기하게 하고 다른 3개의 하프 챔버는 공기 압축하기 시작하게 한다.
도 15b를 참조하면, 전방 회전자는 가속을 시작하고 있고 후방 회전자는 거의 완전히 감속된 상태이다. 공기는 공기 흡기 슬릿(119)을 통해 흡인되고 공기 흡기 슬릿과 소통하는 회전자 사이의 공간을 충전한다. 이때, 후방 회전자 내의 상기 챔버로 이어지는 압축 공기 통로(132, 133)는 전방 회전자 내의 압축 공기 유출구(131)에 연결되어, 상기 회전자들 사이에서 압축된 압축 공기가 압축 공기 유출구 및 선택적인 일방향 밸브(도시 생략)를 통과하게 한다. 새로운 압축 공기 체적이 흡기-배기 매니폴드 및 커버 내의 배기 통로 내의 체적에 추가된다.
도 15c를 참조하면, 후방 회전자 핀은 시계 방향으로 회전하였으며, 이로 인해 전방 회전자(124) 공기 흡기 슬릿(119)을 차단한다. 이는 3개의 하프 챔버의 제2 그룹에 대한 압축 사이클을 시작하고 사전에 압축된 하프 챔버를 위한 신선한 공기 흡기 사이클로 이어진다. 이때, 전방 회전자는 활발하게 이동하고, 후방 회전자는 느리게 이동한다. 구동 샤프트가 계속 회전할 때, 후방 회전자 내의 챔버로 이어지는 압축 공기 통로(132, 133)는 전방 회전자 내의 압축 공기 유출구(131)에 연결된다. 이는 하프 챔버의 제1 그룹에 대해 사전에 설명된 바와 유사한 압축 사이클 및 압축 공기 체적 추가로 이어진다. 이 프로세스는 3개의 하프 챔버가 압축 공기를 출력하면서 다른 3개의 하프 챔버는 공기를 흡기하도록 반복된다.
도 10 및 도 16을 참조하면, 흡기-배기 매니폴드 및 커버와 전방 회전자(124) 사이에 공기 팬/펌프/압축기를 형성하기 위해 공기 흡기 슬릿(119)에 인접한 공기 유도 릿지(154)를 갖도록 전방 회전자(124)의 외측을 성형하는 것이 또한 유리할 수 있다. 또한, 챔버가 더 긴 기간 동안 흡기하는 것을 허용함으로써 압축기가 생성할 수 있는 압력 및 체적을 증가시키기 위해 흡기 슬릿(119) 상에 그리고 압축 공기 출력 통로 상에 일방향 밸브(도시 생략)를 채용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 이들 일방향 밸브는 흡기 슬릿(119) 수가 3개에서 6개로 증가하는 경우 비용 감소를 위해 3개의 하프 챔버의 그룹 마다 채용될 수 있는데, 각각의 흡기 슬릿은 원래의 중심 위치로부터의 오프셋 거리에 위치되어, 각각의 하프 챔버에 개별 흡기 슬릿(도시 생략)을 제공한다.
도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 대안적 실시예에서, 스파크 플러그(들)(138)는 타입-A 베인(65) 및/또는 타입-B 베인(75)과 같은 하나 이상의 베인 내에 장착될 수 있다. 스파크 플러그(138)는 챔버의 중심 부근의 화염 전방 전파 지점을 위치설정하기 위해 베인 내에 장착될 수 있다. 그렇게 하기 위해서, 스파크 플러그(138)에 의해서 요구되는 에너지가 스파크 플러그에 전달되어야 하고, 스파크 플러그는 견고해야 한다.
도 8a는, 점화 펄스가 킹 핀 몸체 및 오일 통로(109)로부터 와이어 공동을 격리하는 포팅(potting)(107)을 갖는 고전압 절연 와이어(108)를 거쳐 킹 핀(105)으로부터 전달되는 예시적인 스파크 플러그(138) 장착을 도시하고 있다. 제1 스파크 플러그 접근 캡(155)이 타입-A 베인(65) 내에 배치될 수 있고, 제2 스파크 플러그 접근 캡(156)이 편자(101) 내에 배치될 수 있다. 스파크 플러그 접근 캡(155 및 156)은 스파크 플러그(138)를 오염으로부터 보호한다. 와이어(108)는 킹 핀(105)으로부터 진출하고 타입-A 베인(65)의 개방부를 통해 스파크 플러그(138)로 연장한다. 스파크 플러그(138)가 편자(101)의 정합 통로로 장착되는 타입-A 베인(65) 내의 통로를 정렬시키기 위해 적절한 크랭크 각도로 엔진을 회전시킴으로써 엔진을 조립해제하지 않고 스파크 플러그(138)가 교체될 수 있다. 통로가 정렬되었을 때, 스파크 플러그 접근 캡(155, 156)은 제거될 수 있어서 편자(101)의 외측으로부터 스파크 플러그에 대한 접근을 제공할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 대안적 실시예에서, 와이어(108)는 고전압 브러시/와이퍼 접촉 조립체(111)를 사용하여 스파크 플러그(138)에 커플링될 수 있다.
도 8c에 도시된 다른 예에서, 스파크 플러그 점화 에너지는 토로이달 코일 모듈(110)에 의해 전송될 수 있다. 오일 통로(109)는 킹 핀(105) 내에 수용된다. 상기 코일은 베인 몸체에 접지될 수 있고, 변압기의 양극측(positive side)은 스파크 플러그 와이어(108)를 거쳐 스파크 플러그(138)에 커플링될 수 있다. 에너지는 스파크가 출력될 때 정합 토로이달 코일 모듈(110)에 공급된다.
도 8d에 도시된 또 다른 예에서, 연속적인 에너지 및 데이터가 토로이달 코일 모듈(110)을 통해 전송될 수 있다. 코일은 베인 몸체에 접지될 수 있고, 변압기의 양 측은 스파크 모듈(112)에 커플링될 수 있다. 이는 스파크 모듈(112)이 연속적인 에너지를 동력으로 활용하고 고주파 복합재(high-frequency composite) 또는 차분 데이터 스트림(differential data stream)을 판독하여 상기 모듈로부터의 스파크 출력을 스파크 플러그(138)에 부착된 스파크 플러그 와이어(108)를 통해 적절한 시간(들)에 공급한다. 이러한 구성은, 이러한 기능이 모듈에 통합될 때 추가적인 점화 코일을 요구하지 않지만, 적절하고 연속적인 에너지 및 데이터 스트림을 모듈에 공급하기 위한 더 복잡한 제어 시스템을 요구한다.
도 1 내지 도 7과 함께 설명된 엔진의 동작은 도 9a 내지 도 9i에 도시된다. 이 양호한 실시예에서 크랭크(60)의 동작은, 0 크랭크 회전도(degrees of rotation)로서 규정된 12시 위치를 갖는 반시계 방향이다. 크랭크(60)는 크랭크가 그 완전한 회전을 통해 이동함에 따라 모든 크랭크가 평행하게 유지되는 방식으로 구동 바(62)에 부착될 수 있다. 이 크랭크(60) 평행 동작은 구동 바(62)가 순수한 원형 경로로 병진하게 할 수 있다. 구동 바(62) 및 크랭크(60)는 편자 편류 리세스(도 3의 104)에서 편자를 클리어할 수 있는데, 이는 공기 난류를 감소시키고 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)의 냉각을 촉진하는 것을 돕는다. 원형 병진 동작(circular translation motion)은 도 9a 내지 도 9i에서 360 크랭크 회전도를 통한 점진적인 위치에 의해 도시된다.
도 1 내지 도 7 및 도 9a 내지 도 9i를 참조하면, 내부 수퍼차저 기능을 제공하기 위한 예시적인 엔진의 동작은 도 9e에 도시된 바와 같이 엔진이 약 180 크랭크 회전도에서 시작하여 크랭킹될 때 그 사이클을 시작할 수 있다. 이 엔진 위치에서, 여과된 신선한 공기는 타입-A 측면 커버(37) 및 타입-B 측면 커버(38)의 개방부를 통해 타입-A 측면 플레이트(31) 내의 내부 수퍼차저 공기 채널(48) 내로 유동한다. 공기는 타입-A 측면 플레이트(31) 위로 유동할 수 있어, 내부 수퍼차저 공기 유입구(49)에 도달할 때까지 상기 플레이트를 냉각시킨다.
엔진이 약 315 크랭크 회전도에 도달할 때, 도 9i에 도시된 바와 같이, 여과된 신선한 공기는 내부 수퍼차저 공기 유입구(49)로부터 타입-B 베인(75)의 내부 수퍼차저 유입구 슬릿(77)으로 유동하고, 그로부터 제1 내부 수퍼차저 챔버(47)로 유동한다. 내부 수퍼차저 챔버(47)가 타입-B 베인(75)의 피벗 동작 동안 챔버 팽창 동작으로 인해 대기압 미만이 될 수 있기 때문에 유동이 촉진될 수 있다.
엔진이 약 45 크랭크 회전도에 도달할 때, 도 9b에 도시된 바와 같이, 여과된 신선한 공기는 내부 수퍼차저 공기 유입구(49)로부터 타입-A 베인(65) 내의 내부 수퍼차저 유입구 슬릿(67)으로 유동하고, 그로부터 제2 내부 수퍼차저 챔버(47) 로 유동한다. 다시, 내부 수퍼차저 챔버(47)가 타입-A 베인(65)의 피벗 동작 동안 챔버 팽창 동작으로 인해 대기압 미만이 될 수 있는 경우 유동이 촉진될 수 있다.
엔진이 크랭킹을 계속함에 따라, 타입-A 및 타입-B 베인(65, 75)은 서로로부터 멀어지는 방향으로 피벗하여, 제1 및 제2 내부 수퍼차저 챔버(47)는 상기 챔버가 제1 및 제2 내부 수퍼차저 보스(102, 103)를 향해 개별적으로 전진함에 따라 체적이 지속적으로 감소된다. 타입-B 베인(75)에 의해 형성된 내부 수퍼차저 챔버(47)는 도 9d에 도시된 바와 같이, 약 135 크랭크 회전도에서 완전 압축에 있을 수 있고, 타입-A 베인(65)에 의해 형성된 내부 수퍼차저 챔버(47)는 도 9g에 도시된 바와 같이 약 225 크랭크 회전도에서 완전 압축에 있을 수 있다.
내부 수퍼차저 챔버(47)가 최소 체적 부근에 있을 때, 내부 수퍼차저 유출구 슬릿(68, 78)은 상기 챔버 내의 압축 가스가 타입-B 측면 플레이트(32) 내의 내부 수퍼차저 유출구 통로(50) 내로 유동하기 위한 출구를 제공한다. 내부 수퍼차저 유출구 통로(50)는 편자(101)의 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51), 타입-A 측면 플레이트(31)의 제1 인터쿨러 통로(53), 및 타입-B 측면 플레이트(32)의 제2 인터쿨러 통로(54)에 연결된다. 이들 통로(51, 53, 54)는 인터쿨러(52)를 통해 연장되는데, 이는 압축 공기를 냉각시킨다. 또한, 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)는 타입-B 베인(75)에 의해 커버되지 않을 때(즉, 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)이 킹 핀(105) 위의 최우측 회전 위치에 위치설정되고 열 엔진 챔버(43) 체적이 최대값일 때) 열 엔진 챔버(43)를 위한 타입-A 측면 플레이트(31)의 저부 상에 위치되는 열 엔진 블로우다운 포트(46)를 통한 블로우다운 공기의 작은 유동을 제공할 수 있다.
엔진이 양의 동력의 발생을 위한 크랭킹을 계속함에 따라, 인터쿨러(52) 및 외부 챔버(55) 내의 공기 압력이 증가할 수 있다. 타입-B 측면 플레이트(32) 인터쿨러 통로(54)를 통해 인터쿨러(52)로부터 흡인된 냉각 압축 공기는, 적절한 차지를 생성하도록 적절한 연료 기화 및 분무화를 허용하기 위해 연소 차지 유입구 포트(40)로 가는 중에 적절 시간 또는 시간들에서 포트 인젝터(136)에 의해 추가되는 적절한 양의 연료를 가질 수 있다.
약 45 크랭크 회전도에서, 도 9b의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 연소 차지 유입구 포트(40)는 차지 흡기 행정의 완전 포트 개방 위치에서 연소 챔버(39)에 노출된다. 차지는 타입-B 측면 플레이트(32) 내의 연소 차지 유입구 포트(40)를 통해 그리고 타입-A 연소 압축 쐐기(70)에 걸쳐 연소 챔버(39) 내로 견인될 수 있다. 연소 챔버(39)는 약 90 크랭크 회전도를 통해 진행하는데, 여기서 연소 챔버는 하사 중심과 대략적인 최대 흡기 체적과 등가인 피스톤에 존재한다. 차지는 연소 챔버(39) 내로 완전히 장입되고 타입-B 측면 플레이트(32) 내의 연소 차지 유입구 포트(40)는 타입-A 베인(65)에 의해 대부분 커버된다. 엔진이 이 위치를 통해 가동하는 것을 유지하기 위해 부착된 구성요소의 운동량이 반드시 적절한 완수(carry through)를 제공하는 변곡점에 크랭크(60)가 존재한다.
엔진이 약 112.5 크랭크 회전도에 도달할 때, 도 9c의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 차지는 연소 챔버(39) 내로 완전히 장입되고, 타입-B 측면 플레이트(32)의 연소 차지 유입구 포트(40)는 타입-A 베인(65)에 의해 완전히 커버되고, 연소 챔버(39)는 차지를 압축하기 시작한다.
엔진이 약 135 크랭크 회전도에 도달할 때, 도 9d의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 연소 챔버(39)는 완전 압축에 근접하고 스파크 플러그 점화를 위해 준비된다. 구성요소 집단(component masses)의 완수가 계속해서 연소 차지를 압축하고 개별적으로 타입-C 측면 보스(86) 및 타입-D 측면 보스(94) 내에 제공되는 타입-C 및 타입-D 가스 안내 슬릿(90 및 98)에 의해 촉진되는 스퀴시(squish) 및 스월(swirl)에 의해 계속 난류를 증가시키는 상태에서, 스파크 플러그(138)는 차지를 점화한다. 대안적으로, 스파크 플러그(138) 또는 제2 스파크 플러그가 이후의 크랭크 각도에서 또는 심지어 베인 내에서도 차지를 점화하도록 제공될 수 있다(도 8a 내지 도 8 d 참조).
엔진이 도 9e의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 상사 중심과 등가인 피스톤에 존재하는 약 180 크랭크 회전도에 도달할 때, 연소 챔버(39) 내의 점화된 차지는 최대 압축에 있을 수 있다. 점화된 차지는 연소 챔버(39) 내의 베인의 노출된 표면적과 긴밀하게 접촉하도록 가압되어, 타입-A 및 타입-B 측면 플레이트(31, 32)의 매우 작은 표면적이 점화된 차지에 노출된다. 이 지점에서, 연소 챔버(39)는 최대 압축 또는 거의 최대 압축에 있으며, 타입-A 연소 압축 쐐기(70)는 타입-B 연소 압축 쐐기(80) 부근에 있고, 타입-C 연소 압축 보스(89)는 타입-D 연소 압축 보스(97) 부근에 있다. 엔진이 이 위치를 통해 가동하는 것을 유지하기 위해 엔진 구성요소의 운동량이 엔진이 반드시 적절한 완수를 제공할 때 크랭크(60)는 다시 변곡점에 존재한다.
엔진이 도 9f의 상위 반부에 도시된 바와 같이 약 202.5 크랭크 회전도에 도달할 때, 연소 챔버(39)는 팽창을 시작한다. 이때, 차지는 연소 챔버(39) 내에서 계속 연소 및 팽창하여, 화학 에너지의 열역학적 에너지로의 변환을 허용하고, 챔버 압력을 증가시키고 연소 챔버를 자유 피벗 지점에서 개방하게 한다. 이는 타입-A 리스트 핀(114)에서 타입-C 베인(85)에 대해 타입-B 베인(75)을 피벗시킴으로써, 그리고 타입-B 리스트 핀(116)에서 타입-D 베인(93)에 대해 타입-A 베인(65)을 피벗시킴으로써 달성되는데, 이는 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)에 대한 구동 바 리스트 핀(118) 연결부에서 구동 바(62)를 상향 견인한다. 크랭크(60)는 힘이 토크로 효율적으로 변환되게 하기 위해 킹 핀(105)의 중심선으로부터 오프셋되는 유용한 기하학적 위치에 위치설정될 수 있다. 또한, 크랭크(60)는 이때 킹 핀(105)의 중심선으로부터 얕은 각도에서 설정될 수 있는데, 이는 발생되고 있는 압력의 양이 유용한 토크를 발생시키도록 구성요소의 운동량에 효율적으로 추가될 수 있게 한다.
엔진이 약 225 크랭크 회전도에 도달할 때, 도 9g의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 연소 챔버(39)는 팽창 행정의 약 절반일 수도 있다. 차지는 이때 연소 챔버(39) 내에서 계속 연소 및 팽창하여, 구동 바(62)를 상향 견인하고 크랭크(60)를 반시계 방향으로 구동시키는 베인 조립체의 내부 표면적에 작용하는 압력을 통해 열역학적 에너지가 계속해서 유용한 토크로 변환될 수 있게 한다.
도 9h의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 엔진이 하사 중심과 등가인 피스톤에 있는 약 270 크랭크 회전도에 도달할 때, 연소 챔버(39)는 대략 최대 팽창 체적에 있다. 차지는 거의 완전히 팽창되고, 고온 배기 가스를 노출된 연소 배기 포트(41)를 통해 타입-B 측면 플레이트(32)의 비연소 챔버 측 상의 전달 채널(42) 내로 전달하기 시작한다. 배기 가스는 전달 채널(42)로부터 열 엔진 유입구 포트(44)를 거쳐 열 엔진 편향 돌출부(69) 주위에서 열 엔진 챔버(43) 내로 통과한다. 전달 채널(42)의 크기 및 형상은 발생된 압력 및 음파를 제어하기 위해 그리고 연소 챔버(39) 및 열 엔진 챔버(43) 내의 압력을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 크랭크(60)는 다시 변곡점에 존재한다. 연소 챔버(39) 및 열 엔진 챔버(43) 내의 노출된 베인 표면은 배기 가스를 압축하기 시작한다. 이는 가스의 온도를 더 증가시키고 또한 전달 채널(42)을 가압한다.
도 11을 참조하면, 엔진은 타입-A 베인(65)과 타입-B 베인(75) 사이의 열 엔진 챔버(43)와 소통하는 인젝터 단부를 갖는 물 인젝터(145)를 포함할 수 있다. 물 인젝터(145)는, 예를 들어, 엔진 사이클 당 1회 이상으로 열 엔진 챔버(43) 내의 고온 배기 가스로 수증기를 분무하기 위해, 거의 이 크랭크 각도(및/또는 다른 크랭크 각도)에서 활성화될 수 있다. 물은 거의 즉시 스팀으로 증발될 수 있으며 열 엔진 챔버(43) 압력을 상당히 증가시킬 수 있으며 또한 챔버를 냉각시킬 수 있어, 효율을 더 증가시킬 수 있다. 도 12를 참조하면, 대안적 실시예에서, 물 인젝터(145)는 타입-B 측면 플레이트 내에서 연소 배기 포트(41)와 열 엔진 유입구 포트(44) 사이에 연장되는 전달 채널(42)에 물을 제공하기 위해 타입-B 단부 플레이트(34)를 통해 타입-B 측면 플레이트(32)로 연장될 수 있다.
도 9i에 도시된 바와 같이, 엔진이 약 315 크랭크 회전도에 도달할 때, 열 엔진 챔버(43)는 연소 챔버(39)로부터 고온 가스를 수용하는 것이 거의 수행된다. 연소 챔버(39) 및 열 엔진 챔버(43) 포트 모두가 좁아지고 베인은 양 챔버 내에서 고온 가스를 계속 압축하는데, 이는 또한 열 엔진 사이클에서 이후까지 전달 채널(42) 내에 저장될 가스의 압력을 증가시킨다. 전달 채널(42)은 채널 내의 이용가능 표면적과 가스 사이의 열전달률을 감소시키도록 양극처리(anodized)되거나 또는 다르게 처리될 수 있으며, 이로 인해 가스가 그 열 및 압력을 유지할 수 있다.
도 9a의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 엔진이 상사 중심 및 최소 기생 체적과 등가인 피스톤에 존재하는 약 0 크랭크 회전도에 도달할 때, 연소 챔버(39) 내에 잔류하는 배기 가스는 베인 표면과 긴밀하게 접촉하여, 타입-A 측면 플레이트(31) 및 타입-B 측면 플레이트(32)의 매우 적은 부분이 노출되어, 이들 가스가 베인을 통해 냉각을 시작할 수 있게 한다. 연소 차지 유입구 포트(40)는 연소 챔버(39)와 소통하기 시작하고, 연소 배기 포트(41)는 여전히 연소 챔버와 소통하고 있으며 전달 채널(42)에 연결되어 있지만, 열 엔진 유입구 포트(44)는 차단된다. 흡기 공기 중 일부가 잔류 배기 가스의 일부를 블로우다운(blow down)할 수 있으며, 연소 챔버(39)로부터 차단되기 전에 전달 채널(42)을 추가로 가압할 수 있다. 열 엔진 챔버(43)는 최소 체적을 갖는 완전 압축을 달성할 수 있고, 팽창을 시작하기 전에 피벗 위상(pivoting phase)의 중간에 있다. 크랭크(60)는 다시 변곡점에 존재한다. 연소 챔버(39)는 반복적으로 이들 행정을 통해 사이클을 계속할 수 있다.
엔진의 열 엔진 기능과 관련하여, 엔진이 도 9b의 상위 반부에 도시된 바와 같이 약 45 크랭크 회전도에 도달할 때, 열 엔진 팽창 사이클이 시작된다. 이러한 엔진 위치에서, 열 엔진 챔버(43)가 엔진 효율을 증가시키도록 전체 팽창 행정을 증가시키게 허용함으로써, 더 많은 배기 가스 압력 및 열 에너지가 회수될 수 있다. 엔진이 물 인젝터(145)를 포함하는 경우, 예를 들어, 효율을 추가로 증가시키기 위해 물 액적을 스팀으로 즉시 증발시키고 열 엔진 챔버(43) 압력을 증가시키고 챔버를 냉각시키기 위해 이 크랭크 각도 근처에서 물 인젝터가 활성화될 수 있다(도 11 참조).
엔진이 도 9c의 상위 반부에 도시된 바와 같이 약 112.5 크랭크 회전도에 도달할 때, 열 엔진 챔버(43) 내의 가스는 여전히 팽창될 수 있다. 이때, 압축 공기는 타입-A 측면 플레이트(31) 내에서 수퍼차저 압축 공기 통로(51)로부터 열 엔진 블로우다운 포트(46)로 이어지는 통로를 통해 분사되어, 팽창 동안 온도를 감소시키고 압력을 증가시키는 것을 돕는다. 또한, 엔진 블로우다운 포트(46)는 엔진 제어 시스템이 블로우다운의 타이밍 및/또는 체적을 수정하는 것을 허용하기 위해, 그 내에 포함된 선택적인 제어 밸브(도시 생략)를 가질 수 있다.
엔진이 도 9d의 상위 반부에 도시된 바와 같이 약 135 크랭크 회전도에 도달할 때, 열 엔진 챔버(43)는 여전히 팽창하고 있고 압축된 블로우다운 공기를 주입할 수 있다. 이 지점 주위에서, 열 엔진 챔버(43)는 타입-A 베인(65)이 열 엔진 유입구 포트(44)를 노출시킴에 따라 전달 채널(42)과 재연결될 수 있다. 이는, 연소 배기 포트(41)가 여전히 개방된 상태였지만 열 엔진 유입구 포트(44)는 도 9a의 0 크랭크 회전도로 도시된 바와 같이 폐쇄되었을 때 저장되었던 연소 챔버(39)로부터의 일부 블로우다운과 조합되는 마지막 가압 배기 가스로부터 일부 추가적인 열역학적 에너지를 도입할 수 있다.
도 9e의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 엔진이 약 180 크랭크 회전도에 도달할 때, 열 엔진 챔버(43)는 여전히 팽창하고 있을 수 있으며, 타입-A 측면 플레이트(31) 내의 열 엔진 블로우다운 포트(46)는 열 엔진 편향 돌출부(79)에 의해 거의 차단될 수 있다. 이때, 전달 채널(42)은 여전히 열 엔진 유입구 포트(44)를 거쳐 열 엔진 챔버와 소통할 수 있고, 열 엔진 배기 포트(45)는 열 엔진 챔버에 노출되기 시작할 수 있다. 이 지점에서, 압축 공기의 감소된 유동이 열 엔진 챔버(43)를 통해 그리고 열 엔진 배기 포트(45) 외부에서 배기 개방부(129)에 연결된 배기 파이프(130) 내로 블로우다운될 수 있다.
도 9f의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 엔진이 약 202.5 크랭크 회전도에 도달할 때, 열 엔진 블로우다운 포트(46)는 차단될 수 있고, 열 엔진 배기 포트(45)는 열 엔진 챔버(43)에 완전히 노출될 수 있다. 타입-B 베인(75)이 열 엔진 배기 포트(45)를 향해 피벗함에 따라, 배기 가스가 열 엔진 배기 포트(45)를 통해 열 엔진 챔버(43)의 외부로 구동될 수 있다. 이는 챔버의 소기를 보조하는 가스 유동 내의 운동량을 생성할 수 있다. 이 소기는, 2행정 사이클 피스톤 엔진에 채용된 방법과 유사한 방식으로 반사된 압력파, 반사된 음파, 및/또는 공진을 생성하기 위해 조율된 배기 및/또는 배기에 발산-수렴 챔버를 사용함으로써 추가로 보조될 수 있다.
도 9g의 상위 반부에 도시된 바와 같이, 엔진이 약 225 크랭크 회전도에 도달할 때, 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)이 서로를 향해 피벗함에 따라 열 엔진 배기 포트(45)를 폐쇄하기 시작하고 배기 가스를 계속 배출시킴으로써 열 엔진은 그 배기 사이클을 완성할 수 있다. 이 피벗 동작은 열 엔진 챔버(43)의 체적을 감소시킨다. 열 엔진 유입구 포트(44) 및 배기 포트(45)는, 다음 열 엔진 사이클이 시작되기 전에 열 엔진 챔버(43) 내의 임의의 잔류 배기 가스의 약간의 기생 압축을 유발하도록 선택적으로 위치될 수 있다.
도 1 내지 도 7과 함께 설명된 엔진은 2개의 외부적으로 접근가능한 크랭크샤프트 조립체, 및 층 당 2개의 가변 체적 연소 챔버(39)를 형성하는 2개의 베인 조립체를 각각 갖는 2개의 엔진 층을 포함한다. 또한, 도 1 내지 도 7에 도시된 엔진은 베인 조립체 당 하나의 열 엔진 챔버(43) 뿐만 아니라 베인 조립체 당 2개의 수퍼차저 챔버(47)를 포함한다. 본 발명의 대안적 실시예는 더 많거나 더 적은 크랭크샤프트 조립체를 가질 수 있음이 이해된다. 또한, 대안적 실시예는, 개별적으로, 연소, 과급 및 열 엔진 작동을 위해 사용되는 대신에, 유체를 펌핑하거나 또는 다른 기능을 위해 사용되는 연소 챔버, 수퍼차저 챔버, 및 열 엔진 챔버로서 도 1 내지 도 7에 설명된 것과 같은 가변 체적 챔버를 포함할 수도 있다는 것이 이해된다. 또한, 이러한 대안적 실시예는 베인 조립체의 2개보다 더 많거나 더 적은 층을 포함할 수 있고, 층 당 2개보다 더 많거나 더 적은 베인 조립체를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 이러한 대안적 실시예는 연소 챔버, 수퍼차저 챔버 및 열 엔진 챔버로서 도 1 내지 도 7의 실시예에 설명된 타입의 하나 이상의 가변 체적 챔버를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
예를 들어, 도 18을 참조하면, 대안적 실시예의 가변 체적 챔버 장치의 각각의 층이 도시된다. 장치는 스파크 플러그(138) 및 4세트의 베인 조립체 포트 및 통로가 제공된 타입-B 측면 플레이트(32)를 포함할 수 있는데, 이는 연소 차지 유입구 포트(40), 연소 배기 포트(41), 열 엔진 유입구 포트(44) 및 열 엔진 배기 포트(45)를 각각 포함한다. 또한, 장치는 랩-어라운드(wrap-around) 편자(196)의 외부 에지를 따라 배치되는 냉각 핀(cooling fin)(30)을 포함한다. 인터쿨러 유체 통로(197) 및 수퍼차저 압축 공기 통로(51)가 편자(196)에 제공될 수 있다. 또한, 외부 수퍼차저 유입구 통로(57)는 주위 환경 측으로부터 타입-B 측면 플레이트(32)에 의해 부분적으로 형성된 외부 챔버로 편자(196)를 통해 연장할 수 있다. 블로우-오프 통로 및 밸브(122)가 외부 수퍼차저 유입구 통로(57)를 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)에 연결할 수 있다. 블로우-오프 통로 및 밸브(121)는 각각의 내부 수퍼차저 압축 공기 통로(51)를 주위 환경에 연결할 수 있다. 장치는, 킹 핀(105), 타입-A 리스트 핀(114), 타입-B 리스트 핀(116) 및 구동 바 리스트 핀(118)과 함께 연결되는, 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75), 타입-C 베인(85), 및 타입-D 베인(93)을 각각 갖는 4개의 베인 조립체를 추가로 포함할 수 있다. 베인 조립체는 연소 챔버(39) 및 열 엔진 챔버(43) 뿐만 아니라 각각 2개의 가변 체적 수퍼차저 챔버(47)를 형성할 수 있다. 베인 조립체는 구동 바(62)를 통해 2개의 내부 크랭크샤프트에 연결될 수 있다. 각각의 가변 체적 챔버(39)는 장치 레이아웃 주위에서 시계 방향으로 진행하는 이전의 챔버보다 90도만큼 더 회전될 수 있다. 12시 위치에 있는 가변 체적 챔버(39)는 기생 압축 위상(0 크랭크 회전도)에 있고, 9시 위치에 있는 가변 체적 챔버(39)는 완전 팽창에 있고 배기 위상(270 크랭크 회전도)을 시작하고, 6시 위치에 있는 가변 체적 챔버(39)는 완전 압축 위상(180 크랭크 회전도)에 있고, 3시 위치에 있는 가변 체적 챔버는 최대 체적(90 크랭크 회전도)에서 거의 완전한 흡기 위상에 있다. 이 배열은 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예와 비교할 때 개선된 균형을 가질 수 있고 4개 이상의 챔버를 요구하는 용례에 대해서 더 효과적일 수 있다.
도 19 및 도 20은 도 18과 유사하게, 연소 챔버(39) 및 열 엔진 챔버(43) 뿐만 아니라 2개의 가변 체적 수퍼차저 챔버(47)의 4세트를 형성하는 4개의 베인 조립체를 포함하는 가변 체적 챔버 장치의 2개의 또 다른 대안적 실시예를 도시한다. 도 19 및 도 20의 실시예는, 단일 크랭크샤프트(146)의 크랭크(142) 동작 동안 카운터-스핀을 제공함으로써 구동 바(62)의 동작을 제한하는 (도 22a 및 도 22b에 도시된) 기어 조립체 및 단일 크랭크샤프트(146)를 포함한다는 점에서 도 18의 실시예와 상이하다. 기어 조립체는 구동 바(62)가 크랭크샤프트(146) 및 베인 조립체의 중심에 대해 동일한 배향을 유지하면서 원형 경로를 따르게 할 수 있다.
도 19에 도시된 기어 조립체는 도 22a에 더 상세히 도시되어 있다. 도 19 및 도 22a를 참조하면, 기어 조립체는 타입-A 동심 크랭크샤프트(146)와 동심으로 장착되지만 그와 접경하지 않는 타입-A 태양 기어(157)를 포함할 수 있다. 타입-A 태양 기어(157)는 전체 장치에 대해 회전할 수 없도록 측면 플레이트(도시되지 않음)에 견고하게 부착될 수 있다. 크랭크(142)는 타입-A 동심 크랭크샤프트(146)에 견고하게 부착될 수 있다. 타입-A 유성 기어(159)는 타입-B 샤프트(150)에 부착되고 타입-A 태양 기어(157)와 맞물릴(enmeshed) 수 있다. 타입-B 샤프트(150)는 크랭크(142)를 통해 연장되고 타입-B 유성 기어(160)에 부착되어, 타입-A 유성 기어(159) 및 타입-B 유성 기어(160) 모두가 동기식으로 회전하게 할 수 있다. 타입-C 유성 기어(161)는 크랭크(142)에 의해 유지되고 타입-B 유성 기어(160)와 맞물리는 자유 스피닝 타입-A 샤프트(149)에 부착될 수 있다. 타입-C 유성 기어(161)는 주입된 카운터-스핀(imbued counter-spin)을 통한 구동 바 동작을 제한하고 그것을 단일 크랭크의 동작에 의해 제공되는 원형 경로를 중심으로 한 회전 없이 병진 이동하게 하는 방식으로 구동 바(62)에 견고하게 정합될 수 있다. 타입-B 태양 기어(158)는 타입-C 유성 기어(161)와 맞물릴 수 있고, 타입-A 동심 크랭크샤프트(146)와 동심이지만 동기화되지 않은 타입-C 샤프트(151) 상에서 크랭크(142)에 부착될 수 있다.
크랭크(142) 회전은 타입-A 유성 기어(159)가 타입-A 태양 기어(157)의 고정된 치형부에 대해 회전하게 할 수 있다. 이어서, 타입-A 유성 기어(159)는 타입-B 유성 기어(160)를 동기식으로 구동할 수 있는데, 이는 이들 사이에서 공통 맞물린 샤프트 때문이다. 타입-B 유성 기어(160)는 타입-C 유성 기어(161)를 구동할 수 있으며, 이는 타입-C 유성 기어(161) 상에 적절한 카운터-스핀을 생성하고 또한 타입-B 태양 기어(158)를 구동한다. 타입-C 유성 기어(161)에 대한 타입-A 태양 기어(157)의 최종 기어비는 적절한 카운터-스핀을 유도하도록 1:1로 설정될 수 있다. 타입-B 태양 기어(158)는 타입-C 유성 기어(161) 상에서 적절한 카운터-스핀을 위해 필요한 균형잡힌 힘을 유도하도록 자유롭게 회전되게 허용되어야 한다.
도 20에 도시된 기어 조립체는 도 22b에 더 상세히 도시되어 있다. 도 20 및 도 22b를 참조하면, 기어 조립체는 타입-C 태양 기어(162) 또는 링 기어(164)를 구동하기 위해 2개의 동심 샤프트, 구체적으로는 내부 타입-A 동심 크랭크샤프트(146) 및 외부 박벽 타입-B 동심 크랭크샤프트(147)를 포함할 수 있다. 동기화된 기어링(도시되지 않음)은 엔진 내의 공간 요건을 감소시키기 위한 임의의 위치에 위치될 수 있다. 동기화된 기어링은 크랭크(141)와 다른 각속도로 동심 샤프트를 회전시키기 위해 타입-A 동심 크랭크샤프트(146) 및 타입-B 동심 크랭크샤프트(147)를 연결할 수 있다. 타입-B 동심 크랭크샤프트(147)는 타입-D 유성 기어(163) 상의 적절한 카운터-스핀을 유도하도록 설정된 각속도로 타입-C 태양 기어(162) 또는 링 기어(164) 중 어느 하나를 구동할 수 있다. 타입-C 태양 기어(162)가 구동되면, 이는 일반적으로 주 크랭크샤프트 각속도보다 더 빠르게 구동되어야 한다. 링 기어(164)가 구동되면, 이는 일반적으로 상기 크랭크샤프트 각속도보다 더 느리게 구동되어야 한다. 비구동 기어는 적절한 카운터-스핀을 위해 필요한 힘을 유도하도록 자유롭게 회전하게 허용되어야 한다. 타입-D 유성 기어(163)는 요구된 카운터-스핀 회전을 전달하도록 구동 바에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링될 수 있고, 그에 의해 구동 바가 크랭크샤프트 주위의 원형 경로를 따르게 할 수 있게 한다.
도 23 및 도 24는 장치 층 당 단일 가변 체적 챔버를 형성하는 하나의 베인 조립체와 하나의 크랭크샤프트를 포함하는 가변 체적 챔버 장치의 2개의 다른 대안적 실시예를 도시한다. 도 23의 실시예는 기어 조립체(도 22c)를 포함할 수 있으며, 도 24의 실시예는 체인 및 기어 조립체를 포함할 수 있다. 도 23 및 도 24의 실시예의 엇갈리게 오프셋된 2개의 챔버 구성은, 구동 바 및 크랭크가 개별 층 내에서 오프셋되게 하고, 이에 의해 깊이를 증가시키는 대신에 장치의 폭을 감소시킴으로써 2개 이상의 챔버가 더 콤팩트한 엔진을 생성하게 할 수 있다. 가변 체적 챔버 장치는, 대안적으로, 적절한 균형(balancing)을 갖거나 또는 간단한 및/또는 더 고차인 조화 진동(harmonic vibration)을 상쇄하기 위해 적절한 속력에서 역회전 균형 샤프트(counter rotating balancing shaft)를 추가하는 단일 챔버만을 포함할 수 있다.
도 23 및 도 22c 실시예와 관련하여, 크랭크(143)는 타입-A 커플링 기어(166), 타입-B 커플링 기어(167), 및 크랭크샤프트(146)로부터 크랭크샤프트로의 1:1의 최종 비율을 갖는 타입-C 커플링 기어(168)로 구성된 기어 트레인에 부착될 수 있다. 구동 바를 위한 카운터-스핀 회전을 제공하기 위해, 타입-D 태양 기어(169)가 크랭크샤프트(146)에 동심으로 고정될 수 있고, 이를 측면 플레이트(도시되지 않음)에 부착함으로써 회전이 허용되지 않는다. 타입-E 유성 기어(170)가, 타입-E 태양 기어(171) 상에서 1:1의 최종 비율로 카운터-스핀을 유도하도록 크랭크(143)에 부착될 수 있다. 타입-E 유성 기어(170)는 구동 바를 원형 경로 동작으로 구속하기 위해 샤프트(149)를 통해 구동 바에 견고하게 부착될 수 있다.
도 24와 관련하여, 체인 또는 톱니형 벨트 조립체(172, 173)가 도 23에 도시된 기어 조립체 대신에 사용될 수 있다. 기구 또는 측면 플레이트가 의도된 설계 용례에서 상당한 온도 요동을 경험하는 경우 하나 이상의 인장 아이들러(tensioning idler)를 포함하는 것이 필요할 수 있다. 하나의 풀리가 크랭크샤프트에 동심으로 장착될 수 있고 회전이 허용되지 않는 한편, 다른 풀리는 적절한 카운터-스핀을 유도하도록 크랭크 상에 장착되고 구동 바에 부착된다. 이 구성은 체인 또는 톱니형 벨트가 적절한 결합으로 고정 풀리 주위를 서행하게 하여 다른 풀리 상에서 카운터-스핀 회전을 유도할 수 있게 한다. 상기 풀리는 1:1 비율로 기어 형성될 수 있는데, 이는 구동 바 동작을 순수한 병진 원형 경로로 제한한다.
내연 엔진으로서의 사용과 별개로, 설명된 가변 체적 챔버 장치는 펌프 또는 압축기로서의 동력 입력과 함께 또는 스팀 엔진 또는 압력 작동식 기계(가스 또는 액체를 사용함)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 펌핑 또는 압축을 위한 가변 체적 챔버 장치가 도 21에 도시되어 있다. 장치는 측면 플레이트(195)를 포함할 수 있으며, 상기 측면 플레이트는 냉각 핀(30) 벽을 포함하고 평행한 측면 플레이트(도시 생략)와 쌍을 이룰 때 외부 챔버(55)를 형성한다. 외부 수퍼차저 유입구 포트(57)가 외부 수퍼차저(도시 생략)로부터 외부 챔버(55)로 이어질 수 있다. 공기 흡기 통로(186)가 주위 환경으로부터 일방향 흡기 밸브(187)를 지나 4개의 피벗식으로 연결된 베인(191, 192, 193, 194)으로 구성되는 제1 베인 조립체를 위한 제1 공통 포트(165)로 연장될 수 있다. 4개의 베인의 각각의 세트는 킹 핀(105) 및 리스트 핀(114, 116 및 118)에 의해서 함께 피벗식으로 연결될 수 있다. 공통 통로(185)가, 4개의 피벗식으로 연결된 베인의 제2 세트로 구성되는 제2 베인 조립체를 위한 제2 공통 포트(165)로 제1 공통 포트(165)로부터 연장될 수 있다. 배기 통로(188)는 제2 공통 포트(165)로부터 일방향 배기 밸브(189)를 지나 펌프 또는 압축기 유출구 또는 저장부(도시 생략)로 연장할 수 있다. 각각의 베인 조립체는 펌프 챔버(190)를 형성할 수 있다. 베인 조립체는 크랭크샤프트(58)로부터의 입력 동작을 수용하는 구동 바(62)에 연결될 수 있다. 1회의 완전 크랭크 회전으로, 2개의 흡기 사이클, 2개의 압축 사이클, 및 2개의 출력 사이클을 완성하는 이러한 예에서는 평행사변형 또는 마름모꼴 가변 체적 챔버만이 사용된다. 포트는, 일 측면 상에서 신선한 공기가 진입하게 하고 다른 측면에서 압축 공기가 진출하게 하기 위해 측면 플레이트(195) 뒤에서의 일방향 밸브의 사용을 채용하는 중심 공통 포트 위치(165)로 단순화될 수 있다. 또한, 외부 챔버 영역(55)은 엔진 실시예에 비해 체적이 감소될 수 있고, 주위 환경 압력 근처로 유지될 수 있다. 펌프 챔버는 층 당 단일, 이중 또는 사중으로 구성될 수 있고, 이중 크랭크샤프트는 구동 바의 적절한 원형 병진이 발생하는 것을 보장하기 위해 적절한 기구를 갖는 단일 크랭크샤프트로 대체될 수 있다.
도 25에서, 구동 바 및 크랭크의 조합을 요구하지 않는, 대안적 실시예인 2-사이클 압축기가 도시되어 있다. 압축기는 타입-A 베인(65), 타입-B 베인(75), 타입-C 베인(85) 및 타입-D 베인(93)을 포함하는 베인 조립체를 둘러싸는 편자(101)를 포함한다. 타입-A 베인(65) 및 타입-B 베인(75)은 측면 플레이트(175, 176)에 대해 고정되는 킹 핀(105)에 대해 피벗된다. 배기 크랭크 조립체(176) 및 흡기 크랭크 조립체(177)가 타입-C 및 타입-D 베인(85 및 93)과 직접적으로 결합하고, 이는 카운터-스핀을 필요로 하지 않는다. 또한, 도 21에 도시된 예를 위한 이전에 요구되는 일방향 밸브는 각각의 측면 플레이트 내에 적절하게 위치되는 정합 통로를 갖는 크랭크 조립체(176, 177) 내에 적절하게 위치되는 포트를 도입함으로써 제거될 수 있다. 도 25의 펌프/압축기에서, 공기는 흡기 측면 플레이트(175) 내의 통로를 통해 그리고 흡기 크랭크 조립체(177) 내의 흡기 포트를 통해 흡인될 수 있다. 가변 체적 챔버가 요구되는 배향에 있을 때, 베인은 하나의 포트를 노출시키고 다른 3개를 차단한다. 2개의 배기 포트 및 통로가 배기 크랭크 조립체(176) 및 배기 측면 플레이트(174) 내에 위치될 수 있다. 이러한 2-사이클 압축기는 3개의 펌핑 챔버, 즉 주 평행사변형 또는 마름모꼴 챔버 및 상위 2개의 베인 위의 2개의 핀을 갖는 챔버(finned chamber)를 포함할 수 있다. 이는 도시된 바와 같이 큰 주 챔버 및 2개의 작은 챔버가 함께 작동하여 하나의 저장부를 충전하게 하거나, 측면 플레이트 내에 다른 적절한 통로를 채용함으로써 다단 압축기로서 교호식으로 구성될 수 있게 한다.
본 기술분야의 기술자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 필수적인 특성 또는 사상 내에서 다른 구체적인 형태로 구체화될 수 있다. 전술한 요소는 본 발명을 구현하기 위한 하나의 기술의 예시적인 예이다. 본 기술분야의 기술자라면, 청구항에 기재된 본 발명의 의도된 범주 내에서 많은 다른 구현예가 가능하다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 개시내용은 본 발명의 범주를 설명하려는 의도이지, 이를 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그 등가물의 범주 내에서 있는 한, 모든 그러한 수정 및 변형을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (44)

  1. 가변 체적 챔버 장치이며,
    제2 부재 내에 포함되는 제2 표면으로부터 이격되고 제2 표면에 대해 고정되는 제1 부재 내에 포함되는 제1 표면으로서, 제1 표면은 제1 기준 평면 내에서 연장하고, 제2 표면은 제2 기준 평면 내에서 연장하고, 제1 기준 평면은 제2 기준 평면에 평행한, 제1 표면,
    제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 제1 가변 체적 챔버로서, 상기 제1 가변 체적 챔버는 제1 표면, 제2 표면, 및 제1 베인, 제2 베인, 제3 베인 및 제4 베인을 포함하는 제1 조립체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 제1 가변 체적 챔버,
    제1 베인과 제2 베인 사이의 제1 피벗 연결부로서, 제1 피벗 연결부는 제1 표면 및 제2 표면에 대해 고정된 위치에 유지되는, 제1 피벗 연결부,
    제2 베인과 제3 베인 사이의 제2 피벗 연결부,
    제3 베인과 제4 베인 사이의 제3 피벗 연결부, 및
    제1 베인과 제4 베인 사이의 제4 피벗 연결부를 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 지점 및 제1 지점에서 원위에 있는 제2 지점을 갖는 구동 바를 더 포함하고,
    구동 바 제1 지점은 제3 피벗 연결부에서 제1 조립체에 연결되고,
    구동 바 제2 지점은 크랭크샤프트에 직접 또는 간접으로 연결되는, 가변 체적 챔버 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제1 가변 체적 챔버는 펌프 또는 압축기 내의 펌프 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 표면 내의 유입구 포트, 및
    제1 표면 또는 제2 표면 내의 유출구 포트를 더 포함하고,
    베인 조립체의 순환 이동은 제1 가변 체적 챔버와의 소통으로부터 유입구 포트 및 배기 포트를 반복적으로 노출 및 차단하는, 가변 체적 챔버 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제1 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 연소 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 베인-주변 구조체로서, 상기 베인-주변 구조체는 적어도 제1 베인의 부분 및 제2 베인의 부분을 둘러싸는, 베인-주변 구조체, 및
    제1 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제2 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  7. 제6항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 내부 수퍼차저 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    내부 수퍼차저 챔버를 연소 챔버에 연결하는 하나 이상의 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  9. 제6항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 열 엔진 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    연소 챔버를 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  11. 제6항에 있어서, 제2 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제3 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  12. 제11항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 제1 내부 수퍼차저 챔버이고, 제3 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 제2 내부 수퍼차저 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  13. 제11항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 내부 수퍼차저 챔버이고, 제3 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 열 엔진 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    제1 베인, 제2 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제4 가변 체적 챔버를 더 포함하고,
    제2 가변 체적 챔버는 제1 내부 수퍼차저 챔버이고, 제3 가변 체적 챔버는 제2 내부 수퍼차저 챔버이고, 제4 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 열 엔진 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    제1 내부 수퍼차저 챔버를 연소 챔버에 연결하는 하나 이상의 제1 작동 유체 통로, 및
    연소 챔버를 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    제1 표면과 제2 표면 사이에, 그리고 주위 환경과 제1 조립체 사이에 배치되는 외부 챔버를 더 포함하고,
    상기 외부 챔버는 주위 환경 압력보다 높게 가압되는, 가변 체적 챔버 장치.
  17. 제16항에 있어서, 외부 챔버를 가압하기 위한 외부 수퍼차저를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  18. 가변 체적 챔버 장치이며,
    제2 구조체 내에 포함되는 제2 표면으로부터 이격되고 제2 표면에 대해 고정되는 제1 구조체 내에 포함되는 제1 표면으로서, 제1 표면은 제1 기준 평면 내에서 연장하고, 제2 표면은 제2 기준 평면 내에서 연장하고, 제1 기준 평면은 제2 기준 평면에 평행한, 제1 표면,
    제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 제1 가변 체적 챔버로서, 상기 제1 가변 체적 챔버는 제1 표면, 제2 표면, 및 제1 베인, 제2 베인, 제3 베인 및 제4 베인을 포함하는 제1 조립체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 제1 가변 체적 챔버,
    제1 베인과 제2 베인 사이의 제1 피벗 연결부,
    제2 베인과 제3 베인 사이의 제2 피벗 연결부,
    제3 베인과 제4 베인 사이의 제3 피벗 연결부,
    제1 베인과 제4 베인 사이의 제4 피벗 연결부, 및
    제1 지점 및 제1 지점에서 원위에 있는 제2 지점을 갖는 구동 바를 포함하고,
    구동 바 제1 지점은 제3 피벗 연결부에서 제1 조립체에 연결되고,
    구동 바 제2 지점은 크랭크샤프트에 직접 또는 간접으로 연결되는, 가변 체적 챔버 장치.
  19. 제18항에 있어서, 제1 피벗 연결부는 제1 표면 및 제2 표면에 대해 고정된 위치에 유지되는, 가변 체적 챔버 장치.
  20. 제18항에 있어서, 제1 가변 체적 챔버는 펌프 또는 압축기 내의 펌프 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    제1 표면 내의 유입구 포트, 및
    제1 표면 또는 제2 표면 내의 유출구 포트를 더 포함하고,
    베인 조립체의 순환 이동은 제1 가변 체적 챔버와의 소통으로부터 유입구 포트 및 배기 포트를 반복적으로 노출 및 차단하는, 가변 체적 챔버 장치.
  22. 제18항에 있어서, 제1 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 연소 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 베인-주변 구조체로서, 상기 베인-주변 구조체는 적어도 제1 베인의 부분 및 제2 베인의 부분을 둘러싸는, 베인-주변 구조체, 및
    제1 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제2 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  24. 제23항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 내부 수퍼차저 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    내부 수퍼차저 챔버를 연소 챔버에 연결하는 하나 이상의 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  26. 제23항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 열 엔진 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    연소 챔버를 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  28. 제23항에 있어서, 제2 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제3 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  29. 제28항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 제1 내부 수퍼차저 챔버이고, 제3 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 제2 내부 수퍼차저 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  30. 제28항에 있어서, 제2 가변 체적 챔버는 내부 수퍼차저 챔버이고, 제3 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 열 엔진 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  31. 제28항에 있어서,
    제1 베인, 제2 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제4 가변 체적 챔버를 더 포함하고,
    제2 가변 체적 챔버는 제1 내부 수퍼차저 챔버이고, 제3 가변 체적 챔버는 제2 내부 수퍼차저 챔버이고, 제4 가변 체적 챔버는 내연 엔진 내의 열 엔진 챔버인, 가변 체적 챔버 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    제1 내부 수퍼차저 챔버를 연소 챔버에 연결하는 하나 이상의 제1 작동 유체 통로, 및
    연소 챔버를 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  33. 제18항에 있어서,
    제1 표면과 제2 표면 사이에, 그리고 주위 환경과 제1 조립체 사이에 배치되는 외부 챔버를 더 포함하고,
    상기 외부 챔버는 주위 환경 압력보다 높게 가압되는, 가변 체적 챔버 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    외부 챔버를 가압하기 위한 공기 압축기, 및
    공기 압축기를 외부 챔버에 연결하는 하나 이상의 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  35. 가변 체적 챔버 장치이며,
    제2 부재 내에 포함되는 제2 표면으로부터 이격되고 제2 표면에 대해 고정되는 제1 부재 내에 포함되는 제1 표면으로서, 제1 표면은 제1 기준 평면 내에서 연장하고, 제2 표면은 제2 기준 평면 내에서 연장하고, 제1 기준 평면은 제2 기준 평면에 평행한, 제1 표면,
    제1 표면과 제2 표면 사이에 배치되는 제1 가변 체적 챔버로서, 상기 제1 가변 체적 챔버는 제1 표면, 제2 표면, 및 제1 베인, 제2 베인, 제3 베인 및 제4 베인을 포함하는 제1 조립체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는, 제1 가변 체적 챔버,
    제1 베인과 제2 베인 사이의 제1 피벗 연결부,
    제2 베인과 제3 베인 사이의 제2 피벗 연결부,
    제3 베인과 제4 베인 사이의 제3 피벗 연결부,
    제1 베인과 제4 베인 사이의 제4 피벗 연결부,
    제1 베인 및 제2 베인의 적어도 일 부분을 둘러싸는 베인-주변 구조체, 및
    제1 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제2 가변 체적 챔버를 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    제1 가변 체적 챔버를 제2 가변 체적 챔버에 연결하는 하나 이상의 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  37. 제35항에 있어서, 제2 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제3 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    제1 가변 체적 챔버를 제2 가변 체적 챔버에 연결하는 하나 이상의 제1 작동 유체 통로, 및
    제1 가변 체적 챔버를 제3 가변 체적 챔버에 연결하는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  39. 제37항에 있어서, 제1 베인, 제2 베인 및 베인-주변 구조체에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 제4 가변 체적 챔버를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  40. 제39항에 있어서,
    제1 가변 체적 챔버를 제2 가변 체적 챔버에 연결하는 하나 이상의 제1 작동 유체 통로,
    제1 가변 체적 챔버를 제3 가변 체적 챔버에 연결하는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로, 및
    제1 가변 체적 챔버를 제4 가변 체적 챔버에 연결하는 하나 이상의 제3 작동 유체 통로를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  41. 제35항에 있어서,
    제1 표면과 제2 표면 사이에 그리고 주위 환경과 제1 조립체 사이에 배치되는 외부 챔버, 및
    외부 챔버를 주위 환경 압력보다 높게 가압하기 위한 외부 수퍼차저를 더 포함하는, 가변 체적 챔버 장치.
  42. 내연 엔진이며,
    가변 체적 내부 수퍼차저 챔버,
    가변 체적 연소 챔버,
    가변 체적 열 엔진 챔버,
    가변 체적 수퍼차저 챔버를 가변 체적 연소 챔버에 연결하는 하나 이상의 제1 작동 유체 통로, 및
    가변 체적 연소 챔버를 가변 체적 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로를 포함하는, 내연 엔진.
  43. 제42항에 있어서,
    가변 체적 수퍼차저 챔버를 가변 체적 열 엔진 챔버에 연결하는 하나 이상의 제3 작동 유체 통로를 더 포함하는, 내연 엔진.
  44. 제42항에 있어서,
    가변 체적 열 엔진 챔버 내로 또는 하나 이상의 제2 작동 유체 통로 내로 물을 분사하도록 구성되는 위치에서 내연 엔진 내에 배치되는 물 인젝터를 더 포함하는, 내연 엔진.
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