(57)【要約】効率を向上させた内燃エンジンは、エンジンによって使用される複数の燃料タイプの１つに対して調整する、連続的な可変容量および／または圧縮比を提供する。圧縮比を変化させずに容量を変化させることによって、負荷要求に基づいて、所与の燃料でより効率的に運転するようにエンジンを調整することができる。圧縮比を変化させることによって、エンジンは、利用可能な最も経済的な燃料タイプでの使用に切り替え得る。エンジンは、オフセットクランク軸と、クランク軸上に配置して、１つまたは一連のピストンの影響を受けるストロークおよび／または圧縮比とを変化させることができる、共通のカムスローピース（ｃａｍ  ｔｈｒｏｗ−ｐｉｅｃｅ）とを備えた星形構成のものとすることができる。オンボード電子制御を使用して、エンジン効率の検出、エンジンの容量および／または圧縮比の変更と、燃料供給の変更と、燃料経済性の計算を行うことができる。
2009504976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に沿って延在する主セクションと、該主軸から放射状にオフセットされたオフセットセクションとを有するクランク軸と、
該クランク軸に載置され、該オフセットセクションに沿って移動可能なスローピースと、
少なくとも１つのピストンおよびシリンダ配列であって、該ピストンは、該スローピースに連結されて、該クランク軸から該シリンダ内に配置されたヘッドまで概ね放射状に延在する一端を有し、該ピストンは、該シリンダに対するストローク距離を移動可能であるので、該ストローク距離を介して移動したときに、該シリンダ内の容量を変位させる、ピストンおよびシリンダ配列と
を備え、
該クランク軸の該オフセットセクションに沿った該スローピースの移動が、変位したピストンストローク距離と、該ピストンの該変化したストローク距離を介した移動によるシリンダ容量の変化とを引き起こす、エンジン。
【請求項２】
前記クランク軸の前記オフセットセクションは、前記主セクションから、前記主軸に対して傾斜したオフセット軸に沿って延在する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記クランク軸は、前記主軸の周囲を回転する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記クランク軸が固定され、前記ピストンおよびシリンダ配列が前記主軸の周囲を回転する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記シリンダ内で前記ピストンの相対的な往復運動が生じるように、該シリンダは第一の軌道を回転し、該ピストンは、該第一の軌道に対して傾斜した第二の軌道を回転する、請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記シリンダは、前記主軸に対して傾斜角を有する軸に沿って延在する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
前記主軸の周囲に角度的に間隔をあけた複数のピストンおよびシリンダ配列があり、各ピストンは、前記スローピースに連結される、請求項１に記載のエンジン。
【請求項８】
前記スローピースは、前記クランク軸の前記オフセットセクションに沿って配置され、前記シリンダ内の圧縮比を本質的に一定に保持する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項９】
前記スローピースは、偏心カム面を規定するカムを含む、請求項１に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記カムは、ロック状態では、該カムが前記クランク軸に対して回転可能に固定され、アンロック状態では、該カムが該クランク軸に対して回転可能であるように、該クランク軸に解放可能に固定される、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記カムは、アクチュエータと係合して、前記アンロック状態にあるときに、前記クランク軸に対して前記カムを回転させるための駆動セクションを含む、請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記カムの軸方向位置と回転位置とのうちの少なくとも１つを、前記クランク軸に沿って調整して、前記エンジンによって消費される燃料タイプに基づいて、前記シリンダ内の圧縮比を選択的に制御するために、１つ以上のアクチュエータを制御するための電子制御をさらに含む、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記クランク軸の通路内を移動可能であり、該クランク軸の前記オフセットセクションに沿って前記スローピースを移動させるように、該スローピースに連結されたフレキシブルな駆動部材をさらに含む、請求項１に記載のエンジン。
【請求項１４】
主軸に沿って延在する主セクションを有するクランク軸と、
該クランク軸に対して偏心するカム表面を有するカムであって、該カムの角度位置および軸方向位置のうちの少なくとも１つが、該クランク軸に対して調整可能である、カムと、
少なくとも１つのピストンおよびシリンダ配列であって、該ピストンは、該カムに連結されて、該クランク軸から該シリンダ内に配置されたヘッドまで概ね放射状に延在する一端を有し、該ピストンは、該シリンダに対するストロークを介して移動可能である、配列と
を備え、
該クランク軸に対する該カムの該角度位置は、該エンジンに供給される燃料の好適な圧縮比に該エンジンの圧縮比を調整するように選択され得る、多種燃料エンジン。
【請求項１５】
前記クランク軸は、前記主軸から放射状にオフセットされたオフセットセクションを含み、前記カムは、該オフセットセクションに調整可能に載置される、請求項１４に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記カムは、前記ピストンストロークを変化させ、それによって、該変化したピストンストロークを介してピストンが移動するときに生じるシリンダ容量を変化させるように、該オフセットセクションに沿って移動可能である、請求項１５に記載のエンジン。
【請求項１７】
クランク軸と、各ピストンが共通のスローピースで該クランク軸に連結された１つ以上のピストンおよびシリンダ配列とを有するエンジンの燃料経済性を向上させる方法であって、該方法は、
（ａ）燃焼に好適な圧縮比を有する燃料タイプを選択するステップと、
（ｂ）前記好適な圧縮比に対応する該シリンダ内の該ピストンの移動によって圧縮比をもたらすように、該クランク軸に対して該スローピースの位置を設定するステップと
を含み、
該エンジンは、複数の可燃性燃料のうちのいずれかを消費可能である、方法。
【請求項１８】
前記選択した燃料タイプに対応する燃料選択または圧縮比選択を制御装置に入力するステップをさらに含み、
該制御は、前記スローピースの位置を設定するために１つ以上のアクチュエータを制御する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記スローピースは、前記クランク軸に対して複数の角度位置に固定され得るカムであり、該クランク軸は、該クランク軸の主軸からオフセットされ、該カムがそれに沿って載置されるオフセットセクションを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記エンジンは、前記スローピースの位置に従って設定された圧縮比をそれぞれ有する複数のピストンおよびシリンダ配列を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記ステップ（ｂ）は、電子制御の命令下で実行され、前記制御は、現在の燃料タイプの使用に基づいて現在のエンジン効率を算出し、代わりの燃料タイプの使用に基づいて代わりのエンジン効率を算出するための電子機器を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
１つ以上のピストンおよびシリンダ配列を有するエンジンの燃料経済性を向上させる方法であって、該方法は、
（ａ）現在の燃料タイプの使用に基づいて現在のエンジン効率を決定するステップと、
（ｂ）代わりの燃料タイプの使用に基づいて代わりのエンジン効率を算出するステップと、
（ｃ）該代わりのエンジン効率を該現在のエンジン効率と比較するステップと、
（ｄ）該代わりの燃料タイプの好適な圧縮比に対応するように該ピストンおよびシリンダ配列の圧縮比を調整するステップと、
（ｅ）該エンジンに該代わりの燃料タイプを供給するステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、２００５年８月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／７０７，８５８号に対する優先権を主張する２００６年８月９日出願の米国特許出願第１１／４６３，４０９号（タイトル「Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ」）に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、概して、内燃エンジンに関し、より具体的には、出力および効率を向上させ、燃料消費を低減させるために圧縮および容量の調整が可能な内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
内燃エンジンは、公共輸送および個人輸送、ならびに他のモータリゼーションの用途に対する出力を提供するものとして周知である。ワンケル（Ｗａｎｋｅｌ）ロータリーエンジンのような一部のエンジンのデザインは、ピストンおよびシリンダを利用しないが、自動車では、１つ以上のピストン−シリンダ配列を備えた内燃エンジンの使用が従来的である。従来の往復動式内燃エンジンは、ピストンを使用して、ガソリンなどの作動流体をシリンダチャンバ内で空気と共に圧縮する。次いで、火花によって混合体が点火され、得られる爆発力によって、ピストンを、シリンダの長さ方向に沿った一定距離を駆動する。点火によって発生するエネルギ、および以降のピストンの直線的な運動は、ピストンロッドを介して伝達され、ピストンロッドは出力を提供して、例えば自動車のホイールを回転させる回転クランク軸に連結される。
【０００４】
従来の内燃エンジンは、１００年以上にわたって存在している。実際に、１８８５年という早い時期に、ドイツのＤａｉｍｌｅｒ  ａｎｄ  Ｂｅｎｚは、今なお今日の自動車に使用されているエンジンと同じタイプのエンジンを開発した。長年にわたって数多くの改善がなされてきたが、内燃エンジンの基本的なデザインは、比較的に変わらないままである。剛体ブロックはシリンダを保持し、ピストンは重い剛体クランク軸を介して固定距離を上下する。ブロックは固体であるので、ピストンは、設計者によって定められたように最高点まで移動する。ピストンの直径およびストロークの長さによって、シリンダからの空気／蒸気の容量が決定される。
【０００５】
設計者は、エンジンが標準のオクタン価で動作するか、または高オクタン価の燃料で動作するのかを予め決定する。標準の燃料を選択した場合、エンジンは、約１０：１の圧縮比（９〜１０ｍｍのストロークで空気／蒸気を１ｍｍに圧縮する）を有するように設定され得る。高オクタン価の燃料でノック音センサ（ｐｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒ）を備えたエンジンの場合、圧縮比は１２〜１４：１（１２〜１４ｍｍのストロークで空気／蒸気を１ｍｍに圧縮する）である。全般的に、圧縮比を高くするほどピストン上での爆発力が強力になり、したがって、燃料の消費量に対してより多くの出力をエンジンに提供する。
【０００６】
圧縮比は、全開で動作する（最大量の空気／燃料蒸気をエンジンに送ることができる）エンジンに基づいたものである。しかし、エンジンが半分の出力で動作しているときには、空気／燃料蒸気は半分に低減される。エンジンは完全に充填されないので、圧縮比は半分に低下する。圧縮比が９〜１０：１であるエンジンは、突然に約４．５〜５．０：１の圧縮比しか持たなくなり、もはや最大効率で運転していない。４．５〜５．０：１の圧縮比で発生する出力は、全般的に効率的であるとはみなされない。
【０００７】
一般的な自動車用エンジンのデザインは、ピストンおよびシリンダをＶ型、インライン（直列）、またはフラット（ボクサー）パターンで配列する。例えば「Ｖ６」エンジンは、３つのシリンダのバンクをエンジンの両側に配置し、各バンクが他方に対して傾斜角を有する。マルチシリンダのフラット直列エンジンには２つの対向するシリンダのバンクがあり、マルチシリンダの直列エンジンでは全てのシリンダが単一のバンクに配列される。各構成は、製造の複雑さを有する幾分異なる動作特性、形状因子、および特定の車両に対してより好適なものにされ得る。
【０００８】
別のタイプのピストン−シリンダ内燃エンジンには、自動車業界ではあまり一般的ではないが、星形エンジンがある。名前が示唆するように、星形エンジンのデザインでは、クランク軸の周りにシリンダを放射状または角度的に間隔をあけた円形パターンで配列する。一般的に、「主」ピストンロッドは、非ピボッティングリンクピンによってスローピース（ｔｈｒｏｗ−ｐｉｅｃｅ）によって、固定されるか、または載置されるが、他の「連節型」ピストンロッドは、クランク軸およびピストンが動くときにピストンロッドを回転させることができる継手を回転させることによって、スローピースに載置する。シリンダパターンは、星形エンジンに他のエンジンのデザインに対する少なくとも１つの相異なる利点を提供し、各ピストンが異なるカムローブによって動かされる長いクランク軸を使用する代わりに、全てのピストンを連結する単一のハブ状のスローピースが存在する。
【０００９】
星形エンジンの、高出力であることと、場合により減速歯車を用いずにプロペラを直接駆動することができる比較的低い最大エンジン速度と、より重い水冷プロセスではなく空冷に対する適合性といった特徴とから、歴史的に航空機の動力装置として使用されている。今日、航空機業界における星形エンジンは、全般的に極めて軽量である一般的なエンジン構成またはガスタービンエンジンにその多くが置き換えられている。
【００１０】
あらゆるデザインの内燃エンジンは、エンジンに適用される負荷条件に調整されたときに最も効率的に運転される。シリンダの数およびサイズ、ならびにピストンのストロークは、特定の出力に対応する内圧および容量を提供するように選択される。しかし、エンジンの負荷は、一般的に、自動車の速度が変化するとき、急傾斜地を進むとき、または荷物を引くときなど、運転中に変化する。エンジンの運転中に、出力が、負荷要求よりも低いか、または高いとき、エンジンは非効率的に運転している。従来のエンジンは、エンジンが全負荷で運転するときに、最大出力および効率が利用可能となるようにデザインされている。従来のエンジンが全負荷未満で運転されているときには、必要な出力が少ないので、出力は空気−燃料を絞ることによって減じられ、シリンダ内の圧力が減少し、燃焼後の残留ガス含有量が増加し、その結果、運転効率が減少する。このような非効率性によって、燃料消費量が増加し、ユーザーの運転コストが増加する。
【００１１】
多くのエンジンは、全開状態において、最高効率に対してデザインされている。しかし、このような全開状態は、通常のエンジン運転中には稀である。全開の環境では、エンジンは、適切な酸素流を受けて、使用している燃料タイプに最良な圧力で点火する。例えば、１５０ポンドの圧力で点火したときに、標準のガソリンが最良に燃焼するものと仮定する。エンジンは、１０：１の圧縮比を使用することが可能である。スロットルをある程度閉じるとシリンダに入る空気が減少するので、非効率性が生じ、１５０ポンドという最適圧力が急激に、おそらくはわずか７５ポンドにまで減少する。それでも点火は行われるが、最適なレベルではない。それでもガスは燃焼するが、効率的ではなく、経済性が失われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
広範囲の運転条件にわたるエンジンの出力および効率の最適化を試みたが、実際には達成が困難であった。１つの運転条件に対する動作特性の最適化の試みは、しばしば他の動作条件に対するエンジン効率を低下させる。したがって、運転条件の変化を補い、高出力または低出力時に最高効率を保持することができる、内燃エンジンにおける改善された機械的配置が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施態様では、本発明は、主軸に沿って延在する主セクションと、前記主軸から放射状にオフセットされたオフセットセクションとを有するクランク軸を備えたエンジンである。スローピース（ｔｈｒｏｗ−ｐｉｅｃｅ）は、前記クランク軸に載置され、前記オフセットセクションに沿って移動可能である。少なくとも１つのピストンおよびシリンダ配列が提供される。前記ピストンは、前記スローピースに連結されて、前記クランク軸から前記シリンダ内に配置されたヘッドまで概ね放射状に延在する一端を有する。前記ピストンは、前記シリンダに対するストローク距離を移動可能であるので、前記ストローク距離を移動したときに、前記シリンダ内の空気／蒸気の容量を追い出す。前記クランク軸の前記オフセットセクションに沿った前記スローピースの移動によって、ピストンストローク距離が変化し、前記ピストンが前記変化したストローク距離を通じて移動することによって、シリンダ容量を変化させる。
【００１４】
別の実施態様では、本発明は、主軸に沿って延在する主セクションを有するクランク軸を備えた多種燃料エンジンである。カムエンジンは、前記クランク軸に対して偏心したカム表面を有する。カムの角度位置および軸方向位置のうちの少なくとも１つは、前記クランク軸に対して調整可能である。少なくとも１つのピストンおよびシリンダ配列が提供される。前記ピストンは、前記カムに連結されて、前記クランク軸から前記シリンダ内に配置されたヘッドまで概ね放射状に延在する一端を有する。前記ピストンは、前記シリンダに対するストロークを通じて移動可能である。前記クランク軸に対する前記カムの角度位置は、前記エンジンに供給される燃料の好適な圧縮比に前記エンジンの圧力比を調整するように選択され得る。
【００１５】
別の実施態様では、本発明は、クランク軸と１つ以上のピストンおよびシリンダ配列とを有し、各ピストンが共通のスローピースで前記クランク軸に連結された、エンジンの燃料経済性を向上させる方法である。前記方法は、燃焼に好適な圧縮比を有する燃料タイプを選択するステップと、前記好適な圧縮比に対応する前記シリンダ内の前記ピストンの移動によって圧縮比を生じるように、クランクケースに対して前記スローピースの位置を設定するステップとを含み、前記エンジンは、複数の可燃性燃料のうちのいずれかを消費可能である。
【００１６】
別の実施態様では、本発明は、１つ以上のピストンおよびシリンダ配列を有するエンジンの燃料経済性を向上させる方法である。前記方法は、現在の燃料タイプの使用に基づいて現在のエンジン効率を決定するステップと、代わりの燃料タイプの使用に基づいて代わりのエンジン効率を算出するステップと、前記代わりのエンジン効率を前記現在のエンジン効率と比較するステップと、前記代わりの燃料タイプの好適な圧縮比に対応するように前記ピストンおよびシリンダ配列の圧縮比を調整するステップと、前記エンジンに前記代わりの燃料タイプを供給するステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を、図面を参照して以下に記述する１つ以上の実施態様において説明する。同様の参照番号は、同一または同様の構成要素を示す。本発明は、本発明の目的を達成するための最良の形態に関して説明されるが、当業者は、以下の説明および図面によって支持される添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義される、本発明の精神および範囲内に含めることが可能な代替例、変更例、および均等物に適用されることを意図するものであると理解されよう。
【００１８】
内燃エンジンは、エンジンの使用中の可変容量およびまたは圧縮比の調整により、その効率が向上することが記述されている。エンジンは、例えば大きな出力が必要なのか、または小さな出力が望まれるのかといった、広範囲の負荷および運転条件にわたって最適な圧力で燃料を燃焼させるように構成およびデザインすることができる。本エンジンのデザインでは、エンジンの容量、すなわち内部容積を運転中に変化させることができる。ストロークが短くなるほど容量が減じられ、ピストンがシリンダ上部に近づくほど、用いたエンジンおよび燃料タイプに対する理想的な圧縮比を保持する。同じ燃焼圧力が、より小さな容量サイズで保持される。その結果、エンジンの各燃焼が高効率で行われる。より大きな出力はより大きな容量の構成によって発生され、より小さな出力はより小さな容量で発生される。なお、発生する出力は、いかなる燃料が燃焼されても高効率で作り出され、高い全体的効率および経済性をもたらす。ピストンストロークを短くすることによって、最大容量の５０％以上の容量にまで減じられるが、それでもエンジンが効率的に運転する。容量を変化させることによって、エンジンの負荷需要に基づいて、エンジンが所与の燃料でより効率的に運転するように調整することができる。圧縮比を変化させることによって、エンジンは、最も望ましい利用可能な燃料タイプ、例えば価格に対して最も出力を発生する燃料とともに使用するように切り替えることができる。
【００１９】
ガソリンエンジンの圧縮比は、燃料のオクタン価によって９：１〜１４：１となりうる。ディーゼルエンジンの圧縮比はさらに高く、２２：１以上である。ガソリンエンジンとディーゼルエンジンとの差異は、ごくわずかである。実際に、ガソリンエンジンは、燃料噴射システムを変更し、より耐熱性のあるバルブを使用し、圧縮比を増加させることによって簡単にディーゼルエンジンにすることができる。ディーゼル車は、ガソリン車よりもエネルギ効率が良いが、２２：１という高圧縮比は、従来のエンジンでは対応が困難である。ユーザーは、特にアイドリング時または低速時に、燃料／空気混合体が理想的でなければ「ノック音」を耳にし、しばしば煙と匂いが目立つ場合がある。
【００２０】
本エンジンは、従来のクランク軸および固体ブロックを持たず、また固定容量または固定圧縮比を有するものでもない。本エンジンのデザインでは、内部容量を変化させながら、同じ圧縮比を保持することができる。自動車が任意の特定の燃料で運転している場合、エンジンは、それ自体を理想的な圧縮比に調整して、その燃料から最大の推進力を得る。小型エンジンは、大型エンジンよりもはるかに少ない燃料を使用してアイドリングを行う。本エンジンは、出力をあまり必要としないときには、内部的に小さくなるので、はるかに燃料効率がよい。しかし、従来の小型エンジンとは異なり、本エンジンは、その容量を迅速に増加させて全出力状態に戻すことができる。
【００２１】
より具体的には、本エンジンは、主軸に沿って延在する主セクションを備えたクランク軸と、主軸から放射状にオフセットされたオフセットセクションとを有する。スローピースは、オフセットセクションに沿って移動可能なクランク軸に載置する。スローピースは、少なくとも１つのピストンおよびシリンダ配列を連結する。ピストンは、シリンダ内の空気の容量を追い出すように、シリンダに対するストローク距離を移動可能である。クランク軸のオフセットセクションに沿ったスローピースの移動によって、ピストンのストローク距離が変化し、それに対応して、ピストンによって追い出されるシリンダの容量が変化する。クランク軸にはスローピースが１つだけあり、全てのピストンはクランク上の１つのスローピースに取り付けられる。クランクが調整されると、全てのピストンに等しく影響を及ぼす。
【００２２】
デザインの原理は、様々なエンジン構成において実行することができる。一実施態様では、エンジンは星形デザインを有し、クランク軸が中央に配置され、１つのピストン／シリンダアセンブリ、または角度的に間隔をあけた複数のピストン／シリンダアセンブリがクランク軸から放射状に配置される。本エンジンタイプでは、関連するシリンダに対する各ピストンのスローおよび／または関連するピストンが、スローピースを調整することによって設定できるように、複数のピストンを単一のスローピースに載置することができる。エンジン構成によって、回転クランク軸または固定クランク軸のいずれか、および回転ピストン／シリンダ配列も可能にする。後者の場合、ピストンおよびシリンダは、独立した傾斜軌道でクランク軸の周囲を回転して、シリンダ内のピストンの相対的な往復運動を生じさせることができる。いずれの場合も、クランク軸のオフセットセクションは、主軸に対して傾斜するオフセット軸に沿った主セクションから延在させることができる。各々のシリンダは、その中央線が主軸に対して傾斜し、オフセット軸に垂直になるように配向される。
【００２３】
スローピースは、クランク軸のオフセットセクションに沿って配置され、調整されていないときに、シリンダ内の圧縮比を本質的に一定に保持する。スローピースは、偏心面を有するカムを有することができ、その角度方向を調整してシリンダに対するピストンの位置を変化させ、それによって、エンジンの圧縮比を変化させることができる。アクチュエータは、アンロックされたときにクランク軸に対してカムを回転させるために使用される。クランク軸の通路内を移動可能なフレキシブルな駆動部材は、スローピースに連結されて、クランク軸のオフセットセクションに沿ってスローピースを移動させる。
【００２４】
星形エンジンは、その出力および信頼性で知られており、ジェットエンジンの時代になる前に、しばしば戦闘機および民間航空機に使用されていた。星形エンジンは、クランク軸から約９０°（±５％）でクランク軸の周囲に円形に配置されたピストンおよびシリンダを有する。全てのピストンロッドは、クランク軸の１つのジャーナルのみに配置される。シリンダのバンクを追加することで、出力が増加する。星形エンジンは、ロッド上のストロークを変化させる能力によって、全てのピストンが同時に影響を受けることから、本実施態様に選択された。
【００２５】
本発明の別の側面は、クランク軸と、クランク軸に対して角度および軸方向位置のうちの１つ以上において調整可能である偏心面を備えたカムとを有する多種燃料エンジンを提供する。クランクケースに対するカムの角度位置は、エンジンの圧縮比を、エンジンに供給されるあらゆる燃料の好適な圧縮比に調整するように選択することができる。カムは、クランク軸に載置される強力かつ頑丈な調整デバイスとして表される。カムは、スライディングトラックまたは調節可能なテーブル機構を含む、複数の他の機械的な装置と置き換えることができる。
【００２６】
本デザインの別の側面は、複数の可燃性燃料のうちのいずれかを消費することができるエンジンの燃料経済性を向上させる方法である。本方法は、燃焼に好適な圧縮比を有する燃料タイプを選択するステップと、前記好適な圧縮比に対応する前記スローピース上に配置されたカムの移動によって圧縮比を生じるように、前記クランク軸に対して前記スローピースの位置を設定するステップとを含む。
【００２７】
本デザインのさらに別の側面は、エンジンの燃料経済性を向上させる方法であって、現在の燃料タイプの使用に基づいて現在のエンジン効率を決定するステップと、代わりの燃料タイプの使用に基づいて代わりのエンジン効率を算出するステップと、代わりのエンジン効率を現在のエンジン効率と比較するステップと、代わりの燃料タイプの好適な圧縮比に対応するようにピストンおよびシリンダ配列の圧縮比を調整するステップと、エンジンに代わりの燃料タイプを供給するステップとを含む方法である。
【００２８】
本エンジンデザインのさらに別の側面は、エンジンの電子式モニタリングおよび制御を伴う。車載型、ダッシュボード載置型、ユーザー制御型のインターフェースを車両の主コンピュータまたは他の専用のコンピュータシステムに接続して、エンジンのセンサの読み取り、記録、および評価を行うことができ、また、エンジンの圧縮比および／または容量の調整を制御するために、クランク軸に沿ってスローピースの軸方向位置および／またはカムの回転位置を調整するためのアクチュエータを制御することができる。コンピュータ制御は、特定の燃料タイプの使用に基づいて現在にエンジン効率を算出し、代わりの燃料タイプの使用に基づいて代わりのエンジン効率を算出するための電子部品を有することができる。したがって、システムを使用してエンジンを調整して、エンジンを負荷要求に調整し、また、エンジンによって消費されるあらゆる燃料タイプに対してエンジンを決定、選択、最適化することができる。
【００２９】
図１を参照すると、クランク軸５に連結されたピストン４を備えた従来の星形内燃エンジン２が示されている。ピストンは、クランク軸５の周囲を回転する時にシリンダ６を出入りする。図の左側は、最大容量を有するピストン４を示し、図の右側は、エンジンサイクルの後期に最大圧縮を有するピストン４を示す。図１は、内燃エンジン２が、負荷および運転状況に関わらず固定容量を保持するため、発明の背景に記述したような問題があることを示す。
【００３０】
本発明の種々の側面を、エンジン容量の調節が可能な星形デザインの内燃エンジンの簡略化したモデルとして図２〜７に示す。これらの図は、クランク軸１２の周囲に様々に配置された２つのシリンダ１４と、ピストン１６および１８とを備えた星形期間の断面図である。ピストン１６〜１８はシリンダ１４の内側に示され、シリンダ１４のボアの内側を特定の距離移動する各ピストンの上部を表す。
【００３１】
シリンダ１４は、従来の星形エンジンに類似したパターンで配列される。例えば中央のクランク軸から放射状に広がるシリンダ１４の配列位置によって、更なるジャーナルの使用が可能であるが、単一のクランクジャーナルの使用を可能とする。エンジンは、クランク軸を備えたほぼ９０°の特定の角度で円形に配置されたシリンダを有するが、シリンダに対して９０°ではなく、またシリンダとは完全に一直線状ではない。シリンダの数は、通常、各バンク上に奇数個（３、５、７、および９）であるが、あらゆる数とすることが可能である。これらの図は、単にシリンダの１つのバンクのみを示すものであるが、１つ、２つ、またはそれ以上のバンクを用いることができる。クランク軸１２は１つだけ必要であり、クランクジャーナルを１つだけ示すが、それ以上の数を使用することが可能である。ジャーナルを調整すると、全てのピストンに同時に影響を及ぼす。エンジンのデザインは、クランク軸が回転し、シリンダが固定されている場合、クランク軸がフレームに固定され、シリンダおよびその中のピストンが回転された場合の実施態様に適用可能である。
【００３２】
図２では、中央要素１２は、クランク軸および対応する角を表す。クランク軸の角度は、本星形エンジンを他の星形エンジンとは異なるものとする。シリンダ１４も、ある角度をなして配置される。この設定は、底部のロッド軸受を示すが、これは、クランク軸が回転したときに長ストロークを有し、容量を大きくすることを意味する。これは、ピストン１６が長ストロークを有する、図の左側を考察することによって確認することができる。右側において、ピストン１８は上部付近にある。本実施態様では、ピストンは、約６：１の圧縮比を保持するが、本エンジンで実際に使用されるものよりも低い。ガソリンエンジンの圧縮比は、一般的に、１０：１〜１３：１であり、ディーゼルおよびバイオディーゼルエンジンでは約２０：１〜２２：１である。６：１の設定では、右側が６増加すると左側を１の増加に圧縮する。他の圧縮比でも同じである。
【００３３】
点線２４は、従来の内燃エンジンにおいて、クランク軸１２が、通常、シリンダ１４およびピストン１６および１８となす９０°を表す。クランク軸１２は、９０°の線２４から特定の角度位置離れて示され、これは従来の９０°の角度未満であるか、またはそれを超える場合がある。クランク軸１２の軸方向の長さに沿った複数の位置が可能である。
【００３４】
図３では、ロッド軸受２０は、クランク軸１２がフライホイール２６とともに回転したときに、ロッド２２の上部付近に上昇される。ロッド軸受２０は、図２に示されるストロークの約半分に等しい全ストロークを有する。ストロークが約半分に短くなったので、同様に容量も約半分に減少している。通常のクランク軸が半分になると、シリンダの上部までの距離も半分に減少し、従来の内燃エンジンの場合、良好な燃焼を達成するに十分な圧力とならない。しかし、本エンジン内の角度および位置決めによって、ピストン１８の上部とシリンダ１４の上部との間の距離は減少しない。９０°の線２４に沿ってクランク軸１２上のロッド２２の位置を変化させることで、ピストン１８の上部からシリンダ１４の上部までの距離が減少する。したがって、距離が適切な量に減少し、図２におけるエンジン運転時に同じ圧縮比を保持する。ピストンは、比較的同じ圧縮比を自動的に保持する。すなわち、右側が約６増加（増加はより小さい）すると左側が一杯になる。したがって、ストロークが短くなったときと同じ容量を保持する。この動作は、シリンダ上のヘッドを移動させる必要なく自動的に行われることに留意されたい。
【００３５】
図４では、底部の矢印は、クランク１２が５０％だけ回転したものを示す。シリンダの運動は、図３とは逆である。
【００３６】
図５では、エンジンの方向は、図３に類似する。ロッドは右側に連結され、軸受の内側のカム軸の位置を示す。カム軸が移動すると、圧縮比が変化する。
【００３７】
図６では、別の運動が行われて、圧縮比を変化させて、運転者がディーゼルから通常の燃料に戻すことができるまで、クランク軸１２上のカム軸が移動してこの位置にロックする。本エンジンによれば、右側が３増加すると左側のチャンバが一杯になるが、これは、圧縮比が５０％減少したことを意味する。ガソリンを使用するエンジンの圧縮比は、通常、ディーゼルエンジンの約５０％未満であることに留意されたい。左側のストロークも短くなるが、それは、関連する最も延びたポイントでのピストン位置であるので、大きな差異は生じない。
【００３８】
図７は、クランク軸が回転したときの相対的位置を示す図である。本エンジンモデルは、最小容量に設定されており、ピストンのストロークは短い。クランク軸１２上のカム軸は、同じ位置にとどまる。
【００３９】
これまでの説明は、エンジンの容量の変化、すなわち、ピストンが使用する空間の活動量を扱った。同じ圧縮比を保持しながら、距離が半減される。５００ｃｃのエンジンは、２５０ｃｃのエンジンとなる。これらの変化は、角度が変更されてほぼ所望の結果をもたらす時にはさらに大きくなりうる。
【００４０】
スロットルを閉じたときに生じるような空気流の制限が無いものと仮定して、各燃料は、それ自体が最良の圧縮比を有する。これらの制限は、有効圧縮比を実際に変化させる。１０：１の圧縮比で運転するようにデザインされたエンジンは、実際には、スロットルが全開のときに有効な１０：１の圧縮比で動作する。スロットルが１／４または１／２に設定されると、必要に応じて空気がシリンダを満たすことができないので、１０：１の圧縮比による利益が減少する。有効な比率は、４：１またはさらに低くなる可能性がある。この出力を減じた設定では、燃料は点火されているが、酸素が不足することもあって、良好で有効な爆発は起こらない。
【００４１】
エンジンにおいて異なる燃料が使用された場合、その燃料はそれ自体の最良の圧縮比で用いられる。標準のガソリンは、約１７０ポンドの圧力に達したときに最良に爆発する。圧力が１９０ポンドを超えると、ガスは、点火前に爆発し、「ノック音」および出力の低下が生じる。ガスが５０ポンドのときに点火された場合でも燃焼するが、弱く非効率的な推進力を生じる。本エンジンは、効率的な燃焼を生じるに必要とされる圧力に可能な限り近く保持されるようにデザインされる。
【００４２】
エンジンが通常のガソリンで運転し、１７０ポンドで最良の効率を生じるが、圧力が１９０ポンドに達した場合には早期爆発するものと仮定する。燃料は、次いでプレミアムガソリンに変更されるが、このガソリンは、１９０ポンドの圧力で最良に爆発し、その圧力が２００ポンドに達するまで早期爆発しない。これらの環境の下で、スロットルを開くことによって、より多くの酸素が混合気に送られ、より高温の燃焼およびより多くの出力が生じる。品質を高めたプレミアムガソリンを適切に使用して圧力を上昇させるには、エンジン内の圧縮比を変化させなければならない。
【００４３】
図２〜７は、本発明の可変容量運転の簡略化した代表例を提供した。図８は、円形星形エンジン３０と、シリンダおよびピストンの相対的位置とを示す図である。中心からオフセットされて回転するクランク軸（図９参照）が、シリンダ内のピストンの容量をどのように変更するのかが分かる。ピストンロッド軸受は、クランク軸１２から９０°の角度に設定されていない。バルブホイール３２は、星形エンジン３０の周辺部に示され、全てのバルブ３４がただ１つの機械的要素によって作動されるという独特な機構を提供する。バルブホイール３２は、従来のエンジンのバルブアセンブリの動作に必要な軸受、駆動装置、および個々のカム軸が不要となる。
【００４４】
バルブホイール３２の内側は、バルブ３４の各列のためのトラック３６である。トラックは、各バルブを作動させるべきポイントにおいてエンボス加工される。バルブホイールは、クランク軸よりもゆっくりと移動する。シリンダの数に関わらず、エンジンの全てのバルブの制御にはホイールが１つだけあればよい。
【００４５】
図９は、用いた星形エンジンの断面図であり、図８に示されるように、ドーム型のバルブホイール３２と、歯車駆動機構４０とを含む、主なエンジン構成要素の詳細を示す図である。バルブホイールのドーム形状は、強度を加えて、より容易にシリンダヘッドの両側のバルブ３４に到達する。バルブホイールは、３６０°の円形である。バルブホイールは、エンジン内中央の歯車列によって駆動され、内蔵された可変バルブタイミングを有する。バルブタイミング補正は、カム機構が回転して圧縮比を変化させたときに行われる。歯車列は、エンジンの筐体のキャビティ内に配置される。筐体は、シリンダを囲み、上部主軸受を保持する。また、クランク軸アセンブリの下部上に主軸受を保持する。
【００４６】
バルブの各列のためのトラックは、バルブホイール内側および下部にある。トラックには、硬化鋼製の別の特殊トラックが嵌合される。トラックには、必要に応じて各トラックの下部に整列させた全てのバルブと接触するように、適切に彫り込まれる、および／またはエンボス加工される。トラックが各バルブをゆっくりと通過するときに、エンボス部および回転速度に基づいて、バルブをスキップするか、または作動させる。少数のトラックしか備えない単一のバルブホイールは、通常は最新のＶ６またはＶ８動力装置に付随する多数のカム軸、歯車列、軸受、および駆動機構に変わるものである。バルブホイールは、全てのバルブを同時に進めたり遅らせたりする。
【００４７】
図９はまた、クランク軸１２と交差するロッド軸受２０の詳細も示す図である。油圧シリンダ４２は、スライド機構を上下に移動させる。本実施態様は、クランク軸の外側に油圧シリンダを有し、スイベルを使用してエンジンの回転運動をシリンダから分離する。油圧シリンダの動力装置４２は、ケージを上下に駆動する原動力を提供し、それによってエンジンの容量を変化させる。油圧動力装置４２は、支持用フレームに固定される。スイベルによって、エンジンは、動力装置４２に影響を及ぼさずに回転することができる。原動力は、修理および検査を容易にするために主クランク軸１２の外側に示されているが、要求に応じてクランク軸機構内部に配置し、電力、作動油、または機械的手段で作動させることも可能である。
【００４８】
下部アセンブリ４４は、クランク軸１２のフライホイールおよびベースである。クランク軸は、ケージおよび軸受アセンブリをクランク軸上に容易にスライドさせることができるように、底部から容易に分解することが可能である。下部アセンブリ４４は、フレキシブルなゴム状のスリーブによって動力取り出し部から分離される。フライホイール構成は、センサをどのようにシステムに組み込むことができるのかを示している。別様には、フライホイールのベースは、他のタイプのセンサを使用して作製することも可能である。本センサシステムは、エンジンが主負荷をかけたときに発生しているトルクを直接読み取るようにするので、消費される燃料に関わらず機能する。センサは、オンボードコンピュータに接続することができ、また、燃料消費を減じたレベルにおいて必要な出力を得るために、これを使用して、燃料分配を微調整し、全ての他の利用可能な調整を行うことができる。
【００４９】
図１０は、図９に示される星形エンジンの内部を示す、バルブホイール３２の切断図である。バルブホイールは、バルブ作動装置の真上に配置されたホイールであり、エンジンの毎分回転数（ＲＰＭ）よりもゆっくりと移動する大型の歯車付ホイールである。ホイールの外側部は、バルブ作動装置３５の複数の列を嵌合するように湾曲させることができる。軽量の材料で作製されたホイールは、その中で硬化金属製の円環を恒久的に適所に保持できるように、スロットを有する。バルブホイールは、エンジンの上部中央で、軸受を有するギアボックスを使用する。また、図９および１２に示されるように、アラインメントおよび支持部を保持するように、外側軸受３７を有する。リングは、作動が必要なときにシリンダヘッドの上部のバルブ作動装置を押下げるか、または上昇させ、次いでバルブリングが各バルブ上を通過するときに各バルブを解放させることができるように、エンボス加工および／または彫り込みが施される。彫り込み／エンボスバルブリングは、大部分のエンジンで使用される従来のカムの代わりに使用される。１つのバルブホイールおよび４つの彫り込み／エンボスリングは、シリンダヘッド上に４つのバルブを有する全てのシリンダを容易に運転することができ、また６つのリングでは各シリンダ上の６つのバルブを運転することが可能である。本構成は、各バンク上のシリンダ数に関係なく、星形エンジンで使用することができる。より多くのシリンダを収容するには、リングの直径を大きくして、シリンダヘッドの上部の直径に合わせるだけである。更なる彫り込み／エンボスユニットは、更なる歯車または軸受を使用せずに、バルブリングに追加するだけである。本システムは、従来のエンジンで使用される多数の歯車、軸、および軸受に変わるものであり、バルブを作動させるに必要な摩擦および要素を削減する。バルブリングは、全てのエンジンデザインに好適であるというわけでなく、標準的なバルブ構成または電子バルブ作動装置が、特定のエンジン構成にはより好適なものとなる場合がある。
【００５０】
図１０では、エンジンがわずかに傾斜して配置されているので、バルブホイールがより明らかに示される。矢印は、バルブホイールの運動の形態および方向を示す。バルブリングは、作動装置３５の真上に切断図で示される。燃焼用の空気は、スロットまたは開口部を通ってバルブホイールの中央に入り、吸気バルブシステムの吸気ポートに進む。更なる空気を入れて、シリンダおよびヘッドの冷却を補助することが可能である。排気ポート４８は、エンジンの右側に示される。各シリンダは、排気が排気マニホールドを経てエンジンから離れて導かれるように、互いに連結することが可能な少なくとも１つの排気ポートを有する。
【００５１】
図１１は、星形エンジンの別の実施態様を示す図であり、Ｘ３エンジン５８と称する。図１１は、周回エンジンの簡略化モデルを示す図である。楕円５９は、適所にシリンダを保持する回転フレームワークによって確立された固定シリンダの軌道を表す。楕円６１は、ピストンの軌道を表し、調整可能なクランク軸において旋回し、それによって、記述した有意な調整を行うことが可能となる。本原理により、本エンジンのデザインは、シリンダおよびピストンの信頼性が証明され、さらに、ロータリーエンジンと同様な円滑な性能を与える。循環ピストン運動は、２つの軌道が互いに機能するようにシミュレートされる。ピストンの実際の上下運動は無いが、上下運動があるかのような全く同じ効果を与える。エンジンは、従来のエンジンよりも高回転で滑らかな出力を提供する。エンジンの制限因子は、空気および燃料の充填能力、およびそれら自体の燃焼速度である。
【００５２】
図１２は、Ｘ３エンジン５８の詳細を示す図である。上述の原理は、Ｘ３エンジン５８のシリンダおよびピストンがクランク軸の周囲を回転することを除いて、Ｘ３エンジンに対しても同じである。Ｘ３エンジン５８は、図１０の説明と同じ可変容量および圧縮比の原理を提供する。ピストンは、シリンダ内にとどまったままであるが、それぞれ異なる軌道で回転する。従来のエンジンデザインでは、ピストンがシリンダを上昇し、停止して、下降し、その後上昇する。Ｘ３エンジン５８では、周回原理を使用して、エネルギを節約し、エンジンがより高速に動作できるようにする。従来のエンジンは、クランク軸およびピストンだけが運動している。本エンジンデザインでは、シリンダも回転して、わずかに大きな質量の移動を与え、一方で、重い鋳鉄のクランク軸およびフライホイールが不要となる。回転式のピストン、個々のシリンダ、およびヘッドは、フライホイールとして作用する。最新の技術および材料によって、エンジンをより強力で、軽量、かつ耐久性のあるものとすることができる。
【００５３】
Ｘ３エンジン５８の主な構成要素は固定クランク軸６０を含む。すなわち、クランク軸は固定されており、回転しない。その代わりに、シリンダ６２および６４が、シリンダ内側のピストン６６および６８とともに周囲を移動する。シリンダ６２および６４は、下部ベースにおいて軸受７２上を回転し、クランク軸の周囲を別々に回転する構造体フレームワーク７０に載置される。ピストン６６および６８は、クランク軸６０の軸の周囲を回転する。シリンダ６２および６４は、それら自体の軌道を有し、ピストン６６および６８は、クランク軸によって定められた軌道内にある。２つの軌道が互いに重なったときに、エンジンは圧縮を生じる。２つの軌道がピストンおよびシリンダを互いから離したときに、エンジンは減圧を受ける。動作は円形であるので、急激な上下運動は起こらない。したがって、ピストンを停止および逆動させなければならない従来のエンジンのようなエネルギが消費されない。この運転はロータリーエンジンに類似しているが、通常の円形の、または特殊な楕円形のピストンを有することができる。ピストンは、楕円形の上部を有して、過度の摩耗を発生させずにピストンを適切な位置に保持する。シリンダ６６および６８は、完全な円形でないことに留意されたい。これらのシリンダは、ほぼ円形となるような十分に丸みのあるコーナー部を備えた矩形状である。この特殊なデザインによって、良好かつ多様なバルブの配置を行うことができ、ピストンをシリンダ内に適切な配向に保持する。
【００５４】
加えて、より幅の広いピストンによって、更なるバルブをより容易に収容することができる。シリンダあたり６つのバルブが実現され得る。ソケットおよびボールを各ピストンに使用して、２つ以上の面の調整および運動に対応しているので、バルブがクリアになるように、ピストンの適切なアライメントを保持する方法が必要である。
【００５５】
本Ｘ３エンジンは、可変強度バルブリターン３７を使用する。従来のエンジンは、固定強度バルブリターンを使用しているが、これは、エンジンの回転数に関わらず、各バルブ（３２のバルブを有するものもある）を迅速に閉じるように設計されたものである。バルブ強度は、最高回転数においてバルブがすばやく閉じられるように、極めて強力でなければならない。回転数が低いときにはこの強度は無駄であり、バルブシステムに更なる抵抗力が生じてエンジン出力が低下する。Ｘ３周回エンジンシステムの場合、バルブばねは低速〜中速において低い強度で機能する。回転シリンダによって発生する遠心力によって生じる重力加速度は、全ての速度においてバルブを迅速に閉じるに必要な強度に比例して、バルブリターンの強度を増加させる。バルブおよびバルブばねの重量および角度は、回転数および重力加速度が増加したときに、バルブばねの強度を適切に増加させるように計算される。ある場合では、更なる強度を与えるように更なる重量が加えられる。
【００５６】
クランク軸アセンブリは、フレーム７６の上部に支持される。主軸受７８は、バルブホイールアセンブリを支持する。バルブホイールは、シリンダアセンブリに関連して比較的にゆっくりと移動する。基準歯車８０は、他の歯車が周囲を移動するベースを提供する。すなわち、他の歯車がベース歯車８０の周囲を移動する。ベース歯車は、第一のレバーによって適所に堅固に保持される。クランク軸が固定されているので、第二のレバーを使用して適所に保持する。基準点を変化させるために、２つのレバー間で小型油圧シリンダを使用することができる。レバーが移動されると、バルブのピストンの位置が上昇または下降し、可変バルブタイミングを提供する。Ｘ３エンジン５８は、可変バルブタイミングを使用して、エンジンが極めて高速に対応できるように、異なる負荷および速度にバルブの動作を適合させる。また、カム８４が回転して圧縮比を変化させるように、バルブを適時保持するためにも使用される。同心円状の運動によって、点火およびバルブタイミングの再調整を有効にすることが可能である。歯８８は、回転シリンダアセンブリのベースの周囲に配置される。歯８８は、クランク軸が移動しないので、エンジンから出力を取り除く。歯車９０は、エンジンの出力を負荷に割り当てる。歯車９１は、軸およびプーリー９９に連結された軸受９７を介して移動する駆動歯車９５が、エンジンの上部で補助的な動力取り出しを生じるように、バルブホイール９３上に載置されそこに固定される。
【００５７】
クランク軸６０が固定されているので、容量を変化させる機構のエンジン床部への組み込みが容易である。圧縮比を変化させる動力源を同じベースに組み込むことができる。動力源は、エンジンの動作中でも常に運転することができ、エンジンを運転している間の圧縮および容量のより精密な設定を可能とする。
【００５８】
歯車機構８６は、バルブホイールを運転する。バルブホイールを動作させる歯車機構は、シリンダを収容する構造体から動力が供給される。歯車機構８６のシリンダプレートは、上下の歯車の軸の中央から、周囲の一群の歯車を引き込む。それらの歯車は、半固定基準歯車の真上に係合され、下部歯車を回転させることによって上部歯車が回転できるようにする。上部歯車は、バルブリングの周囲を引っ張るが、歯車比、取り出し歯車の位置、および半固定調整基準歯車の位置に基づいて、その速度を増減することもできる。バルブホイールは、その外縁部上に支持軸受を有し、回転シリンダのフレームワークに載置される。
【００５９】
固定クランク軸に取り付けられた基準歯車８０は、その運転を調整する。基準歯車の位置を変化させる（前進または後進）ことで、必要に応じてバルブ機構を進めたり遅らせたりする。歯車列の真下の機構上の小型油圧シリンダを参照のこと。油圧シリンダは、基準歯車に取り付けられて可変バルブタイミングを提供し、オンボードコンピュータによって継続的に監視および調整される。
【００６０】
図１３は、図９の元のエンジンデザインのクランク軸アセンブリおよび歯車列を詳細に示す図である。ロッド１００は、カムを駆動する歯車をアンロックする。歯車がアンロックされると、歯車１０２がカム歯車を新しい設定に移動させ、エンジンは、異なる圧縮比を用いることができる。異なる燃料を新しい圧縮比で使用することができる。
【００６１】
油圧プランジャ装置１１０を使用して、中央ロッドを引き上げたり押下げたりする。スイベル１１２は、起動シリンダの下に配置される。スイベル１１２は、クランク軸の回転部分を起動シリンダの非回転部分から分離する。中央ロッドは、必要に応じてケージアセンブリ１１７を移動させる。ロッドは、円形または正方形とするか、あるいはあらゆる他の構成とすることが可能である。ロッドは、上部を中実とし、クランク軸アセンブリ内の曲線に合わせなければならない底部付近では柔軟性のあるものとすることが可能である。別様には、特別な駆動軸チェーンを使用して、クランク軸内の曲線を通過でき、さらにケージ１１７を正確に押したり引いたりできるように、十分フレキシブルなものとすることが可能である。フレキシブルロッドの底部のスロットは、ピンを挿入してケージ１１７を適所に保持するように提供される。カム１１３は、圧縮比を変化させるように回転する。クランク軸の主軸１１４は、プレート１１６に固定される。
【００６２】
プレート１１６は、中央に主軸受を備えたフライホイールの要素である。このユニットをアセンブルするために、主軸アセンブリ１１４を残りのフレームから取り外すことができ、それによってクランク軸を下降させることができるようになる。よって、該ユニットを底部から上部へ押し上げ、次いで下部プレートに再固定することによってアセンブルすることができる。フレームパネルは、下部主軸受が２つのピースで保持され、分解して下部主軸受を組み込むか、または点検する。ケージ１１７は、アセンブルして、クランク軸全体を組み立てる前に軸の上に置くことができる。
【００６３】
フライホイールの下部中央部分は、一種の防振システムを使用して主出力部に連結される。ゴム状のユニットで囲まれた複数のピンのうちの１つは、２つのプレートを互いに連結してトルクを伝達し、重負荷のときに主出力プレートの速度をエンジンよりわずかに遅らせることができる。
【００６４】
レーザーセンサは、負荷の遅延時間のわずかな差異を測定してオンボードコンピュータに報告し、負荷に対して発生および供給される実際の出力を測定する。センサまたは他の出力測定装置は、他のエンジンセンサの測定値とともにその測定値をオンボードコンピュータに送信してエンジン効率を継続的に監視し、また、燃料温度、燃料圧力および分布、可変圧縮、可変圧縮比、可変バルブタイミング、可変点火タイミング、および／または噴射タイミングを含む、システム全ての可変調整を微調整する。また、特定の用途に対して全体的に使用すべき最良の燃料タイプも選択する。コンピュータは、選択した燃料の燃焼を最大化し、炭化水素および他の燃焼汚染物質を低減するように、最良の運転温度を選択することも可能である。
【００６５】
図１４は、どのようにケージ１１７を組み立てることができるのかを詳細に示す図である。ケージ１１７は、ピストンがエンジンに伝達する実質的に全てのトルクを受けるので、耐久性の高いものである。ケージの内部は、五角形でまたは八角形であり、軸に沿って移動するときに適所に保持することができる。ケージ１１４は、軸受が機構内で振動しないように、常に水平および垂直に配列されるように軸受を保持しなければならない。最も外の軸受アセンブリ１２０は、カムアセンブリ１１３に直接連結され、ピストンロッド用のソケット１２２を保持する。ロッドの両端には、ボール１２４が提供される。各ボール１２４はこの外側軸受のソケットに嵌合し、他端はピストン内のソケットに嵌合する。ボールが組み込まれた後に、外側軸受の上半分１２６が置かれ、複数のボルトまたは他のタイプのコネクタで固定される。なお、一方のロッドは一端上にボールを有し、他端はヒンジに類似した軸受を有し、制御する主ロッドに側方運動させないことに留意されたい。主ロッドは、軸受アセンブリの周囲を引っ張り、常に主シリンダとの位置を適切に保持する。このシリンダは常に完全に位置合わせされるので、他のピストンも実質的にそれらのシリンダとの位置が適切に保持される。ボールおよびソケット連結部が全ての連節型ロッド軸受に使用され、２方向の運動を可能にする。１つの方向は、通常のピストン運動であり、もう１つの方向は、調整の変更に使用される。図１４は、適切な角度によってどのように構成およびメンテナンスが容易になるのかを詳細に示す図である。
【００６６】
図１５は、上端まで引っ張られたケージ１１７を示す図である。エンジンが停止している状態で、圧縮比調整はこの時点で行われる。モデルによっては、エンジンを最初に停止させずに圧縮比を変化させることができる。Ｘ３で示されるモデルは、エンジンの運転中に圧縮比を変化させるようにしたものである。本バージョンでは、ギア１０２がエンジンの停止に関わらず作動できるように、ケージ１１７を正確に上昇させなければならない。左上の小さなレバーは、ケージ内部のロック装置がロックを解除し、同時にカムが再配置されるような方法で、ケージ１１７上に配置された制御リングを押下げる。ケージ１１７が遠ざかるときに、新しい設定にロックする。
【００６７】
図１６は、クランク軸機構の上面図である。ロッドソケット１４０を主ロッド軸受１４２とともに示す。主ロッドは、上述のように、全てのロッドソケットとそれぞれのシリンダとの位置を適切に保持する。歯車１４４は、カムを移動させる。ケージ１４６は、カムおよび他のアイテムを上下に担持する。ケージ１４６はクランク軸上に載置されるが、クランク軸と一体となる場合を除いて回転できないように機械加工される。ケージの前部およびクランク軸の前部は、常に、基準点１５０によって示される同じ位置にある。
【００６８】
図１７は、上部可動域において再配置される準備のできたケージ１１７を示す図である。アンロックピン１００が作動しており、歯車１０２は、カムを新しい位置に移動させる準備ができている。ケージを押したり引いたりするフレキシブルロッドが示される。ロッドは、円形の孔で示されているが、デザインに応じて四角形または矩形の孔とすることもできる。ピン装置１６０は、フレキシブルロッドを貫通する。ピン装置は、スロット内を移動してケージを係合し、それを適切な位置に保持する。ケージ１６２は、エレベータケージに類似しており、機械加工されたクランク軸上を上下に移動する。クランク軸は極めて堅固にケージを保持し、移動するときのアラインメントを保持する。カム１６６用の後部軸受は、ケージの外側軸受上に直接嵌合される。外側カム軸受１６４は、各々のロッドソケット１７０を保持する主軸受を保持する。ソケット１７０は、主軸受上に配置されて、各端部上にボールを有するロッドを適合させる。側方運動させない軸受（図１６の主ロッド軸受１４２を参照）を有する１つの主ロッドが存在し、全てのロッドとそれぞれのシリンダとを適切な位置に保持する。図１７は、クランク軸の中央まで下降したケージを示す図である。ケージが下方に移動すると、エンジンの容量が増加する。運動の角度は、ピストンをエンジンのヘッドから離れる方へ引っ張り、同じ圧縮比を保持する。これらの２つは互いに機能して、これらの変化が生じたときに圧縮比を本質的に一定に保持する。基準１５０は、クランク軸の前部にあり、基準１５２はクランク軸の後部にある。前面は、ピストン上部から可能な限りシリンダのヘッド近くまで移動するので、重要である。これは、ピストンの最大スロー（ｍａｘｉｍｕｍ  ｔｈｒｏｗ）である。最大スローでのピストン上部は、圧縮比を設定するものである。カムが存在しない場合、最大スローは常に同一となる。基準点１６４は、図１６に示されるように、カムの最も細い部分およびクランク軸の側面におけるその位置を示す。この場合の圧縮比は、ピストンが上部まで駆動されていないので、中間の圧縮比となる。カムが右に９０°移動した場合、更なるカムの幅がピストンの以前の最大スローに加えられる。また、他の中間的な調整を行うために、より小さな増分で移動させることもできる。カムが移動すると一方が広くなり、他方が細くなるが、圧縮比は最大スロー（クランク軸の前部）においてのみ決定されるので、側面および後部の変化はあまり重要ではない。バルブの運動ではわずかな変化が生じうるが、オンボードコンピュータによって可変バルブおよび点火タイミングが自動的に補正される。ケージの上下運動は容量を変化させ、カムの設定のみが圧縮比に影響を及ぼす。
【００６９】
図１８は、今日の大部分のエンジンに用いられる、歯車アセンブリの分解図である。これは、別個の軸へ進むことができる歯車を駆動して、同じエンジン（すなわち、小型４シリンダまたは小型８シリンダ）のバルブ機構を駆動することができる。その同じ歯車は、図９に示されるエンジンのバルブホイール用の出力ハブとするか、またはＸ３エンジンのバルブホイール用のハブとすることができる。歯車比は、いずれの動力装置に対しても確立することができる。上部から下方に移動すると、別の大歯車１８０がある。その歯は、小歯車の歯と嵌合する。小歯車１８２の軸は、それらの中央に軸受を有し、駆動プレート１８４を貫通する。駆動プレートは、主駆動軸に固定される。キー１８６によって、駆動軸はプレートを駆動することができる。小さい上部歯車は、回転するだけでは上部歯車を移動させない。上部歯車は、それらの中央が移動プレートに連結されているので歯車自体が連続的に動くため、これらの歯車は、実際には上部歯車を引き込み、同時に、適切な歯車比に調整するためにだけゆっくりと回転する。下部歯車は、半固定の歯車に対して作動する。半固定歯車は、一部を右に、一部を左に回転させることができる。これらの調整が行われると、出力歯車の運動を進めたり遅らせたりするように作用し、それによって、可変バルブ機構を進めたり遅らせたりする。
【００７０】
図１８において、製造時には、バルブホイールまたは歯車列の全体的な比率を、上部歯車１８２および下部歯車１８８のサイズを変えることによって調整して、製造されるエンジンのサイズおよびタイプに好適な比率となるようにすることができる。
【００７１】
基準歯車１９０を進めたり遅らせたりするには、可動レバー１９２によってフレームに連結しなければならない。その右下は、それらの微小運動を生じさせるために使用される小型動力シリンダ１９４である。レバーが、反固定歯車の配置された中央に戻る場合、歯車は、可変バルブタイミングをどのように達成するか、必要に応じて前方または後方に回転させることができる。
【００７２】
図１９、２０、および２１は、本エンジンデザインが様々な構成を使用して製造できることを示す図である。他の箇所で説明した工学原理をこれらの図に適用する。バルブホイールは、実際には３６０°の円形とする必要があるので、標準的なエンジンは、円形で一部の従来のエンジンよりもわずかに大きくなる傾向がある。これらのオプション的なスリムな小型モデルは、従来または代替的なバルブシステムのデザインを用いることを除いて、他のものと同様に運転する。星形エンジンは、通常、各バンクに３つ、５つ、７つ、または９つのシリンダを示すシリンダレイアウトを有する。バルブシステムは、滑らかな出力を提供することもでき、バルブホイールのデザインに適したものである。点火順序は、より滑らかな出力を発生するように変更されるが、シリンダ間の距離が互いに等しくないので、円形星形エンジンほど滑らかでない場合がある。様々な従来のシリンダヘッドおよびデザインを用いることができる。多数のモーターサイクルは、このような小型ユニットで良好に機能するシリンダおよびバルブのデザインを有する。各シリンダヘッドは、異なるアライメントを有するので、電子バルブもそれに適したものとなる。
【００７３】
図１９は、図２０の正面図である。左側はバルブカバー２０２である。右側は、排気または吸気ポート２０４のうちの１つである。共通カム２０６は、それらの２のシリンダのバルブシステムを連帯的に運転する。図２０では、動力源２１０は、クランク軸の容量を変化させる。スイベル２１２は、回転エンジンの回転力から原動力を分離する。歯車２１４は、１つ以上の歯車付バルブシステムを運転することができる。その上方には、バルブを駆動するための補助動力取り出し部および歯車がある。シリンダのうちの２つ（シリンダ２１６および２１８）は、他の２つのシリンダの下方にある。全て図９に示すものと同じ角度を有し、同様に運転する。起動装置２２２用のフライホイールおよび歯２２０が示される。
【００７４】
図１９の小型エンジンデザインは、大部分の利用可能な自動車のエンジン部に適合する。小型デザインでは、図９に示されるものと同じ原理を用いて、シリンダのうちのいくつかが省かれる。本エンジンデザインはもはや円形ではないので、従来のバルブが使用される。電子バルブの技術は進歩しており、本エンジンの小型デザインを簡素化することが可能である。
【００７５】
図２１は、２つの小型４シリンダエンジンを背中合わせに連結したものであり、Ｖ８エンジンとほぼ同様に、２つの４シリンダエンジンが同じクランク軸上で連結される。シリンダ２３２の各組には制御装置２３０が必要なので、エンジン出力は歯車２３４を介して伝達される。クランク軸機構を内蔵すれば、従来のように出力を取り出すことが可能である。フライホイール２３６は、端部または中央のいずれかに配置することが可能であり、また、起動装置システムを運転する役目もする。シリンダは、最も滑らかな可能な運転を提供するように設定しなければならない。歯車２３８は、バルブシステムを駆動するように示される。これは、電子バルブを組み込めば省くことができる。
【００７６】
図２２は、本エンジンの機能を監視および制御するためのオンボードコンピュータ、すなわち電子デバイス２５０を示す図である。一般的な電子デバイスは、酸素センサ、熱感知器、空気流モニタ、回転計、および速度計である。センサは、コンピュータにデータを送信し、燃料がより正確に分配され、場合によっては、点火を進めたり遅らせたりする。
【００７７】
本エンジンは、可変容量システムおよび可変バルブタイミングを特徴とする。本エンジンは、内部的にそのサイズを調整して、運転状況に必要な出力に即時に適合させる。より多くの出力が必要なときはエンジンの内部がより大きくなり、あまり出力が必要でないときは内部がより小さくなる。このように、エンジンは、最高効率またはほぼ最高効率で連続的に運転する。上記したものに加えて、いくつかのエンジンは、可変圧縮比機構を備え、それによって、運転者は、複数の利用可能な燃料から選択することができる。本エンジンは、圧縮比の調整を行って、選択した燃料に適合するように正しい圧縮比に切り替え、また、第二の燃料電池へも切換える。オンボードコンピュータは、これらの変更を行えるようにするための必要な情報を格納することができる。オンボードコンピュータは、データを送信して、ある時間にどのくらいの出力を発生したのかを正確に示す。
【００７８】
また、オンボードコンピュータは、エンジン運転時に発生したトルクの読み出しも提供する。これは、コンピュータが、正確な速度と、エンジンの出力部に直接連結されたホイール上の各ドットの位置とをレーザー監視することによって行われる。エンジンの負荷に連結された第二の同一のホイールが存在する。エンジンが動作していないときに、各ホイール上のドットは完全に一致する。これら２つのホイールは、ゴム状の出力伝達モジュールによって連結される。出力が使用されているとき、ゴム緩衝器がわずかに圧縮し、第二のディスクは、使用される出力に比例して、第一のディスクに遅行する。コンピュータは、この距離を測定して、発生するトルク量を算出する。
【００７９】
コンピュータの主な機能のうちの１つは、運転者の加速ペダルを監視することである。ペダルを踏み込めば、車両はより速く進む。ペダルを踏み込むことで、最初にスロットルが開く。エンジンがその容量に対する出力に達するか、または近づいたときに、さらにペダルが踏み込まれれば、コンピュータは容量を増加させる。なお、ペダルを戻したときに、スロットルが最初に絞られ、出力レベルが下がるが、スロットルが再び急激に開かれる場合に備えて、容量は、さらに数秒間低減されない。加えて、運転者は、コンピュータ上のボタンを押して、エンジンをノーマル、スーパーエコノミ、またはエクストラパワーモードで運転するようにコンピュータに通知することができる。
【００８０】
全体的なトルクの測定に加えて、オンボードコンピュータは、複数の他の機能を実行することができる。コンピュータは、エンジンの速度を極めて正確に測定することができる。使用される全体的なトルクの通知に加えて、コンピュータは、シリンダが点火されるたびに、出力ホイールへのわずかなパルスを検知する。コンピュータは、点火の制御および監視も行うので、各パルスを個々のシリンダに関連付けることができる。したがって、コンピュータは、それぞれのシリンダがどの程度強く点火された通知することができる。コンピュータは、設定のうちのいくつかを変更して、各シリンダからの出力を再び分析することができる。このような情報を使用して、燃料噴射器の部分的な詰まりまたは点火プラグの不具合などのように、特定のアイテムに注意する必要があることを運転者に通知することができる。運転者による確認後に、コンピュータは、エンジンの問題のいくつかを補正しようとする。
【００８１】
オンボードコンピュータの最も重要なタスクは、可変圧縮機構および可変容量機構の適切な位置を選択することである。異なる燃料タイプから発生するトルクは、他のデータとともにファイルに保持される。この情報は、核燃料タイプがどのように機能しているのかを運転者に認識させることができる。例えば、運転者は、各燃料タイプを最も有効に活用したときに、安価で低オクタン価の燃料に対して、より高価なプレミアム燃料を使用した場合を評価したい場合がある。運転者は、コンピュータにこれら２つの燃料の性能を比較させることができる。コンピュータは、次いで、特定の燃料用の設定に調整し、適切な燃料電池に切り替えて、短時間運転してその結果を記録する。コンピュータは、第二の燃料の評価に進み、シーケンスを繰り返す。２つの燃料の比較においては、トルク、性能、排気ガス、および使用した燃料がコンピュータによって使用される因子となる。本エンジンは、特に使用される燃料に適合するように圧縮比を調整することができるので、運転者は、プレミアム燃料のほうが割安感があることに驚くかもしれない。同様に、運転者は、エタノール、ディーゼル、バイオディーゼル、燃料油、またはトウモロコシ油（これらは全て本エンジンデザインで使用することができる）をガソリンと比較したい場合がある。
【００８２】
コンピュータは、個々の燃料の性能を分析することができ、それらの結果を使用して、最良の燃料経済性および出力が得られる精密な設定への機構の調整を助力することができる。エンジンは、このような方法で調整されて燃料から最高効率を得るので、極めて清浄に燃焼し、ほぼ無公害で運転する。
【００８３】
より迅速に結果を得るために、メーカーは、一般的な燃料およびそれらの運転コードのリストを提供する。運転者は、これらの燃料のうちの１つをリストから選択してより迅速に結果を得ることができる。オンボードコンピュータは、全ての燃料の運転設定および性能レベルとともに、車両で実際に使用された全ての燃料のリストを保持する。
【００８４】
要約すると、自動車は、低出力、中出力、および高出力設定での動作が見込まれる。本エンジンは、全ての速度および負荷に適合させることができるので、より多くの出力を提供することができ、また、全てではないにせよ、大部分の他のエンジンよりも経済的である。本エンジンを船舶用途に使用して、すでに使用されている大部分のエンジンに提供されているものよりも大きな出力および高い回転数を提供することができる。本エンジンのロータリーバージョンは、従来のエンジンよりも大きな出力および高い回転数を提供することができる。
【００８５】
航空機用途では、従来の航空エンジンは、航空機が雲の上の安定した気流のところまで上昇すると出力が低下する。エンジン出力は、５，０００〜１０，０００フィート（１，５００〜３，０００メートル）から急激に低下するが、これは、この高度では空気が薄くなり、単純にピストンが十分な空気を取り込むことができないという事実に起因する。本エンジンは、特別に深いストロークを採るように設定することができるので、シリンダを完全に充填できるようになる。本エンジンは、従来の航空機用エンジンよりも軽量で可動部品が少ない。
【００８６】
発電設備用途では、小型〜中型の発電設備は、動力が必要かどうかに関わらず、標準的な速度での運転が見込まれる。大部分の設備は、３６００ＲＰＭで動作する。従来のエンジンは、かなりの燃料を消費して、単に最小の速度および出力設定で動作する。本エンジンは、３５００ＲＰＭの所要速度を保持しながら、その容量を低減する。本エンジンは、非常に燃料効率が良い様態で運転し、さらに必要な場合はいつでも最大出力を提供する準備ができている。
【００８７】
したがって、ジャーナルを様々な位置に移動させることによって、ストロークの長さ（容量）およびシリンダのヘッドまでの距離を変化させて、圧縮比を変化させることができる。これらの機構によって、エンジンは、容量を大きくまたは小さくしながら調整することができ、同時に、適切な圧縮比に自動的に調整することができ、燃料は最高効率で燃焼することができる。圧縮比の調整によって、ユーザーはいつでも、ある燃料タイプから別の燃料タイプに切り替えることができる。これらの原理は、エンジンが、シリンダが固定されクランク軸が移動する従来の様態でデザインされたか、またはシリンダが回転してクランク軸が固定されているかどうかに関わらず適用される。
【００８８】
本発明の１つ以上の実施態様を詳細に説明したが、当業者は、請求項に記載された本発明の範囲を逸脱することなく、それらの実施態様の変更および改良を行うことが可能であるものと理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、既知の内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を示す図である。
【図２】図２は、内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を簡略化して表現した図である。
【図３】図３は、内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を簡略化して表現した図である。
【図４】図４は、内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を簡略化して表現した図である。
【図５】図５は、内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を簡略化して表現した図である。
【図６】図６は、内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を簡略化して表現した図である。
【図７】図７は、内燃エンジンにおけるピストンおよびシリンダ配列を簡略化して表現した図である。
【図８】図８は、５シリンダエンジンの一実施態様の平面図である。
【図９】図９は、図８の線９−９に沿った断面図である。
【図１０】図１０は、エンジンのデザインおよびバルブホイール全体の詳細を示す断面図である。
【図１１】図１１は、Ｘ３エンジンデザインの回転軌道の簡略図である。
【図１２】図１２は、Ｘ３エンジンデザインの断面図である。
【図１３】図１３は、クランク軸アセンブリおよび歯車列の詳細を示す図である。
【図１４】図１４は、ケージのアセンブリの詳細を示す図である。
【図１５】図１５は、最上位におけるケージを示す図である
【図１６】図１６は、クランク軸機構の上面図である。
【図１７】図１７は、最上位にあり、再配置の準備のできたケージを示す図である。
【図１８】図１８は、バルブ機構を駆動するように別個の軸に進むことができる歯車を示す
【図１９】図１９は、大部分の利用可能な自動車のエンジン室に適合する小型エンジンデザインの図である。
【図２０】図２０は、図１９の小型エンジンのデザインの平面図である。
【図２１】図２１は、背中合わせに連結した２つの小型エンジンを示す図である。
【図２２】図２２は、エンジンの性能の検出に使用したオンボード電子制御モジュールを表す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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