JP4257178B2 - 燃料直接噴射型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を混合した混合気を燃焼室内に直接噴射供給する混合気噴射手段を備えて構成される燃料直接噴射型内燃機関に関する。

燃料を混合した混合気をシリンダ燃焼室内に直接噴射供給する構成の燃料直接噴射型内燃機関は公知であり、その混合気供給装置には、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。後者の構成はいわゆるエアアシスト式の混合気噴射装置であり、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、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混合気噴射装置を備えた内燃機関では始動時間を短くする目的から、燃料インジェクタを介して圧縮行程にある燃焼室と高圧の燃料供給源（加圧装置）とを連通させて燃焼室内の圧力を高めるようにした構成のものが知られている（下の特許文献参照）。
特許第２６０２９４０号公報

ところで、内燃機関の始動時やアイドリング時などはクランクシャフトの回転数は小さく、その回転エネルギーは小さいが、このような内燃機関の低回転時にスロットル開度を急激に増大させた場合には、燃焼室内の圧力がクランクシャフトの回転慣性力を上回り、シリンダ内のピストンは上死点を乗り越えられずに停止してしまうおそれがある。このような事態を防止するためには、フライホイール・マスを増大させてクランクシャフトの回転慣性力を大きくする方法や、アイドル回転数を増大させる方法などが有効であるが、これらの方法は重量の増大や燃費の面からは必ずしも好ましいとはいえない。また、このような方法のほかに、燃焼室内の高圧を逃がして減圧（デコンプ）する方法が考えられる。上記特許文献に示す構成では、混合気の圧縮行程において、燃料インジェクタを介して燃焼室と燃料供給源とを繋げる構成であり、結果的に燃焼室内の容積が広げられる構成となっているが、燃料供給源は燃焼室よりも高圧であるため、燃焼室内の圧力を減圧することはできない（上記特許文献記載の構成では、燃焼室内の圧力を高めようとするのであるから当然ではある）。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の始動時やアイドリング時などクランクシャフトの回転数が低い状態においてスロットル開度を急激に増大した場合であってもエンジン停止を起こすことのない構成の燃料直接噴射型内燃機関を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料直接噴射型内燃機関は、燃料を混合した混合気を燃焼室内に直接噴射供給する構成の燃料直接噴射型内燃機関（例えば、実施形態におけるエンジンＥ）であって、加圧された空気と燃料の混合気を有した混合室内から前記混合気をエア噴射バルブの開閉作動により燃焼室内に噴射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）と、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、運用状態検出手段により検出された内燃機関のスロットル開度および回転数に応じデコンプ時間を設定し、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、制御手段は、運転状態検出手段により検出された内燃機関のスロットル開度および回転数に応じ、エア噴射バルブを開放して混合室内から燃焼室内への混合気噴射制御を行わせるとともにこの混合気噴射制御終了後にデコンプ時間にわたりエア噴射バルブを開放して、燃焼室内の圧力を混合気噴射制御を終了して低圧となった混合室側に逃がす制御を行う。

また、上記本発明に係る燃料直接噴射型内燃機関において、上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、燃料インジェクタからの燃料噴射を受けて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燃焼室内に噴射するエアインジェクタとを有してなり、制御手段は、エア噴射バルブを開いてエアインジェクタにより燃焼室内への混合気の噴射を開始する前に、燃料インジェクタによる混合室内への燃料の噴射を完了させて燃料噴射バルブを閉じる制御を行う構成であることが好ましい。
また、内燃機関のクランクシャフトの回転に同期して駆動されて外部空気を吸入して混合室内に圧縮空気を送り込む圧縮機を備え、エア噴射バルブを開放して混合室内の圧縮混合気を燃焼室内へ噴射させる制御を終了した後において所定時間にわたりエア噴射バルブを開放するときに圧縮機は空気の吸入行程となる構成であることが好ましい。
更に、上記制御手段は、エア噴射バルブを開放して混合室内の圧縮混合気を燃焼室内へ噴射させる制御を終了した後において、エア噴射バルブを閉じることなくクランク角が上死点に至るまでの所定時間が経過するまでエア噴射バルブの開放を継続する制御を行うことが好ましい。

本発明に係る燃料直接噴射型内燃機関では、運転状態検出手段により検出される内燃機関のスロットル開度および回転数に応じ、混合気噴射手段による燃焼室内への混合気噴射終了後の所定時間、混合気噴射手段におけるエア噴射バルブが開放される。これにより、燃焼室内の圧力は混合気噴射手段のエア噴射バルブを介して混合気噴射制御を終了して低圧となった混合室側に逃がされるので、燃焼室内の圧力は減圧（デコンプ）される。このため、クランクシャフトの回転数が低回転（アイドル回転数）であり、かつ内燃機関のスロットル開度が急激に増大されたような場合など、燃焼室内の圧力がクランクシャフトの回転慣性力の大きさに比して過大となったときであっても、エンジン停止（シリンダ内のピストンが上死点を乗り越えられずに内燃機関が停止してしまう状態）の発生を防止することができる。また、このような構成は、燃料直接噴射型内燃機関に必須の構成品である混合気噴射手段を利用したものであり、燃焼室内の圧力を減圧するための空間及び弁を別途設けるものではないので、内燃機関内に燃焼室の容積増大のための特別なスペースを確保する必要がなく、製造コストの大幅なアップもない。

ここで、上記混合気噴射手段が、燃料インジェクタおよびエアインジェクタを有してなり、制御手段が、上記エア噴射バルブを開いて混合気の噴射を開始する前に、燃料インジェクタによる混合室内への燃料の噴射を完了させて燃料噴射バルブを閉じる制御を行う構成であれば、燃焼室内の高圧の混合気が燃料供給源に逆流するおそれを完全になくすことが可能である。また、上記デコンプ期間における混合室内の圧力は燃焼室内と同圧かそれよりも低い圧力である必要があるが、混合気を圧縮して混合気噴射手段に供給する圧縮機が、内燃機関のクランクシャフトの回転に同期して駆動されて外部空気を吸入して混合室内に圧縮空気を送り込む構成であり、かつ混合気噴射手段による燃焼室内への混合気の噴射後における上記エア噴射バルブの開放期間が空気の吸入を行う行程となる構成となっているのであれば、簡単な構成で上記条件（デコンプ期間における圧縮機内の圧力が燃焼室内よりも同圧かそれよりも低圧となる条件）を常に満たすようにすることができる。また、上記制御手段が、エア噴射バルブを開放して混合室内の圧縮混合気を燃焼室内へ噴射させる制御を終了した後において、エア噴射バルブを閉じることなくクランク角が上死点に至るまでの所定時間が経過するまでエア噴射バルブの開放を継続する制御を行うのであれば、混合気噴射手段による混合気の噴射終了後、一旦バルブを閉じてから再びこのバルブを開くよりもバルブ制御を簡単にすることができる。

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は本発明に係る燃料直接噴射型内燃機関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。

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。

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ミングチャートである。このタイミングチャートに示す角度は、点火時期の近傍における上死点に至る前のクランク角を示したものである（点火時期の近傍における上死点のクランク角は０度）。このタイミングチャートに従う場合、制御装置１８０は、クランク角センサ１８６により検出されたクランク角が上死点前３３０度に至ったときに燃料噴射バルブ１４６の開弁信号を出力し（これにより燃料インジェクタ１４０による燃料の噴射が開始される）、クランク角が上死点前２１０度に至ったときに燃料噴射バルブ１４６の閉弁信号を出力する（これにより燃料インジェクタ１４０による燃料の噴射が終了する）。また、クランク角センサ１８６により検出されたクランク角が上死点前１２０度に至ったときにエア噴射バルブ１１６の開弁信号を出力し（これによりエアインジェクタ１１０によるエアの噴射が開始される）、クランク角が上死点前３０度に至ったときにエア噴射バルブ１１６の閉弁信号を出力する（これによりエアインジェクタ１１０によるエアの噴射が終了する）。更に、エア噴射バルブ１１６の閉弁信号を出力した直後に再びエア噴射バルブ１１６の開弁信号を出力し（これにより燃焼室１１のデコンプが開始される）、クランク角が上死点に（上死点前０度に）至ったときにエア噴射バルブ１１６の閉弁信号を出力する（これにより燃焼室１１のデコンプが終了する）。なお、上記上死点前クランク角は一例であり、実際にはスロットル開度１８２及び回転数センサ１８４により検出されるエンジンＥの運転状態に応じて設定される。

ここで、上記エンジンＥが備える圧縮機５０は、前述のように、クランクシャフト１６の回転に同期して空気の吸入と吐出とを行う構成を有しているが、エアインジェクタ１１０による燃焼室１１内への混合気の噴射中は空気の吐出が行われ、その後におけるデコンプ期間（デコンプのためのエア噴射バルブ１１６の開放期間）は空気の吸入行程内となるように構成される。すなわち、デコンプのためのエア噴射バルブ１１６の開放期間では、圧縮機５０内は負圧になる。

また、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構成であることが好ましい。このような構成であれば、燃焼室１１内の高圧の混合気が燃料供給源に逆流するおそれを完全になくすことができる。また、上記制御装置１８０は、エアインジェクタ１１０から燃焼室１１内に混合気を噴射させた後、エア噴射バルブ１１６を閉じることなく、デコンプに要する所定時間が経過するまでの間、エア噴射バルブ１１６の開放を継続する構成とすることも可能である。このような構成であれば、混合気噴射インジェクタ１００による混合気の噴射終了後、一旦バルブ（エアインジェクタ１１０のエア噴射バルブ１１６）を閉じてから再びこのバルブを開くよりもバルブ制御を簡単にすることができる。

図１２は、上記タイミングチャートに従ってエンジンＥを作動させたときにおける、上死点前クランク角[deg]に対する燃焼室１１内の圧力の変化を示したものである。この図に示すように、エア噴射バルブ１１６による燃焼室１１へのエアの（混合気の）噴射期間（ＢＴＤＣ１２０°〜ＢＴＤＣ３０°）終了後におけるエア噴射バルブ１１６の開弁（ＢＴＤＣ３０°〜ＢＴＤＣ０°）により燃焼室１１がエア噴射バルブ１１６の内部空間を介してエア供給源である圧縮機５０と繋がり、燃焼室１１内の高圧の混合気が燃焼室１１外に逃がされることになるので、燃焼室１１内の圧力は減圧（デコンプ）される。なお、このデコンプ期間における圧縮機５０内の圧力は燃焼室１１内と同圧かそれよりも低い圧力である必要があるが、上記のように圧縮機５０はエンジンＥのクランクシャフト１６の回転に同期して空気の吸入と吐出とを行う構成となっており、しかもエアインジェクタ１１０による燃焼室１１内への混合気の噴射後におけるエア噴射バルブ１１６の開放期間が空気の吸入を行う行程内となっているので、上記条件（デコンプ期間における圧縮機５０内の圧力が燃焼室１１内と同圧かそれよりも低圧となる条件）を常に満たすようにすることができる。

このように、上記エンジンＥでは、エンジンＥのスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１８２及びクランクシャフト１６の回転数を検出する回転数センサ１８４からなる運転状態検出手段により検出されるエンジンＥの運転状態に応じ、混合気噴射インジェクタ１００による燃焼室１１内への燃料噴射終了後の所定時間（上記例では、上死点前クランク角３０度〜０度に対応する時間）、エアインジェクタ１１０のエア噴射バルブ１１６が開放され、燃焼室１１内の高圧の混合気はエアインジェクタ１１０のエア噴射バルブ１１６を介して低圧の空間に逃がされることになるので、燃焼室１１内の圧力は減圧（デコンプ）される。このため、クランクシャフト１６の回転数（エンジン回転数）が低回転（アイドル回転数）であり、かつエンジンＥのスロットル開度が急激に増大されたような場合など、燃焼室１１内の圧力がクランクシャフト１６の回転慣性力の大きさに比して過大となったときであっても、エンジン停止の発生を防止することができる。また、このような構成は、上記エンジンＥに必須の構成品である混合気噴射インジェクタ１００を利用したものであり、燃焼室１１内の圧力を減圧するための空間及び弁を別途設けるものではないので、エンジンＥ内に燃焼室１１の容積増大のための特別なスペースを確保する必要がなく、製造コストの大幅なアップもない。

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、圧縮機５０はクランクシャフト１６の回転に同期して空気の吸入と吐出とを行う構成であったが、このような構成を採らずに、例えば電動モータによりクランクシャフト１６の回転とは無関係に圧縮機５０を駆動するようにしてもよい。但しこの場合であっても、エアインジェクタ１１０による燃焼室１１内への混合気の噴射中は空気の吐出が行われ、その後におけるデコンプのためのエア噴射バルブ１１６の開放期間では減圧（少なくとも空気の加圧の停止）が行われるように構成される必要がある。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。

本発明に係る燃料直接噴射型内燃機関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。 上記制御装置が行う燃料の噴射制御の一例を示すタイミングチャートである。 上記タイミングチャートに従ってエンジンを作動させたときにおける、上死点前クランク角に対する燃焼室内の圧力の変化を示すグラフである。

符号の説明

１１ 燃焼室
１６ クランクシャフト
５０ 圧縮機
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（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）
Ｅ エンジン（燃料直接噴射型内燃機関）

Claims (4)

1. 燃料を混合した混合気を燃焼室内に直接噴射供給する構成の燃料直接噴射型内燃機関であって、
   加圧された空気と燃料の混合気を有した混合室内から前記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混合気噴射手段と、
   前記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と、
   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応じデコンプ時間を設定し、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応じ、前記エア噴射バルブを開放して前記混合室内から前記燃焼室内への混合気噴射制御を行わせるとともにこの混合気噴射制御終了後に前記デコンプ時間にわたり前記エア噴射バルブを開放して、前記燃焼室内の圧力を前記混合気噴射制御を終了して低圧となった前記混合室側に逃がす制御を行うことを特徴とする燃料直接噴射型内燃機関。
2. 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前記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前記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なり、
   前記制御手段は、前記エア噴射バルブを開いて前記エアインジェクタにより前記燃焼室内への混合気の噴射を開始する前に、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を完了させて前記燃料噴射バルブを閉じる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料直接噴射型内燃機関。
3. 前記内燃機関のクランクシャフトの回転に同期して駆動されて外部空気を吸入して前記混合室内に圧縮空気を送り込む圧縮機を備え、
   前記エア噴射バルブを開放して前記混合室内の圧縮混合気を前記燃焼室内へ噴射させる制御を終了した後において前記所定時間にわたり前記エア噴射バルブを開放するときに前記圧縮機は空気の吸入行程となる構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料直接噴射型内燃機関。
4. 前記制御手段は、前記エア噴射バルブを開放して前記混合室内の圧縮混合気を前記燃焼室内へ噴射させる制御を終了した後において、前記エア噴射バルブを閉じることなく前記内燃機関のクランク角が上死点に至るまでの所定時間が経過するまで前記エア噴射バルブの開放を継続する制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料直接噴射型内燃機関。
   

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