JP2016516947A - 可変圧縮比エンジン - Google Patents

Abstract

可変圧縮比内燃機関を提供するためのシステムおよび方法が開示されている。当該システムは、複数の回動メインベアリングキャップを用いて標準的なエンジンブロックに回動結合されたクランクシャフトを含み得る。当該システムは、エンジンの圧縮比を増減させるために、メインベアリングキャップ、したがってクランクシャフトを回動させ得る。当該システムは、メインベアリングキャップの一端を移動させるために、複数のアクチュエータも含み得る。クランクシャフトは、クランクシャフトの動力取り出し装置が静止している間にクランクシャフトが移動することを可能にして、従来の封止およびパワー取り出しを可能にするために、１つ以上のフレキシブルジョイントを備え得る。圧縮比は、使用中に連続的に変更することができ、エンジン管理システム全体に含まれ得る。

Description

関連出願の相互参照
本願は、両方とも「可変圧縮比エンジン」と題される、２０１３年５月３日に出願された米国仮特許出願番号第６１／８１９，０３２号および２０１３年５月１３日に出願された米国仮特許出願番号第６１／８２２，８０２号の優先権および利益を米国特許法第１１９条（ｅ）のもとで主張する。両出願は、まるで全体が後述されているかのように引用によって全文が援用される。

発明の背景
１．発明の分野
本発明の実施形態は、一般に可変圧縮比（variable compression ratio：ＶＣＲ）内燃機関に関し、具体的には圧縮比を変更するための可動クランクシャフトを有するＶＣＲ内燃機関に関する。

２．関連技術の背景
往復動内燃機関において、エンジンの圧縮比は、ピストンが下死点（bottom-dead-center：ＢＤＣ）に存在する際のシリンダの自由体積とピストンが上死点（top-dead-center：ＴＤＣ）に存在する際の自由体積との比として規定される。他の全てのことが同じなら、より高い圧縮比で運転されると、エンジンは、より効率的になり、かつ、より多くのパワーを生成する傾向がある。なぜなら、これにより熱効率が高くなるからである。たとえば、ディーゼルエンジンは、非常に高い圧縮比（１８：１以上）で運転され、この結果、圧縮点火が行われる（すなわち燃料に着火するのにスパークプラグまたは他の点火源が必要とされない）。ディーゼル燃料の熱含量をわずかに高くするとともにディーゼルエンジンの圧縮比をより高くすると、同等のガソリンエンジンよりも著しく良好な燃費（３０％以上）を提供するエンジンが得られる。

しかし、ガソリンエンジンでは、圧縮比を増加させることは、早期点火および／または「ノッキング」によって制限される。換言すると、圧縮比が十分に高い場合、ディーゼルのように、スパークプラグが着火する前に、燃料の圧縮によって燃料が点火（または「早期点火」）する。この結果、燃料／空気混合物が一様に燃焼するのではなく複数の面（multiple fronts）で爆発するためシリンダ温度および圧力が上昇するので、エンジンに対して損傷が与えられる場合がある。エンジンにおける最大許容圧縮比は、多くの要因によって制限され、当該要因としては、燃焼室およびピストンの設計、シリンダおよびピストンの冷却、エンジン負荷、気温および湿度が挙げられるが、これらに限定されるものではない。プロダクションエンジンにおいて使用される最大圧縮比は一般に、たとえば多様な動作条件および燃料品質を考慮に入れるために相対的に保守的である（自動車の場合は約１０．５：１であり、オートバイの場合は約１２．５：１）。

しかし、動作中の内燃機関において確実に構成要素を動かすことに関連付けられる困難さにより、全ての現在の大量生産されたエンジンは固定圧縮比で動作する。その結果、ストック圧縮比（stock compression ratio）は、より効率的であるが上記のノッキングにつながり得る高い圧縮比と、たとえば低品質の燃料、高負荷および／または高温を許容するが効率が低い低圧縮比エンジンとの間の妥協である傾向がある。

動作中に圧縮比を変更する能力によって、燃料効率が３５〜４０％以上向上され得る。例えば車両がハイウェイを走行している場合などの軽負荷の場合、圧縮比は著しく増加され得て、燃費が増加する。他方、エンジンが重負荷下にある場合、周囲温度が非常に高い場合、または燃料品質が低い場合、ノッキングを防止するために圧縮比は低減され得る。また、動作中に圧縮比を変更する能力によって、ターボチャージ、スーパーチャージおよび他の動力増幅装置（power adder）をはるかに効率的に組み込むことができる。

内燃機関の圧縮比を変更することを試みた多くの設計が存在する。可変圧縮比エンジン（variable compression ratio engine：ＶＣＲＥ）について、１１０年以上にわたって特許が出願されてきた。提案されたＶＣＲＥエンジンのうちのいくつかは、クランクケースに対してエンジンのシリンダブロック／ヘッドアセンブリ部分を上下させるというコンセプトに基づく。この構成では、上死点（ＴＤＣ）のピストンとシリンダヘッドとの間の距離が変更され得て、これによりエンジンの圧縮比が変更される。

ＵＳ６，９９０，９３３ Ｂ２および「Fahrzeugmotor mit einem Kurbeltrieb fiir eine variable Verdichtung（「可変圧縮のためのクランク機構を有する車両エンジン」）」と題される、２０１１年３月２４日に出願されたゼネラル・モーターズ社のＤＥ １０ ２００９ ０３８ １８０ Ａ１（′１８０号特許）などのいくつかの設計は、シリンダヘッドに対してクランクシャフトを垂直に（または実質的に垂直に）移動させることによって可変圧縮を実現する。しかし、この構成は、エンジンからのパワーの取り出しに関して課題を突きつけるものである。換言すると、従来の固定比エンジンは、エンジンの後部のクラッチまたはトルクコンバータ、および、エンジンの前部の付属の駆動装置（すなわちオルタネータ、パワーステアリングポンプなどを駆動するためのもの）に接続している。しかし、どちらか一方の端部においてクランクシャフトを効果的に結合および封止するためには、クランクシャフトが固定軸を中心に回転することが一般に必要である。′１８０号特許は、この動きを考慮に入れるために歯車駆動のスレーブシャフトを提案している。これは、クランクシャフトからのパワーを１８０度（歯車当たり９０度）回転させることを必要とし、システムに対して慣性および複雑さを追加する。

したがって、必要とされるものは、エンジンの重量または複雑さを不必要に増加させることなく内燃機関の圧縮比を変更するためのシステムである。当該システムは、クランクピンを含むクランクシャフトの部分（例えば接続ロッドに近接した部分）がシリンダヘッドに対して垂直に移動することを可能にするが、クランクシャフトの部分が固定軸を中心に回転することを提供し続けるべきである。この態様では、クランクシャフトの端部は、エンジンブロックを通って延在し、従来の態様で封止され得る。本質的に、必要とされるものは、可変圧縮比を生成するが、過去１２５年にわたる従来のエンジンと同様にクランクシャフトの少なくとも一部がブロック内の固定された位置において固定軸を中心に回転することを提供するエンジンである。当該システムは、従来の製造技術を使用して、とりわけパワー対重量比および燃料消費が向上した、容易に製造可能な信頼性のあるエンジンを提供すべきである。本発明の実施形態が主に向けられるのは、このようなシステムである。

発明の簡単な概要
本発明の実施形態は、一般に可変圧縮比内燃機関に関し、より具体的には、クランクシャフトの出力部が静止している間にクランクピンを含むクランクシャフトの部分を上下させることができる内燃機関を提供するためのシステムおよび方法に関する。当該システムは、クランクシャフトを並進または回転のいずれかで上下させることができる（例えば軸を中心に回動可能である）ように取り付けられたクランクシャフトを備え得る。クランクシャフト／ベアリングアセンブリを垂直に移動させて、低圧縮比（ＬＣＲ）モード、高圧縮比（ＨＣＲ）モード、またはそれらの間の多くの位置にエンジンを配置するために、さまざまな機構が使用可能である。

本発明の実施形態は、内燃機関のためのクランクシャフトを備え得る。いくつかの実施形態では、当該クランクシャフトは、第１の端部および第２の端部を備える第１の固定された動力取り出し装置（output）と、第１の端部および第２の端部を有し、１つ以上のクランクピンおよび２つ以上のメインベアリングジャーナルを備える中心部と、第１の端部および第２の端部を備える第２の固定された動力取り出し装置と、第１の動力取り出し装置の第２の端部を中心部の第１の端部に柔軟に結合するための第１のフレックスジョイント（flex joint）と、第２のフレックスジョイントの第１の端部を中心部の第２の端部に柔軟に結合するための第２のフレックスジョイントとを備え得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の動力取り出し装置は、固定された長手方向軸を中心に回転し得る。他の実施形態では、中心部は、第１の半径の周りを移動可能である。

いくつかの実施形態では、クランクシャフトが中間圧縮比（ＭＣＲ）位置にあるとき、第１および第２の動力取り出し装置は、２つ以上のメインベアリングジャーナルと実質的に同軸であり得る。フレックスジョイントは、例えばユニバーサルジョイント、ダブルカルダンジョイント、グィボー（guibos）、または定速ジョイントを含み得るが、これらに限定されるものではない。

また、本発明の実施形態は、ブロックとシリンダヘッドとを備える内燃機関において可変圧縮比を提供するためのクランクシャフトシステムを備え得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、クランクシャフトを備え得て、当該クランクシャフトは、第１の端部および第２の端部を備える第１の固定された動力取り出し装置と、第１の端部および第２の端部を有し、１つ以上のクランクピンおよび１つ以上のメインベアリングジャーナルを備える中心部と、第１の端部および第２の端部を備える第２の固定された動力取り出し装置と、第１の動力取り出し装置の第２の端部を中心部の第１の端部に柔軟に結合するための第１のフレックスジョイントと、第２のフレックスジョイントの第１の端部を中心部の第２の端部に柔軟に結合するための第２のフレックスジョイントとを備える。当該システムはさらに、メインベアリングジャーナルを回転可能に支持するための、第１の端部および第２の端部を有する複数のメインベアリングキャップを備え得て、第１の端部は、ブロックに回動結合される。当該システムはさらに、各々が複数のメインベアリングキャップの第２の端部に近接して配置され、第１の低圧縮比（ＬＣＲ）位置と第２の高圧縮比（ＨＣＲ）位置との間でクランクシャフトの中心部を移動させるための複数のアクチュエータを備え得る。好ましい実施形態では、第１および第２の動力取り出し装置は、固定された長手方向軸を中心に回転する。

いくつかの実施形態では、複数のアクチュエータは、油圧式リフタを備え得る。他の実施形態では、複数のアクチュエータは、各々が第１の端部および第２の端部を有する複数の追従部材（follower）を備え得て、第１の端部は、複数のメインキャップの第２の端部に回転可能に接続され、複数のアクチュエータはさらに、シャフトと、複数の追従部材に回転可能に係合された複数のローブ（lobe）とを備え、、第１の低圧縮比（ＬＣＲ）位置と第２の高圧縮比（ＨＣＲ）位置との間でクランクシャフトを移動させるためのカムシャフトを備え得る。他の実施形態では、複数のアクチュエータは、サーボモータを備え得る。

いくつかの実施形態では、クランクシャフトが中間圧縮比（ＭＣＲ）位置にあるとき、第１および第２の動力取り出し装置は、２つ以上のメインベアリングジャーナルと実質的に同軸であり得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、複数のメインベアリングキャップの第１の端部をブロックに回動結合するためのメインベアリングキャップ支持シャフトをさらに備え得る。他の実施形態では、当該システムは、複数のメインベアリングキャップの位置合わせを維持するために、複数のメインベアリングキャップの一部に近接して配置され、複数のメインベアリングキャップの一部に着脱可能に結合されたメインベアリングキャップ位置合わせシャフトをさらに備え得る。

また、本発明の実施形態は、可変圧縮比エンジンを提供するための短ブロックシステムを備え得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、第１の端部および第２の端部を有するクランクシャフトを備え得る。当該クランクシャフトは、第１の端部および第２の端部を備える第１の固定された動力取り出し装置と、第１の端部および第２の端部を有し、１つ以上のクランクピンおよび１つ以上のメインベアリングジャーナルを備える中心部と、第１の端部および第２の端部を備える第２の固定された動力取り出し装置と、第１の動力取り出し装置の第２の端部を中心部の第１の端部に柔軟に結合するための第１のフレックスジョイントと、第２のフレックスジョイントの第１の端部を中心部の第２の端部に柔軟に結合するための第２のフレックスジョイントとを備え得る。いくつかの実施形態では、当該システムはさらに、第１の前端部および第２の後端部を有するメインエンジンブロックと、メインベアリングジャーナルを回転可能に支持するための、第１の端部および第２の端部を有する複数のメインベアリングキャップとを備え得て、第１の端部は、エンジンブロックに回動結合され、当該システムはさらに、各々が複数のメインベアリングキャップの第２の端部に配置され、第１の低圧縮比（ＬＣＲ）位置と第２の高圧縮比（ＨＣＲ）位置との間でクランクシャフトの中心部を移動させるための複数のアクチュエータを備え得る。いくつかの実施形態では、第１および第２のフレックスジョイントの動力取り出し装置は、固定された長手方向軸を有し得る。

いくつかの実施形態では、クランクシャフトがＭＣＲ位置にあるとき、第１および第２の動力取り出し装置の長手方向軸は、クランクシャフトと実質的に同軸であり、第１および第２の動力取り出し装置の動力取り出し装置の長手方向軸は、ＬＣＲおよびＨＣＲ位置におけるクランクシャフトの長手方向軸からわずか０．５″以下オフセットされる。

いくつかの実施形態では、第１の動力取り出し装置は、第１のオリフィスを通ってメインエンジンブロックの前部に突き出る第１のクランクシャフト突出部（snout）と、第１のクランクシャフト突出部と第１のオリフィスとの間の間隙を封止するための第１のリップシールとをさらに備え得る。他の実施形態では、第２の動力取り出し装置は、第２のオリフィスを通ってメインエンジンブロックの後部に突き出る第２のクランクシャフト突出部と、第２のクランクシャフト突出部と第２のオリフィスとの間の間隙を封止するための第２のリップシールとをさらに備え得る。いくつかの実施形態では、第１のクランクシャフト突出部は、付属の駆動滑車およびバランサのうちの１つ以上に着脱可能に結合され得て、第２のクランクシャフト突出部は、フライホイールに着脱可能に結合され得る。

いくつかの実施形態では、ブロックは、複数のメインベアリングキャップの第１の端部を支持するための複数の支持台と、複数のメインベアリングキャップの第１の端部を複数の支持台に回動結合するためのメインベアリングキャップ支持シャフトとをさらに備え得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、メインベアリングキャップの位置合わせを維持するために複数のメインベアリングキャップに着脱可能に結合されたメインベアリングガードル（main bearing girdle）をさらに備え得る。他の実施形態では、複数のメインベアリングキャップの各々は、加圧されたオイルをメインベアリングジャーナルおよび複数のアクチュエータのうちの１つ以上に供給するための油路をさらに備え得る。

本発明のこれらのおよび他の目的、特徴および利点は、添付の図面とともに以下の明細書を読むとより明らかになるであろう。

本発明のいくつかの実施形態に係る、低圧縮比（ＬＣＲ）モードにおける第１の可変圧縮比エンジン（ＶＣＲＥ）の部分断面詳細図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、高圧縮比（ＨＣＲ）モードにおける図１のＶＣＲＥの部分断面詳細図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、６気筒ブロックを有するＶＣＲＥの底面斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、オイルパンおよび２つのアクセスパネルを有する図３ａにおけるＶＣＲＥの底面斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、出力シャフトハウジングおよび４気筒ブロックを有するＶＣＲＥの底面斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、低圧縮比（ＬＣＲ）モードにおける第２の可変圧縮比エンジン（ＶＣＲＥ）の部分断面詳細図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、高圧縮比（ＨＣＲ）モードにおける図４のＶＣＲＥの部分断面詳細図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、内部支持シャフトを有するＶＣＲＥの底面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、位置合わせバーを有するＶＣＲＥのための底部端の斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、スタッドガードルを有するＶＣＲＥの底部端の斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る、ＶＣＲＥのための例示的なオイル流路を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、ＶＣＲＥのための例示的なオイル流路を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、例示的な付属品および変速機と組立てられたＶＣＲＥの斜視図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、ＶＣＲＥの一実施形態のための幾何学的形状の図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、ＶＣＲＥのための例示的な制御システムの図である。

発明の詳細な説明
本発明の実施形態は、一般に可変圧縮比内燃機関に関し、より具体的には１つ以上の軸に沿って移動可能なクランクシャフトを有する内燃機関を提供するためのシステムおよび方法に関する。当該システムは、可動メインベアリングキャップに収容されたクランクシャフトを備え得る。当該システムは、従来のエンジン設計と同様にブロック上の固定された位置において１つ以上の実質的に固定されたパワー取り出し点を提供しながら、ピストンの最上部からのヘッドの距離、したがって圧縮比を調節するためにクランクシャフトがｙ軸において上下に移動することを可能にする。

当該システムは、クランクシャフトの移動を生じさせるためにさまざまな機械的、電気的、油圧式または空気圧式装置を使用することができる。いくつかの実施形態では、当該システムは、全てのメインベアリングキャップを一斉に移動させるためのローブを有するカムシャフト型システムを備えていてもよい。他の実施形態では、当該システムは、油圧式リフタ、サーボモータまたは歯車を利用してもよい。さらに他の実施形態では、当該システムは、メインベアリングに接続された偏心シャフトを使用してもよい。

説明を簡略化および明確化するために、当該システムは、以下ではガソリン内燃機関のためのシステムとして説明され、エンジン動作中に必要に応じて圧縮比を変更する。しかし、当業者は、本発明がそのように限定されるものではないということを認識するであろう。当該システムは、燃料の種類ごとに最適な圧縮比を提供するように、例えばフレックス燃料車で使用されてもよい。当該システムは、ガソリンを利用する場合の最適な圧縮比を提供するためにクランクシャフトを（ｙ軸上の）第１の位置に位置決めするように使用され得るが、例えば、メタン、エタノールまたは他の燃料が選択される場合の最適な圧縮比を提供するために、クランクシャフトは第２の位置に移動させることができる。このように当該システムを使用することにより、例えばエンジンが動作していない間にクランクシャフトを移動させることができ、そのため、制御システムが圧縮および燃焼の力に打ち勝つ必要がなくなる。また、当該システムは、ディーゼルエンジンの圧縮比を変更するように配備され得る。また、当該システムは、他のパワーエンジン動力増幅装置とともに、または他のパワーエンジン動力増幅装置の代わりに、配備されてもよく、他のパワーエンジン動力増幅装置としては、ターボチャージャ、スーパーチャージャ、亜酸化窒素、およびアルコールまたは水噴射が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明のさまざまな要素を構成するものとして以下に記載される材料は、例示的であるよう意図されており、限定的であるよう意図されるものではない。本明細書に記載されている材料と同一または同様の機能を実行するであろう多くの好適な材料が、本発明の範囲内に包含されるよう意図されている。本明細書に記載されていないこのような他の材料としては、例えば本発明の開発後に開発される材料を挙げることができるが、これに限定されるものではない。さまざまな図に記載されている寸法はいずれも、単に例示を目的としており、限定的であるよう意図されるものではない。他の寸法および比率も考えられ、本発明の範囲内に包含されるよう意図されている。

上記のように、エンジンにおいて圧縮比を変更するための従来のシステムおよび方法の問題は、従来のシステムおよび方法が極端に重く、複雑であり、不安定であることであった。圧縮比を変更するためにクランクシャフトを上下させることにより解決される１つの主な問題は、クランクシャフトが上下に移動したときにエンジン上のクランクケースをいかに封止するかということである。従来の固定されたクランクシャフトは、一般に、ニトリルゴムリップシールなどでどちらか一方の端部が封止される。これらのシールは、クランクシャフト上の噛み合い面が比較的きれいで平滑である場合には、オイルおよび他の流体における封止に非常に効果的である。しかし、クランクシャフトに何らかの損傷がある場合（例えば溝が経時的にシールによって摩耗する）、またはこれらのシールが汚い面の上に設置される場合には、これらのシールはそれほど有効ではない。これらのシールは、相当な距離を実際に移動していたクランクシャフトの封止には全く効果がないであろう。

必要とされるものは、パワー取り出し装置が静止している間にクランクピンを含むクランクシャフトの部分を移動させる方法である。とりわけ、タイミングベルト、付属の駆動ベルトにパワーを供給し、フライホイール（および始動装置）を取り付け、変速機にパワーを供給するために、Ｙ軸上を移動しているクランクシャフトをいかにうまく組み込むかということも、同様に取り組みがいのある課題である。過去１２５年の従来の車両設計は、これらの装置のためのパワーが、エンジンブロック内の固定された位置において固定軸を中心に回転するクランクシャフトによって提供されることに基づいている。これまでは、これらの課題が、クランクシャフトを上下させることによって可変圧縮比エンジンをうまく実現することを妨げていた。

可動クランクシャフトを利用するためのこれまでの取り組みは、これらの問題を解決するために２つの基本的な方法を試みてきた。例えばＤＥ ３ ６０１ ５２８ Ａ１（′５２８号特許）などのいくつかの先行特許は、偏心形状のベアリングハウジング内にクランクシャフトベアリングを取り付けることによってオイルシールの課題を解決しようと試みている。この態様では、偏心器が移動されると、クランクシャフトの回転軸も移動される。しかし、とりわけタイミングベルト、フライホイールおよび変速機と可動クランクシャフトとを噛み合わせるというより大きな課題は、′５２８号特許によって対処されているようには思えない。

上記のように、′１８０号特許を含むいくつかの先行特許は、クランクシャフトからオフセットされた補助スレーブシャフトを設けることによってこの問題を解決しようと試みている。これらの引例では、補助スレーブシャフトは、一般に、歯車セットを有するクランクシャフトに噛み合わせられる。しかし、この解決策にはいくつかの問題が残っている。例えば、加圧されたオイルが′１８０号特許のクランクシャフトにいかに供給されるかは明らかではない。また、クランクシャフトと補助シャフトとの間で歯車の係合を維持することは、回転速度（６０００〜７０００ＲＰＭ）およびクランクシャフトの非線形移動の両方の理由のために困難である。補助シャフトのオフセットにより、変速機および前部補助駆動装置が動力取り出し装置を再配置するためにオフセットされるか、または複雑かつ重い歯車セットを必要とすることになるであろう。さらに、これにより、自動車におけるとりわけ空間設計および重量およびバランスが、解決が困難になる。最後に、この設計は、クランクシャフトから９０度で駆動歯車に回転力を伝達し、次いで再び９０度で補助スレーブシャフトに回転力を伝達する際のトルク、運動量および慣性の課題も生じさせる。これまでは、上記の課題が、同様の設計が実現可能なエンジンをもたらすことを妨げていた。

必要とされるものは、クランクピンを含むクランクシャフトの部分がシリンダヘッドに対してＹ軸上で上下されることを可能にするが、クランクシャフトの部分が、固定された位置においてブロックを通って延在し、単一の固定軸を中心に回転することを維持するクランクシャフトを利用する設計である。これは、可変圧縮比エンジンを可能にし得るが、従来のエンジン設計と同様に、固定された位置においてタイミングベルト、付属ベルト、フライホイールおよび変速機にパワーを供給する。

これに応答して、図１および図２に示されるように、本発明の実施形態は、安定したパワー取り出しを提供しながら内燃機関の圧縮比を変更するためのシステムおよび方法に関する。この目的のために、図１は、低圧縮比（ＬＣＲ）構成における可変圧縮比エンジン（ＶＣＲＥ）１００のためのメインベアリングキャップ１０５の端面図を示し、図２は、高圧縮比（ＨＣＲ）構成における同一のエンジンを示す。従来のエンジンと同様に、ＶＣＲＥ１００は、回転クランクシャフト１１０と、接続ロッド１１５と、ピストン１２０とを備え得る。同様に、ブロック１２５およびヘッド１３０は、従来の態様で、すなわち大型のボルト（「ヘッドボルト」）および圧縮可能なガスケット（「ヘッドガスケット」）を用いて、ボルト留めされ得る。

しかし、従来のエンジンとは異なって、ＶＣＲＥ１００上のメインベアリングキャップ１０５は、シリンダヘッド１３０に対して移動させることができる。この態様では、ピストン１２０の最上部と燃焼室１３５の最上部との間の距離は、総燃焼体積（例えば、ヘッド＋ヘッドガスケット＋ピストンの上方の空間などにおける燃焼室１３５の容積）を増減させるように変更することができる。さらに、これにより、ＶＣＲＥ１００の圧縮比が変更される。

ＶＣＲＥ１００の圧縮比を変更するために、クランクシャフト１１０の一部（したがってロッドおよびピストン）は、ヘッド１３０に対して垂直に移動させることができる。示されているように、これは、メインベアリングキャップ１０５を一端を中心に回動させることによって実現可能である。これは、とりわけ重力（比較的小さな力）、慣性力、圧縮力、および特に燃焼力に打ち勝つことを必要とする。これらの力の制御が、可変圧縮比を有する先行の設計にとっての主な障害であった。しかし、後述されるように、いくらかの最小の側方への動きはとりわけロッド１１５の幾何学的形状およびピストンリングによって吸収され得るが、理想的には、往復動部品１１５，１２０の幾何学的形状を維持するためには、ヘッド／ブロックアセンブリ１２５，１３０の移動は、ｙ軸における移動（すなわち純粋に垂直な移動）のみに実質的に限定されるべきである。

これに応答して、本発明の実施形態は、クランクシャフト１１０の移動を制御するために複数の装置を備え得る。いくつかの実施形態では、例えば、クランクシャフト１１０は、好適なベアリング１０７を用いて回動メインベアリングキャップ１０５に取り付けられ得る。従来の設計と同様に、メインベアリング１０７は、例えば滑り軸受、ニードル軸受またはころ軸受を含み得るが、これらに限定されるものではない。回動メインベアリングキャップ１０５は、第１の端部１０５ａでブロック１２５に回動結合され、第２の端部１０５ｂでアクチュエータ１４０に結合され得る。図１を図２と比較して示されるように、これは、メインベアリングキャップ１０５が第１の半径（Ｒ１）の周りを回転することを可能にし得て、さらに、第２の半径（Ｒ２）に沿ってクランクシャフト１１０を回転させる。対称的なエンジン設計、すなわちクランクシャフト１１０の中心がキャップ１０５にある設計では、Ｒ２はＲ１の半分であり得る。当然のことながら、この比率（Ｒ２／Ｒ１）を増減させて、例えば圧縮比の変化、機械的利点または位置決め精度を向上させるために、他の幾何学的形状が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、図１および図２に示されるように、ベアリングキャップ１０５の第１の端部１０５ａは、シャフト１５０および台１５５（すなわちシャフトによって取り付けられたロッカーアームと同様のもの）を用いてブロック１２５に回動可能に取り付けられ得る。他の実施形態では、図４および図５に示されるように、シャフト１５０およびベアリングキャップ１０５のための設備は、一体型のまたは複数部品のブロック１２５に直接鋳造され得る。

いくつかの実施形態では、ベアリングキャップ１０５の第１の端部はほとんど回転しないので、ベアリングキャップ１０５の第１の端部１０５ａは、単にシャフト１５０上に取り付けられた機械加工面であり得る。他の実施形態では、ベアリングキャップ１０５の第１の端部１０５ａは、例えば滑り軸受、ころ軸受およびニードル軸受を含み得るが、これらに限定されるものではない。さらに他の実施形態では、ベアリングキャップ１０５は、従来の型打ちされたロッカーアームで使用されるものと同様の玉継ぎ手、ソケット継ぎ手およびロックナットにより取り付けられてもよい。

キャップ１０５の第２の端部１０５ｂは、キャップ１０５をシャフト１５０を中心に回動させることができるように回動機構１４０に接続され得る。いくつかの実施形態では、図１および図２に示されるように、キャップ１０５の第２の端部１０５ｂは、ドッグボーン（dog bone）１４５または他の好適な連結器によって偏心器またはカム１４０に接続され得る。通常通り、カム１４０は、中心シャフト１４０ａと、偏心器１４０ｂとを備え得る。この態様では、カム１４０を回転させると、ドッグボーン１４５は、ベアリングキャップ１０５の位置合わせを維持するためにベアリングキャップ１０５を一斉に上下させ得る。いくつかの実施形態では、カム１４０は、内歯車もしくは外歯車１４７または他の好適な手段によって回転させられ得る。図６を参照されたい。

当然のことながら、キャップ１０５を回動させるために他の機構またはアクチュエータ１４０が使用されてもよい。例えば、各キャップ１０５は、油圧式リフタ上に取り付けられ得て、全てのリフタは、共通の油圧式または空気圧式回路上にある（例えばエンジンオイル圧力または別個の油圧式もしくは空気圧式回路を用いる）。この態様では、キャップ１０５を一斉に移動させるために油圧または空気圧が使用され得る。他の実施形態では、キャップ１０５は、例えばサーボモータ、リニアサーボ、油圧式または空気圧式ラム、形状金属合金（shape metal alloy：ＳＭＡ）または磁気レオロジアクチュエータであるがこれらに限定されないものを用いて移動されてもよい。いくつかの実施形態では、アクチュエータ１４０は、ベアリングキャップ１０５を「デフォルト」位置（例えばＨＣＲまたはＬＣＲ位置）に戻すためにばねも含み得る。いくつかの実施形態では、ばねは、例えば従来の巻きばね、ＳＭＡ、「マウス」型ばね、またはトーションバーを含み得るが、これらに限定されるものではない。

上記のように、クランクシャフト１１０を上下させることに関連付けられるいくつかの問題がある。１つの問題は、従来の一体型のクランクシャフトが使用される場合、ブロックから突き出るクランクシャフト１１０の端部を封止することは、不可能ではないにしても困難である。従来のリップシールは、例えば、単にこの小さな移動（用途によって約０．２″）さえ封止するのに十分に柔軟ではない。その結果、これらのタイプのシールは、すぐに漏出および／または故障が生じる可能性があるだろう。第２の問題は、クランクシャフト１１０が静止していないときに例えば後部の変速機および前部の付属の駆動装置のためにクランクシャフト１１０からパワーをいかに確実に取り出すかということである。例えば、とりわけ変速機の重量および複雑さのために、クランクシャフト１１０とともに変速機を上下に移動させることは実施可能ではない。この目的のために、本発明の実施形態は、１つ以上の可動構成要素および１つ以上の固定出力点を有するクランクシャフト１１０を提供するためのシステムおよび方法も備え得る。

例えば図３ａに示されるように、いくつかの実施形態では、システム３００は、１つ以上のフレックスジョイント３１０を含む本質的に一体型のクランクシャフト１１０であるものを備え得る。クランクシャフト１１０のメインベアリングジャーナルは、上記のように、すなわち上記の回動ベアリングキャップ１０５を用いて、取り付けられ得る。これにより、クランクピンを含むクランクシャフト１１０の部分（すなわち接続ロッド１１５が貼り付けられるクランクシャフト１１０の中心）をシリンダヘッド１３０に対して上下させることができる。さらに、フレックスジョイント３１０は、従来のエンジンと同様に、クランクシャフト１１０が、固定された長手方向軸に沿ってエンジン１００の前部および後部に直接パワーを供給することを可能にし得る。この構成では、クランクシャフト１１０は、共有の固定軸Ｌ_１上の固定された位置においてブロック１２５を通って延在しており、歯車駆動装置または他の複雑かつ非効率な手段を必要とすることなく、従来の態様でパワーを供給する（例えばハブアセンブリ、バランサ、駆動滑車、フライホイールにパワーを供給するか、または変速機に直接パワーを供給する）。示されているように、クランクシャフト１１０の突出部３１５は、従来の態様で、従来のオイルシール３２０を用いて、ブロックを通って突き出ていてもよい。

図３ａにも示されるように、いくつかの実施形態では、例えば４気筒ＶＣＲＥエンジン１００のためのブロック１２５は、従来の６気筒エンジンのためのブロックのものと実質的に同様であり得る。この態様では、従来の成熟した製造技術を使用して、比較的低い製造コストで高い品質を提供することができる。この構成では、ジョイント３１０は、以前は従来の６気筒のシリンダ１および６におけるピストンおよびロッドによって占められていた位置を実質的に占め得る。

この構成では、例えばシリンダヘッド１３０、バルブカバーおよびブロックは、４気筒エンジン向けにサイズ決めされ得るが、クランクケースは、本質的に６気筒エンジンのサイズである。しかし、例えばエンジン１００の前部（通常、付属品は全面的にエンジンの前部に取り付けられるであろう）のこの領域の上に付属品を配置することによって、この空間を効率的に使用することができる。また、これらの張り出し部の最上部または底部は、メンテナンスコストを最小化するようにフレックスジョイント３１０を交換または点検するためにプレートまたは点検ポートを含み得る。

図３ｂに示されるように、図３ａに示される構成では、システム３００は、１つ以上の点検カバー３２５と、従来のオイルパン３３０とを含み得る。点検カバー３２５は、エンジンを車両から取外すことなく、フレックスジョイント３１０を必要に応じて便利に検査および点検することを可能にし得る。オイルパン３３０は、従来のオイルパンと同様に、例えばオイルポンプのためのサンプ、ドレーンプラグ、バッフル、および他の構成要素を含み得る。カバー３２５およびオイルパン３３０は、従来の態様で（例えばシリコーンまたはガスケットを用いて）封止され得て、ボルトまたは他の好適な手段を用いてブロック１２５に貼り付けられ得る。

また、出力シャフトベアリングに対してかけられる燃焼または圧縮力はないので、エンジンブロックは、フレックスジョイントを収容するためにブロックの前部および後部に位置する「ノーズコーン」を追加して、４気筒エンジンと本質的に同じサイズにされ得る。この設計は、メンテナンスまたは交換が必要である場合にフレックスジョイントへのより容易なアクセスを可能にするという追加の利点を有する。

図３ｃに示されるように、システム３５０は、１つ以上の出力テールシャフトハウジング３６０を有する４気筒ブロック３５５を備え得る。この態様では、エンジン３５０は、４気筒エンジンと実質的に同じサイズおよび重量を有し得る。また、テールシャフトハウジング３６０は、例えばボルトおよび適切なシール（例えばシリコーン、Ｏリング、ガスケットなど）によりエンジン３５０に着脱可能に結合され得る。この構成では、テールシャフトハウジング３６０は、フレックスジョイント３１０を点検できるようにするために取外されることができる。いくつかの実施形態では、テールシャフトハウジングは、テールシャフトハウジング３６０を通って突き出るクランクシャフト突出部３１５を封止するためにシール３６５（例えば従来のリップシール）も備え得る。いくつかの実施形態では、テールシャフトハウジング３６０は、クランクシャフト突出部３１５を支持するためにブッシングまたはベアリングをさらに備え得る。ブッシングは、例えば変速機テールシャフトにおいて使用されるものと同様の青銅ブッシングであり得る。ベアリングは、例えば滑り軸受、ころ軸受またはテーパ軸受であり得るが、これらに限定されるものではない。

いくつかの実施形態では、図４ａ〜図４ｂおよび図５に示されるように、ブロック１２５は、メインベアリングキャップ１０５がブロック１２５内で回動することを可能にするためにポケット５２０ａ，５２０ｂを備えるようにビレットまたは鋳造物から機械加工され得る。いくつかの実施形態では、ブロック１２５は、回動シャフト１５０およびアクチュエータシャフト１４０ａを収容するために１つ以上のボス５２５ａ，５２５ｂもそれぞれ備え得る。この態様では、例えば回動シャフト１５０は、メインベアリングキャップ１０５がそこで回動することができるように、ブロック１２５の前部のボス５２５ａを通して、メインベアリングキャップ１０５を通して挿入され得る。いくつかの実施形態では、シャフト１５０は、ねじ山５１０を含み得て、ブロック１２５に螺合され得る。いくつかの実施形態では、ブロック１２５は、加圧されたオイルを回動シャフト１５０、メインベアリングキャップ１０５、メインベアリング１０７および／またはアクチュエータ１４０に供給するためにオイル通路５１５も含み得る。

いくつかの実施形態では、アクチュエータシャフト１４０ａは、ブロック１２５の後部のボス５２５ｂを通して、ドッグボーン（もしくは追従部材）１４５または他の始動手段を通して挿入され得る。いくつかの実施形態では、ボス５２５ｂは、加圧されたオイルをアクチュエータシャフト１４０ａ、アクチュエータ１４０、ドッグボーン１４５、メインベアリングキャップ１０５、メインベアリング１０７および／または回動シャフト１５０を介して供給するための油路としての役割も果たし得る。いくつかの実施形態では、回動シャフト１５０およびアクチュエータシャフト１４０ａのうちの一方が、オイル供給部としての役割を果たし得る一方、回動シャフト１５０およびアクチュエータシャフト１４０ａのうちの他方が、オイル戻り部の役割を果たし得る。

いくつかの実施形態では、図３ａ、図６および図７に示されるように、これらのジョイント３１０は、示されているようにダブルカルダンジョイントを備え得て、動力取り入れ装置３１０ａと、中心ヨーク３１０ｃと接続された２つのユニバーサルジョイント３１０ｂと、動力取り出し装置３１０ｄとを含み得る。この態様では、クランクシャフト１１０は、動力取り出し装置３１０ｄが静止したままであることを可能にしながら本質的に一体型のクランクシャフト１１０としての役割を果たし得る（すなわちパワーがシャフトを介して直接伝達される）。この態様では、従来のシール、駆動システム、フライホイールおよび他の構成要素は、従来のエンジンと本質的に同じままであることができる。これにより、複数のスレーブシャフト、歯車または他の連結機構のとりわけ重量、複雑さおよび機械的非効率が排除される。

当然のことながら、フレックスジョイント３１０は、例えば単一のユニバーサルジョイント、トラクタジョイント、ルゼッパジョイント、ワイスジョイント、トライポッドジョイント、トンプソンカップリング、マルペッチジョイント、フレックスディスク（または「グィボー」）、ジョーカップリング、およびその他のフレキシブル駆動ジョイントも含み得るが、これらに限定されるものではない。例示を容易にするために、ダブルカルダンタイプのジョイントが示されているが、最適なジョイントは、とりわけエンジン出力、シリンダの数、高調波および振動に基づいて各製造業者によって決定されるであろう。

これらのジョイント３１０を用いることにより、固定された位置におけるブロック１２５に動力取り出し装置３１０ｄを従来通り取り付けることができる。これにより、加圧給油によって例えば従来の滑り軸受またはころ軸受に動力取り出し装置３１０ｄを回転可能に取り付けることができる。また、この固定された取り付けにより、従来のリップまたはロープシールを用いて（例えば従来の「前部および後部メインシール」を用いて）、または他の好適な手段を用いて、動力取り出し装置３１０ｄを封止することができる。いくつかの実施形態では、ジョイント３１０は、エンジンのサンプからのオイルでオイル飛散が起こる可能性がある。他の実施形態では、ジョイント３１０を潤滑するために、ピストン冷却のために使用されるものなどの１つ以上の加圧オイルジェットが設けられてもよい。さらに他の実施形態では、出力シャフトは、ブロック上の固定された位置に位置するハブアセンブリにパワーを供給し得る。これにより、加圧されたオイルをハブベアリングに供給する必要性を無くすことができる。この実施形態は、通常メインベアリング１０７に対してかけられる燃焼および圧縮負荷を無くし、その結果、ハブアセンブリにおいて一般に見られる従来のころ軸受などの使用を可能にする。

ジョイント３１０は、エンジンのトルクを動力取り出し装置３１０ｄに伝達するように適切にサイズ決めされ得る。しかし、注目すべきは、後輪駆動車両における従来のｕジョイントが、（例えば第１段において概して３倍を超えて）変速機によって増大された後にエンジンからのトルクを差動装置に確実に伝達することである。その結果、ジョイント３１０は、従来の駆動シャフトｕジョイントまたはＣＶジョイントと比較して、比較的小さく、軽量であり得る。また、後述のように、少なくともクランクシャフト１１０を移動させなければならない距離が非常に小さいという理由で、ジョイントは非常にきれいな環境にあり、ジョイント３１０は潤滑を行うことができ、ジョイント３１０の耐用寿命は、約１００，０００マイル以上である従来の駆動シャフトｕジョイントの寿命を満たすか、またはそれを超えるはずである。

いくつかの実施形態では、ブロック１２５は、従来の６気筒と同様に７つのメインベアリングキャップ１０５を備え得て、番号１および７のベアリング１０５がクランクシャフト１１０の動力取り出し装置３１０ｄ部分を回転可能に支持している。他の実施形態では、図５に示されるように、ブロック１２５は、クランクシャフト１１０のメインベアリング１０７を支持するために５つのメインベアリングキャップ１０５を備え得て、クランクシャフト１１０の動力取り出し装置３１０ｄ部分は、別個のベアリング５３０に支持され得る。さらに他の実施形態では、例えば低速または低馬力用途のために、従来のＶ８エンジンと同様にわずか３つのメインベアリングキャップ１０５（すなわちクランクシャフト１１０スロー（throws）の対ごとに１つのベアリングキャップ１０５）が使用され得て、動力取り出し装置３１０ｄは、別個のベアリング５３０に支持されている。メインベアリング１０７および出力ベアリング３１７は、滑り軸受、ころ軸受およびニードル軸受を含むがこれらに限定されない、当該技術分野において公知の多くのタイプのベアリングを備え得る。

いくつかの実施形態では、図６に示されるように、キャップ１０５は、１つ以上の位置合わせバー６０５をさらに備え得る。位置合わせバー６０５は、例えばアクチュエータ１４０の上方に位置し、キャップ１０５が一斉に移動することを確実にするようにボルト留めされ得る（またはそうでなければ、キャップ１０５に着脱可能に結合され得る）。他の実施形態では、システムは、キャップの位置合わせを維持するために、例えばキャップの第１の端部１０５ａ、中央および第２の端部１０５ｂに位置する複数の位置合わせバー６０５を備え得る。位置合わせバー６０５は、例えばアルミニウム、鋼、鋳鉄、複合物、またはこれらの組み合わせを含み得る。キャップ１０５の位置合わせを維持することは、とりわけ振動およびベアリング摩耗を減少させることに役立ち得る。

いくつかの実施形態では、図７に示されるように、キャップ１０５の位置合わせは、高性能エンジンで見られるものなどの外部スタッドガードル７０５を用いて維持され得る。スタッドガードル７０５は、比較的高い引張強度および高い剛性を有する鋳造または機械加工されたブレースを備え得る。スタッドガードル７０５は、例えばアルミニウム、鋼、鋳鉄、複合物、またはこれらの組み合わせを含み得る。示されているように、ガードル７０５は、延長されたスタッド上に取り付けられるか、またはキャップ１０５にボルト留めされ得て、キャップ１０５の剛性および安定性を増加させることができ、実質的にモノリシックのユニットが作製される。従来の用途と同様に、ガードル７０５は、とりわけ位置合わせの問題および側方負荷を防止することに役立ち得て、ベアリングの寿命を延ばし、振動を減少させる。

図８ａおよび図８ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、加圧されたオイルをベアリングキャップ１０５および／またはベアリング１０７に供給するために、シャフト１５０および／または台１５５が使用され得る。いくつかの実施形態では、加圧されたオイルは、ブロック１２５における油路を介して、台１５５、シャフト１５０およびベアリングキャップ１０５を直接介して供給され得る。他の実施形態では、加圧されたオイルは、エンジンの一端から中空のシャフト１５０を介して供給され、（従来のメインベアリングに見られるものと同様の）給油孔および通路を介してベアリングキャップ１０５に供給され得る。このように、加圧されたオイルは、メインキャップ１０５における通路を介してメインベアリング１０７および／またはキャップ１０５の第２の端部１０５ｂおよび回動機構１４０に供給され得る。他の実施形態では、加圧されたオイルは、シャフト１４０ａまたは第２の端部１０５ｂに関連付けられた他の手段を介して供給され得る。いくつかの実施形態では、回動シャフト１５０およびアクチュエータシャフト１４０ａのうちの一方が、オイル供給部としての役割を果たし得る一方、回動シャフト１５０およびアクチュエータシャフト１４０ａのうちの他方が、オイル戻り部としての役割を果たし得る。

図９に示されるように、システム１００アーキテクチャは、従来の態様で封止され得て、従来の態様で従来の構成要素と連携する可変圧縮比エンジン９００を可能にする。示されているように、バランサ９０５および前部滑車９１０は静止しており、前部付属品（例えばオルタネータ９１５）のための便利なパワー取り出しを可能にし、必要に応じてタイミングベルト９２０を駆動する。また、後部動力取り出し装置３１０ｄが静止しているので、クランクシャフト１１０は、従来の態様で従来の変速機９２５に容易に接続されることができる。

実施例１
以下の表１は、多様なエンジン構成に好適な寸法を含む。以下で使用される厳密な寸法は、ゼネラル・モーターズ社によって生産されたユビキタス３５０ｃ．ｉ．（５．７Ｌ）「スモールブロック」シボレーエンジンに共通である。

エンジンの総燃焼室容積、すなわちピストンが上死点（ＴＤＣ）に存在する際のピストンの上方の総容積であるＶ_ＴＤＣは、以下に等しい。

式中、Ｖ_ＣＣ＝シリンダヘッド燃焼室容積であり、Ｖ_ＨＧ＝シリンダヘッドガスケット容積であり、Ｖ_ＰＤ＝ピストンドーム容積であり、Ｖ_ＰＨ＝ピストン高さによる容積である（すなわちシリンダブロック未満のピストン高さは＋であり、シリンダブロックを上回るピストン高さはマイナスである）。例えば上記のＬＣＲの例では、総燃焼室容積は、以下によって示される。

式中、１６．３８７は、立方インチからｃｃへの換算係数である。同様に、ピストンが下死点（ＢＤＣ）に存在する際のシリンダの容積であるＶ_ＢＤＣは、以下に等しい。

上記のＬＣＲの例では、以下のようになる。

最終的に、圧縮比は、以下のように計算され得る。

表１に示されるように、ピストン１２０の面積が大きいために、ピストン高さの比較的小さな変更が総燃焼室容積（したがって圧縮比）の著しい変化を生じさせることになる。上記のように、これにより、負荷、温度、燃料品質などに応じてエンジンがより効率的に動作することが可能になり得る。上記の例では、例えば７．７９：１の圧縮比は、かなり低く、爆発の恐れなしにほとんどいかなる燃料にも有効であろう。この低い圧縮比は、重負荷下で、時には低品質の「オフロード」燃料で動作する例えば古いピックアップトラックエンジンと同レベルである。また、この低い圧縮比を利用して、爆発なしに極めて効率的なターボチャージまたはスーパーチャージを提供することができる。これにより、４気筒２．５Ｌエンジンは、例えば５．０リットルＶ−８よりも多くのトルクおよび馬力を生成することが可能になり得る。

一方、圧縮比が９．４３：１である中間圧縮比（ＭＣＲ）は、優れた中間負荷／中間品質燃料圧縮比である。これは、９．０：１〜１０．５：１である傾向がある多くの現在のエンジンの圧縮比の範囲内である。これにより、エンジンは、多様な状況において、またはかなり多様な燃料品質でかなり効率的に動作することが可能になり得る。適切な冷却（例えば事後または中間冷却）により、このＭＣＲも、ターボまたはスーパーチャージャからの比較的少量のブースト（例えば５〜６ＰＳＩ）とともに使用されることができ、パワーおよび効率を向上させる。

最後に、１２．１１：１の高圧縮位置は、従来のエンジンにおける標準的な「ポンプ」ガソリンのための圧縮比の限界に近付いている。現在のところ、より高い圧縮比は、一般にエキゾチックなスポーツカーおよびオートバイのために確保されている。およそ１２：１の「標準的な」圧縮比の限界は、例えば直接噴射およびノックセンサなどであるがこれらに限定されないものの注意深い燃焼室の設計および特別な制御により上昇させることができ、スパークおよび燃料送達の制御を可能にして爆発を減少させる。しかし、これらの特徴は、この性能を実現するために高価な電子機器、ポンプおよび燃料噴射器を必要とする可能性がある。しかし、本発明の実施形態は、高価な構成要素および制御機構に起因するのではなく、エンジンが動作している条件が適切である（例えば高品質燃料、低い周囲温度など）場合に、非常に高い圧縮比の使用を可能にし得る。これにより、比較的従来のエンジン設計は、爆発または他の有害な副作用なしに非常に高い圧縮比の性能および効率を向上させることが可能になり得る。

高い圧縮比（例えば１１．５：１以上）を利用する主な利点は、信号でのアイドリングおよび／またはハイウェイ速度での走行などエンジンが軽負荷下にある場合に達成される効率および燃費の向上である。この軽負荷下で圧縮比を増加させる能力により、燃費が著しく向上する（３０％以上）。

当然のことながら、本発明の実施形態は、３つの位置だけに限定されるものではなく、ＬＣＲ位置とＨＣＲ位置との間の多くの位置がある。この態様では、クランク高さは、点火タイミングおよび燃料送達のように単にさらなるエンジンパラメータとして制御可能であり、性能を最大化して、爆発、排出物、燃料消費および他の有害な影響を最小化する。このように、システムは、発熱性、爆発および有害な排出物（例えば窒素の酸化物）を最小化しながら、トルク、馬力および燃費を最大化するために、例えば酸素センサ、スロットル位置センサ、ノックセンサ、および吸気・エンジン温度センサからのフィードバックに基づいて、クランク高さを実質的に連続的に変更することができる。

また、システム１００は、特定の燃料についての効率を最大化するために使用されてもよく、または特定の動力増幅装置とともに使用されてもよい。エンジンが例えばＥ８５（８５％エタノール／１５％ガソリン）を燃焼するよう設計されている場合、さらに高い圧縮比（およそ１４．５：１まで）を提供するように圧縮比範囲をシフトさせる（または拡張する）ことができる。これは有用であり得る。例えば、理由は、Ｅ８５が、ガソリンよりも供給するエネルギが少ないため、およそ２０〜３０％燃費が劣るからである。しかし、Ｅ８５が単により効率的に（すなわちより高い圧縮比で）燃焼されると、この損失のうちのいくらかは回収され得るであろう。また、Ｅ８５は、ガソリンよりもきれいに、かつ、低温で燃焼し、排出物を減少させ、エンジン寿命を延ばすことができる。また、環境に優しい態様で、再生可能資源からエタノールも生成され得る。

また、システム１００は、効率を最大化するために動力増幅装置とともに使用されてもよい。システム１００は、取込み時間（spool-up time）および「ターボラグ」を減少させるために例えばターボチャージャとともに使用されてもよい。これは、例えばターボラグを減少させるためにターボチャージャが予め定められた量のブースト未満である場合に比較的高い圧縮比を維持することによって実現可能である。しかし、ターボ取込みとして、爆発、ヘッドガスケットの破壊および他の機械的問題を引起す可能性があるオーバーブーストを防止するために、圧縮比は、クランクシャフト１１０により機械的に下げられることができる。

上記のように、クランクシャフト１１０の移動は、理想的には完全に垂直であろう。そして、これは、上記の機構の組み合わせを用いて実現可能であるが、設計は、回動キャップ１０５により多少単純であり得る。しかし、実施例１に記載したように、クランクを移動させなければならない距離は、比較的小さい。また、図１０に示されるように、幾何学的形状は、クランクシャフト１１０の側方移動が極めて小さいようなものである。

実施例１について上記した幾何学的形状を考えると、クランクシャフトを０．２″上昇させることにより、優れた範囲の圧縮比が提供される。図１０に示されるように、実施例１からの仕様を用いて、例えば８″幅のメインベアリングキャップ（すなわち回動１５０からクランクシャフト１１０の中心まで４″）を想定して、クランクシャフト１１０の角運動は、以下のように計算することができる。

これは、比較的小さな数字である。また、クランクシャフト１１０を０．２″上昇させる（したがってメインベアリングキャップ１０５の端部１０５ｂを０．４″上昇させる）ことによるクランクシャフト１１０の水平移動は、以下のように計算することができる。

これは、言い換えると、およそ．００９９９″のクランクシャフト１１０の水平移動ということになる。したがって、このタイプの移動は、例えばメインベアリング１０７隙間に関しては多少大きいが、これは、ピストンリングおよび他の隙間によって容易に吸収されることができ、ｕジョイント、グィボーおよび他のタイプのフレックスジョイントに関しては極めて小さい。また、この側方移動は、例えばＶＣＲＥ１００に容易にパッケージングされ得るより幅広のメインベアリングキャップによりさらに減少させることができる。

また、図面には水平位置から上方への回動が示されているが、他の構成が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、例えば、メインベアリングキャップ１０５は、ＭＣＲ位置において実質的に水平であり得る。この態様では、メインベアリングキャップ１０５は、ＬＣＲ位置まで０．１″下方に回動され、ＨＣＲ位置まで０．１″上方に回動され得る。これにより、クランクシャフト１１０の水平移動は、およそ．０００５″に減少され、さらに例えばベアリング摩耗および高調波を減少させる。

例えば図１１の簡略図に示されるように、例えば上記のさまざまなエンジンセンサおよびアクチュエータ１４０のうちの１つからのフィードバックを用いてクランクシャフト１１０の位置をモニタリングおよび制御するために、制御システム１０００が使用され得る。制御システム１０００は、クランクシャフト１１０を連続的に移動させて最適な効率を維持するために、１つ以上のセンサからの通常の入力を使用し得て、当該１つ以上のセンサは、例えば他のセンサの中でもマニホールド絶対圧力（manifold absolute pressure：ＭＡＰ）センサ１００５（またはマスエアフロー（Mass airflow：ＭＡＦ）センサ）、スロットル位置センサ（throttle position sensor：ＴＰＳ）１０１０、吸気温度（air intake temperature：ＡＩＴ）センサ１０１５、酸素（Ｏ２）センサ１０２０、ノックセンサ１０２５、および冷却剤温度センサ（coolant temperature sensor：ＣＴＳ）１０３０などであるが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、アクチュエータ１４０は、例えば制御システム１０００がクランクシャフトの位置をモニタリングすることを可能にするステッパモータであってもよい。他の実施形態では、システム１０００は、クランクシャフト１１０の位置をモニタリングするために位置センサ（例えば光学または抵抗センサ）を含み得る。

システム１０００は、例えばコントローラ１０３５を使用し得て、コントローラ１０３５は、（上記のアクチュエータ１４０のうちの１つを用いて）エンジンパラメータを常にモニタリングおよび変更して、効率を最大化し、エンジン温度を維持し（すなわち過熱を防止し）、ノックを減少させるために、コンピュータまたはマイクロプロセッサを備え得て、当該エンジンパラメータは、例えば点火タイミング１０４０、燃料噴射器パルス幅１０４５（すなわち燃料混合物）、およびクランクシャフト１１０の位置などであるが、これらに限定されるものではない。そして、例えばコントローラは、リアルタイムでクランクシャフト１１０を再位置決めするために、１つ以上のサーボまたはステッパモータを使用してもよい。

いくつかの可能な実施形態が上記で開示されているが、本発明の実施形態は、これらに限定されるものではない。例えば、アクチュエータ１４０のためのいくつかの可能な構成が開示されたが、本発明の実施形態の精神から逸脱することなく、他の好適なアクチュエータ、材料および材料の組み合わせが選択されてもよい。上記のものに加えて、例えばいくつかのアクチュエータおよび制御システムが、本発明の精神から逸脱することなく使用されてもよい。本発明の実施形態のさまざまな特徴のために使用される位置および構成は、例えば空間またはパワーの制約のためにわずかな変更を必要とする特定のエンジン排気量または構成に従って変更されてもよい。このような変更は、本発明の範囲内に包含されるよう意図されている。

具体的な構成、材料の選択、ならびにさまざまな要素のサイズおよび形状は、本発明の原理に従って構築される装置、システムまたは方法を必要とする特定の設計仕様または制約に従って変更されてもよい。このような変更は、本発明の範囲内に包含されるよう意図されている。したがって、ここで開示されている実施形態は、全ての点で例示的であると考えられ、限定的であるとは考えられない。本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、その等価物の意味および範囲内に入る全ての変更は、本明細書に包含されるよう意図されている。

Claims (21)

1. 内燃機関のためのクランクシャフトであって、
   第１の端部および第２の端部を備える第１の固定された動力取り出し装置と、
   第１の端部および第２の端部を有し、１つ以上のクランクピンおよび２つ以上のメインベアリングジャーナルを備える中心部と、
   第１の端部および第２の端部を備える第２の固定された動力取り出し装置と、
   前記第１の動力取り出し装置の前記第２の端部を前記中心部の前記第１の端部に柔軟に結合するための第１のフレックスジョイントと、
   前記第２の動力取り出し装置の前記第１の端部を前記中心部の前記第２の端部に柔軟に結合するための第２のフレックスジョイントとを備え、
   前記第１および第２の動力取り出し装置は、固定された長手方向軸を中心に回転し、
   前記中心部は、第１の半径の周りを回動可能である、クランクシャフト。
2. 前記クランクシャフトが中間圧縮比（ＭＣＲ）位置にあるとき、前記第１および第２の動力取り出し装置は、前記中心部の前記２つ以上のメインベアリングジャーナルと実質的に同軸である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１および第２のフレックスジョイントは、ユニバーサルジョイントである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１および第２のフレックスジョイントは、ダブルカルダンジョイントである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１および第２のフレックスジョイントは、グィボーである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１および第２のフレックスジョイントは、定速ジョイントである、請求項１に記載のシステム。
7. ブロックとシリンダヘッドとを備える内燃機関において可変圧縮比を提供するためのクランクシャフトシステムであって、
   クランクシャフトを備え、前記クランクシャフトは、
   第１の端部および第２の端部を備える第１の固定された動力取り出し装置と、
   第１の端部および第２の端部を有し、１つ以上のクランクピンおよび２つ以上のメインベアリングジャーナルを備える中心部と、
   第１の端部および第２の端部を備える第２の固定された動力取り出し装置と、
   前記第１の動力取り出し装置の前記第２の端部を前記中心部の前記第１の端部に柔軟に結合するための第１のフレックスジョイントと、
   前記第２の動力取り出し装置の前記第１の端部を前記中心部の前記第２の端部に柔軟に結合するための第２のフレックスジョイントとを備え、
   前記システムはさらに、
   前記メインベアリングジャーナルを回転可能に支持するための、第１の端部および第２の端部を有する複数のメインベアリングキャップを備え、前記第１の端部は、前記ブロックに回動結合され、前記システムはさらに、
   各々が前記複数のメインベアリングキャップの前記第２の端部に近接して配置され、第１の低圧縮比（ＬＣＲ）位置と第２の高圧縮比（ＨＣＲ）位置との間で前記クランクシャフトの前記中心部を移動させるための複数のアクチュエータを備え、
   前記第１および第２の動力取り出し装置は、固定された長手方向軸を中心に回転する、システム。
8. 前記複数のアクチュエータは、油圧式リフタを備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数のアクチュエータは、
   各々が第１の端部および第２の端部を有する複数の追従部材を備え、前記第１の端部は、前記複数のメインキャップの前記第２の端部に回転可能に接続され、前記複数のアクチュエータはさらに、
   シャフトと、前記複数の追従部材に回転可能に係合された１つ以上のローブとを備え、、前記第１の低圧縮比（ＬＣＲ）位置と前記第２の高圧縮比（ＨＣＲ）位置との間で前記クランクシャフトを移動させるためのカムシャフトを備える、請求項７に記載のシステム。
10. 前記複数のアクチュエータは、サーボモータを備える、請求項７に記載のシステム。
11. 前記クランクシャフトが中間圧縮比（ＭＣＲ）位置にあるとき、前記第１および第２の動力取り出し装置は、前記２つ以上のメインベアリングジャーナルと実質的に同軸である、請求項７に記載のシステム。
12. 前記複数のメインベアリングキャップの前記第１の端部を前記ブロックに回動結合するためのメインベアリングキャップ支持シャフトをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
13. 前記複数のメインベアリングキャップの位置合わせを維持するために、前記複数のメインベアリングキャップの一部に近接して配置され、前記複数のメインベアリングキャップの一部に着脱可能に結合されたメインベアリングキャップ位置合わせシャフトをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
14. 可変圧縮比エンジンを提供するための短ブロックシステムであって、
    第１の端部および第２の端部を有するクランクシャフトを備え、前記クランクシャフトは、
    第１の端部および第２の端部を備える第１の固定された動力取り出し装置と、
    第１の端部および第２の端部を有し、１つ以上のクランクピンおよび２つ以上のメインベアリングジャーナルを備える中心部と、
    第１の端部および第２の端部を備える第２の固定された動力取り出し装置と、
    前記第１の動力取り出し装置の前記第２の端部を前記中心部の前記第１の端部に柔軟に結合するための第１のフレックスジョイントと、
    前記第２の動力取り出し装置の前記第１の端部を前記中心部の前記第２の端部に柔軟に結合するための第２のフレックスジョイントとを備え、
    前記システムはさらに、
    第１の前端部および第２の後端部を有するメインエンジンブロックと、
    前記メインベアリングジャーナルを回転可能に支持するための、第１の端部および第２の端部を有する複数のメインベアリングキャップとを備え、前記第１の端部は、前記エンジンブロックに回動結合され、前記システムはさらに、
    各々が前記複数のメインベアリングキャップの前記第２の端部に近接して配置され、第１の低圧縮比（ＬＣＲ）位置と第２の高圧縮比（ＨＣＲ）位置との間で前記クランクシャフトの前記中心部を移動させるための複数のアクチュエータを備え、
    前記第１および第２の動力取り出し装置は、固定された長手方向軸を中心に回転する、システム。
15. 前記クランクシャフトがＭＣＲ位置にあるとき、前記第１および第２の動力取り出し装置の前記長手方向軸は、前記クランクシャフトと実質的に同軸であり、
    前記第１および第２の動力取り出し装置の前記長手方向軸は、前記ＬＣＲおよびＨＣＲ位置における前記クランクシャフトの前記長手方向軸からわずか０．５″以下オフセットされる、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１の動力取り出し装置は、
    第１のオリフィスを通って前記メインエンジンブロックの前部に突き出る第１のクランクシャフト突出部と、
    前記第１のクランクシャフト突出部と前記第１のオリフィスとの間の間隙を封止するための第１のリップシールとをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記第２の動力取り出し装置は、
    第２のオリフィスを通って前記メインエンジンブロックの後部に突き出る第２のクランクシャフト突出部と、
    前記第２のクランクシャフト突出部と前記第２のオリフィスとの間の間隙を封止するための第２のリップシールとをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１のクランクシャフト突出部は、付属の駆動滑車およびバランサのうちの１つ以上に着脱可能に結合され、
    第２のクランクシャフト突出部は、フライホイールに着脱可能に結合される、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記ブロックは、
    前記複数のメインベアリングキャップの前記第１の端部を支持するための複数の支持台と、
    前記複数のメインベアリングキャップの前記第１の端部を前記複数の支持台に回動結合するためのメインベアリングキャップ支持シャフトとをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記メインベアリングキャップの位置合わせを維持するために前記複数のメインベアリングキャップに着脱可能に結合されたメインベアリングガードルをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
21. 前記複数のメインベアリングキャップの各々は、加圧されたオイルを前記メインベアリングジャーナルおよび前記複数のアクチュエータのうちの１つ以上に供給するための１つ以上の油路をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。

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