JP4178092B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ燃焼室内に燃料を混合した混合気を噴射供給するエアアシスト式の混合気噴射手段を備えて構成される内燃機関の燃料噴射装置に関する。

内燃機関（エンジン）のシリンダ燃焼室内に燃料を微粒化した状態で噴射供給することにより燃焼効率を向上させるようにした燃料噴射装置は公知であり、高圧ポンプにより加圧した燃料を燃料インジェクタより燃焼室内に噴射供給するものや、エアインジェクタより噴射される圧縮空気（エア）内に燃料を噴射（注入）して生成した混合気を燃焼室内に噴射供給する構成のもの等が知られている。後者の構成の燃料噴射装置はいわゆるエアアシスト式の燃料噴射装置であり、エアインジェクタから噴射された圧縮空気の通路に燃料を噴射する構成のものや（下記の特許文献参照）、エアインジェクタの有する混合室内に燃料インジェクタより燃料を噴射して混合気とした後、その混合気をエアインジェクタより燃焼室内に噴射する構成のもの等がある。

このようなエアアシスト式の燃料噴射装置において、内燃機関を効率よく運転させようとする場合には、内燃機関の負荷（スロットル開度）等に応じて計量された一燃焼当たりの燃料を含む混合気の全てを燃焼（爆発）行程の前に燃焼室内に供給し終えることが重要である。このため従来における燃料噴射制御では、燃料の噴射開始時期を、計量された燃料の噴射に要する時間だけ燃焼行程の開始時期よりも早めて行う工夫がなされている。
特許第２７６７００３号公報

しかしながら、上記のように、燃料（混合気）の噴射開始時期を燃料の噴き終わりから逆算して決定する構成の燃料噴射装置では、クランクシャフトの回転数変動や演算に伴う誤差等により噴射開始時期が異なることがあり、充分な燃焼安定性が得られない場合があった。このため、その分燃焼効率が悪くなり、ひいては内燃機関の燃費向上を妨げる要因となっていた。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、従来に比して燃焼安定性を向上させることができ、一層の燃費向上を図ることが可能な構成の内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的としている。

本発明者は鋭意研究を重ねた結果、燃料を混合した混合気をインジェクタより噴射させた場合には、その噴射した混合気内の燃料の濃度は燃料の噴き始めにおいて高くなる（混合気内の燃料の濃度分布は、燃料の噴き始め近傍においてピークを迎える）ことを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置は、内燃機関（例えば、実施形態におけるエンジンＥ）の燃焼室内に燃料を混合した混合気を噴射供給する混合気噴射手段（例えば、実施形態における混合気噴射インジェクタ１００）を備えて構成される内燃機関の燃料噴射装置において、内燃機関のスロットル開度および回転数を検出する運転状態検出手段（例えば、実施形態におけるスロットル開度センサ１８２及び回転数センサ１８４）と、内燃機関のクランクシャフトの回転角を検出するクランク角検出手段（例えば、実施形態におけるクランク角センサ１８６）と、混合気噴射手段による混合気の噴射制御を行う制御手段（例えば、実施形態における制御装置１８０）とを備える。そして、前記混合気噴射手段は、加圧された圧縮空気が供給された状態の混合室内に燃料室内の燃料を燃料噴射バルブの開閉作動に応じて噴射する燃料インジェクタと、前記燃料インジェクタからの燃料噴射を受けて前記混合室内に作られた高圧の混合気をエア噴射バルブの開閉作動により前記燃焼室内に噴射するエアインジェクタとを有して構成される。さらに、前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された前記内燃機関のスロットル開度および回転数に基づいて、前記エアインジェクタによる混合気の噴射開始時期に相当する前記クランクシャフトの回転角である噴射開始クランク角ＳＯＡ、前記燃料インジェクタによる燃料噴射時間ＭＦＤおよび前記エアインジェクタによる圧縮混合気噴射時間ＭＡＤを決定し、前記クランク角検出手段により検出された前記クランクシャフトの回転角が前記噴射開始クランク角ＳＯＡに達する前に、前記燃料インジェクタによる前記燃料噴射バルブの開閉作動を行って前記燃料噴射時間ＭＦＤの前記混合室内への燃料の噴射制御を完了させた後、前記クランク角検出手段により検出された前記クランクシャフトの回転角が前記噴射開始クランク角に達したときに、前記エアインジェクタにより前記燃焼室内への高圧混合気の噴射を開始させて前記圧縮混合気噴射時間ＭＡＤの混合気噴射制御を行い、前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された前記内燃機関のスロットル開度および回転数に基づいて、前記燃料インジェクタによる前記混合室内への燃料の噴射制御を完了させたときから前記エアインジェクタによる前記燃焼室内への高圧混合気の噴射開始までの遅延時間ＦＡＤを決定し、前記燃料インジェクタによる前記混合室内への燃料の噴射制御を完了させたときから前記遅延時間ＦＡＤを経過したときに前記クランクシャフトの回転角が前記噴射開始クランク角に達するように前記燃料インジェクタによる前記混合室内への燃料の噴射制御タイミングが設定されるように構成される。

また、上記発明に係る内燃機関の燃料噴射装置において、内燃機関が備えるピストンにキャビティ部が設けられていることが好ましい。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置では、混合気噴射手段による混合気の噴射開始時期に相当するクランクシャフトの回転角（噴射開始クランク角）が内燃機関の運転状態（スロットル開度センサにより検出されるスロットル開度や回転数センサにより検出されるエンジン回転数など）に基づいて決定され、クランク角検出手段により検出されたクランクシャフトの回転角が上記噴射開始クランク角に達したときに混合気の噴射を開始する構成となっているので、混合気の噴射開始時期は運転状態が同一であれば常時同一時期に噴射開始がなされることになり、従って混合気中の燃料濃度のピークも同一時期に揃えられることになる。このため十分な燃焼安定性を確保でき、より一層の燃費向上を図ることが可能となる。
このように混合気の噴射開始時期が揃えられるために、混合気の噴射開始前に行われる燃料の噴射継続時間が長い場合（例えばスロットル開度が大きく、多くの燃料を燃焼室内に供給する必要がある場合など）には、混合気噴射手段による混合気の噴射が終了する前に燃焼室内の圧力が所定値以上に高まり、高圧の混合気が混合気噴射手段の混合気通路を逆流するような場合も考えられるが、本発明では、クランクシャフトの回転角が噴射開始クランク角ＳＯＡに達する前に、燃料インジェクタによる混合室内への燃料の噴射制御を完了され、この後にクランクシャフトの回転角が噴射開始クランク角に達したときに、エアインジェクタにより燃焼室内への高圧混合気の噴射を開始させるため、混合気の逆流が発生した場合であっても、混合気は燃料室にまで入ることはない。
本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置は、さらに、燃料インジェクタによる混合室内への燃料の噴射制御を完了させたときから遅延時間ＦＡＤを経過したときにクランクシャフトの回転角が噴射開始クランク角に達するように燃料インジェクタによる混合室内への燃料の噴射制御タイミングが設定されるように構成されるので、混合気が燃料室に逆流することをより確実に防止可能である。

なお、内燃機関が備えるピストンにキャビティ部（噴射された混合気を受け止めて圧縮行程中に燃え易い状態にするための皿形状の窪み部）が設けられているのが好ましく、この場合には、キャビティ部内に混合気を充分に確保することができるようになるので、より一層の層状燃焼が可能となり、燃費を更に向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１〜図７は本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置が適用された二輪車の駆動装置を示しており、先ずこの駆動装置の構成について説明する。この駆動装置は単気筒のエンジン（内燃機関）Ｅと図示しない変速機とを備え、エンジンＥのクランクシャフト１６の回転駆動力を変速機により変速して図示しない二輪車の後輪を駆動するように構成されている。

エンジンＥは、円筒状のシリンダ内周面１０ａを有したエンジンシリンダボディ１０と、エンジンシリンダボディ１０の上面を覆って取り付けられたエンジンシリンダヘッド１２と、シリンダ内周面１０ａに軸方向に摺動移動可能に嵌合してエンジンシリンダボディ１０内に設けられたピストン１３と、エンジンシリンダボディ１０を支持するハウジングＨＳＧ内にシリンダ軸と直交する方向に延びるとともにベアリング１７ａ，１７ｂ等により回転自在に支持されたクランクシャフト１６と、先端部１４ａがピストンピン１３ａを介してピストン１３に枢結されるとともに基端部１４ｂがクランクピン１５を介してクランクシャフト１６のクランク部１６ａに枢結されたコネクティングロッド（コンロッド）１４とを有して構成される。なお、ピストン１３の上面には、後述する混合気噴射インジェクタ１００より噴射された混合気を受け止めてその混合気を圧縮行程中に燃え易い状態にするためのキャビティ部（皿形状の窪み部）１３ｂが設けられている。

エンジンシリンダヘッド１２には、点火プラグ２１及び混合気噴射インジェクタ１００が取り付けられており、エンジンシリンダボディ１０内においてエンジンシリンダヘッド１２とピストン１３とに囲まれた燃焼室１１内に混合気噴射インジェクタ１００より圧縮空気と燃料との混合気を噴射して点火プラグ２１により点火燃焼させるようになっている。エンジンシリンダヘッド１２には吸気バルブ２３及び排気バルブ２４が図２に示すようにバルブスプリング２３ａ，２４ａにより閉止方向に付勢されて取り付けられており、吸気バルブ２３はエンジンシリンダヘッド１２に形成された吸気通路１２ａを開閉し、排気バルブ２４は排気通路１２ｂを開閉する。なお、吸気通路１２ａには吸気マニホールド２５が繋がり、排気通路１２ｂの出口端１２ｃには排気マニホールド（図示せず）が繋がる。

エンジンＥは４ストロークタイプエンジンからなり、ピストン１３が２往復する間に吸気、圧縮、燃焼、排気行程が行われ、これに合わせて吸排気バルブ２３，２４が開閉作動される。この吸排気バルブ２３，２４の開閉作動のため、クランクシャフト１６の端部に第１スプロケット３１が結合して設けられ、エンジンシリンダボディ１０の側部に回転自在に設けられたカムシャフト３４に第２スプロケット３３が設けられ、第１及び第２スプロケット３１，３３に第１チェーン３２が掛け回されている。第１及び第２スプロケット３１，３３の歯数は１：２に設定されており、クランクシャフト１６の１／２の回転速度でカムシャフト３４が回転駆動される。カムシャフト３４には吸気用カム部３４ａと排気用カム部３４ｂとが形成されており、それぞれ連結ピン３５ａ，３６ａによりエンジンシリンダボディ１０に枢結されたカムフォロア３５，３６のローラ３５ｂ，３６ｂが各カム部３４ａ，３４ｂに当接している（図３参照）。

一方、エンジンシリンダヘッド１２の上面には吸排気バルブ２３，２４作動用のロッカーアーム３９，４０が枢結ピン３９ａ，４０ａにより枢結されて揺動自在に取り付けられており、これらロッカーアーム３９，４０の一端と上記カムフォロア３５，３６を繋いでプッシュロッド３７，３８が図示のように配設されている。ロッカーアーム３９，４０の他端は上記吸排気バルブ２３，２４の先端に当接しており、ロッカーアーム３９，４０の揺動により吸排気バルブ２３，２４をバルブスプリング２３ａ，２４ａの付勢に抗して押し下げてこれを開放させることができるようになっている。

上記構成の機構においては、クランクシャフト１６の１／２の回転速度でカムシャフト３４が回転駆動され、これに応じてカムフォロア３５，３６がカムシャフト３４の一回転ごとに一回（すなわち、クランクシャフト１６の二回転ごとに一回）上下二揺動される。この揺動に応じてプッシュロッド３７，３８が上下に往復動されてロッカーアーム３９，４０が枢結ピン３９ａ，４０ａを介して揺動され、吸排気バルブ２３，２４がバルブスプリング２３ａ，２４ａの付勢に抗して押し下げられて開放され、吸気及び排気通路１２ａ，１２ｂを燃焼室１１と連通させる。なお、吸気バルブ２３は吸気行程において開放され、排気バルブ２４は排気行程において開放されるようにカム部３４ａ，３４ｂが設定されている。

また、所定のタイミングで混合気噴射インジェクタ１００から燃焼室１１内に圧縮空気と燃料との混合気が噴射され（いわゆるエアアシスト式の燃料噴射）、点火プラグ２１によりこの混合気を点火燃焼させて燃焼行程が行われる。このとき、混合気噴射インジェクタ１００からは点火プラグ２１の先端点火部２１ａの周囲に高濃度の混合気が噴射されて効率の良い燃焼を行わせるとともに、全体として希薄燃焼を行わせて燃費向上を図るとともに排気ガスの清浄化を図ることができるようになっている。

上記混合気噴射インジェクタ１００は、図８及び図９に示すように、加圧された混合室１３４（図８参照）内の圧縮空気（以下、エアと称する）をエア噴射バルブ１１６の開閉作動により燃焼室１１内に噴射するエアインジェクタ１１０と、燃料ポンプＰ（図９参照）から燃料供給管路２７（図５も参照）を経て燃料室１６６内に供給される燃料を燃料噴射バルブ１４６の開閉作動により上記混合室１３４内に噴射する燃料インジェクタ１４０とを有して構成される。

図８に示すように、エアインジェクタ１１０は、ヘッドカバー２６（図１等参照）に固定されて上下方向に延びるハウジング１１２と、ハウジング１１２の内部に上下方向に延びて形成された管路１１４と、管路１１４内を上下方向に摺動移動自在なエア噴射バルブ１１６と、エア噴射バルブ１１６の上部に固定されたコア１１８と、コア１１８を常時図８の上方へ付勢するスプリング１２０と、コア１１８の外周部に樹脂１２２に囲まれて設けられたコイル１２４とを主な構成要素として構成されている。コイル１２４には電線１２６を介して制御装置１８０より通電することができ、通電を受けたコイル１２４は励磁されて電磁石となる。エア噴射バルブ１１６の下端部にはプラグ部材１２８が設けられており、コイル１２４が通電を受けておらず非励磁であるときには、コア１１８が（すなわちエア噴射バルブ１１６が）スプリング１２０により上方に付勢されてプラグ部材１２８は管路１１４の下端部に形成された混合気噴射口１１５を閉塞する（図８に示す状態）。ハウジング１１２の内部上方には上方に開口した燃料インジェクタ装着空間１３０が形成されており、この燃料インジェクタ装着空間１３０の底部には燃料インジェクタ１４０のノズル部１４４（後述）を上方から嵌入させてこれを保持するノズル保持部材１３２が設けられている。このノズル保持部材３２の内部空間は燃料インジェクタ１４０から噴射された燃料と圧縮空気とが混合される混合室１３４となっており、この混合室１３４は下方に延びる混合気通路１３６を経て管路１１４に（エア噴射バルブ１１６の内部空間に）連通している。

燃料インジェクタ１４０は、図９に示すように、エアインジェクタ１１０のハウジング１１２に形成された上記燃料インジェクタ装着空間１３０内に装着されるハウジング１４２と、ハウジング１４２の下端部に設けられたノズル部１４４と、このノズル部１４４の上壁部１４４ａを上下に貫通するように延びて設けられた燃料噴射バルブ１４６と、燃料噴射バルブ１４６を構成するプランジャ１４６ａの外周部に固定して設けられたコア１４８と、プランジャ１４６ａを常時下方に付勢するスプリング１５０と、コア１４８の外周部に樹脂１５２に囲まれて設けられたコイル１５４とを主な構成要素として構成されている。コイル１５４には端子１５６を介して上記制御装置１８０より通電することができ、通電を受けたコイル１５４は励磁されて電磁石となる。プランジャ１４６ａの下端部にはボール部材１４６ｂが取り付けられており、コイル１５４が通電を受けておらず非励磁であるときには、コア１４８が（すなわちプランジャ１４６ａが）スプリング１５０により下方に付勢されてボール部材１４６ｂはノズル部１４４の下壁部１４４ｂを上下に貫通して延びたノズル口１６０の弁座１６２に上方から当接してノズル口１６０を閉塞する（図９に示す状態）。燃料ポンプＰから供給された高圧の燃料はハウジング１４２の側部に設けられた燃料供給口１６４からハウジング１４２内に導入され、油路１６４ａ，１６４ｂ，１６４ｃを経てノズル部１４４内の燃料室１６６に送られる。

このようにエアアシスト式の燃料噴射を行うため、混合気噴射インジェクタ１００はエアインジェクタ１１０と燃料噴射インジェクタ１４０とを備えているが、そのほか、上記混合室１３４内に圧縮空気を供給する圧縮機５０を有している。混合室１３４内においては、燃料インジェクタ１４０から噴射供給される燃料と圧縮機５０から供給される圧縮空気とが混合されて高濃度の混合気が作られ、この混合気がそれ自体の内部圧力を利用して混合気噴射インジェクタ１００から（エアインジェクタ１１０から）所定のタイミングで燃焼室１１内に噴射される（混合気噴射インジェクタ１００の詳細な動作は後述）。

圧縮機５０は、エンジンシリンダボディ１０と一体に繋がって構成され、円筒状のシリンダ内周面５１ａを有した圧縮機シリンダボディ５１と、圧縮機シリンダボディ５１の上面を覆って取り付けられた圧縮機シリンダヘッド５２と、シリンダ内周面５１ａに軸方向に摺動移動自在に嵌合して圧縮機シリンダボディ５１内に設けられた圧縮機ピストン５３と、圧縮機ピストン５３をシリンダ内周面５１ａに嵌合した状態で摺接往復動させるためのスコッチヨーク機構ＳＹとを有して構成される。スコッチヨーク機構ＳＹは、圧縮機ピストン５３と一体に繋がった平板状のピストンロッド５４の先端に形成された摺動孔５４ａ内に嵌合してシリンダ軸と直角方向に摺動自在に設けられたスライダ５５と、エンジンシリンダボディ１０の側部に設けられた圧縮機駆動シャフト５６の先端に偏芯して形成された偏芯シャフト５７とを有して構成され、偏芯シャフト５７がスライダ５５に回転自在に嵌合連結されている。なお、圧縮機駆動シャフト５６はベアリング５８a，５８ｂを介してシリンダボディ１０により回転自在に支持されている。

このような構成において、圧縮機駆動シャフト５６を回転駆動すると、スコッチヨークＳＹの作用により圧縮機ピストン５３をシリンダ内周面５１ａに摺接させながら往復運動させることができる。この圧縮機駆動シャフト５６を回転駆動するため、カムシャフト３４に結合して設けられた第２スプロケット３３と一体に第３スプロケット６０が設けられ、圧縮機駆動シャフト５６には第４スプロケット６１が結合して設けられ、第３及び第４スプロケット６０，６１に第２チェーン６２が掛け回されている。第３及び第４スプロケット６０，６１は同一歯数であり、両者は第２スプロケット３３と同一の回転速度で回転する。このため、第４スプロケット６１はクランクシャフト１６の１／２の回転速度で回転され、圧縮機駆動シャフト５６もこれと同一回転速度で回転され、圧縮機ピストン５３はクランクシャフト１６が二回転すると一往復する。このようにして圧縮機ピストン５３が往復動されるのに応じて、シリンダ内周面５１a内における圧縮機シリンダヘッド５２と圧縮機ピストン５３とに囲まれたシリンダ空間５０a（図７参照）内に空気を吸入して圧縮する。

圧縮機シリンダボディ５１と圧縮機シリンダヘッド５２との間には薄い金属板からなるバルブプレート６３が挟持されてガスケットとしての機能を果たしている（図７参照）。このバルブプレート６３には２つの吸気リード弁６４が舌片状に打ち抜き加工して形成されており、圧縮機ピストン５３が下方に移動するときに、シリンダ空間５０a内に発生する負圧を受けて図７の二点鎖線で示すように弾性変形して撓むことにより、吸気孔５２aからの外部空気の導入を許容する。なお、上記バルブプレート６３には、圧縮機ピストン５３に形成された凸部５３aが嵌入し得る円形孔６５内が形成されている。

バルブプレート６３の上方には排気ポペット弁７０が設けられている。この排気ポペット弁７０は、図７に示すように、圧縮機シリンダヘッド５２に形成された圧縮空気通過空間５２ｄ内における着座面５２ｃに着座するように設けられた円盤状の弁体７１と、この弁体７１を着座面５２ｃに着座する方向に付勢する圧縮ばね７４とから構成される。圧縮空気通過空間５２ｄにおける着座面５２ｃからシリンダ空間５０a内に連通して空気連通孔５２ｄが形成されており、弁体７１が着座面５２ｃに着座した状態で空気通過孔５２ｂが弁体７１により覆われて閉止される。このような構成の排気ポペット弁７１は、図７に矢印Ａで示すように圧縮機ピストン５３が下方に移動されるときに、シリンダ空間５０ａ内に発生する負圧を受けて弁体７１が着座面５２ｃに着座した状態で保持されて空気通過孔５２ｂを閉塞し、圧縮空気通過空間５２ｄ内の圧縮空気がシリンダ空間５０ａ内に逆流するのを防止する。

以上の説明から分かるように、クランクシャフト１６が回転されると、この回転が第１及び第２チェーン３２，６２を介して伝達されて圧縮機駆動シャフト５６がクランクシャフト１６の１／２の回転速度で回転駆動され、圧縮機ピストン５３が圧縮機駆動シャフト５６の回転に対応して往復動される。その結果、クランクシャフト１６の２回転ごとに圧縮機ピストン５３が一回往復動される。このように圧縮機ピストン５３が往復動されるときに、圧縮機ピストン５３の下動行程（図７中の矢印Ａ方向に移動する行程）では吸気リード弁６４が開放されて吸気孔５２ａからシリンダ空間５０ａ内に外部空気を吸入し、上動行程（図７中に矢印Ｂ方向に移動する行程）では排気ポペット弁７０が開放されて、圧縮機ピストン５３の上動に応じて圧縮されたシリンダ空間５０ａ内の圧縮空気が圧縮空気通過空間５２ｄ内に押し出される。なお、このように圧縮空気を押し出すタイミングは、上述のようにクランクシャフト１６の回転に同期しており、混合気噴射インジェクタ１００による燃料噴射に合わせて行われる。

圧縮機ピストン５３が上死点近傍まで上動したときには、圧縮機ピストン５３に形成された前述の凸部５３ａはバルブプレート６３に形成された円形孔６５から圧縮機シリンダヘッド５２に形成された空気通過孔５２ｂ内に嵌入する。これにより、空気通過孔５２ｂの内部空間の空気が凸部５３ａにより圧縮されて圧縮空気通過空間５２ｄ内に押し出されることになるので、圧縮デッドスペースが小さくなって圧縮効率が高められる。

上記のように圧縮空気が供給される圧縮空気通過空間５２ｄには圧縮空気供給管７５が接続されている。この圧縮空気供給管７５は、図５に示すように、エンジンシリンダヘッド１２に形成された圧縮空気供給路７６と繋がっており、この圧縮空気供給路７６は更に、前述の混合室１３４に開口している。また、圧縮機５０から混合室１３４内に供給される圧縮空気の圧力を調整する調圧装置７８が上記圧縮空気供給路７６に繋がって設けられている（図３参照）。

一方、図６に示すように、圧縮機駆動シャフト５６における偏芯シャフト５７が形成された側と反対側端部に繋がってマグネットカップリング方式ウォーターポンプＷＰが設けられている。このウォーターポンプＷＰは、圧縮機駆動シャフト５６に連結部材８０を介して連結されたアウターマグネット８１と、アウターマグネット８１の内部に隔離部材８４を介して対向設置されたインナーマグネット８２と、インナーマグネット８２と結合されたポンプシャフト８３と、ポンプシャフト８３の先端に取り付けられたポンプ羽根８５とから構成される。隔離部材８４は、圧縮機駆動シャフト５６が設けられた作動油が流れる空間と、ポンプ羽根８５が設けられた冷却水が流れる空間とを隔離する。アウターマグネット８１とインナーマグネット８２とは非接触型のカップリング機構を構成し、隔離部材８４を挟んで離れているが、両者間の磁力の作用により一方の回転に他方が追従して回転する。

このウォーターポンプＷＰにおいて、前述のようにクランクシャフト１６の回転により圧縮機駆動シャフト５６が回転されてこれと一緒にアウターマグネット８１が回転駆動されると、磁力カップリング作用によりインナーマグネット８２がこれに連れて回り、ポンプシャフト８３を介してポンプ羽根８５が回転駆動される。これにより、エンジン冷却水が水タンクから吸入され、吐出口８７から吐出される。なお、吐出口８７には冷却水供給パイプ（図示せず）が繋がり、この冷却水供給パイプは図３に示す冷却水入口部８８に繋がり、ここからエンジンシリンダボディ１０及びエンジンシリンダヘッド１２内に形成された冷却水通路に冷却水が供給される。この冷却水通路を循環してエンジンシリンダボディ１０及びエンジンシリンダヘッド１２の冷却を行った冷却水は冷却水出口部８９（図１参照）から図示しないパイプを介してラジエータに送られる。なお、ウォーターポンプＷＰにおいて、ポンプ羽根８５から吐出口に至る冷却水を通過させる部分にサーモスタット８６が設けられている（図６参照）。

以上の構成のエンジンＥを始動させるためのスタータモータ１が図３に示すようにハウジングＨＳＧに取り付けられている。このスタータモータ１の駆動軸にはスタータピニオン（図示せず）が取り付けられており、このスタータピニオンはクランクシャフトの端部にワンウェイクラッチ（図示せず）を介して取り付けられたスタータギヤ２（図１参照）と噛合している。なお、クランクシャフト１６の端部には発電機Ｇが取り付けられており、クランクシャフト１６により駆動されて発電を行うが、この発電機Ｇ内に上記ワンウェイクラッチが位置している。

エンジンＥを始動するためスタータモータ１が駆動されると、スタータピニオンを介してスタータギヤ２が回転駆動され、クランクシャフト１６が駆動される。これにより、上述したように圧縮機５０が駆動されて圧縮空気がエアインジェクタ１１０内の混合室１３４に供給される。このとき同時にクランクシャフト１６の回転により燃料ポンプＰが駆動され、高圧の燃料が燃料インジェクタ１４０の燃料室１６６内に供給される。燃料インジェクタ１４０は前述のように、コイル１５４が通電を受けておらず非励磁であるときには、コア１４８が（すなわちプランジャ１４６ａが）スプリング１５０により下方に付勢されてボール部材１４６ｂがノズル口１６０を閉塞しているが、コイル１５４が通電を受けて励磁され、電磁石になっているときには、コア１４８がコイル１５４に吸引されてプランジャ１４６ａが上動するので、ボール部材１４６ｂは弁座１６２から離間してノズル口１６０が開放される。これにより燃料室１６６内において加圧されていた高圧の燃料はノズル口１６０より噴射され、混合室１３４内において圧縮空気と混合されて高圧濃度の混合気が生成される。

一方、エアインジェクタ１１０では、前述のように、コイル１２４が通電を受けておらず非励磁であるときには、コア１１８が（すなわちエア噴射バルブ１１６が）スプリング１２０により上方に付勢されてプラグ部材１２８は管路１１４の下端部の混合気噴射口１１５を閉塞しているが、コイル１２４が通電を受けて励磁され、電磁石になっているときには、コア１１８がコイル１２４に吸引されてエア噴射バルブ１１６が下動するので、プラグ部材１２８は混合気噴射口１１５から離間して混合気通路（エア噴射バルブ１１６の内部空間及び混合気通路１３６）が開放される。これにより混合室１３４内において加圧されていた高圧の混合気は混合気噴射口１１５より燃焼室１１内に噴射される。そして、ピストン１３の圧縮行程の後、点火プラグ２１により混合気に点火がなされて燃焼し、燃料・膨張行程を経てエンジンＥが始動する。なお、前述のようにピストン１３の上面にはキャビティ部１３ｂが設けられており、そのキャビティ部１３ｂ内において混合気が充分に確保される。このため混合気は圧縮行程中に非常に燃え易い層状態となっている。

図１０は、上述の混合気噴射インジェクタ１００を構成するエアインジェクタ１１０及び燃料インジェクタ１４０の噴射制御を行う制御装置１８０と、エンジンＥの図示しないスロットルバルブの開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１８２、エンジン回転数（エンジンＥのクランクシャフト１６の回転数）を検出する回転数センサ１８４及びクランクシャフト１６の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ１８６との関係を示したものである。制御装置１８０は、スロットル開度センサ１８２により検出されたスロットル開度Ｔｈと、回転数センサ１８４により検出されたエンジン回転数ＮＥとの情報に基づいて、自身が備えるメモリ１８０ａに記憶されたマップから必要な情報を読み出して所定のパラメータを設定するとともに、そのパラメータと、クランク角センサ１８６により検出されたクランク角との関係に基づいて、エアインジェクタ１１０及び燃料インジェクタ１４０の噴射制御、すなわち燃焼室１１への燃料の噴射制御を行うようになっている。

図１１は上記制御装置１８０が行う燃料の噴射制御の一例を示すタイムチャート、また図１２及び図１３はこのタイムチャートに沿った燃料の噴射制御のフローである。以下、これらタイムチャートとフロートに沿って、上記エンジンＥの燃料噴射制御の一例について説明する。なお、図１２及び図１３中に示す丸囲みの文字「Ａ」は、その部分でフローが繋がることを意味する。

図１１に示すように、クランク角センサ１８６により検出されるクランク角の進行状態は２４のステージ番号０，１，２，・・・，２３により示される。制御装置１８０は、混合気に点火した後（このときのクランク角はおよそ０度（７２０度））、直前におけるクランクシャフト１６の２回転分（クランク角７２０度分）の平均エンジン回転数（平均ＮＥ）とスロットル開度Ｔｈとから、エア噴射開始時期（ＳＯＡと記す）に相当するクランク角であるエア噴射開始クランク角[deg]（ＳＯＡdegＢＴＤＣと記す）、エア噴射期間[ms]（ＭＡＤと記す）、燃料噴射期間[ms]（ＭＦＤと記す）及び燃料噴射終了後エア噴射開始までの遅延時間[ms]（ＦＡＤと記す）を上述のマップより決定する（ステップＳ１）。これらのパラメータを決定したら、エア噴射開始クランク角ＳＯＡdegＢＴＤＣ[ms]からエア噴射開始時期ＳＯＡのステージ（ＳＯＡを含むステージ）と、そのステージの開始からエア噴射開始時期ＳＯＡまでのクランク角Ｘdeg[deg]とを決定する（ステップＳ２）。そして、ＳＯＡのステージと既に決定したクランク角Ｘdeg[deg]、ＦＡＤ[ms]及びＭＦＤと[ms]から、燃料噴射開始時期（これをＳＯＦと記す）のステージ（ＳＯＦを含むステージ）と、そのステージの開始から燃料噴射開始時期ＳＯＦまでの時間Ｔsof[ms]とを決定し（ステップＳ３）、更に、ステージ２３におけるスロットル開度Ｔｈとエンジン回転数ＮＥとから、点火時期のステージ（点火時期を含むステージ）と、そのステージの開始から点火時期までのクランク角Ｙdeg[deg]とを決定する（ステップＳ４）。

クランクシャフト１６の回転が進み、クランク角がステージ２３（クランク角およそ２７０度）に至ったら内蔵したタイマー１８０ｂをオンにし、時間Ｔsof[ms]が経過した後、燃料インジェクタ１４０に燃料噴射開始信号を出力して、燃料インジェクタ１４０の燃料噴射バルブ１４６を開弁させる。これにより燃料インジェクタ１４０から混合室１３４内への燃料の噴射が開始される（ステップＳ５）。また、燃料の噴射開始から上記タイマー１８０ｂをオンにし、時間ＭＦＤ[ms]が経過した後、燃料インジェクタ１４０に燃料噴射終了信号を出力して、燃料インジェクタ１４０の燃料噴射バルブ１４６を閉弁させる。これにより燃料インジェクタ１４０から混合室１３４内への燃料の噴射が終了する（ステップＳ６）。

燃料インジェクタ１４０から混合室１３４内への燃料の噴射が終了したら、エア噴射開始時期ＳＯＡを含むステージの１つ前のステージにおけるクランクパルス間隔[ms]（ＭＥと記す）の平均値[ms]（平均ＭＥ）を算出するとともに、この平均ＭＥ[ms]と既に求めたクランク角Ｘdeg[deg]とから、クランク角Ｘdeg[deg]に相当する時間Ｔsoa[ms]を算出する（ステップＳ７）。そして、クランク角がエア噴射開始時期を含むステージに至ったら、タイマー１８０ｂをオンにし、時間Ｔsoa[ms]が経過した後、エアインジェクタ１１０にエア噴射開始信号を出力して、エアインジェクタ１４０のエア噴射バルブ１１６を開弁させる。これによりエアインジェクタ１１０から燃焼室１１内への混合気の噴射が開始される（ステップＳ８）。また、エアの噴射開始から上記タイマー１８０ｂをオンにし、時間ＭＡＤ[ms]が経過した後に、エアインジェクタ１１０にエア噴射終了信号を出力して、エアインジェクタ１１０のエア噴射バルブ１１６を閉弁させる。これによりエアインジェクタ１１０から燃焼室１１内へのエアの（混合気の）噴射が終了する（ステップＳ９）。

エアインジェクタ１１０から燃焼室１１内への混合気の噴射が終了したら、エア噴射が終了するステージにおける平均ＭＥ[ms]と既に求めたクランク角Ｙdeg[deg]とから、クランク角Ｙdeg[deg]に相当する時間Ｔig[ms]を算出する（ステップＳ１０）。そして、クランク角が点火時期を含むステージに至ったら、タイマー１８０ｂをオンにし、時間Ｔigが経過した後、点火プラグ２１に通電して、燃焼室１１内において圧縮された混合気に点火する（ステップＳ１１）。

このように、上記エンジンＥの燃料噴射装置は、エンジンＥの燃焼室１１内に燃料を混合した混合気を噴射供給する混合気噴射手段たる混合気噴射インジェクタ１００を備えて構成されるものであり、エンジンＥの運転状態を検出する運転状態検出手段としてのスロットル開度センサ１８２及び回転数センサ１８４と、エンジンＥのクランクシャフト１６の回転角を検出するクランク角センサ１８６と、上記混合気噴射インジェクタ１００（エアインジェクタ１１０及び燃料インジェクタ１４０）による混合気の噴射制御を行う制御手段としての制御装置１８０とを備えている。そして制御装置１８０は、混合気噴射インジェクタ１００による混合気の噴射開始時期に相当するクランクシャフト１６の回転角である噴射開始クランク角（上記エア噴射クランク角ＳＯＡdegＢＴＤＣに相当）を運転状態検出手段により検出されたエンジンＥの運転状態に基づいて決定し、クランク角センサ１８６により検出されたクランク角が上記噴射開始クランク角に達したときに、混合気噴射インジェクタ１００による混合気の噴射を開始させる構成となっている。このような構成を有する燃料噴射装置では、混合気の噴射開始時期は運転状態が同一であれば常時同一時期に噴射開始がなされることになり、従って混合気中の燃料濃度のピークも同一時期に揃えられることになるので、十分な燃焼安定性を確保でき、従来に比して一層燃費を向上させることが可能である。

ところで、上記エンジンＥの燃料噴射装置では、混合気の噴射開始時期が揃えられるために、燃料の噴射継続時間が長い場合（例えばスロットル開度Ｔｈが大きく、多くの燃料を燃焼室１１内に供給する必要がある場合など）には、混合気噴射インジェクタ１００による混合気の噴射が終了する前に燃焼室１１内の圧力が所定値以上に高まり、高圧の混合気が混合気噴射インジェクタ１００の混合気通路（エア噴射バルブ１１６の内部空間内及び混合気通路１３６）を逆流するような場合も考えられる。しかし、上記混合気噴射インジェクタ１００は、加圧された混合室１３４内の圧縮空気をエア噴射バルブ１１６の開閉作動により燃焼室１１内に噴射するエアインジェクタ１１０と、燃料室１６６内の燃料を燃料噴射バルブ１４６の開閉作動により混合室１３４内に噴射する燃料インジェクタ１４０とを有した構成となっているので、制御装置１８０は、エア噴射バルブ１１６を開いて混合気の噴射を開始する前に、燃料噴射バルブ１４６を閉じる制御を行うことが好ましい。このようにすれば、上記のような混合気の逆流が発生した場合であっても、混合気は燃料室にまで入ることはない。また、上記エンジンＥはピストン１３にキャビティ部１３ｂを有しており、そのキャビティ部１３ｂ内に混合気を充分に確保することができるようになるので、層状燃焼が可能となり、燃費を更に向上させることが可能である。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に示したものに限定されない。例えば、上述の実施形態では、混合気噴射インジェクタ１００による混合気の噴射開始時期に相当するクランクシャフト１６の回転角である噴射開始クランク角（エア噴射クランク角ＳＯＡdegＢＴＤＣ）を決定するエンジンＥの運転状態を表すパラメータとして、エンジンＥのスロットル開度Ｔｈとエンジン回転数ＮＥとを採用していたが、これは一例であり、他のパラメータを採用しても構わない。また、上述の実施形態では、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置が適用される対象は二輪車の駆動装置に備えられる単気筒のエンジンであったが、これは一例に過ぎず、多気筒のエンジンであってもよい。また、二輪車用のエンジンに限られず、自動車をはじめ、他の動力装置のエンジンに適用してもよい。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置を有した二輪車の駆動装置のエンジン部を、クランクシャフト及びシリンダの軸芯を通る平面において切断して示す断面図である。 上記駆動装置のエンジン部をシリンダ軸及び吸排気バルブの中心を通る面において切断して示す正面断面図である。 上記エンジン部の正面前面側を示す部分断面図である。 上記エンジン部に設けられる圧縮機の構成を示す正面断面図である。 上記圧縮機の構成を示す側面断面図である。 上記圧縮機及びウォーターポンプの構成を示す平面断面図である。 上記圧縮機のシリンダヘッド部を拡大して示す正面断面図である。 エアインジェクタの構成を示す断面図である。 燃料インジェクタの構成を示す断面図である。 燃料噴射インジェクタを構成するエアインジェクタ及び燃料インジェクタと、制御装置と、各センサ類との関係を示すブロック図である。 制御装置が行う燃料の噴射制御の一例を示すタイムチャートである。 上記タイムチャートに沿った燃料の噴射制御のフロー（前半部）である。 上記タイムチャートに沿った燃料の噴射制御のフロー（後半部）である。

符号の説明

１１ 燃焼室
１６ クランクシャフト
１００ 混合気噴射インジェクタ（混合気噴射手段）
１１０ エアインジェクタ
１１６ エア噴射バルブ
１４０ 燃料インジェクタ
１４６ 燃料噴射バルブ
１８０ 制御装置（制御手段）
１８２ スロットル開度センサ（運転状態検出手段）
１８４ 回転数センサ（運転状態検出手段）
１８６ クランク角センサ（クランク角検出手段）
Ｅ エンジン（内燃機関）

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を混合した混合気を噴射供給する混合気噴射手段を備えて構成される内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記内燃機関におけるスロットル開度および回転数を検出する運転状態検出手段と、
   前記内燃機関のクランクシャフトの回転角を検出するクランク角検出手段と、
   前記混合気噴射手段による混合気の噴射制御を行う制御手段とを備え、
   前記混合気噴射手段は、加圧された圧縮空気が供給された状態の混合室内に燃料室内の燃料を燃料噴射バルブの開閉作動に応じて噴射する燃料インジェクタと、前記燃料インジェクタからの燃料噴射を受けて前記混合室内に作られた高圧の混合気をエア噴射バルブの開閉作動により前記燃焼室内に噴射するエアインジェクタとを有し、
   前記制御手段は、
   前記運転状態検出手段により検出された前記内燃機関のスロットル開度および回転数に基づいて、前記エアインジェクタによる混合気の噴射開始時期に相当する前記クランクシャフトの回転角である噴射開始クランク角ＳＯＡ、前記燃料インジェクタによる燃料噴射時間ＭＦＤおよび前記エアインジェクタによる圧縮混合気噴射時間ＭＡＤを決定し、
   前記クランク角検出手段により検出された前記クランクシャフトの回転角が前記噴射開始クランク角ＳＯＡに達する前に、前記燃料インジェクタによる前記燃料噴射バルブの開閉作動を行って前記燃料噴射時間ＭＦＤの前記混合室内への燃料の噴射制御を完了させた後、
   前記クランク角検出手段により検出された前記クランクシャフトの回転角が前記噴射開始クランク角に達したときに、前記エアインジェクタにより前記燃焼室内への高圧混合気の噴射を開始させて前記圧縮混合気噴射時間ＭＡＤの混合気噴射制御を行い、
   前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された前記内燃機関のスロットル開度および回転数に基づいて、前記燃料インジェクタによる前記混合室内への燃料の噴射制御を完了させたときから前記エアインジェクタによる前記燃焼室内への高圧混合気の噴射開始までの遅延時間ＦＡＤを決定し、
   前記燃料インジェクタによる前記混合室内への燃料の噴射制御を完了させたときから前記遅延時間ＦＡＤを経過したときに前記クランクシャフトの回転角が前記噴射開始クランク角に達するように前記燃料インジェクタによる前記混合室内への燃料の噴射制御タイミングが設定されることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記内燃機関が備えるピストンにキャビティ部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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