(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダとそのシリンダ内を移動するピストンとによって形成される燃焼室と、
前記燃焼室に連通する主換気通路と、前記主換気通路に連通する吸気通路及び排気通路と、が形成されたシリンダヘッドと、を備え、
前記主換気通路を開閉することにより前記燃焼室への給排気と前記燃焼室の密閉を切り替える構造の内燃機関において、
前記燃焼室に連通する複数の副換気通路と、
前記主換気通路を開閉することにより前記燃焼室への給排気と前記燃焼室の密閉を切り替える主弁と、
前記主弁に沿って移動した位置に応じて前記主換気通路と前記吸気通路又は前記排気通路との連通を切り替える切り替え弁と、
前記複数の副換気通路の各々に設けられ、前記副換気通路を開閉することにより、前記燃焼室への吸気量を変更する副弁と、
を備え、
前記主弁を駆動する主弁駆動機構は、
鉄心にコイルを巻いた電磁石と、
永久磁石が配置され、前記電磁石を上下から挟む２つの円盤板と、
主弁円盤板固定スペーサを介して２つの円盤板を主弁ロッドに固定する主弁円盤板固定金具及び固定ピンと、
を備え、
前記コイルに電流を流すと、前記鉄心に発生した磁極と前記２つの円盤板の磁極とで吸引と反発を同時に行い、電流を流した方向に応じて主弁を鉄心に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせ、
前記切り替え弁を駆動する切り替え弁駆動機構は、
鉄心にコイルを巻いた電磁石と、
永久磁石が配置され、前記電磁石を上下から挟む２つの円盤板と、
切り替え弁円盤板固定スペーサを介して２つの円盤板を切り替え弁ガイドバーに固定する切り替え弁円盤板固定ナットと、
を備え、
前記コイルに電流を流すと、前記鉄心に発生した磁極と前記２つの円盤板の磁極とで吸引と反発を同時に行い、電流を流した方向に応じて切り替え弁を鉄心に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせ、
前記副弁を駆動する副弁駆動機構は、
鉄心にコイルを巻いた電磁石と、
永久磁石が配置され、前記電磁石を上下から挟む２つの円盤板と、
副弁円盤板固定スペーサを介して２つの円盤板を副弁に固定する副弁円盤板固定ナットと、
を備え、
前記コイルに電流を流すと、前記鉄心に発生した磁極と前記２つの円盤板の磁極とで吸引と反発を同時に行い、電流を流した方向に応じて副弁を鉄心に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせ、
前記複数の副換気通路は、前記主換気通路の対称位置に設けられており、
前記各副弁の開弁時に前記複数の副換気通路からの吸気方向は、前記燃焼室に所定の渦流を発生するように、前記燃焼室の中心方向から前記所定の渦流方向にずれており、
前記複数の副換気通路から前記燃焼室内に吸入される空気は前記燃焼室の各領域でそれぞれ渦流を発生し、
前記それぞれの渦流に燃料を噴射する複数の燃料噴射弁を前記複数の副換気通路から前記燃焼室に流れ込む空気の上流側に設け、
前記それぞれの渦流に向かってレーザー光を放射する複数のレーザー点火栓を前記複数の副換気通路と前記複数の燃料噴射弁との間に設けたことを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼室への燃料の噴射方向は、前記燃焼室の中心方向から前記所定の渦流方向にずれていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記主弁、前記切り替え弁及び前記副弁は、電磁力で調整されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
電磁力を発生させる電磁石の鉄心に、鉄基のアモルファス金属が用いられることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記永久磁石が配置される円盤板を、主弁ステム、副弁ステム、及び切り替え弁ガイドバーに取り付けたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃装置。
【請求項６】
前記主弁ステムに取り付けられた円盤板の永久磁石は、ネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）であることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記切り替え弁ガイドバーに取り付けられた円盤板の永久磁石及び前記副弁ステムに取り付けられた円盤板の永久磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記円盤板の永久磁石と、前記主弁、前記副弁及び前記切り替え弁を収容するケースに設けた永久磁石との間で、磁気クッションが行われることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項９】
前記永久磁石が配置される円盤板を、主弁ステム、副弁ステム、及び切り替え弁ガイドバーに取り付け、
前記円盤板、及び前記電磁力を発生させる電磁石を収容する電磁石ケースに、通風口が設けられることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記主弁及び前記切り替え弁を調整する前記電磁力は、前記主弁及び前記切り替え弁に設けられる電磁石と永久磁石により発生し、
前記電磁石にはキャパシタから電力が送られ、
前記主弁と前記切り替え弁との間に設けられる空気ばねによる戻りエネルギーの回生が、前記キャパシタの充電に用いられることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記空気ばねは、主弁の下部円盤板の背面と、切替弁の上部円盤板の上部との間で作動し、
前記副弁においては、前記円盤板の永久磁石と、前記副弁を収容するケースに設けた永久磁石との間で、磁気クッションが行われることを特徴とする、請求項１０に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、建設機械、鉄道車両、モーターボート、可搬式発電機、農林業機械などの内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関としては非特許文献１に示される自動車用のものが知られている。非特許文献１に示される内燃機関は、シリンダと、シリンダ内を移動し、シリンダとの間に燃焼室を形成するピストンと、燃焼室の吸排気を行う吸気弁と排気弁を備えている。吸気弁は吸気工程において開き、燃焼室内に吸気する。一方、排気弁は排気工程において開き、燃焼室の燃焼ガスを排気する。各弁はカムの回転によって駆動する。そして、内燃機関の熱効率を向上させるために、エンジン圧縮行程時に、可変弁タイミング装置により内燃機関の実圧縮比を制御することが知られている。すなわち、エンジン圧縮行程時に、可変弁タイミング装置によりカム軸に機械的機構を介してピストンの動きに応じてカムの取り付け位置を変更することにより、ピストンの動き位置とクランク角度の位相をずらす。これにより、各弁の開放時期を調整し、実圧縮比が変更される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｖｏｌ．１５  Ｎｏ．１(２００７),  圧縮天然ガス（ＣＮＧ）直接噴射エンジンの燃焼解析，  野村佳洋，稲垣英人，塚崎行弘,  ｐ.３３−ｐ.３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の内燃機関では、可変弁タイミング装置によって制御される各弁の作動領域が小さいため、熱効率を向上させる効果は限定されるという課題がある。
【０００５】
そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、熱効率を向上させることの可能な新規かつ改良された内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明によれば、シリンダとそのシリンダ内を移動するピストンとによって形成される燃焼室と、前記燃焼室に連通するとともに相互に連通する主換気通路及び複数の副換気通路と前記主換気通路に連通する吸気通路及び排気通路とが形成されたシリンダヘッドと、前記主換気通路を開閉することにより前記燃焼室への給排気と燃焼室の密閉を切り替える主弁と、前記主弁に沿って移動した位置に応じて前記主換気通路と前記吸気通路又は前記排気通路との連通を切り替える切り替え弁と、前記複数の副換気通路の各々に設けられ前記副換気通路を開閉することにより前記燃焼室への吸気量を変更する副弁と、を備え、前記各副弁の吸気方向は、前記燃焼室に所定の渦流を発生するように、前記燃焼室の中心方向から前記所定の渦流方向にずれていることを特徴とする、内燃機関が提供される。
【０００７】
かかる構成によれば、シリンダ中央配置の主弁は必要十分な吸気空気量通過の開弁面積が確保される。そして、各副弁は燃焼室のいくつかの領域ごとに（例えば、副弁が２つの場合、燃焼室の左右半分ごとに）、吸気によって燃焼室に所定の渦流を発生する。このように、副弁の開放時に、空気に縦及び横方向の渦流が生成されるため、急速燃焼が助成される。また、急速燃焼の実現で、燃焼時間が短縮すると異常燃焼を回避できるので、圧縮比を大きくでき、熱効率が向上する。このようにして、内燃機関の熱効率を向上することができる。
【０００８】
本発明は様々な応用が可能である。例えば、前記燃焼室への燃料の噴射方向は、前記燃焼室の中心方向から前記所定の渦流方向にずれているようにしてもよい。かかる構成によれば、燃焼室に所定の渦流をより効率的に発生することができる。
【０００９】
また、前記主弁、前記切り替え弁及び前記副弁は、電磁力で調整されるようにしてもよい。これにより、各弁の開閉の調整を電磁力で個別に行うことができるので、各弁の開閉のタイミングなどを自在に制御できる。
【００１０】
また、前記電磁力を発生させる電磁石の鉄心に、鉄基のアモルファス金属が用いられるようにしてもよい。これにより、鉄損が小さくなり、電磁駆動装置を小型化したり、駆動力を大きくしたりすることができる。さらに、副弁を備えることによる内燃機関の大型化を最小限に抑えることができる。
【００１１】
また、永久磁石が配置される円盤板を、主弁ステム、副弁ステム、及び切り替え弁ガイドバーに取り付けるようにしてもよい。これによって、各弁を電磁駆動装置によって直接駆動することができる。
【００１２】
また、前記主弁の円盤板の永久磁石は、ネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）であってもよい。ネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）は、磁化が大きく、レアアース元素によって磁化を一方向にそろえる力があり、保持力が大きい。また、フェライト磁石に比べて最大エネルギー積で１０倍の磁力がある。よって、主弁の円盤板の永久磁石をネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）とすることにより、主弁を同じ状態で安定して保持することができる。
【００１３】
また、前記切り替え弁の永久磁石及び前記副弁の永久磁石は、フェライト磁石であってもよい。フェライト磁石はネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）に比べてコストが１／５から１／１０程度である。よって、作動にあまり大きな力が必要ではない切り替え弁や副弁の永久磁石にフェライト磁石を用いることにより、コストを抑えることができる。
【００１４】
また、前記円盤板の永久磁石と、前記主弁及び前記切り替え弁を収容するケース（上ケース、中ケース及び下ケース）に設けた永久磁石、並びに前記副弁を収容するケース（副弁下ケース）に設けた永久磁石との間で、磁気クッションが行われるようにしてもよい。磁気クッションにより、円盤板とケースとが衝突したり接触したりすることを回避することができる。
【００１５】
前記円盤板、及び前記電磁石を収容する電磁石ケースに、通風口が設けられるようにしてもよい。かかる構成によれば、風損抵抗を軽減することができる。
【００１６】
以上説明した本発明の応用例は、２つ以上を任意に組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、内燃機関の熱効率を向上させることが可能である。本発明のその他の効果については、以下の発明を実施するための形態の項でも説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】内燃機関を副弁が現れる方向で見た構成を示す図である。
【図２】副弁から燃焼室に吸気されている状態を示し、（ａ）は内燃機関全体を側方から見た図であり、（ｂ）は燃焼室を上から見た図である。
【図３】主弁及び切り替え弁を説明するための図である。
【図４】副弁を説明するための図である。
【図５】電磁駆動装置を説明するための図である。
【図６】電磁駆動装置を説明するための別の図である。
【図７】内燃機関をレーザー点火栓が現れる方向で見た構成を示す図である。
【図８】燃料噴射弁から燃焼室に燃料を噴射している状態を示し、（ａ）は内燃機関全体を側方から見た図であり、（ｂ）は燃焼室を上から見た図である。
【図９】内燃機関をレーザー点火栓が現れる方向で見た構成を示す図である。
【図１０】レーザー点火栓が点火している状態を示し、（ａ）は内燃機関全体を側方から見た図であり、（ｂ）は燃焼室を上から見た図である。
【図１１】主弁が開閉するときの電磁弁の作動を説明するための図であり、（ａ）は閉じているときであり、（ｂ）は開いているときである。
【図１２】切り替え弁が切替わるときの電磁弁の作動を説明するための図であり、（ａ）は排気側のときであり、（ｂ）は吸気側のときである。
【図１３】副弁が開閉するときの電磁弁の作動を説明するための図であり、（ａ）は閉じているときであり、（ｂ）は開いているときである。
【図１４】内燃機関を副弁が現れる方向で見た、内燃機関の燃焼サイクルを説明する図であり、（ａ）は吸気工程を示し、（ｂ）は圧縮工程を示し、（ｃ）は燃焼行程を示し、（ｄ）は排気工程を示し、（ｅ）は各工程におけるピストンの状態とシリンダ内の圧力の関係を示す。
【図１５】内燃機関をレーザー点火栓が現れる方向で見た、内燃機関の燃焼サイクルを説明する図であり、（ａ）は吸気工程を示し、（ｂ）は圧縮工程を示し、（ｃ）は燃焼行程を示し、（ｄ）は排気工程を示し、（ｅ）は各工程におけるピストンの状態とシリンダ内の圧力の関係を示す。
【図１６】クランク角と弁荷重の関係を示す図である。
【図１７】第２の実施形態の内燃機関を概略的に示す図である。
【図１８】上ケース、中ケース及び下ケースを説明するための図である。
【図１９】主弁を説明するための図である。
【図２０】副弁を説明するための図である。
【図２１】空気ばね室を説明するための図である。
【図２２】内燃機関を副弁が現れる方向で見た構成を示す図である。
【図２３】主弁が開閉するときの電磁弁の作動を説明するための図であり、（ａ）は開いているときであり、（ｂ）は閉じているときである。
【図２４】切り替え弁が切替わるときの電磁弁の作動を説明するための図であり、（ａ）は吸気側のときであり、（ｂ）は排気側のときである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
まず、本実施形態にかかる内燃機関１０の構成について、図１〜図８を参照しながら説明する。なお、本実施形態の内燃機関１０は自動車の内燃機関であるが、これは一例であり、本発明は、建設機械、鉄道車両、モーターボート、可搬式発電機、農林業機械などの内燃機関にも適用される。
【００２１】
本実施形態にかかる内燃機関１０は、図１に示したように、シリンダ２０とそのシリンダ２０内を移動するピストン３０とによって形成される燃焼室４０と、燃焼室４０に連通するとともに相互に連通する主換気通路１１０及び２つの副換気通路１４０と、主換気通路１１０に連通する吸気通路１２０及び排気通路１３０と、が形成されたシリンダヘッド１００と、主換気通路１１０を開閉することにより燃焼室４０への給排気と燃焼室４０の密閉を切り替える主弁２００と、主弁２００に沿って移動した位置に応じて主換気通路１１０と吸気通路１２０又は排気通路１３０との連通を切り替える切り替え弁３００と、２つの副換気通路１４０の各々に設けられ、副換気通路１４０を開閉することにより、燃焼室４０への吸気量を変更する副弁４００と、を備えて構成される。各副弁４００の吸気方向は、燃焼室４０に所定の渦流を発生するように、燃焼室４０の中心方向から所定の渦流Ｋ方向にずれている。なお、本実施形態では、副換気通路１４０及び副弁４００は２つであるが、３つ以上でもよい。
【００２２】
以下、本実施形態にかかる内燃機関１０の各構成要素について、図２及び図３を参照しながら説明する。
【００２３】
シリンダ２０には、図２に示したように、ピストン３０が嵌め合わされており、シリンダ２０とシリンダ２０内を移動するピストン３０によって浅皿形の燃焼室４０が形成される。シリンダ２０には、さらに、燃焼室４０内に燃料を噴射する、後述する燃料噴射弁５０と、燃料噴射弁５０から噴射された燃料に対して、燃焼室４０内の複数の点で火種を生成する、後述するレーザー点火栓９０とが設けられる。なお、本実施形態では、燃焼室４０は浅皿形としたが、この例に限定されるものではなく、深皿形としてもよく、また他の形態としてもよい。
【００２４】
（シリンダヘッド１００）
シリンダヘッド１００は、図２に示したように、シリンダヘッド１００の中央に円筒形状の主換気通路１１０が形成されており、主換気通路１１０は燃焼室４０に連通している。この主換気通路１１０を介して燃焼室４０が換気される。主換気通路１１０は、シリンダヘッド１００に１つ設けられ、主弁２００によって開閉される。
【００２５】
また、シリンダヘッド１００には、図２（ａ）に示したように、燃焼室４０内へ新気を取り込むための吸気通路１２０と、燃焼後のガスを排気するための排気通路１３０が形成されている。吸気通路１２０と排気通路１３０は主換気通路１１０に連通している。吸気通路１２０と排気通路１３０は、主換気通路１１０に沿って設けられており、主換気通路１１０の長さ方向において、吸気通路１２０が、燃焼室４０に近い側に、排気通路１３０が遠い側にそれぞれ上下に並んで配置されている。
【００２６】
なお、この吸気通路１２０と排気通路１３０の位置は一例である。例えば、吸気通路１２０と排気通路１３０を主換気通路１１０の円周方向における他の位置に設けるなど、適宜設定することができる。吸気通路１２０と排気通路１３０は切り替え弁３００によって開閉される。
【００２７】
このように、１つの主換気通路１１０を介して吸気と排気が行われるため、従来の４弁を備えた燃焼室において、吸気側と排気側とで生じていた温度差が生じない。よって、従来の燃焼室において吸気弁の周りで生じていたエンドガス低温による煤の発生が抑制される。
【００２８】
さらに、シリンダヘッド１００には、図２（ｂ）に示したように、主換気通路１１０を挟んで、主換気通路１１０の半径方向における対称位置に２つの副換気通路１４０が形成されている。副換気通路１４０は、主換気通路１１０と燃焼室４０とを連通している。また、副換気通路１４０は、吸気通路１２０と燃焼室４０とを連通している。副換気通路１４０は、副弁４００によって開閉される。副換気通路１４０の燃焼室４０への出口は、シリンダ２０の外周付近に配置されている。
【００２９】
副換気通路１４０の燃焼室４０への出口付近は、主換気通路１１０の外周とシリンダ２０の外周との間に向かって、出口に近づくにつれてシリンダの外周側から中心方向に近づくように傾斜した空気流動生成形状１４１に形成されている。これにより、副弁４００が開弁時に、副換気通路１４０から燃焼室４０に吸入される空気は、主換気通路１１０の外周とシリンダ２０の外周の間を流れる渦流Ｋを発生する。
【００３０】
このように、渦流Ｋは主換気通路１１０の外周を流れるため、燃料Ｐと空気の混合が燃焼室４０全体に均等にできて、燃焼に偏りがなくなる。このため、急激な局所的な爆発燃焼を抑制し、局所的な部分での燃焼の高温化を抑制することができる。よって、窒素酸化物などの有害排出物の大気放出を低減することが可能である。
【００３１】
なお、本実施形態では、空気流動生成形状１４１によって発生する渦流Ｋは、主換気通路１１０の外周とシリンダ２０の外周の間の方向に発生するようにしたが、この例に限定されない。例えば、燃焼室の中心方向からずれた方向であれば、本実施形態よりもより主換気通路１１０やシリンダ２０の外周側に向いていてもよい。
【００３２】
また、シリンダヘッド１００の中心には、図３に示したように、後述する主弁２００、主弁電磁駆動装置２４０、切り替え弁３００、切り替え弁電磁駆動装置３４０が配置される上ケース９００、中ケース９２０及び下ケース９４０が設けられている。中ケース９２０及び下ケース９４０はシリンダヘッド１００に固定されており、上ケース９００は、中ケース９２０に連結されている。
【００３３】
上ケース９００は、ケース固定フランジ９０１を介してフランジ取り付けボルト９０３及びフランジ取り付けナット９０５によってシリンダヘッド１００に固定されている。上ケース９００の上端にはブリーザオーリング９０６を介してブリーザ９０７が取り付けられる。
【００３４】
上ケース９００には、後述する主弁上円盤板永久磁石２４２に対向する位置に、上ケースクッション磁石９０２が設けられている。上ケースクッション磁石９０２は、後述する主弁上円盤板永久磁石２４２と同極であり、上ケース９００と後述する主弁円盤板２４１との衝突を防止する。
【００３５】
中ケース９２０には、後述する主弁下円盤板永久磁石２４４に対向する位置に、中ケースクッション磁石９２２が設けられている。中ケース９２０は、中ケースオーリング９２４を介して上ケース９００とシリンダヘッド１００に取り付けられる。中ケース９２０がシリンダヘッド１００に取り付けられることによって、後述する電磁石上ケース３４６、電磁石３４５、電磁石下ケース３４７が中ケース９２０に組み付けられる。
【００３６】
下ケース９４０は、シートパッキン９４４を介してシリンダヘッド１００に取り付けられる。下ケース９４０には、後述する切り替え弁下円盤板永久磁石３４３に対向する位置に、下ケースクッション磁石９４２が設けられている。下ケースクッション磁石９４２と切り替え弁上円盤板永久磁石３４３は同極であり、下ケース９４０と後述する切り替え弁円盤板３４２との衝突を防止する。
【００３７】
また、シリンダヘッド１００の主換気通路１１０の半径方向における対称位置に、図４に示したように、副弁４００が配置される副弁上ケース９６０及び副弁下ケース９８０が設けられている。
【００３８】
副弁上ケース９６０は、ケース固定フランジ９６４を介してフランジ取付けボルト９６６によってシリンダヘッド１００に固定されている。副弁上ケース９６０の上端には、ブリーザオーリング９６８を介してブリーザ９６９が取り付けられる。
【００３９】
副弁上ケース９６０には、後述する副弁上円盤板永久磁石４４２に対向する位置に、上ケースクッション磁石９６２が設けられている。上ケースクッション磁石９６２は、副弁上円盤板永久磁石４４２と同極であり、副弁上ケース９６０と後述する副弁円盤板４４１との衝突を防止する。
【００４０】
副弁下ケース９８０は、シリンダヘッド１００にはめ込まれる。副弁下ケース９８０には、後述する副弁下円盤板永久磁石４４３に対向する位置に、副弁下ケースクッション磁石９８２が設けられている。副弁下ケースクッション磁石９８２と副弁下円盤板永久磁石４４３は同極であり、副弁下ケース９８０と後述する副弁下円盤板４４１との衝突を防止する。
【００４１】
なお、上ケースクッション磁石９０２、中ケースクッション磁石９２２、下ケースクッション磁石９４２及び副弁下ケースクッション磁石９８２は永久磁石である。
【００４２】
（主弁２００）
主弁２００は、図３に示したように、主換気通路１１０の長さ方向に移動して主換気通路１１０を開閉する主弁本体２１０と、主弁本体２１０を駆動する後述する主弁電磁駆動装置２４０と、を主に備えて構成されている。
【００４３】
主弁本体２１０は、前述のように、主換気通路１１０の長さ方向に移動して主換気通路１１０を開閉するものである。主弁本体２１０が主換気通路１１０を開放する面積は従来の４弁のものに比べて約１．７倍拡大できる。よって、吸入体積効率が向上するため、エンジンの回転速度高くすることができる。このため、エンジンの小型高出力化が可能になる。さらに、体積効率が向上するため、ポンピング損失が低減し、熱効率が向上する。
【００４４】
主弁本体２１０は、図３に示したように、長尺な棒状の主弁ステム２１１と主弁ステム２１１の下端に円錐状に広がった主弁円錐状閉塞部２１２とを備えて構成されている。
【００４５】
主弁ステム２１１はシリンダヘッド１００の下から主換気通路１１０を挿入されて、下ケース９４０、中ケース９２０及び上ケース９００内に、主換気通路１１０の長さ方向に移動可能に支持されて配置されている。主弁ステム２１１の先端には肩部を構成して軸径が小さくなった取り付け部２１１ａが形成されている。
【００４６】
主弁円錐状閉塞部２１２は燃焼室４０内に配置されている。主弁円錐状閉塞部２１２は、主弁本体２１０が主換気通路１１０の長さ方向に移動すると、主換気通路１１０を開閉するようになっている。本実施形態では、主弁本体２１０は、耐熱セラミック材料で構成されるが、これに限定されず、例えば、ＳＵＨ３（マルテンサイト系耐熱鋼）などのような耐熱鋼などでもよい。主弁ステム２１１の上端は主弁電磁駆動装置２４０に連結されている。
【００４７】
主弁ステム２１１及び主弁円錐状閉塞部２１２は中空に形成されており、中空部には金属ナトリウムが封入されている。このような構成により、主弁本体２１０は、すべて忠実の主弁本体に比べて重量が１５パーセント軽くなる。また、燃焼の際の主弁本体２１０の温度が８００℃から６００℃に低下する。
【００４８】
（主弁電磁駆動装置２４０）
主弁電磁駆動装置２４０は、図３に示したように、主弁ステム２１１の上端に連結されている。主弁電磁駆動装置２４０が駆動することにより、主弁本体２１０を主換気通路１１０の長さ方向に移動して主換気通路１１０を開閉させる。
【００４９】
主弁電磁駆動装置２４０は、図３に示したように、主弁ステム２１１に主弁円盤板固定スペーサ２４８を介して間隔をあけて設けられる主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３と、主弁上円盤板２４１に取り付けられる主弁上円盤板永久磁石２４２と、主弁下円盤板２４３に取り付けられる主弁下円盤板永久磁石２４４と、主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３との間に配置される複数の電磁石２４５と、電磁石２４５を収容する電磁石上ケース２４６及び電磁石下ケース２４７と、を主に備えて構成される。
【００５０】
主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３は、磁気受けである。主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３は、図５に示したように、円盤状の形状をしており、主弁上円盤板２４１には複数の主弁上円盤板永久磁石２４２が、また、主弁下円盤板２４３には複数の主弁下円盤板永久磁石２４４が、主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３の軸心を中心として円周方向に嵌り合って構成されている。
【００５１】
複数の主弁上円盤板永久磁石２４２及び複数の主弁下円盤板永久磁石２４４のうちの２個〜数個は、完全な軸中心から若干ずらして配置され、磁気抵抗（リラクタンス）に角度依存性を持たされている。このような構成により、電磁石２４５の回転磁界の極と、主弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４の極との吸引・反発によって、主弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４の角度の磁気エネルギーが最小になる向きにトルクが生じる。これにより、主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３は軸方向に移動しながら回転する。よって、主弁２００が開くときに主弁本体２１０がほんの少しだけ回転するため、楽に開くことができる。また、主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３の回転は、主弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４の角度の磁気エネルギーが最小になる向きにトルクが生じることによって発生するだけであるため、回転し続けることはない。
【００５２】
主弁上円盤板永久磁石２４２は上ケースクッション磁石９０２と対向する位置に、主弁下円盤板永久磁石２４４は中ケース９２０の中ケースクッション磁石９２２と対向する位置に取り付けられている。さらに、主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３には、主弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４と交互に主弁円盤板通風口２４９が形成されている。
【００５３】
弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４は、ネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）によって構成されている。弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４は、図５（ｂ）に示したように、扇形部２４２ａ、２４４ａから円筒状部２４２ｂ、２４４ｂが突出した形状である。弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４は、主弁上円盤板２４１及び主弁下円盤板２４３の嵌合孔２４１ａ、２４３ａに嵌め合わされると、扇形部２４２ａ、２４４ａが電磁石２４５方向に突出し、円筒状部２４２ｂ、２４４ｂが上ケース９００の方向に突出する。
【００５４】
電磁石２４５は、図６に示したように、電磁石上ケース２４６と電磁石下ケース２４７との間に配置される。また、電磁石２４５は、円周方向に弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４と同数配置される。
【００５５】
電磁石上ケース２４６及び電磁石下ケース２４７には、図６（ａ）、（ｃ）に示したように、円周方向に電子石２４５と交互に電磁石ケース通風口２４６ａ、２４７ａが設けられる。
【００５６】
電磁石２４５は、図６（ｂ）に示したように、鉄心２４５−１と鉄心２４５−１に巻き付けられる銅線２４５−２によって構成されている。鉄心２４５−１は、アモルファス金属によって構成されており、弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４の扇形部２４２ａ、２４４ａとほぼ同様の扇形の形状をしている。このような扇形の形状の鉄心２４５−１に銅線２４５−２が巻き付けられることにより、電磁石２４５が構成される。このように構成された複数の電磁石２４５は、ドーナツ型に配置され、円の中心に主弁ステム２１１がストロークできるように配置される。鉄心２４５−１が外ケース２４５に固定される。
【００５７】
ここで、鉄心２４５−１を構成するアモルファス金属について説明する。アモルファス金属は、結晶構造のない金属の総称であり、溶けた金属を急冷することで非結晶構造が実現される。アモルファス金属を鉄心２４５−１に使用すると、鉄損と呼ばれる損失が従来の電磁鋼板（珪素鋼板）の約１／１０と小さくなる。しかし、薄くて硬いアモルファス金属で鉄心２４５−１を構成する場合、プレス加工などで複雑な形状にすることは困難である。そこで、本実施形態では、電磁石固定子と主弁ステム２１１のストローク軸方向、すなわち、アキシャル方向でＮ極とＳ極を受け取る構造のアキシャルギャップ方式を採用する。この方式にすると、鉄心２４５−１と稼働ロッド２４１の軸方向が同一断面形状の柱体となる。すなわち、薄くて硬いアモルファス金属を短冊状に切断して、扇形の鉄心２４５−１の構造とすれば、アモルファス金属を鉄心２４５−１の構造に加工することができる。
【００５８】
このように、鉄心２４５−１をアモルファス金属で構成すると鉄損が小さくなるため、主弁電磁駆動装置２４０を小型化したり、駆動力を大きくしたりすることができる。
【００５９】
次に、主弁２００と主弁電磁駆動装置２４０のシリンダヘッド１００への組み付け構造について説明する。主弁２００は、シリンダヘッド１００の下から挿入されている。主弁ステム２１１の取り付け部２１１ａに主弁下円盤板２４３が挿通されており、主弁下円盤板２４３の上部に主弁円盤板固定スペーサ２４８が組み付けられる。主弁円盤板固定スペーサ２４８に主弁電磁駆動装置２４０が挿通されており、中ケース９２０に電磁石下ケース２４７、電磁石２４５、電磁石上ケース２４６が組み付けられる。
【００６０】
主弁ステム２１１に主弁上円盤板２４１を主弁円盤板固定金具２５０によって取り付ける。主弁上円盤板２４１は主弁円盤板固定スペーサ２４８上に載置される。主弁円盤板固定金具２５０に主弁円盤板固定ピン２５２が挿入されて、固定ピン止め輪２５４で固定される。上ケース９００が電磁石上ケース２４６上に取り付けられ、上ケース９００にはブリーザオーリング９０４を介してブリーザ９０６が取り付けられる。
【００６１】
このように構成された主弁電磁駆動装置２４０は、銅線２４５−２に電流を流すと、電流の流れる方向に応じて、鉄心２４５−１の両端にＮ極とＳ極の磁極が発生する。鉄心２４５−１に発生した磁極と弁上円盤板永久磁石２４２及び主弁下円盤板永久磁石２４４の磁極とで吸引と反発を同時に行い、主弁ステム２１１を電流を流した方向に応じて鉄心２４５−１に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせる。弁上円盤板永久磁石２４２と上ケースクッション磁石９０２との同極の組み合わせで反発を起こさせ、主弁ステム２１１のストローク端の衝撃を吸収する。
【００６２】
（切り替え弁３００）
切り替え弁３００は、図２（ａ）に示したように、主換気通路１１０の長さ方向に移動して吸気通路１２０と排気通路１３０を開閉する切り替え弁本体３１０と、切り替え弁本体３１０を駆動する後述する切り替え弁電磁駆動装置３４０と、を主に備えて構成されている。
【００６３】
切り替え弁本体３１０は、図２（ａ）に示したように、主換気通路１１０の長さ方向に移動して吸気通路１２０と排気通路１３０を開閉するものである。切り替え弁本体３１０は、吸気通路１２０と排気通路１３０を閉塞する通路閉塞部３１１と、一端が通路閉塞部３１１に連結しており、主弁ステム２１１に沿って移動する切り替え弁ガイドバー３１２とを備えて構成されている。本実施形態では、切り替え弁本体３１０は、耐熱セラミック材料で構成されるが、これに限定されず、例えば、ステンレス鋼などでもよい。
【００６４】
通路閉塞部３１１は、円筒状の形状をしており、円筒状の周面によって吸気通路１２０と排気通路１３０を閉鎖する。通路閉塞部３１１が、吸気通路１２０を開くときには、排気通路１３０が閉じられる。逆に通路閉塞部３１１が、吸気通路１２０を閉じるときには、排気通路１３０は開かれる。
【００６５】
切り替え弁ガイドバー３１２は中空に構成されており、切り替え弁ガイドバー３１２の中空には、主弁２００の主弁ステム２１１が軸方向に相対移動可能に挿通して配置される。また、切り替え弁ガイドバー３１２の上端には、切り替え弁電磁駆動装置３４０が連結される。
【００６６】
切り替え弁電磁駆動装置３４０の主な構成は、主弁電磁駆動装置２４０と軸方向において逆向きに配置されている構成である以外は、図５及び図６に示した主弁電磁駆動装置２４０と同様の構成である。
【００６７】
すなわち、切り替え弁電磁駆動装置３４０の切り替え弁上円盤板３４１、切り替え弁上円盤板永久磁石３４２、扇形部３４２ａ、円筒状部３４２ｂ、切り替え弁下円盤板３４３、切り替え弁下円盤板永久磁石３４４、扇形部３４４ａ、円筒状部３４４ｂ、電磁石３４５、鉄心３４５−１、銅線３４５−２、電磁石上ケース３４６、電磁石ケース通風口３４６ａ、電磁石下ケース３４７、電磁石ケース通風口３４７ａ、切り替え弁円盤板固定スペーサ３４８は、主弁電磁駆動装置２４０の主弁上円盤板２４１、主弁上円盤板永久磁石２４２、扇形部２４２ａ、円筒状部２４２ｂ、主弁下円盤板２４３、主弁下円盤板永久磁石２４４、扇形部２４４ａ、円筒状部２４４ｂ、電磁石２４５、鉄心２４５−１、銅線２４５−２、電磁石上ケース２４６、電磁石ケース通風口２４６ａ、電磁石下ケース２４７、電磁石ケース通風口２４７ａ、主弁円盤板固定スペーサ２４８と同様である。
【００６８】
また、切り替え弁電磁駆動装置３４０の主な作用も、主弁電磁駆動装置２４０と同様の構成である。よって、ここでは、主弁電磁駆動装置２４０と同様の構成及び作用については説明を省略し、相違する点のみ説明することとする。
【００６９】
次に、切り替え弁３００と切り替え弁電磁駆動装置２４０のシリンダヘッド１００への組み付け構造について説明する。切り替え弁３００は、中ケース９２０の下から挿入されている。切り替え弁ガイドバー３１２の先端に肩部を構成して軸径が小さくなった取り付け部３１２ａに切り替え弁下円盤板３４３が挿通されて、切り替え弁円盤板固定スペーサ３４８で押さえられる。下ケース９４０に電磁石上ケース３４６、電磁石３４５及び電磁石下ケース３４７が組み付けられる。切り替え弁上円盤板３４１が切り替え弁円盤板固定スペーサ３４８上に載置され切り替え弁円盤固定ナット３５０で固定される。電磁石上ケース３４６が中ケースオーリング９２４を介してシリンダヘッド１００に組み付けられる。
【００７０】
このように構成された切り替え弁電磁駆動装置３４０は、銅線３４５−２に電流を流すと、電流の流れる方向に応じて、鉄心３４５−１の両端にＮ極とＳ極の磁極が発生する。鉄心３４５−１に発生した磁極と切り替え弁上円盤板永久磁石３４２及び切り替え弁下円盤板永久磁石３４４の磁極とで吸引と反発を同時に行い、切り替え弁ガイドバー３１２を電流を流した方向に応じて鉄心３４５−１に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせる。切り替え弁下円盤板永久磁石３４４と中ケースクッション磁石９２２との同極の組み合わせで反発を起こさせ、切り替え弁ガイドバー３１２のストローク端の衝撃を吸収する。また、切り替え弁本体３１０は、前述の主弁本体２１０と同様に、軸方向に移動しながら回転する。よって、切り替え弁３００が開くときに切り替え弁本体３１０がほんの少しだけ回転するため、楽に開くことができる。
【００７１】
（副弁４００）
副弁４００は、前述のようにシリンダヘッド１００に２つ設けられており、副換気通路１４０を開閉することで、従来のスロットル弁に相当する絞り効果を得るようにしたものである。副弁４００は、図４に示したように、副換気通路１４０の長さ方向に移動して副換気通路１４０を開閉する副弁本体４１０と、副弁本体４１０を駆動する後述する副弁電磁駆動装置４４０と、を主に備えて構成されている。なお、副弁４００は、１つの燃焼室４０に対して、複数個、例えば２〜３個設けることにより、低負荷運転がより円滑になり、且つポンピング損失を低減できるので、熱効率が向上する。
【００７２】
副弁４００は、前述のように、副換気通路１４０の長さ方向に移動して副換気通路１４０を開閉するものである。副弁４００は、主弁２００よりも小型であり、シリンダヘッド１００の高さよりも若干低くなるように構成されている。副弁本体４１０は、長尺な棒状の副弁ステム４１１と副弁ステム４１１の下端に円錐状に広がった副弁円錐状閉塞部４１２とを備えて構成されている。
【００７３】
副弁円錐状閉塞部４１２は燃焼室４０内に配置されている。副弁ステム４１１は主換気通路１１０を貫通して、副弁ケース４３０内に副換気通路１４０の長さ方向に移動可能に支持されて配置されている。副弁円錐状閉塞部４１２は、副弁本体４１０が副換気通路１４０の長さ方向に移動すると、副換気通路１４０を開閉するようになっている。本実施形態では、副弁本体４１０は、耐熱セラミック材料で構成されるが、これに限定されず、例えば、ＳＵＨ３（マルテンサイト系耐熱鋼）などのような耐熱鋼などでもよい。
【００７４】
副弁本体４１０は、上端に連結される副弁電磁駆動装置４４０で駆動する。副弁電磁駆動装置４４０の主な構成は、図６〜図８に示した主弁電磁駆動装置２４０と同様であるが、副弁電磁駆動装置４４０は主弁電磁駆動装置２４０よりも小型に構成されている。
【００７５】
すなわち、副弁電磁駆動装置４４０の副弁上円盤板４４１、副弁上円盤板永久磁石４４２、扇形部４４２ａ、円筒状部４４２ｂ、副弁下円盤板４４３、副弁下円盤板永久磁石４４４、扇形部４４４ａ、円筒状部４４４ｂ、電磁石４４５、鉄心４４５−１、銅線４４５−２、電磁石上ケース４４６、電磁石ケース通風口４４６ａ、電磁石下ケース４４７、電磁石ケース通風口４４７ａ、副弁円盤板固定スペーサ４４８は、主弁電磁駆動装置２４０の主弁上円盤板２４１、主弁上円盤板永久磁石２４２、扇形部２４２ａ、円筒状部２４２ｂ、主弁下円盤板２４３、主弁下円盤板永久磁石２４４、扇形部２４４ａ、円筒状部２４４ｂ、電磁石２４５、鉄心２４５−１、銅線２４５−２、電磁石上ケース２４６、電磁石ケース通風口２４６ａ、電磁石下ケース２４７、電磁石ケース通風口２４７ａ、主弁円盤板固定スペーサ２４８と同様であるが、主弁電磁駆動装置２４０のものよりも小型に構成されている。
【００７６】
また、副弁電磁駆動装置４４０の主な作用も主弁電磁駆動装置２４０と同様である。ここでは、主弁電磁駆動装置２４０と同様の構成及び作用については説明を省略し、相違する点のみ説明することとする。
【００７７】
次に、副弁４００と副弁電磁駆動装置４４０のシリンダヘッド１００への組み付け構造について説明する。副弁本体４１０は、シリンダヘッド１１０の下から挿入されている。副弁本体４１０に副弁下ケース９８０が取り付けられ、副弁下ケース９８０の上に副弁円盤板固定スペーサ４４８が載置される。副弁下ケース９８０に電磁石下ケース４４７、電磁石４４５、電磁石上ケース４４６が組み付けられる。副弁上円盤板４４１が副弁円盤板固定スペーサ４４８上に載置され、副弁円盤固定ナット４５０で固定される。副弁上ケース９８０が電磁石上ケース４４６上に取り付けられ、副弁上ケース９８０は、前述のように、ケース固定フランジ９６４を介して、フランジ取り付けボルト９６６によってシリンダヘッド１００に取り付けられる。副弁上ケース９８０にはブリーザオーリング９８４を介してブリーザ９８６が取り付けられる。
【００７８】
このように構成された副弁電磁駆動装置４４０は、銅線４４５−２に電流を流すと、電流の流れる方向に応じて、鉄心４４５−１の両端にＮ極とＳ極の磁極が発生する。鉄心４４５−１に発生した磁極と副弁上円盤板永久磁石４４２及び副弁下円盤板永久磁石４４４の磁極とで吸引と反発を同時に行い、副弁ステム４１１を電流を流した方向に応じて鉄心４４５−１に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせる。副弁下円盤板永久磁石４４４と副弁下ケースクッション磁石９８２との同極の組み合わせで反発を起こさせ、副弁ステム４１１のストローク端の衝撃を吸収する。また、副弁本体４１０は、前述の主弁本体２１０と同様に、軸方向に移動しながら回転する。よって、副弁４００を開くときに副弁本体４１０がほんの少しだけ回転するため、楽に開くことができる。
【００７９】
副弁４００の作用について、図２を参照しながら説明する。吸気のときに副弁４００が開かれると、図２（ａ）中矢印に示したように、副換気通路１４０を介して燃焼室４０に流入する。副換気通路１４０には空気流動生成形状１４１が形成されているため、副換気通路１４０から燃焼室４０に流れ込んだ空気は、図２（ｂ）に示したように、燃焼室４０内で主換気通路１１０の外周とシリンダ２０の外周の間を流れる渦流が発生する。このため、後述のように、急速燃焼が助成される。また、急速燃焼の実現で、燃焼時間が短縮すると異常燃焼を回避できるので、圧縮比を大きくでき、内燃機関１０の熱効率が向上する。
【００８０】
さらに副弁４００には、以下のような機能がある。すなわち、エンジンの始動時に、副弁４００によって燃焼室４０の減圧（デコンブという）をすることにより、始動負荷を軽減することができる。
【００８１】
また、エンジン停止時に、副弁４００によって燃焼室４０の減圧をすることにより、スタータピニオンとリングギヤの噛み合い位置を不規則にすることができる。
【００８２】
さらに、ピストンピンの上死点において、副弁４００によって燃焼室４０の減圧圧縮ができるため、ピンにかかる衝撃荷重が緩和できる。よって、ピストン、ピストンピン、コンロッド、クランクピンなど部品の耐久性向上が期待できる。
【００８３】
（燃料噴射弁５０）
燃料噴射弁５０は、燃焼室４０に燃料を噴射するものであり、図７に示したように、シリンダヘッド１００の互いに１８０°離れた位置に２つ設けられている。各燃料噴射弁５０の位置は、図８（ｂ）に示したように、それぞれが２つの副換気通路１４０のどちらか一方の近くに配置されている。この各燃料噴射弁５０の位置は、副換気通路１４０から燃焼室４０に流れ込む空気の上流側である。
【００８４】
燃料噴射弁５０は、図８（ｂ）に示したように、主換気通路１１０の外周に沿って、噴射方向が２方向に分かれるように燃料Ｐを噴射する。なお、本実施形態では、燃料噴射弁５０は、燃料Ｐの噴射方向が２方向に分かれるようになっているが、この例に限定されない。例えば、燃料Ｐの噴射方向は、１方向でもよいし、３方向以上でもよい。
【００８５】
燃料噴射弁５０から燃焼室４０に噴射される燃料Ｐは、図８（ａ）中矢印Ｂに示したように、燃焼室４０の下方に向かって噴射される。噴射された燃料Ｐは、図８（ｂ）に示したように、主換気通路１１０の外周に沿って２方向に分かれて流れる。
【００８６】
（レーザー点火栓９０）
レーザー点火栓９０は、燃焼室４０内の複数の点で火種を生成するものであり、図９に示したように、シリンダヘッド１００の互いに１８０°離れた位置に２つ設けられている。レーザー点火栓９０の位置は、図１０（ｂ）に示したように、副換気通路１４０と燃料噴射弁５０の間に配置されている。各燃料噴射弁５０の位置は、副換気通路１４０から燃焼室４０に流れ込む空気の上流側である。
【００８７】
レーザー点火栓９０は、図１０（ｂ）に示したように、下流に配置される副換気通路１４０から発生する渦流Ｋの方向に向かってレーザー光Ｌを放射する。なお、本実施形態では、レーザー点火栓９０は、１方向にレーザー光Ｌを放射するが、この例に限定されない。例えば、レーザーの放射方向は、２方向以上でもよい。
【００８８】
レーザー点火栓９０から燃焼室４０に放射されるレーザー光Ｌは、図１０（ａ）に示したように、上下方向においては、燃焼室４０の下方に向かって放射される。また、左右方向においては、レーザー光Ｌの方向は、図１０（ｂ）に示したように、渦流Ｋに乗って流れる燃料Ｐに向かって放射される。
【００８９】
本実施形態では、燃焼室４０に設けられる燃料噴射弁５０と図示していない吸気マニホルドに設けられる吸気マニホルド噴射弁により燃料を噴射する構成となっている。ここでは、これら２つの噴射弁を用いた作用について説明する。燃料噴射弁５０は、２０ＭＰａ位の高圧で燃焼室４０に直接燃料を噴射する。燃料噴射弁５０は、このように噴射された燃料が、ノズルで微細化される際に気化熱により周りの熱を奪う冷却作用を利用して、圧縮比を高くしても冷却により温度が低く押さえられるようにしている。これにより、ノッキング発生を抑制できるので熱効率が良くなる。このように、燃焼室４０では、高中速域では燃料噴射弁５０からの燃料噴射で希薄燃焼する。
【００９０】
しかし、燃料噴射弁５０の燃焼の方法は、希薄燃焼が主体で熱効率を良くしているため、低中速域では希薄燃焼では燃料に火が点かず失火し易くなる。一方、吸気マニホルド噴射弁８０は、吸気マニホルド６０内に７ＭＰａ位の圧力で燃料を噴射する。このように噴射された燃料は、確実に火が点く理論空燃比で空気と混合されて燃焼室４０に送り込まれることにより、特に低速域で燃焼が安定する。このように、燃焼室４０では、高中速域では燃料噴射弁５０からの燃料噴射で希薄燃焼し、低速では、吸気マニホルド噴射弁８０からの燃料噴射で燃焼が安定する。
【００９１】
よって、燃料噴射弁５０と吸気マニホルド噴射弁の両方を用いる構成では、燃料噴射弁５０のみで低速から高速までの全域をカバーする場合に比べて、全域スムーズな燃焼ができ、燃料噴射弁５０と吸気マニホルド噴射弁で適宜細かい燃料供給調整ができるので熱効率が大変良くなる。なお、本実施形態では、吸気マニホルド及び吸気マニホルド噴射弁を用いる構成を例にとって説明したが、本発明は、この例に限定されるものではない。例えば、吸気マニホルド及び吸気マニホルド噴射弁を設けず、燃料噴射弁５０のみを用いる構成としてもよい。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態の内燃機関１０は、副換気通路１４０と、副換気通路１４０が発生する渦流Ｋの上流側に配置される燃料噴射弁５０及びレーザー点火栓９０により構成されるセットが、互いに１８０度離れた位置に２つ配置されている構成となる。よって、燃焼室４０は２分割されて燃焼させることができる。
【００９３】
（主弁電磁駆動装置２４０の駆動装置５００）
次に、各電磁駆動装置の駆動装置について説明する。まず、主弁電磁駆動装置２４０の駆動装置５００について、図１１を参照しながら説明する。主弁電磁駆動装置２４０の駆動装置５００は、図１１に示したように、バッテリ５１０と、昇圧回路５２０と、クランク角度センサ５３０と、エンジン回転センサ５４０と、通電制御回路５５０と、主弁閉じ回路５８０と、主弁起動回路５６０と、主弁保持回路５７０と、キャパシタ充電回路５９０と、キャパシタ６００と、を備えて構成される。
【００９４】
バッテリ５１０は、１２Ｖの電圧であり、昇圧回路５２０は、バッテリ５１０の１２Ｖの電圧を６０Ｖに昇圧する。
【００９５】
クランク角度センサ５３０は、検出したクランク角度を通電制御回路５５０に送信する。クランク角度センサ５３０としては、例えば、アブソリュウトエンコーダが用いられる。アブソリュートエンコーダは絶対角を検出するので、ピストン３０の位置も検出することができる。
【００９６】
エンジン回転センサ５４０は、エンジン回転数を検出し、検出したエンジン回転数を通電制御回路５５０に送信する。検出したエンジン回転数は比較演算に用いられる。
【００９７】
通電制御回路５５０は、ソフトウエアとデータマップが内蔵されている。通電制御回路５５０は、エンジン回転数とクランク角度の信号を受け取ると、最適通電時期と最適通電時間を演算して、結果の数値分だけ電磁石に電流を流し、電磁気を有機して電磁力を生成する。
【００９８】
主弁電磁駆動装置２４０への通電開始から稼働ロッド４４１のストローク終了までの通電の時間は、通電制御回路５５０に予めタイマーで設定されている。また、稼働ロッド４４１のストローク位置が保持されるための通電の命令は、通電制御回路５５０が、クランク角度とエンジン回転数に基づいて演算した最適通電時期と最適通電時間に基づいて行われる。
【００９９】
キャパシタ６００は、バッテリ５１０より昇圧回路５２０で、例えば１２Ｖから６０Ｖに昇圧された高電圧化で、キャパシタ充電回路５９０を介して充電される。
【０１００】
次に、（１）主弁起動時、（２）主弁保持時、（３）主弁閉じ時の制御の流れを説明する。
【０１０１】
（１）主弁起動時（図１１（ａ））
電圧１２Ｖのバッテリ５１０の電源を昇圧回路５２０で６０Ｖに昇圧する。これにより、主弁２００の開弁と最大リフト位置まで通電制御回路の演算時間分だけ、６０Ｖで通電される。主弁２００の開弁時は大きな力が必要なため、バッテリ５１０とは別にキャパシタ放電回路からの電源分も加わって、大きな電量が供給される。
【０１０２】
主弁起動回路５６０は、電磁石２４５の上がＮ極、下がＳ極の方向に電流を流す。最接近の極は反発し、主弁２００は、急峻に開き、ストローク途中から吸引方向に吸引されて、全ストロークする。主弁２００は、全ストローク位置で、主弁下円盤板永久磁石２４４が中ケースクッション磁石９２４と同極により反発し、磁気クッションを誘発する。よって、主弁下円盤板２４２と中ケース９２０との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。
【０１０３】
（２）主弁保持時（図１１（ｂ））
１２Ｖのバッテリ５１０電源が主弁保持時間だけ通電制御回路５５０に通電される。通電制御回路５５０は通電時間を演算し、通電制御回路５５０から主弁起動回路５６０に演算時間分だけ通電する。主弁開弁保持時は、大きな力が必要ないため、バッテリ５１０の電源からのみの電力供給となる。主弁保持回路５７０は、電磁石２４５の上がＮ極、下がＳ極の方向に電流を流し続け、磁気を保持する。この間、キャパシタ６００は、昇圧回路５２０で６０Ｖに昇圧された高電圧下で充電される。
【０１０４】
（２）主弁閉じ時（図１１（ｃ））
主弁保持回路５７０の通電時間が終了すると、主弁閉じ回路５８０が作動する。主弁閉じ回路５８０は、電磁石２４５の上がＳ極、下がＮ極の方向に電流を流す。１２Ｖのバッテリ５１０電源が主弁閉じ時間だけ通電制御回路５５０に通電される。通電制御回路５５０は通電時間を演算し、通電制御回路５５０から主弁閉じ回路５８０に演算時間分だけ通電する。この通電は、次の主弁起動回路５６０が作動するまで継続される。
【０１０５】
主弁２００が着座するときは、全ストローク位置で、主弁上円盤板永久磁石２４２が上ケースクッション磁石９０２と同極により反発し、磁気クッションを誘発する。よって、主弁上円盤板２４１と上ケース９００との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。主弁２００は、シリンダヘッド１００に設けられた主弁シート７１に十分な電磁力で押し付けられる。この間キャパシタ６００は昇圧回路５２０で６０Ｖに昇圧された高電圧下で充電される。
【０１０６】
（切り替え弁電磁駆動装置３４０の駆動装置７００）
次に、切り替え弁電磁駆動装置３４０の駆動装置７００について、図１２を参照しながら説明する。切り替え弁電磁駆動装置３４０の駆動装置７００は、図１２に示したように、バッテリ７１０と、クランク角度センサ７３０と、エンジン回転センサ７４０と、通電制御回路７５０と、切り替え弁排気側回路７６０と、切り替え弁排気側回路７７０と、を備えて構成される。
【０１０７】
バッテリ７１０、クランク角度センサ７３０、エンジン回転センサ７４０、及び通電制御回路７５０は、主弁電磁駆動装置２４０の駆動装置５００のバッテリ５１０、クランク角度センサ５３０、エンジン回転センサ５４０、及び通電制御回路５５０と同様の構成であるため、説明を省略する。
【０１０８】
切り替え弁排気側回路７６０は、電磁石３４５の上がＮ極、下がＳ極の方向に電流を流す。また、切り替え弁排気側回路７７０は、電磁石３４５の上がＳ極、下がＮ極の方向に電流を流す。
【０１０９】
次に、（１）切り替え弁排気側時、（２）切り替え弁吸気側時の制御の流れを説明する。
【０１１０】
（１）切り替え弁排気側時（図１２（ａ））
切り替え弁排気側時は、大きな力が必要でないため、バッテリ７１０からの電力供給となる。１２Ｖのバッテリ７１０電源が切り替え弁排気側時間だけ通電制御回路７５０に通電される。通電制御回路７５０は通電時間を演算し、通電制御回路７５０から切り替え弁排気側回路７６０に演算時間分だけ通電する。
【０１１１】
切り替え弁排気側回路７６０は、電磁石３４５の上がＮ極、下がＳ極の方向に電流を流し続け、磁気を保持する。切り替え弁３００が着座するときは、全ストローク位置で、切り替え弁下円盤板永久磁石３４６が下ケースクッション磁石７４２と同極により反発し、磁気クッションを誘発する。よって、切り替え弁下円盤板３４３と下ケースクッション磁石７４２との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。切り替え弁３００は、シリンダヘッド１００に設けられた切り替え弁シート７２に十分な電磁力で押し付けられる。
（１）切り替え弁吸気側時（図１２（ｂ））
切り替え弁吸気側時も、切り替え弁排気側時と同様に大きな力が必要でないため、バッテリ７１０からの電力供給となる。１２Ｖのバッテリ７１０電源が切り替え弁吸気側時間だけ通電制御回路７５０に通電される。通電制御回路７５０は通電時間を演算し、通電制御回路７５０から切り替え弁吸気側回路７７０に演算時間分だけ通電する。
【０１１２】
切り替え弁吸気側回路７７０は、電磁石３４５の上がＳ極、下がＮ極の方向に電流を流し続け、磁気を保持する。切り替え弁３００が着座するときは、全ストローク位置で、切り替え弁上円盤板永久磁石３４３が上ケースクッション磁石９０２と同極により反発し、磁気クッションを誘発する。よって、切り替え弁上円盤板３４２と上ケース９００との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。吸気側はシリンダヘッド１００に切り替え弁シート７２は設けられておらず、切り替え弁３００は、切り替え弁上円盤板永久磁石３４３と上ケースクッション磁石９０２との反発する磁気空間で、少し浮いた状態となっている。
【０１１３】
（副弁電磁駆動装置４４０の駆動装置８００）
次に、副弁電磁駆動装置４４０の駆動装置８００について、図１３を参照しながら説明する。副弁電磁駆動装置４４０の駆動装置８００は、図１３に示したように、バッテリ８１０と、クランク角度センサ８３０と、エンジン回転センサ８４０と、通電制御回路８５０と、副弁閉じ回路８６０と、副弁開き回路８７０と、を備えて構成される。
【０１１４】
バッテリ８１０、クランク角度センサ８３０、エンジン回転センサ８４０、及び通電制御回路８５０は、主弁電磁駆動装置２４０の駆動装置５００のバッテリ５１０、クランク角度センサ５３０、エンジン回転センサ５４０、及び通電制御回路５５０と同様の構成であるため、説明を省略する。
【０１１５】
副弁閉じ回路８６０は、電磁石３４５の上がＳ極、下がＮ極の方向に電流を流す。また、副弁開き回路８７０は、電磁石３４５の上がＮ極、下がＳ極の方向に電流を流す。
【０１１６】
次に、（１）副弁閉じ時、（２）副弁開き時の制御の流れを説明する。
【０１１７】
（１）副弁閉じ時（図１３（ａ））
副弁閉じ時は、大きな力が必要でないため、バッテリ８１０からの電力供給となる。１２Ｖのバッテリ８１０電源が切り替え弁排気側時間だけ通電制御回路８５０に通電される。通電制御回路８５０は通電時間を演算し、通電制御回路８５０から副弁閉じ回路８６０に演算時間分だけ通電する。
【０１１８】
副弁閉じ回路８６０は、電磁石３４５の上がＳ極、下がＮ極の方向に電流を流し続け、磁気を保持する。副弁４００が閉じるときは、全ストローク位置で、副弁上円盤板永久磁石４４３が副弁上ケースクッション磁石９６２と同極により反発し、磁気クッションを誘発する。よって、副弁上円盤板４４２と副弁上ケース９６０との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。副弁４００は、シリンダヘッド１００に設けられた副弁シート７３に十分な電磁力で押し付けられる。
（１）副弁開き時（図１３（ｂ））
副弁開き時も、副弁閉じ時と同様に大きな力が必要でないため、バッテリ８１０からの電力供給となる。１２Ｖのバッテリ８１０電源が切り替え弁排気側時間だけ通電制御回路８５０に通電される。通電制御回路８５０は通電時間を演算し、通電制御回路８５０から副弁開き回路８７０に演算時間分だけ通電する。
【０１１９】
副弁開き回路８７０は、電磁石３４５の上がＮ極、下がＳ極の方向に電流を流し続け、磁気を保持する。副弁４００が開くときは、全ストローク位置で、副弁下円盤板永久磁石４４６が副弁下ケースクッション磁石９８２と同極により反発し、磁気クッションを誘発する。よって、副弁下円盤板４４５と副弁上ケース９６０との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。副弁４００は、シリンダヘッド１００の副弁シート７３に十分な電磁力で押し付けられる。
【０１２０】
以上、本実施形態の内燃機関１０の構成について説明した。次に、内燃機関１０の動作を、図１４及び図１５を参照しながら説明する。本実施形態において、内燃機関１０は（１）吸入工程、（２）圧縮工程、（３）（爆発）膨張工程、（４）排気工程を１サイクルとする燃焼サイクルで動作する。各工程における内燃機関１０の動作について、以下に詳述する。
【０１２１】
（１）吸入工程
吸入工程においては、まず、図１４（ａ）に示したように、副弁電磁駆動装置４４０を駆動して、副弁本体４１０を下降させて副換気通路１４０を開放する。このとき、切り替え弁３００は吸気通路１２０を閉じている。主弁２００は前の燃焼サイクルの排気工程で既に主換気通路１１０を開いている。
【０１２２】
よって、副換気通路１４０のみから燃焼室４０内に空気が吸入されるため、以下のように燃焼室４０に下流が発生する。すなわち、副換気通路１４０から燃焼室４０に吸入される空気は、図１４（ｂ）に示したように、空気流動生成形状１４１を介して吸入される。このため、燃焼室４０で渦流Ｋが発生する。この渦流Ｋは、燃焼室４０を２分割した２つの領域Ｘ、Ｙに対して、それぞれ発生する。
【０１２３】
副弁４００によって副弁換気通路１４０を開放しただけでは、燃焼室４０への空気の吸入量が足りないため、次に、図１５（ａ）に示したように、切り替え弁電磁駆動装置３４０を駆動して、切り替え弁本体３１０を上昇させて吸気通路１２０を開放する。よって、主換気通路１１０からも燃焼室４０に吸気される。
【０１２４】
切り替え弁３００が吸気通路１２０を開閉するタイミングと副弁４００が副換気通路１４０を開閉するタイミングは、エンジンの回転が遅いと、最初に開く副弁４００の開き期間は長くなり、切り替え弁３００が吸気通路１２０を開く期間は短くなる。一方、エンジンの回転が速いと、最初に副弁４００が開くと直ぐに切り替え弁３００が吸気通路１２０を開き、充分な空気を燃焼室４０内に充填する。
【０１２５】
吸気工程における切り替え弁３００と副弁４００の制御は、従来のエンジンの吸気弁のリフト量を可変した場合に相当する。すなわち、切り替え弁３００が吸気通路１２０を開閉するタイミングと副弁４００が副換気通路１４０を開閉するタイミングの制御は可変リフト量制御の機能と同じである。
【０１２６】
主換気通路１１０、吸気通路１２０及び副換気通路１４０が開放された状態で、ピストン駆動機構３１によりピストン３０が上死点から下降していく。これにより燃焼室４０の内圧が負圧になるため、吸気通路１２０、主換気通路１１０及び副換気通路１４０を通って燃焼室４０内に新気が吸い込まれる。副換気通路１４０から吸い込まれる新気は燃焼室４０で渦流Ｋとなる空気流動を発生するため、この空気流動によって急速燃焼が助成される。
【０１２７】
そして、ピストン３０が下死点まで移動した時点で、吸入工程が終了する。吸気工程の終了後、引き続き圧縮工程に移行する。
（２）圧縮工程
圧縮工程においては、圧縮比を可変にする場合、図１５（ｂ）に示したように、主弁電磁駆動装置２４０が駆動して、主弁本体２１０を上昇させて主換気通路１１０が閉塞する。また、切り替え弁電磁駆動装置３４０が駆動して、切り替え弁本体３１０を下降させて吸気通路１２０を閉塞するとともに、排気通路１３０を開放する。そして、圧縮比を可変にする場合で、大きめの圧縮比を得る場合は、ピストン３０が圧縮を始める直前に、図１４（ｂ）に示したように、副弁本体４１０が下降して副換気通路１４０を開放する。これにより、燃焼室４０の減圧が行われる。
【０１２８】
圧縮比をさらに小さくしたい場合は、主弁２００を閉じるタイミングを遅らせる。このように、主弁２００と副弁４００の開くタイミングを制御することで、広範な実圧縮比が可変となる。
【０１２９】
ピストン３０が下死点から上死点まで上昇して、燃焼室４０の空気を圧縮すると、燃焼室４０の空気は高温になる。仮に、燃焼室４０の実圧縮比を可変にせず、高圧縮比固定だと、高負荷時にノッキング回避のために遅角点火するため、効率を高めることができない。すなわち、熱効率が最高になる圧縮比は、低負荷時は大きく、高負荷時は小さいため、負荷に合わせて最適な圧縮比が得られれば、熱効率を向上することができる。
【０１３０】
また、減圧した空気圧を吸気通路１２０に導く。これにより、吸気通路１２０内に空気が蓄積され、吸気工程時に過給効果を持たせて、熱効率向上が計られる。ピストン３０が上死点に達するより前に、第２電磁駆動装置４４０への通電が停止し、副弁本体４１０が副弁バネ２２０の弾性力により上昇し、副換気通路１４０が閉塞される。圧縮工程が終了すると、（爆発）膨張行程に移行する。
【０１３１】
（３）（爆発）膨張工程
（爆発）膨張工程においては、図１４（ｃ）に示したように、主弁２００は主換気通路１１０を閉塞した状態を、また、切り替え弁３００は吸気通路１２０を閉塞した状態を維持している。副弁４００は、副弁電磁駆動装置４４０が駆動して上昇し、副換気通路１４０を閉塞する。燃焼室４０では、図１４（ｃ）に示したように、圧縮工程において圧縮されて高温となった、吸気時に生成された空気の渦流Ｋに対して、燃料噴射弁５０が、高圧の燃料Ｐを噴射する。
【０１３２】
噴射された燃料Ｐは、微細な噴霧となり、燃料Ｐの気化熱で、高温となった圧縮空気から熱を奪い、圧縮始温度を下げる。したがって、燃焼温度も低下するので、最高燃焼温度が低下して、ＮＯｘ生成量が低下する。また、各燃料噴射弁５０が噴射した燃料Ｐは、渦流Ｋの流れに乗って拡散しながら、燃焼室４０の２つの領域Ｘ、Ｙで渦流の空気と充分に混合される。
【０１３３】
次に、図１５（ｃ）に示したように、領域Ｘ、Ｙでそれぞれ拡散した燃料Ｐに対して、各レーザー点火栓９０からレーザー光Ｌが照射される。照射されたレーザー光Ｌはレンズで集光される。燃焼室４０の空気は、圧縮工程で圧縮されて高温・高圧となっているため、レーザー光Ｌの集光部にプラズマ熱が発生する。高エネルギーのプラズマ熱は火種（火炎核）を生成する。これにより、燃焼室４０内の燃料が燃焼する。このとき、レーザー光Ｌの集光位置を瞬時に調整することで、複数の点で火種が生成される。
【０１３４】
燃焼室４０内での燃焼は、燃焼室４０の２つの領域Ｘ、Ｙでそれぞれ行われるため、燃料Ｐは急速に燃焼する。燃焼は、燃焼室４０を１つの領域で燃焼する場合に比べて半分で完了する。したがって、高圧縮比でもノッキングを抑えることが出来るので、熱効率が向上する。
【０１３５】
また、燃焼室４０は、主弁換気通路１１０を通って吸気される冷気によって主換気通路１１０の周りを冷却するため、この分の温度が低減する。さらに、主弁２００が、前述のように、中空部に金属ナトリウムが封入されたことによって、温度が８００℃から６００℃に低下するため、自己着火によるノッキング発生が抑制され、高温圧縮比化で熱効率が向上する。さらに、このような構成により、シリンダヘッド１００の温度上昇が抑えられるため、ヘッド冷却放熱量が減少し、ラジエータが小型化できる。
【０１３６】
燃焼室４０では燃料の燃焼により、燃焼ガスが膨張し、ピストン３０が、図１４（ｄ）に示したように、下死点まで押し下げられる。ピストン３０の下降に伴って、燃焼室４０の圧力が低下する。燃焼行程が終了すると、排気工程に移行する。
【０１３７】
（４）排気工程
排気工程においては、まず、図１５（ｄ）に示したように、主弁電磁駆動装置２４０が駆動して、主弁本体２１０を下降させて主換気通路１１０を開放する。また、切り替え弁３００は吸気通路１２０を閉塞した状態を維持する。ピストン３０は、下死点から上死点まで上昇し、燃焼ガスが主換気通路１１０と排気通路１３０を通って燃焼室４０から押し出される。主弁２００は、十分必要な燃焼ガス排出量通過の開弁面積が確保されているため、燃焼ガスが主換気通路１１０から十分に排気される。
【０１３８】
主弁２００が開いた後の排気工程終了付近で、図１４（ｄ）に示したように、副弁電磁駆動装置４４０が駆動して、副弁本体４１０を下降させて副換気通路１４０を開放する。このときの副弁４００の開き力は小さい。副弁４００が開くと、副換気通路１４０から燃焼ガスを吸気通路１２０に循環させる内部ＥＧＲを行う。吸気通路１２０内で酸素含有量が希薄になった燃焼ガスと新気が混合し、ＥＧＲができる。このようにできたＥＧＲと外部からのクールドＥＧＲ（熱いガスを冷却した排気ガス）とを合わせて多量のＥＧＲができる。
【０１３９】
副弁４００の開閉を副弁電磁駆動装置４４０によって個別に制御できるため、部分負荷時に最適な量のＥＧＲを調整することができる。よって、部分負荷時のポンピングロスが低減し、熱効率が向上する。また、酸素量希薄空気での燃焼により燃焼温度を下げることが可能になるため、大気への放出ガス中のＮＯｘ成分量が低減するので、後処理装置の負担軽減が可能になる。
【０１４０】
以上の（１）〜（４）の４つの工程により、１つの燃焼サイクルが終了する。本実施形態では、主弁２００、切り替え弁３００及び副弁４００の制御を各弁に設けた主弁電磁駆動装置２４０、切り替え弁電磁駆動装置３４０、副弁電磁駆動装置４４０で個別に行うことができるので、各弁の開閉のタイミングを自在に制御できる。
【０１４１】
次に、排気工程で、主弁２００と副弁４００が作動するときの荷重の大きさについて、図１６を参照しながら説明する。主弁２００は、図１６に示したように、開き始め期間Ａ１の荷重が非常に大きい。主弁２００は、一旦開くと、開き状態保持期間Ａ２の荷重は、開き始めに比して小さい。一方、副弁４００は、開き始め期間から開き状態保持期間までの全期間Ｂにわたって弁荷重はほぼ一定である。
【０１４２】
次に、エンジンの始動時と停止時の副弁４００の動作について説明する。
エンジンの始動時には、副弁４００を開放して燃焼室４０を減圧（これをデコンブという）し、無負荷状態でフライホイールを回転させ、すぐに副弁４００を閉塞する。これにより、エンジンの始動時の負荷を軽減することができる。
【０１４３】
また、通常、エンジン始動時には、始動モータのスターターピニオンをフライホイールの外側に取り付けられたリングギヤに押し付けて、エンジンを始動する。このため、エンジン停止時には、従来のエンジンでは、始動モータのスターターピニオンとフライホイールの外側に取り付けられたリングギヤの噛み合い位置が、４気筒なら２箇所、６気筒なら３箇所の常に決まった位置に噛み合って止まる。よって、エンジン始動時には、フライホイールをリングギヤに押し付けて行うが、常に同じ位置が押し付けられることになる。
【０１４４】
このため、特にリングギヤが片減りして、早い時期に噛み合いが悪くなる。よって、リングギヤの耐久寿命が低下して早期交換が必要となり、メンテナンスコストが高騰する。しかし、本実施形態では、エンジン停止時に、副弁４００を開いて燃焼室４０の減圧をするため、スターターピニオンとリングギヤの噛み合い位置が不規則になる。よって、前記問題が解決される。
【０１４５】
また、エンジン停止時にピストン３０が圧縮上死点に達する場合、フライホイールの回転エネルギーが小さくなり、従来のエンジンでは圧縮越えができなくなる。また、圧縮圧でピストン３０が撥ね返されるため、撥ね返りながらピストン３０と連接棒の慣性質量が停止すると、ピストン３０と連接棒を締結するピストン・ピンとピン受け面に大きな衝撃が加わり、ピストン３０と連接部尾のピン受け面が損傷し、耐久性が低下してメンテナンス費用が高騰する。
【０１４６】
これに対して、本実施形態では、エンジンの停止時に、副弁４００を開放して燃焼室４０を減圧する。これにより、ピストン圧縮上死点で燃焼室４０の圧が抜けてフリーの状態でピストン停止位置を不規則にする。このため、エンジンの停止時におけるピストン・ピンの衝撃が緩和されて、部品の耐久性を向上させることができる。
【０１４７】
なお、本実施形態において、アイドリング時や極低負荷運転時は、副弁４００が副換気通路１４０を閉塞した状態で、燃料噴射弁５０から噴射される燃料５１の量を少なく調整する。また、本実施形態の内燃機関１０をハイブリッド車に用いる場合は、アイドリング時や極低負荷運転時は、内燃機関１０の作動を停止する。
【０１４８】
（本実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、シリンダヘッド１００の中央に配置される主弁２００により、必要十分な吸気空気量通過の開弁面積が確保される。そして、各副弁４００は燃焼室４０の２の領域ごとに、吸気によって燃焼室４０に所定の渦流Ｋを発生するため、急速燃焼が助成される。また、急速燃焼の実現で、燃焼時間が短縮すると異常燃焼を回避できるので、圧縮比を大きくでき、内燃機関１０の熱効率が向上する。
【０１４９】
また、燃焼室４０への燃料Ｐの噴射方向は、燃焼室４０の中心方向から所定の渦流方向にずれているため、２つの領域の渦流Ｋが衝突しない。よって、渦流Ｋの乱れを防止することができる。
【０１５０】
また、主弁２００、切り替え弁３００及び副弁４００が、電磁力で調整されるようにしたことにより、各弁の開閉のタイミングをそれぞれ独立して自在に制御することができる。電磁力を発生させる電磁石２４５、３４５、４４５の鉄心に、鉄基のアモルファス金属が用いられるため、鉄損が小さくなり、電磁駆動装置を小型化したり、駆動力を大きくしたりすることができる。このため、副弁４００を備えることによる内燃機関４０の大型化を最小限に抑えることができる。
【０１５１】
さらに、円盤板２４１、２４３、３４１、３４３、４４１、４４３の永久磁石２４２、２４４、３４２、３４４、４４２、４４４と、ケース９００、９２０、９４０に設けたクッション磁石９０２、９２２、９４２との間で、磁気クッションが行われるため、円盤板２４１、２４３、３４１、３４３、４４１、４４３とケース９００、９２０、９４０との衝撃を吸収し、激突せず接触しない。
【０１５２】
円盤板２４１、２４３、３４１、３４３、４４１、４４３及び電磁石ケース２４６、２４７、３４６、３４７、４４６、４４７に、通風口２４６ａ、２４７ａ、３４６ａ、３４７ａ、４４６ａ、４４７ａが設けられるため、風損抵抗を軽減することができる。
【０１５３】
また、主弁２００、切り替え弁３００及び副弁４００の各弁を電磁駆動装置２４０、３４０、４４０に直接連結して駆動するため、各弁の駆動機構が簡単な構成となり、コストを抑えることができる。さらに、各弁を駆動するために、従来用いられていたばねやロッカアームを用いなくてもよいため、全高を下げることができる。
【０１５４】
また、主弁電磁駆動装置２４０にキャパシタ６００を備えるようにしたことにより、電磁駆動装置２４０を駆動するバッテリ５１０のエネルギーを削減することができる。このため、エンジン駆動発電機の負荷が軽減され、内燃機関１０の熱効率が向上する。
【０１５５】
さらに、副弁４００の開閉を副弁電磁駆動装置４４０によって個別に制御できるため、排気工程終了付近で、副弁４００を開き、副換気通路１４０から燃焼ガスを吸気通路１２０に循環させる内部ＥＧＲを行い、部分負荷時に最適な量のＥＧＲを調整することができる。よって、部分負荷時のポンピングロスを低減することによって、内燃機関１０の熱効率を向上することができる。さらに、内燃機関１０単体での大気放出ガスを後処理なしで、さらにクリーンにすることができる。
【０１５６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図１７〜図２２を参照しながら説明する。本実施形態の内燃機関１０１０は、主弁１２００及び切り替え弁１３００の構成が第１の実施形態の主弁２００及び切り替え弁３００と異なるものであり、その他、シリンダ２０、ピストン３０、燃焼室４０、燃料噴射弁５０、レーザー点火栓９０、シリンダヘッド１００、副弁４００、弁駆動装置５００、駆動装置７００、８００などの構成については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、本実施形態では、燃料噴射弁５０の燃料噴射方向は、エンジン回転数にかかわらず１方向のみであってもよい。また、燃料噴射弁５０の燃料噴射方向は、第１の実施形態と同様に２方向に分かれるようになっていてもよく、３方向以上に分かれるようになっていてもよい。
【０１５７】
本実施形態では、図１７及び図１８に示したように、電磁石Ａ１９０２が上ケース１９００に配置される。電磁石Ａ１９０２は上ケースカバー１９１０にカバー取付けボルト１９９１で固定される。上ケースカバー１９１０にはブリーザ１９０７が取り付けられる。上ケース１９００は、ケース固定フランジ１９０１を介してフランジ取り付けボルト１９０３及びフランジ取り付けナット１９０５によってシリンダヘッド１００に固定されている。
【０１５８】
主弁電磁駆動装置１２４０は、図１７及び図１９に示したように、主弁上円盤板１２４１に両端開放の主弁上円盤板永久磁石１２４２が埋め込められ、電磁石Ａ１９０２と電磁石Ｂ１２４５間で電磁力を生成する。主弁下円盤板１２４３は主弁円盤板固定スペーサ１２４８を介して主弁上円盤板１２４１に挟まれロックナット１２５０で固定される。ロックナット１２５０は図示していないねじ溝部に緩み止めの金具が挿入されて緩まない構造である。
【０１５９】
主弁下円盤板１２４３には、片端開放の主弁下円盤板永久磁石１２４４が埋め込められる。主弁下円盤板１２４３の背面は空気ばね室１９９０のピストンを形成する。
【０１６０】
切り替え弁電磁駆動装置１３４０は、図１７及び図２０に示したように、電磁石Ｃ１３４５が中ケース１９２０と下ケース１９４０の間に電磁石Ｃ上ケース１３４６と電磁石Ｃ下ケース１３４７を介して配置される。切り替え弁上円盤板１３４１と切り替え弁下円盤板１３４３が電磁石Ｃ１３４５を挟むように切り替え弁円盤板固定スペーサ１３４８を介してロックナット１３５０で固定される。
【０１６１】
切り替え弁上円盤板１３４１と切り替え弁下円盤板１３４３には、片端開放の切り替え弁上円盤板永久磁石１３４２と切り替え弁下円盤板永久磁石１３４４とが埋め込まれている。切り替え弁上円盤板１３４１の背面は、空気ばね室１９９０のピストンを形成する。切り替え弁上円盤板１３４１と主弁下円盤板１２４３の背面との間で、空気ばね室１９９０が構成される。
【０１６２】
空気ばね室１９９０へは圧縮空気が送り込まれ、図２１に示したように、空気ばね室逆止弁１９９２で封じ込められて空気ばねとなる。空気ばね室１９９０へ送り込まれる圧縮空気の圧力は、主弁１２００と切り替え弁１３００が戻る力と関係する。高い圧縮圧は各弁の着座衝撃が大きくなり、耐久性が悪くなる。一方、低過ぎると各弁の着座力が足りずにガスが漏れる。従って、適切な圧力の圧縮空気が空気ばね室１９９０へ送り込まれる。また、空気ばねを構成する上部の主弁本体１２１０を支える主弁下円盤板１２４３と中ケース１９２０との隙間には空気漏れを防ぐ上部シール１９９６が配置される。さらに、下部の切替弁ガイドバー１３１２を支える切り替え弁上円盤板１３４１と中ケース１９２０との隙間には空気漏れを防ぐ下部シール１９９８が配置される。
【０１６３】
下ケース１９４０と切り替え弁ガイドバー１３１２の摺動部には、潤滑油が補給されて、摩耗及び焼き付きが防止される。図１７及び図１８に示したように、下ケース１９４０と切り替え弁ガイドバー１３１２との間にガイドシール１９９４が配置されて、潤滑油が燃焼室４０側へ流れ込まないよう調整される。切り替え弁ガイドバー１３１２の内側と主弁ステム１２１１との間は、主弁ステム１２１１の摺動部にセラミックがコーティングされて、無給油で摩耗と焼き付きを防止する。
【０１６４】
副弁１４００は、図２２に示したように、第１の実施形態の副弁４００と同様の構成であるため、説明を省略する。
【０１６５】
次に、主弁１２００及び切り替え弁１３００の動作について説明する。まず、主弁１２００の動作について、図２３を参照しながら説明する。
【０１６６】
（１）通電制御回路５５０からの電気指令により主弁１２００が開弁し、開弁が保持される場合。（図２３（ａ））
通電指令通電動作は、予め設定した弁開き時期・開き期間などのデータに基づいて行われる。主弁１２００の開弁時に主弁起動回路５６０より電磁石Ａ１９０２及び電磁石Ｂ１２４５にキャパシタ６００からの補助電力を加えて大電力が通電される。よって、電磁石Ａ１９０２及び電磁石Ｂ１２４５と主弁上円盤板永久磁石１２４２及び主弁下円盤板永久磁石１２４４との間に電磁力が生成される。この電磁力によって主弁本体１２１０が稼働して開く。
【０１６７】
この主弁本体１２１０の稼働によって空気ばね室１９９０で空気が圧縮され、電磁石Ｂ１２４５へ供給される電力が主弁起動回路５６０から主弁保持回路５７０に切り替わる。よって、主弁上円盤板永久磁石１２４２と電磁石Ｂ１２４５との間で斥力と空気ばね圧がバランスし、主弁１２００の開いた状態が保持される。
【０１６８】
（２）通電制御回路５５０からの電気指令により主弁１２００が閉弁する場合。（図２３（ｂ））
通電指令通電動作は、予め設定した弁開き時期・開き期間などのデータに基づいて行われる。主弁閉じ回路５８０より電磁石Ａ１９０２及び電磁石Ｂ１２４５に通電される。よって、電磁石Ａ１９０２及び電磁石１２４５に磁力が生成されて空気ばね室１９９０の戻りで主弁本体１２１０が着座する。空気ばね室１９９０の戻りエネルギーは磁気クッション力より逆流してくる電力をキャパシタ充電回路５９０に取り込み、キャパシタ６００を充電する。
【０１６９】
また、主弁保持回路５７０の作動時は、キャパシタ６００はバッテリ５１０より昇圧回路５２０で昇圧した電圧にてキャパシタ充電回路５９０より充電される。バッテリ５１０の充電は別途図示していない発電機により行われる。
【０１７０】
次に、切り替え弁１３００の動作について、図２４を参照しながら説明する。
【０１７１】
（１）通電制御回路７５０からの電気指令により切り替え弁１３００が吸気通路１２０を開弁する場合。（図２４（ａ））
【０１７２】
通電指令通電動作は、予め設定した弁開き時期・開き期間などのデータに基づいて行われる。図２４（ａ）に示したように、切り替え弁吸気側回路７７０より電磁石Ｃ１３４５に電力が通電される。よって、電磁石Ｃ１３４５と切り替え弁上円盤板永久磁石１３４２及び切り替え弁下円盤板永久磁石１３４４との間に電磁力が生成される。この電磁力によって切り替え弁本体１３１０が稼働して吸気通路１２０が開く。
【０１７３】
この切り替え弁本体１３１０の稼働によって切り替え弁電磁駆動装置１３４０の上部の空気ばね室１９９０の空気が圧縮され、切り替え弁上円盤板永久磁石１３４２と電磁石Ｃ１３４５との間で斥力と空気ばね圧がバランスし、切り替え弁１３００の吸気通路１２０を開いた状態が保持される。
【０１７４】
（２）通電制御回路７５０からの電気指令により切り替え弁１３００が排気通路１３０へ移動して吸気通路１２０を閉弁する場合。（図２４（ｂ））
【０１７５】
通電指令通電動作は、予め設定した弁開き時期・開き期間などのデータに基づいて行われる。切り替え弁排気側回路７６０より電磁石Ｃ１３４５に通電される。よって、電磁石Ｃ１３４５に磁気が生成されて空気ばね室１９９０の戻りで主弁本体１２１０が着座する。空気ばね室１９９０の戻りエネルギーは磁気クッション力より逆流してくる電力をキャパシタ充電回路５９０に取り込み、キャパシタ６００を充電する。
【０１７６】
（第２の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、必要最小限の開弁開き力が得られる。また、空気ばねによる戻り回生でエネルギー効率が向上する。さらに、空気渦流方向に沿って１方向噴射で良好な燃費が得られる。
【０１７７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１７８】
例えば、上記実施形態では、燃焼室への燃料の噴射方向は、燃焼室の中心方向から所定の渦流方向にずれている構成としたが、本発明はこの例に限定されない。
【０１７９】
また、上記実施形態では、主弁、切り替え弁及び副弁は、電磁力で調整される構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、カムとロッカアームとを備えた駆動装置で駆動してもよい。
【０１８０】
また、上記実施形態では、電磁駆動装置の電磁石の鉄心にアモルファス合金を使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば電磁鋼板でもよい。
【０１８１】
また、上記実施形態では、永久磁石が配置される円盤板を、弁ステム又は切り替え弁ガイドバーに取り付ける構成としたが、本発明はこれに限定されない。
【０１８２】
主弁の円盤板の永久磁石は、ネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）である構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、フェライト磁石もよい。
【０１８３】
切り替え弁の永久磁石及び副弁の永久磁石は、フェライト磁石である構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ネオジウム鉄ホウ素合金製（ＮｅＦＢ磁石）でもよい。円盤板の永久磁石と、電磁石ケースに設けた永久磁石との間で、磁気クッションが行われる構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、磁気クッションと同等な作用を備えたものであれば、他の構成でもよい。
【０１８４】
円盤板及び電磁石の電磁石ケースに、通風口が設けられる構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、開口が設けられていない構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１８５】
本発明は、自動車、建設機械、鉄道車両、モーターボート、可搬式発電機、農林業機械などの内燃機関に利用可能である。
【符号の説明】
【０１８６】
１０  内燃機関
２０  シリンダ
３０  ピストン
３１  ピストン駆動機構
４０  燃焼室
５０  燃料噴射弁
７１  主弁シート
７２  切り替え弁シート
７３  副弁シート
９０  レーザー点火栓
１００  シリンダヘッド
１１０  主換気通路
１２０  吸気通路
１３０  排気通路
１４０  副換気通路
１４１  空気流動生成形状
２００  主弁
２１０  主弁本体
２１１  主弁ステム
２１１ａ  取り付け軸
２１２  主弁円錐状閉塞部
２４０  主弁電磁駆動装置
２４１  主弁上円盤板
２４２  主弁上円盤板永久磁石
２４２ａ  扇形部
２４２ｂ  円筒状部
２４３  主弁下円盤板
２４４  主弁下円盤板永久磁石
２４４ａ  扇形部
２４４ｂ  円筒状部
２４５  電磁石
２４５−１  鉄心
２４５−２  銅線
２４６  電磁石上ケース
２４６ａ  電磁石ケース通風口
２４７  電磁石下ケース
２４７ａ  電磁石ケース通風口
２４８  主弁円盤板固定スペーサ
２４９  主弁円盤板通風口
２５０  主弁円盤板固定金具
２５２  主弁円盤板固定ピン
２５４  固定ピン止め輪
３００  切り替え弁
３１０  切り替え弁本体
３１１  通路閉塞部
３１２  切り替え弁ガイドバー
３１２ａ  取り付け部
３４０  切り替え弁電磁駆動装置
３４１  切り替え弁上円盤板
３４２  切り替え弁上円盤板永久磁石
３４２ａ  扇形部
３４２ｂ  円筒状部
３４３  切り替え弁下円盤板
３４４  切り替え弁下円盤板永久磁石
３４４ａ  扇形部
３４４ｂ  円筒状部
３４５  電磁石
３４５−１  鉄心
３４５−２  銅線
３４６  電磁石上ケース
３４６ａ  電磁石ケース通風口
３４７  電磁石下ケース
３４７ａ  電磁石ケース通風口
３４８  切り替え弁円盤板固定スペーサ
３５０  切り替え弁円盤固定ナット
４００  副弁
４１０  副弁本体
４１１  副弁ステム
４１２  副弁円錐状閉塞部
４３０  副弁ケース
４４０  副弁電磁駆動装置
４４１  副弁上円盤板
４４２  副弁上円盤板永久磁石
４４２ａ  扇形部
４４２ｂ  円筒状部
４４３  副弁下円盤板
４４４  副弁下円盤板永久磁石
４４４ａ  扇形部
４４４ｂ  円筒状部
４４５  電磁石
４４５−１  鉄心
４４５−２  銅線
４４６  電磁石上ケース
４４６ａ  電磁石ケース通風口
４４７  電磁石下ケース
４４７ａ  電磁石ケース通風口
４４８  副弁円盤板固定スペーサ
４５０  副弁円盤固定ナット
５００  弁駆動装置
５１０  バッテリ
５２０  昇圧回路
５３０  クランク角度センサ
５４０  エンジン回転センサ
５５０  通電制御回路
５６０  主弁起動回路
５７０  主弁保持回路
５８０  主弁閉じ回路
５９０  キャパシタ充電回路
６００  キャパシタ
７００  駆動装置
７１０  バッテリ
７３０  クランク角度センサ
７４０  エンジン回転センサ
７５０  通電制御回路
７６０  切り替え弁排気側回路
７７０  切り替え弁吸気側回路
８００  駆動装置
８１０  バッテリ
８３０  クランク角度センサ
８４０  エンジン回転センサ
８５０  通電制御回路
８６０  副弁閉じ回路
８７０  副弁開き回路
９００  上ケース
９０１  ケース固定フランジ
９０２  上ケースクッション磁石
９０３  フランジ取り付けボルト
９０４  ブリーザオーリング
９０５  フランジ取り付けナット
９０６  ブリーザオーリング
９０７  ブリーザ
９２０  中ケース
９２２  中ケースクッション磁石
９２４  中ケースオーリング
９４０  下ケース
９４２  下ケースクッション磁石
９４４  シートパッキン
９６０  副弁上ケース
９６２  副弁上ケースクッション磁石
９６４  ケース固定フランジ
９６６  フランジ取り付けボルト
９８０  副弁下ケース
９８２  副弁下ケースクッション磁石
９８４  ブリーザオーリング
９８６  ブリーザ
１２００  主弁
１２１０  主弁本体
１２１１  主弁ステム
１２４０  主弁電磁駆動装置
１２４１  主弁上円盤板
１２４２  主弁上円盤板永久磁石
１２４３  主弁下円盤板
１２４４  主弁下円盤板永久磁石
１２４５  電磁石Ｂ
１２４８  主弁円盤板固定スペーサ
１２５０  ロックナット
１３００  切り替え弁
１３１０  切り替え弁本体
１３１２  切り替え弁ガイドバー
１３４０  切り替え弁電磁駆動装置
１３４１  切り替え弁上円盤板
１３４２  切り替え弁上円盤板永久磁石
１３４３  切り替え弁下円盤板
１３４４  切り替え弁下円盤板永久磁石
１３４５  電磁石Ｃ
１３４６  電磁石Ｃ上ケース
１３４７  電磁石Ｃ下ケース
１３４８  切り替え弁円盤板固定スペーサ
１３５０  ロックナット
１９００  上ケース
１９０１  ケース固定フランジ
１９０２  電磁石Ａ
１９０３  フランジ取り付けボルト
１９０５  フランジ取り付けナット
１９０７  ブリーザ
１９１０  上ケースカバー
１９２０  中ケース
１９４０  下ケース
１９９０空気ばね室
１９９１  カバー取付けボルト
１９９２  空気ばね室逆止弁
１９９４  ガイドシール
１９９６  上部シール
１９９８  下部シール
【要約】
【課題】熱効率を向上させた内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関１０は、シリンダ２０とピストン３０とによって形成される燃焼室４０と、燃焼室に連通するとともに相互に連通する主換気通路１１０及び複数の副換気通路１４０と、主換気通路に連通する吸気通路１２０及び排気通路１３０と、が形成されたシリンダヘッド１００と、主換気通路を開閉することにより燃焼室への給排気と燃焼室の密閉を切り替える主弁２００と、主弁に沿って移動した位置に応じて主換気通路と吸気通路又は排気通路との連通を切り替える切り替え弁３００と、複数の副換気通路の各々に設けられ、副換気通路を開閉することにより、燃焼室への吸気量を変更する副弁４００と、を備え、各副弁１４０の吸気方向は、燃焼室４０に所定の渦流Ｋを発生するように、燃焼室４０の中心方向から所定の渦流Ｋ方向にずれていることを特徴とする。
【選択図】図１【図１】
0006035441.tif 000002
【図２】
0006035441.tif 000003
【図３】
0006035441.tif 000004
【図４】
0006035441.tif 000005
【図５】
0006035441.tif 000006
【図６】
0006035441.tif 000007
【図７】
0006035441.tif 000008
【図８】
0006035441.tif 000009
【図９】
0006035441.tif 000010
【図１０】
0006035441.tif 000011
【図１１】
0006035441.tif 000012
【図１２】
0006035441.tif 000013
【図１３】
0006035441.tif 000014
【図１４】
0006035441.tif 000015
【図１５】
0006035441.tif 000016
【図１６】
0006035441.tif 000017
【図１７】
0006035441.tif 000018
【図１８】
0006035441.tif 000019
【図１９】
0006035441.tif 000020
【図２０】
0006035441.tif 000021
【図２１】
0006035441.tif 000022
【図２２】
0006035441.tif 000023
【図２３】
0006035441.tif 000024
【図２４】
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