特許 5851639 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5851639

(24)【登録日】2015年12月11日

(45)【発行日】2016年2月3日

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F01L 1/28 20060101AFI20160114BHJP

   F01L 9/04 20060101ALI20160114BHJP

   F02B 23/08 20060101ALI20160114BHJP

   F02B 31/00 20060101ALI20160114BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20160114BHJP

【ＦＩ】

   F01L1/28

   F01L9/04 A

   F02B23/08 T

   F02B31/00 301A

   F02D13/02 D

   F02D13/02 H

【請求項の数】6

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2015-60195(P2015-60195)

(22)【出願日】2015年3月23日

【審査請求日】2015年4月30日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】513240467

【氏名又は名称】川本 幸徳

(74)【代理人】

【識別番号】100182349

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 誠治

(72)【発明者】

【氏名】川本 幸徳

【審査官】 山田 由希子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第５７８２２１５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 仏国特許出願公開第２９１０５４０（ＦＲ，Ａ１）

【文献】 特開昭５８−１０１２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２２８５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／００８５２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１３１７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０５３７５５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０００−０６４９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２０００２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１２５９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１９５１４５５９（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０２２１５５７９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公開第２２２３８００（ＧＢ，Ａ）

【文献】 米国特許第１９９８６０１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１９７１８７１０（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特許第５７８１６８０（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｌ １／００− １／４６

Ｆ０１Ｌ ９／００− ９／０４

Ｆ０１Ｌ １３／００−１３／０８

Ｆ０２Ｂ １／００−２３／１０

Ｆ０２Ｆ １／００− １／４２

Ｆ１６Ｋ ３１／０６−３１／１１

(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とともに相互に連通する第１換気通路及び第２換気通路と、前記第１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、
前記第１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第１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副弁と、により構成される第１弁と、
前記第２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第２弁と、
を備え、
前記主弁を駆動する駆動機構は、主弁電磁駆動装置と前記主弁電磁駆動装置の上方に設けられる主弁ロッカアームとを備え、
前記副弁を駆動する駆動機構は、副弁電磁駆動装置と前記副弁電磁駆動装置の下方に設けられる副弁ロッカアームと前記吸気通路を閉じる方向に前記副弁を付勢する副弁バネとを備え、
前記吸気通路は、前記排気通路の下方に設けられており、
前記副弁が上方に移動したときに、前記副弁バネが縮み、前記吸気通路が開き、前記排気通路が閉じ、
前記副弁バネの弾性力によって前記副弁が下方に移動したときに、前記排気通路が開き、前記吸気通路が閉じ、
前記主弁は、前記第１換気通路の長さ方向に移動して前記第１換気通路を開閉する主弁本体と、前記主弁本体と一体に移動する主弁リテーナと、前記第１換気通路を閉塞する方向に前記主弁本体を常時付勢するとともに前記主弁リテーナとともに一端が移動する主弁バネと、を備え、
前記副弁は、前記第１換気通路の長さ方向に移動して前記吸気通路と前記排気通路を開閉する副弁本体と、一端が前記副弁本体に取付けられ、中空の軸心に前記主弁本体が軸方向に相対移動可能に挿通する副弁ガイドバーと、前記副弁ガイドバーと一体に移動する副弁リテーナと、前記吸気通路を閉塞する方向に前記副弁本体を常時付勢するとともに前記副弁リテーナとともに一端が移動する前記副弁バネと、を備え、
前記主弁は、主弁ケースに収容されており、
前記副弁は、前記主弁ケース内に配置された副弁ケースに収容されており、
前記主弁ケースは、前記第１換気通路内に挿入された状態でシリンダヘッドに固定され、
前記主弁ケースには前記主弁リテーナと前記副弁ガイドバーが移動可能に嵌め合わされ、
前記副弁ケースは、前記主弁リテーナとともに一端が移動する主弁バネの他端と、前記副弁リテーナとともに一端が移動する前記副弁バネの他端とを支持するとともに、前記副弁リテーナが下端に配置されることを特徴とする、内燃機関。

【請求項2】

前記第２弁を駆動する駆動機構は、第２弁電磁駆動装置を備え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】

前記主弁電磁駆動装置、前記副弁電磁駆動装置及び前記第２弁電磁駆動装置は、鉄心がアモルファス金属で構成されることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記主弁電磁駆動装置は前記主弁の戻りエネルギーの回生を蓄電するキャパシタを備え、前記副弁電磁駆動装置は前記副弁の戻りエネルギーの回生を蓄電するキャパシタを備え、前記第２弁電磁駆動装置は、前記第２弁の戻りエネルギーの回生を蓄電するキャパシタを備えることを特徴とする、請求項２又は３に記載の内燃機関。

【請求項5】

前記第２換気通路は、縦及び横方向の渦流を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。

【請求項6】

前記吸気通路の出口には逆止弁が設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。

【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、燃焼室と、シリンダヘッドと、第１弁と、第２弁とを備えた内燃機関が提供される。燃焼室は、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。シリンダヘッドには、前記燃焼室に連通するとともに相互に連通する第１換気通路及び第２換気通路と、前記第１換気通路に連通する吸気通路及び排気通路と、が形成される。第１弁は、前記第１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第１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副弁と、により構成される。第２弁は、前記第２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。

【0007】

かかる構成によれば、シリンダヘッドに燃焼室への給排気と燃焼室の密閉を切り替える主弁とは別に、燃焼室への吸気量を変更する第２弁を設けた。このため、第２弁の作動領域を大きくすることにより、第２弁を開閉することで、従来のスロットル弁に相当する絞り効果が得られるとともに、従来のスロットル弁に比してポンピングロスを低減できる。よって、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、前記主弁を駆動する駆動機構は、主弁電磁駆動装置と前記主弁電磁駆動装置の上方に設けられる主弁ロッカアームとを備え、前記副弁を駆動する駆動機構は、副弁電磁駆動装置と前記副弁電磁駆動装置の下方に設けられる副弁ロッカアームと前記吸気通路を閉じる方向に前記副弁を付勢する副弁バネとを備え、前記第２弁を駆動する駆動機構は、第２弁電磁駆動装置を備え、前記吸気通路は、前記排気通路の下方に設けられており、前記副弁が上方に移動したときに、前記副弁バネが縮み、前記吸気通路が開き、前記排気通路が閉じ、前記副弁バネの弾性力によって前記副弁が下方に移動したときに、前記排気通路が開き、前記吸気通路が閉じるようにしてもよい。

【0009】

このように、吸気通路を排気通路の下方に設け、副弁バネの弾性力によって副弁が下方に移動したときに、排気通路が開き、吸気通路が閉じるように構成したことにより、内燃機関を停止したときに、副弁バネの作用によって、上方に設けた排気通路が開き、下方に設けた吸気通路が閉じた状態で停止する。一般的に、内燃機関が停止したときには、排気通路が開いて排気するとともに、内燃機関を再開させるときのために、吸気通路は閉じておくことが好ましいが、本構成では内燃機関を停止したときに好ましい状態になる。また、第２弁を電磁駆動装置で駆動するため、第２弁の駆動機構が簡単でコストを抑えることができる。このため、第２弁を備えることによる内燃機関の製造コストの増加を最小限に抑えることができる。

【0010】

また、前記主弁電磁駆動装置、前記副弁電磁駆動装置及び前記第２弁電磁駆動装置は、鉄心がアモルファス金属で構成さ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、第２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、前記主弁電磁駆動装置、前記副弁電磁駆動装置及び前記第２弁電磁駆動装置は、前記第２弁の戻りエネルギーの回生を蓄電するキャパシタを備えるようにしてもよい。これにより、電磁駆動装置を駆動するバッテリのエネルギーを削減することができるため、エンジン駆動発電機の負荷が軽減され、内燃機関の熱効率が向上する。

【0012】

また、前記第２換気通路は、縦及び横方向の渦流を生成するようにしてもよい。これにより、第２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。

【0013】

さらには、前記吸気通路の出口には逆止弁が設けられるようにしてもよい。これにより、吸気通路内で排気ガスと新気とを混合してＥＧＲを生成することができる。このため、多量ＥＧＲ制御でポンピングロスを低減して熱効率を向上することができ、かつ、内燃機関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。

【発明の効果】

【0014】

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】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態にかかる内燃機関を正面方向から見た図である。

【図2】本発明の一実施形態にかかる内燃機関を説明するための図である。

【図3】逆止弁を説明するための図である。

【図4】電磁駆動装置を説明するための図である。

【図5】ロッド円盤板及び円盤板側永久磁石を説明するための図である。

【図6】固定子鉄心及び鉄心巻き線を説明するための図である。

【図7】第２弁を開放するときの電磁弁の作動を説明するための図である。

【図8】第２弁を閉塞するときの電磁弁の作動を説明するための図である。

【図9】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10】吸気工程と排気工程における主弁、副弁及び第２弁の動作を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関を正面方向から見た図である。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第１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、第１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第１換気通路１１０と吸気通路１２０と排気通路１３０との連通を切り替える副弁３００と、により構成される第１弁７００と、第２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第２弁３００と、を主に備えて構成される。

【0019】

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を参照しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関を説明するための図である。

【0020】

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、後述するレーザー光発射器９０とが設けられる。

【0021】

（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第１換気通路１１０が形成されており、第１換気通路１１０は燃焼室４０に連通している。この第１換気通路１１０を介して燃焼室４０が換気される。第１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。

【0022】

また、シリンダヘッド１００には、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は第１換気通路１１０に連通している。吸気通路１２０と排気通路１３０は、第１換気通路１１０に沿って設けられており、第１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。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を第１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は副弁３００によって開閉される。

【0023】

さらに、シリンダヘッド１００には、第１換気通路１１０に隣り合った位置に第１換気通路１１０と燃焼室４０とを連通する第２換気通路１４０が形成されている。第２換気通路１４０の出口は、逆Ｓ字状の空気流動生成形状１４１に形成されている。これにより、第２換気通路１４０は、第２弁４００が開弁時に、空気流動を縦及び横方向の渦流にする。第２換気通路１４０は、第２弁４６０によって開閉される。

【0024】

また、図２に示したように、シリンダヘッド１００の吸気通路１２０は、吸気マニホルド６０に逆止弁７０を介して連結されている。

【0025】

吸気マニホルド６０には、図２に示したように、吸気マニホルド噴射弁８０が設けられており、吸気マニホルド噴射弁８０は、吸気マニホルド６０内に燃料を噴射する。

【0026】

逆止弁７０は、図３に示したように、弁シート７１に主弁となるリード弁７２とリフト押え７３が組み付けられて構成されている。リード弁７２は、リード弁体７４、第1補助板７５及び第２補助板７６を組み立てることにより構成されている。これは、一般に、リード弁は、これのバネ定数が小さいと回転数が早くなるほど空きっぱなしになる。一方、リード弁は、バネ定数が大きいと低回転で吸い込み抵抗が大きくなりエンジン燃費が悪くなり、高回転で割れやすくなり耐久性が低下する。このため、第1補助板７５と第２補助板７６を用いてこれらのバネ定数をリード弁本体７４のバネ定数に加算することにより、低回転から高回転まで対応することができるようにした。なお、本実施形態のリード弁７２をリード弁体７４、第1補助板７５及び第２補助板７６の３つを組み立てることにより構成したが、必ずしもこれに限定されず、例えば、補助板のバネ定数に応じて、組み立てる板の数は適宜変更することができる。

【0027】

逆止弁７０は、リード弁７２とリフト押え７３の一端が弁シート７１から離隔したり、当接したりすることにより開閉する。逆止弁７０が開くと、吸気通路１２０と吸気マニホルド６０とが連通し、逆止弁７０が閉じると、吸気通路１２０と吸気マニホルド６０との連通が遮断される。

【0028】

本実施形態では、燃焼室４０に設けられる燃料噴射弁５０と吸気マニホルド６０に設けられる吸気マニホルド噴射弁８０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。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。よって、燃料噴射弁５０と吸気マニホルド噴射弁８０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８０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。

【0029】

（主弁２００）
主弁２００は、図２に示したように、第１換気通路１１０の長さ方向に移動して第１換気通路１１０を開閉する主弁本体２１０と、第１換気通路１１０を閉塞する方向に主弁本体２１０を常時付勢する主弁バネ２２０と、主弁本体２１０と主弁バネ２２０を収容する主弁ケース２３０と、主弁本体２１０を駆動する後述する主弁電磁駆動装置２４０及び主弁ロッカアーム２５０と、を主に備えて構成されている。

【0030】

主弁本体２１０は、前述のように、第１換気通路１１０の長さ方向に移動して第１換気通路１１０を開閉するものである。主弁本体２１０は、長尺な棒状の主弁ロッド２１１と主弁ロッド２１１の先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。主弁円錐状閉塞部２１２は燃焼室４０内に配置されている。主弁ロッド２１１は第１換気通路１１０を貫通して、シリンダヘッド１００に固定されている主弁ケース２３０内に第１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。主弁円錐状閉塞部２１２は、主弁本体２１０が第１換気通路１１０の長さ方向に移動すると、第１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。

【0031】

主弁バネ２２０は、主弁ケース２３０の長さ方向に沿って移動可能に設けられ主弁リテーナ２２１と、主弁ケース２３０との間に設けられている。主弁バネ２２０は、自然長より予荷重を掛けたセット長で主弁リテーナ２２１が主弁ケース２３０の上端に配置されるようになっている。また、主弁バネ２２０は１重の樽型のバネである。これにより、主弁バネ２２０は、バネ高さが削減されており、不等ピッチによりバネ有効巻き数が削減されてサージング防止効果が向上している。

【0032】

主弁電磁駆動装置２４０は、図２に示したように、主弁ロッカアーム２５０を介して主弁ロッド２１１に連結されている。主弁電磁駆動装置２４０は主弁ロッカアーム２５０を揺動することにより、主弁本体２１０を第１換気通路１１０の長さ方向に移動して第１換気通路１１０を開閉させる。以下、主弁電磁駆動装置２４０について、図４を参照しながら説明する。

【0033】

主弁電磁駆動装置２４０は、図４に示したように、稼動ロッド２４１と、稼動ロッド２４１に間隔をあけて設けられる２つのロッド円盤板２４２と、ロッド円盤板２４２に取り付けられる永久磁石２４３と、２つのロッド円盤板２４２の間に配置される複数の電磁石２４４と、ロッド円盤板２４２と電磁石２４４を収容する外ケース２４５と、外ケース２４５に取り付けられる外ケース用永久磁石２４６と、を主に備えて構成される。

【0034】

稼動ロッド２４１は、図４に示したように、外ケース２４５の中心を貫通して設けられており、稼動ロッド２４１は、外ケース２４５に対して軸方向に移動する。

【0035】

ロッド円盤板２４２は、図４に示したように、稼動ロッド２４１の軸方向の２か所に設けられた磁気受けである。ロッド円盤板２４２は、図５に示したように、円盤状の形状をしており、円周方向に永久磁石２４３が嵌り合う嵌合孔２４２ａが複数形成されている。

【0036】

永久磁石２４３は、フェライト磁石によって構成されている。永久磁石２４３は、図５に示したように、扇形部２４３ａから円筒状部２４３ｂが突出した形状である。永久磁石２４３は、ロッド円盤板２４２の嵌合孔２４２ａに嵌め合わされると、扇形部２４３ａが電磁石２４４方向に突出し、円筒状部２４３ｂが外ケース２４５方向に突出する。

【0037】

電磁石２４４は、図４に示したように、２つのロッド円盤板２４２の間に配置される。また、電磁石２４４は、稼動ロッド２４１の周りおいて、円周方向に永久磁石２４３と同数配置される。

【0038】

電磁石２４４は、図６に示したように、鉄心２４４−１と鉄心２４４−１に巻き付けられる銅線２４４−２によって構成されている。鉄心２４４−１は、アモルファス金属によって構成されており、永久磁石２４３の扇形部２４３ａ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２４４−１に銅線２４４−２が巻き付けられることにより、電磁石２４４が構成される。このように構成された複数の電磁石２４４は、ドーナツ型に配置され、円の中心に稼働ロッド２４１がストロークできるように配置される。鉄心２４４−１が外ケース２４５に固定される。

【0039】

ここで、鉄心２４４−１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２４４−１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２４４−１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、電磁石固定子と稼働ロッド２４１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２４４−１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２４４−１の構造とすれば、アモルファス金属を鉄心２４４−１の構造に加工することができる。

【0040】

このように、鉄心２４４−１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、電磁駆動装置２００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。

【0041】

外ケース２４５の内部には、図４に示したように、２つのロッド円盤板２４２と、電磁石２４４が収容されている。また、外ケース２４４の中心に稼動ロッド２４１が貫通している。外ケース２４５は、稼働ロッド２４１の主弁ロッカアーム２５０との連結端が上を向くように主弁ケース２３０に固定されている。

【0042】

外ケース２４５には、図４に示したように、ヘリウム空気混合ガスを導入するための導入部２４５ａが設けられており、導入部２４５ａを介して外ケース２４５内にヘリウム空気混合ガスが充填される。外ケース２４５内に導入されるヘリウム空気混合ガスは、ロッド円盤板２４２が高速で上下動するときの風損抵抗を軽減するものである。すなわち、ロッド円盤板２４２が高速で上下動すると、風損の発生が考えられる。特に、主弁電磁駆動装置２４０や後述する副弁電磁駆動装置３４０などの稼働ロッド２４１のストロークが長い場合は、風損抵抗が大きくなる。そこで、ヘリウム空気混合ガスをロッド円盤板２４２の動作空間に充填して、風損抵抗を軽減する。

【0043】

ロッド円盤板２４２の動作空間に充填するガスはヘリウム１００パーセントの方が軽減効果が大きいが、粒子が小さいため、Ｏリング程度では漏れ防止ができない。このため、ヘリウムを空気と混合し、大気圧化で使用する。高気密構造によるケースなどのコストアップ対風損軽減の費用対効果は、ヘリウム空気混合ガスの大気圧下での利用の方が大きくなる傾向にある。

【0044】

外ケース用永久磁石２４６は、フェライト磁石によって構成されている。外ケース用永久磁石２４６は、図４に示したように、外ケース２４４のロッド円盤板２４２の永久磁石２４３と対向する位置に取り付けられている。外ケース２４４に取り付けられる外ケース用永久磁石２４６の数は、ロッド円盤板２４２の永久磁石２４３の数と同じである。

【0045】

このように構成された主弁電磁駆動装置２４０は、銅線２４４−２に電流を流すと、電流の流れる方向に応じて、鉄心２４４−１の両端にＮ極とＳ極の磁極が発生する。鉄心２４４−１に発生した磁極とロッド円盤板２４２の永久磁石２４３の磁極とで吸引と反発を同時に行い、稼動ロッド２４１を電流を流した方向に応じて鉄心２４４−１に対してアキシャルギャップ方向にストロークさせる。永久磁石２４３と外ケース用永久磁石２４６との同極の組み合わせで反発を起こさせ、稼動ロッド２４１のストローク端の衝撃を吸収する。

【0046】

主弁ロッカアーム２５０は、図２に示したように、主弁ロッカアーム２５０の一端が主弁電磁駆動装置２４０の稼動ロッド２４１の連結端に連結されており、稼動ロッド２４１がストロークすると、主弁ロッカアーム２５０の一端が上下動する。また、主弁ロッカアーム２５０の他端は主弁ロッド２１１の上端に連結されており、主弁ロッド２１１を主弁電磁弁駆動装置２４０によって主弁ロッカアーム２５０が揺動することにより、主弁ロッド２１１をストロークさせる。

【0047】

（副弁３００）
副弁３００は、図２に示したように、第１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を開閉する副弁本体３１０と、吸気通路１２０を閉塞する方向に副弁本体３１０を常時付勢する副弁バネ３２０と、副弁本体３１０と副弁バネ３２０を収容する副弁ケース３３０と、副弁本体３１０を駆動する副弁電磁駆動装置３４０及び副弁ロッカアーム３５０と、を主に備えて構成されている。

【0048】

副弁本体３１０は、図２に示したように、第１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、さらに第２換気通路１４０を開閉するものである。副弁本体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、主弁ロッド２１１に沿って移動する副弁ガイドバー３１２とを備えて構成されている。本実施形態では、副弁本体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。

【0049】

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各通路５２、５３、５４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は閉じられ、第２換気通路１４０は開かれる。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、第２換気通路１４０は閉じられる。

【0050】

副弁ガイドバー３１２は中空に構成されており、副弁ガイドバー３１２の中空には、主弁２００の主弁ロッド２１１が軸方向に相対移動可能に挿通して配置される。また、副弁ガイドバー３１２には、副弁ロッカアーム３５０が連結される。

【0051】

副弁バネ３２０は、図２に示したように、副弁ケース３３０の長さ方向に沿って移動可能に設けられ副弁リテーナ３２１と、副弁ケース３３０との間に設けられている。副弁ケース３３０は、主弁ケース２３０内に配置され、主弁ケース２３０に固定されている。副弁バネ３２０は、自然長より予荷重を掛けたセット長で副弁リテーナ３２１が副弁ケース３３０の下端に配置されるようになっている。また、副弁バネ３２０は１重の樽型のバネである。これにより、副弁バネ３２０は、バネ高さが削減されており、不等ピッチによりバネ有効巻き数が削減されてサージング防止効果が向上している。

【0052】

副弁電磁駆動装置３４０及び副弁ロッカアーム３５０の主な構成は、図４〜図６に示した主弁電磁駆動装置２４０及び主弁ロッカアーム２５０と同様の構成である。また、副弁電磁駆動装置３４０及び副弁ロッカアーム３５０の主な作用も、主弁電磁駆動装置２４０及び主弁ロッカアーム２５０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及び主弁ロッカアーム２５０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。また、主弁電磁駆動装置２４０及び主弁ロッカアーム２５０と同じ部分には同じ符号を付するものとする。

【0053】

副弁電磁駆動装置３４０は、主弁電磁駆動装置２４０と同一のものであり、主弁電磁駆動装置２４０と軸方向において逆向きに主弁ケース２３０に固定されている。すなわち、稼働ロッド３４１の副弁ロッカアーム３５０との連結端が下を向くように主弁ケース２３０に固定されている。

【0054】

副弁電磁駆動装置３４０の稼働ロッド３４１の連結端には、副弁ロッカアーム３５０の一端が連結されている。副弁ロッカアーム３５０の他端は副弁ガイドバー３１２に連結されており、稼働ロッド３４１による副弁ロッカアーム３５０の一端の上下動に対応して、副弁ガイドバー３１２が上下動する。これにより、副弁本体３１０が吸気通路１２０と排気通路１３０を開閉する。

【0055】

（第２弁４００）
第２弁４００は、第２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。第２弁４００は、図２に示したように、第２換気通路１４０の長さ方向に移動して第２換気通路１４０を開閉する第２弁本体４１０と、第２換気通路１４０を閉塞する方向に第２弁本体４１０を常時付勢する第２弁バネ４２０と、第２弁本体４１０と第２弁バネ４２０を収容する第２弁ケース４３０と、第２弁本体４１０を駆動する後述する第２弁電磁駆動装置４４０と、を主に備えて構成されている。なお、第２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。

【0056】

第２弁４００は、前述のように、第２換気通路１４０の長さ方向に移動して第２換気通路１４０を開閉するものである。第２弁４００は、図２に示したように、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。第２弁本体４１０は、長尺な棒状の第２弁ロッド４１１と第２弁ロッド４１１の先端に円錐状に広がった第２弁円錐状閉塞部４１２とを備えて構成されている。

【0057】

第２弁円錐状閉塞部４１２は燃焼室４０内に配置されている。第２弁ロッド４１１は第１換気通路１１０を貫通して、第２弁ケース４３０内に第２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。第２弁円錐状閉塞部４１２は、第２弁本体４１０が第２換気通路１４０の長さ方向に移動すると、第２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、第２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。

【0058】

第２弁バネ４２０は、第２弁ケース４３０の長さ方向に沿って移動可能に設けられ第２弁リテーナ４２１と、第２弁ケース４３０との間に設けられている。第２弁バネ４２０は、自然長より予荷重を掛けたセット長で第２弁リテーナ４２１が第２弁ケース４３０の上端に配置されるようになっている。また、第２弁バネ４２０は１重の樽型のバネである。これにより、第２弁バネ４２０は、バネ高さが削減されており、不等ピッチによりバネ有効巻き数が削減されてサージング防止効果が向上している。

【0059】

第２弁本体４１０は、主弁本体２１０や副弁本体３１０とは異なり、ロッカアームを用いること無く、第２弁電磁駆動装置４４０のみで駆動する。第２弁電磁駆動装置４４０の主な構成は、図４〜図６に示した主弁電磁駆動装置２４０と同様であるが、第２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。また、第２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。また、主弁電磁駆動装置２４０と同じ部分には同じ符号を付するものとする。

【0060】

第２弁電磁駆動装置４４０は、主弁電磁駆動装置２４０と同一のものであり、主弁電磁駆動装置２４０と軸方向においてほぼ逆向きにシリンダヘッド１００に固定されている。すなわち、稼働ロッド４４１の第２弁ロッド４１１との連結端が上を向くようにシリンダヘッド１００に固定されている。第２弁電磁駆動装置４４０の稼働ロッド４４１の連結端には、第２弁ロッド４４１の一端が直接連結されている。稼働ロッド４４１の稼働によって第２弁ロッド４４１が上下動する。これにより、第２弁本体４１０が第２換気通路１４０を開閉する。

【0061】

このように、第２弁４００を電磁駆動装置４４０で駆動するため、第２弁４００の駆動機構が簡単でコストを抑えることができる。このため、第２弁４００を備えることによる内燃機関１０の製造コストの増加を最小限に抑えることができる。また、前述のように、電磁駆動装置４４０の鉄心４４４−１をアモルファス金属で構成し、電磁駆動装置４４０を小型したことにより、第２弁４００を備えることによる内燃機関１０の大型化を最小限に抑えることができる。

【0062】

次に、電磁駆動装置の駆動装置について説明する。ここでは、第２弁電磁駆動装置４４０を例にとって、図７及び図８を参照しながら説明するが、主弁電磁駆動装置２４０及び副弁電磁駆動装置３４０も第２弁電磁駆動装置４４０と同様である。

【0063】

第２弁電磁駆動装置４４０の駆動装置は、図７に示した第２弁本体４１０を開く際の開弁駆動装置５００と、図８に示した第２弁本体４１０を閉じる際の閉弁駆動装置６００とを備えている。開弁駆動装置５００は、図７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、電流正順回路５６０と、キャパシタ放電回路５７０と、を備えて構成される。また、閉弁駆動装置６００は、図８に示したように、電流反転回路６１０とキャパシタ充電回路６２０と、を備えて構成される。

【0064】

まず、開弁駆動装置５００について、図７を参照しながら説明する。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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

通電制御回路５５０は、第２弁電磁駆動装置４４０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と、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と、を電流正順回路５６０に命令する。

【0068】

第２弁電磁駆動装置４４０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。

【0069】

電流正順回路５６０は、通電制御回路５５０の命令に基づき、稼働ロッド４４１が開弁する方向の電流を電磁石４４４に流す。

【0070】

また、キャパシタ放電回路５７０は、バッテリ電源にキャパシタ電源分を加えて、バッテリ５１０の単独以上の容量の電力を電磁石４４４に通電するものである。したがって、必要供給電力量に対してキャパシタ電源が加わった分だけ、バッテリ５１０の消費電力量を低減できるので、バッテリ５１０の小型化やバッテリ５１０の充填量の削減をすることができる。これにより、バッテリ５１０のエネルギーを削減することができるため、エンジン駆動発電機の負荷が軽減されて、エンジンの熱効率が向上する。また、キャパシタ放電回路５７０は、稼働ロッド４４１の起動からストローク終了までを補助するものであり、ストローク位置を保持する間は補助しないため、小型化と低コスト化が図られる。なお、キャパシタとしては、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタが用いられる。

【0071】

以上、開弁駆動装置５００の構成について説明した。次に、第２弁電磁駆動装置４４０によって第２弁本体４１０を開弁する際の制御の流れを説明する。まず、バッテリ５１０から昇圧回路５２０に１２Ｖの電圧を供給する。昇圧回路５２０では、供給された１２Ｖの電圧を６０Ｖに昇圧して、通電制御回路５５０に供給する。通電制御回路５５０は、図７のグラフＡに示したように、６０Ｖの電圧で予めタイマーで設定しておいた通電時間だけ電流正順回路５６０から電磁石４４４に通電する。このとき、キャパシタ放電回路５７０も電流正順回路５６０に電力を供給し、稼働ロッド４４１の起動からストロークの終了までを補助する。稼働ロッド４４１のストロークに伴って、第２弁本体４１０が開弁していく。

【0072】

稼働ロッド４４１のストロークが終了すると、通電制御回路５５０は、クランク角度とエンジン回転数に基づいて最適通電時期と最適通電時間を演算し、演算した最適通電時期から最適通電時間だけ、１２Ｖで通電する。これにより、稼働ロッド４４１がストローク位置で保持され、第２弁本体４１０の開弁した状態が保持される。

【0073】

最適通電時間が終了すると、電磁石４４４への通電が終了し、第２弁本体４１０の開弁の制御が終了する。

【0074】

以上、開弁時の第２弁電磁駆動装置４４０の制御について説明した。次に、閉弁駆動装置６００について、図８を参照しながら説明する。閉弁駆動装置６００は、開弁制御が終了した後の、電磁弁４４４のエネルギーを回生するためのものであり、電流反転回路６１０は、図８に示したように、電磁石４４４に開弁時とは逆方向の電流を流すものである。また、キャパシタ充電回路６２０は、電磁石４４４から戻った電流をキャパシタに充電し、エネルギーを回生するものである。

【0075】

次に、第２弁本体４１０の閉弁時の制御について説明する。最適通電時間が終了し、電磁石４４４への通電が終了すると、開いていた第２弁本体４１０は、第２弁バネ４２０の弾性力により閉じる方向にストロークする。このとき、電流反転回路６１０で電磁石４４４に逆方向の電流を流す。これにより、電磁石４４４の磁極が反転し、電流が電源側に戻ってくる。この電流がキャパシタ充電回路６２０でキャパシタに充電され、エネルギーが回生される。

【0076】

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９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。

【0077】

（１）吸入工程
吸入工程においては、図９（ａ）に示したように、主弁電磁駆動装置２４０に通電し、主弁電磁駆動装置２４０を駆動して、主弁ロッカアーム２５０を介して主弁本体２１０が下降し、第１換気通路１１０を開放する。また、副弁電磁駆動装置３４０を通電する。これにより、副弁電磁駆動装置３４０の駆動により副弁ロッカアーム３５０を介して副弁本体３１０が上昇し、吸気通路１２０を開放する。さらに、第２弁電磁駆動装置４４０を通電して駆動する。これにより、第２弁本体４１０が下降し、第２換気通路１４０を開放する。

【0078】

第１換気通路１１０、吸気通路１２０及び第２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、図９（ｆ）に示したように、燃焼室４０の内圧が負圧になるため、逆止弁７０が開いて、吸気通路１２０、第１換気通路１１０及び第２換気通路１４０を通って燃焼室４０内に新気が吸い込まれる。第２換気通路１４０から吸い込まれる新気は縦及び横方向渦流となる空気流動を生成するため、この空気流動によって急速燃焼が助成される。

【0079】

そして、図９（ｅ）に示したように、ピストン３０が下降していく途中で、２弁電磁駆動装置４４０への通電が停止して、第２弁バネ４２０の弾性力により第２弁本体４１０が上昇し、第２換気通路１４０が閉鎖する。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。このように、第２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が得られる。また、従来のスロットル弁に比べてポンピングロスを低減することで、熱効率の向上を計ることができる。吸気工程の終了後、引き続き圧縮工程に移行する。

【0080】

なお、吸入工程における第２弁４００の開放動作は、エンジンの作動領域において以下のように行う。
１）低負荷、低速回転
第２弁４００は閉塞し、主弁２００のみ開放して吸入する。
２）中負荷、中速回転
第２弁４００を短時間開放して、主弁２００と併用して中程度に吸入を行う。
３）高負荷、高速回転
第２弁４００を長時間開放して、主弁２００と併用して多量に吸入を行う。

【0081】

（２）圧縮工程
圧縮工程においては、図９（ｂ）に示したように、主弁電磁駆動装置２４０への通電が停止し、主弁本体２１０が主弁バネ２２０の弾性力により上昇する。これにより、第１換気通路１１０が閉塞する。また、主弁本体２１０が第１換気通路１１０を閉じると、引き続き、副弁電磁駆動装置３４０への通電を停止する。これにより、副弁バネ３２０の弾性力により、副弁本体３１０が下降して吸気通路１２０を閉塞するとともに、排気通路１３０を開放する。さらに、第１換気通路１１０の閉塞と同時に、第２電磁駆動装置４４０を通電する。これにより、第２電磁駆動装置４４０の駆動により、第２弁本体４１０が下降し、第２換気通路１４０が開放される。

【0082】

主弁本体２１０が第１換気通路１１０を閉じると、ピストン３０が下死点から上死点まで上昇して、図９（ｆ）に示したように、燃焼室４０の空気を圧縮する。この圧縮により、燃焼室４０の空気は高温になる。また、第１換気通路１１０が閉じると同時に、図９（ｅ）に示したように、第２換気通路１４０を開放し、燃焼室４０の圧縮圧を減圧して、実圧縮比を可変にする。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。また、減圧した空気圧を吸気通路１２０に導き、この時、吸気通路１２０と吸気マニホルド６０との間に設けた逆止弁７０を閉じる。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、第２弁本体４１０が第２弁バネ２２０の弾性力により上昇し、第２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。

【0083】

なお、圧縮工程における第２弁４００の開放動作は、エンジンの作動領域において以下のように行う。
１）低負荷、低速回転
第２弁４００は閉塞し、圧縮比１８で熱効率を最高にする。
２）中負荷、中速回転
第２弁４００を短時間開放して減圧し、圧縮比１４にしてノッキングを回避する。
３）高負荷、高速回転
第２弁４００を長時間開放して減圧し、圧縮比１０にしてノッキングを回避する。

【0084】

（３）（爆発）膨張工程
（爆発）膨張工程においては、図９（ｃ）に示したように、主弁２００が第１換気通路１１０を閉塞し、副弁３００が吸気通路１２０を閉塞し、第２弁４００が第２換気通路１４０を閉塞した状態を維持している。一方、燃焼室４０では、図９（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空気に対して、燃料噴射弁５０が、高圧の燃料５１を噴射する。また、レーザー光発射器９０からレーザー光９１が照射される。照射されたレーザー光９１が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９１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９１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。

【0085】

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９（ｆ）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。

【0086】

（４）排気工程
排気工程においては、図９（ｄ）に示したように、主弁電磁駆動装置２４０に通電し、主弁電磁駆動装置２４０を駆動して、主弁ロッカアーム２５０を介して主弁本体２１０が下降し、第１換気通路１１０を開放する。また、副弁電磁駆動装置３４０に通電されておらず、副弁バネ３２０の弾性力により、副弁本体３１０が下降し、吸気通路１２０を閉塞する。ピストン３０は、図９（ｆ）に示したように、下死点から上死点まで上昇し、燃焼ガスが第１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。

【0087】

図９（ｅ）に示したように、ピストン３０が下死点から上死点まで上昇する途中、すなわち、排気工程の途中で、第２弁電磁駆動装置４４０に通電し、第２弁電磁駆動装置４４０を駆動する。これにより、第２弁本体４１０が下降し、第２換気通路１４０を開放する。

【0088】

これにより、第２換気通路１４０から燃焼ガスが吸気通路１２０内に導かれ（内部ＥＧＲという）、逆止弁７０が閉じて、吸気通路１２０内で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とを合わせて多量のＥＧＲができる。多量ＥＧＲ制御で、ポンピングロスを低減して、熱効率を向上し、かつエンジン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。

【0089】

これにより、排気工程が終了し、１つの燃焼サイクルが終了する。次に、排気から吸気への切り替えのタイミングの調整について、主弁２００、副弁３００及び第２弁４００の動作を、図１０を参照しながら説明する。

【0090】

図１０に示したように、排気工程が始まるときには、第２弁４００は第２換気通路１４０を閉じた状態であり、主弁２００が第１換気通路１１０を開いていく。主弁２００が第１換気通路１１０を完全に開いてしばらくすると、第２弁４００が第２換気通路１４０を開く。これにより、前述のように、燃焼ガスが吸気通路１２０内に導かれ、逆止弁７０が閉じて、吸気通路１２０内で燃焼ガスと新気が混合し、ＥＧＲができる。

【0091】

ピストン３０が上死点に到達する直前である排気工程の終了直前に、副弁３００を上昇させる。これにより、燃焼室４０では、燃焼ガスが排出されるとともに、新気が吸気される。新気の吸気量は、副弁３００の駆動開始直後は少ないが、副弁３００が吸気通路１２０を開放していくとともに排気通路１３０を閉塞していくにしたがって、多くなっていく。そして、排気工程が完全に終了した時点では、最大量の吸気が行われる状態になっている。このように、排気工程の終了直前において、弁重合が行われ、排気工程と吸気工程とが重なり合うように、副弁３００が動作するため、排気から吸気への切り替えタイミングが良好になる。これにより、ガス交換効率が向上し、燃費が向上する。

【0092】

次に、エンジンの始動時と停止時の第２弁４００の動作について説明する。
エンジンの始動時には、第２弁４００を開放して燃焼室４０を減圧し、無負荷状態でフライホイールを回転させ、すぐに第２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。

【0093】

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。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、第２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。

【0094】

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。

【0095】

これに対して、本実施形態では、エンジンの停止時に、第２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。

【0096】

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、第２弁４００が第２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。

【0097】

（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に燃焼室４０への給排気と燃焼室４０の密閉を切り替える主弁２００とは別に、燃焼室４０への吸気量を変更する第２弁４００を設けた。このため、第２弁４００の作動領域を大きくすることにより、第２弁４００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が得られるとともに、従来のスロットル弁に比してポンピングロスを低減できるよって、内燃機関１０の熱効率を向上することができる。

【0098】

また、吸気通路１２０は、排気通路１３０の下方に設け、副弁バネ３２０の弾性力によって副弁本体３１０が下方に移動したときに、排気通路１３０が開き、吸気通路１２０が閉じるようにしたことにより、内燃機関１０を停止したときに、副弁バネ３２０の作用によって、上方に設けた排気通路１３０が開き、下方に設けた吸気通路１２０が閉じた状態で停止する。一般的に、内燃機関が停止したときには、排気通路が開いて排気するとともに、内燃機関を再開させるときのために、吸気通路は閉じておくことが好ましいが、本実施形態の内燃機関１０は、停止したときに好ましい状態になる。

【0099】

また、第２換気通路１４０に縦及び横方向の渦流を生成する空気流動生成形状１４１が形成されているため、第２弁４００の開放時に、空気に縦及び横方向の渦流が生成される。このため、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。

【0100】

また、第２弁４００を電磁駆動装置４４０で駆動するため、第２弁４００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。このため、第２弁４００を備えることによる内燃機関４０の製造コストの増加を最小限に抑えることができる。

【0101】

また、各電磁駆動装置２４０、３４０、４４０の鉄心２４４−１、３４４−１、４４４−1をアモルファス金属で構成されるようにしたことにより、鉄損が小さくなり、電磁駆動装置２４０、３４０、４４０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、第２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。

【0102】

また、各電磁駆動装置２４０、３４０、４４０に各弁２００、３００、４００の戻りエネルギーの回生を蓄電するキャパシタを備えるようにしたことにより、電磁駆動装置２４０、３４０、４４０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。

【0103】

さらに、吸気通路１２０の出口に逆止弁７０を設けることにより、吸気通路１２０内で排気ガスと新気とを混合してＥＧＲを生成することができる。このため、多量ＥＧＲ制御でポンピングロスを低減して内燃機関１０の熱効率を向上することができ、かつ、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。

【0104】

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。

【0105】

例えば、上記実施形態では、吸気通路１２０は、排気通路１３０の下方に設け、副弁バネ３２０の弾性力によって副弁本体３１０が下方に移動したときに、排気通路１３０が開き、吸気通路１２０が閉じるようにしたが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、吸気通路１２０と排気通路１３０の位置を逆にしてもよく、この場合、副弁本体３１０に作用する副弁バネ３２０の方向を逆にする、すなわち、副弁バネ３２０の弾性力によって副弁本体３１０が上方に移動したときに、排気通路１３０が開き、吸気通路１２０が閉じるようにしてもよい。

【0106】

また、上記実施形態では、第２換気通路１４０に縦及び横方向の渦流を生成する空気流動生成形状１４１を形成したが、本発明はこれに限定されず、縦方向のみの渦流や横方向のみの渦流を形成する空気流動生成形状１４１としたり、そもそも空気流動生成形状１４１を備えない形状としたりしてもよい。

【0107】

また、上記実施形態では、主弁本体２１０、副弁本体３１０、第２弁本体４１０を主弁電磁駆動装置２４０、副弁電磁駆動装置３４０、第２弁電磁駆動装置４４０でそれぞれ駆動することにしたが、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。

【0108】

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。

【0109】

また、上記実施形態では、電磁駆動装置に弁の戻りエネルギーの回生を蓄電するキャパシタを備える構成としたが、本発明はこれに限定されず、キャパシタを備えない構成としてもよい。

【0110】

さらに、上記実施形態では、吸気通路１２０の出口に逆止弁７０を設けたが、これは一例であり、逆止弁７０を設けない構成としてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0111】

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】

【0112】

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
６０ 吸気マニホルド
７０ 逆止弁
７１ 弁シート
７２ リード弁
７３ リフト押え
７４ リード弁体
７５ 第1補助板
７６ 第２補助板
８０ 吸気マニホルド噴射弁
９０ レーザー光発射器
１００ シリンダヘッド
１１０ 第１換気通路
１２０ 吸気通路
１３０ 排気通路
１４０ 第２換気通路
２００ 主弁
２１０ 主弁本体
２１１ 主弁ロッド
２１２ 主弁円錐状閉塞部
２２０ 主弁バネ
２２１ 主弁リテーナ
２３０ 主弁ケース
２４０ 主弁電磁駆動装置
２４１ 稼働ロッド
２４２ ロッド円盤板
２４２ａ 嵌合孔
２４３ 永久磁石
２４３ａ 扇形部
２４３ｂ 円筒状部
２４４ 電磁石
２４４−１ 鉄心
２４４−２ 銅線
２４５ 外ケース
２４５ａ 導入部
２４６ 外ケース用永久磁石
２５０ 主弁ロッカアーム
３００ 副弁
３１０ 副弁本体
３１１ 通路閉塞部
３１２ 副弁ガイドバー
３２０ 副弁バネ
３２１ 副弁リテーナ
３３０ 副弁ケース
３４０ 副弁電磁駆動装置
３４１ 稼働ロッド
３５０ 副弁ロッカアーム
４００ 第２弁
４１０ 第２弁本体
４１１ 第２弁ロッド
４１２ 第２弁円錐状閉塞部
４２０ 第２弁バネ
４３０ 第２弁ケース
４４０ 第２弁電磁駆動装置
４４１ 稼働ロッド
４４４−１ 鉄心
５００ 開弁駆動装置
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 電流正順回路
５７０ キャパシタ放電回路
６００ 閉弁駆動装置
６１０ 電流反転回路
６２０ キャパシタ充電回路
７００ 第１弁

【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】燃焼室４０に連通するとともに相互に連通する第１換気通路１１０及び第２換気通路１４０と、第１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、第１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第１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副弁３００と、により構成される第１弁７００と、第２換気通路１２０を開閉することにより、燃焼室４０への吸気量を変更する第２弁４００と、を備える。これにより、第２弁４００を開閉することで、ポンピングロスを低減できるため、燃焼室４０の熱効率が向上する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】