JP4445909B2 - 筒内直噴型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、エアおよび燃料の混合気を燃焼室に直接噴射する混合気噴射弁を備えて構成される筒内直噴型内燃機関に関する。

筒内直噴型内燃機関の混合気噴射弁は、混合室で圧縮されたエアおよび燃料を混合して混合気を生成し、この混合気を燃焼室に直接噴射して供給するように構成されている。このような混合気噴射弁を備える筒内直噴型内燃機関には、圧縮されたエアを混合気噴射弁に供給するために、エアポンプなどの混合気圧力発生装置を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。混合気圧力発生装置は、ピストンの往復動に連動するクランクシャフトの回転を駆動源とし、ピストンの往復動と同期して作動するように構成されている。

また、一般の内燃機関、特に単気筒の内燃機関においては、ピストンの往復動に伴って振動が発生し、内燃機関が二輪車などの原動機として用いられる場合に乗り心地の悪化を招くなどの問題がある。これに対し、重量物であるバランサをクランクシャフトと連動して回転、すなわち、ピストンの往復動に同期して作動させることにより、振動の打ち消しを図ることが従来からよく知られている。

特開２００２−２８５８５１号公報

しかしながら、従来の筒内直噴型内燃機関は、混合気噴射弁に圧縮されたエアを供給するために専用の混合気圧力発生装置を設ける必要があることから、混合気圧力発生装置を配置するためのスペースや混合気圧力発生装置に駆動源からの動力を伝達する駆動力伝達機構を必要とし、大型化を招くおそれがあった。また、混合気圧力発生装置がクランクシャフトの回転を駆動源としていることから、燃費の悪化を招くおそれがあった。

このような課題に鑑み、本発明は、混合気噴射弁に圧縮されたエアを供給する混合気圧力発生装置の小型化や、燃費の向上が図られた筒内直噴型内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る筒内直噴型内燃機関（例えば、実施形態におけるエンジンＥ）は、ピストンと、内部に形成されたシリンダ室に前記ピストンが往復動自在に配設されるシリンダと、前記シリンダに結合されて前記ピストンの上面および前記シリンダ室の内周面とともに燃焼室を形成するヘッド部材と、前記ヘッド部材に取り付けられて前記燃焼室に臨み、内部に形成された混合室でエアおよび燃料を混合し、エアおよび燃料の混合気を前記燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁（例えば、実施形態における混合気インジェクタ１００）と、前記ヘッド部材に取り付けられて前記燃焼室に臨み、前記混合気噴射弁により前記燃焼室に噴射された前記混合気に点火する点火プラグとを備えて構成される。そのうえで、前記ヘッド部材に取り付けられ、前記燃焼室内のエアを前記混合気噴射弁の前記混合室に供給するための電磁弁（例えば、実施形態における電磁バルブ１７０）を備え、前記ヘッド部材に前記電磁弁内の吸入エア空間と前記混合室とを連通させるエア通路が形成され、前記ピストンには上面中央部に凹状のキャビティー部が形成され、前記電磁弁のエア吸入口が前記燃焼室の端部であって前記キャビティー部の外側の前記ピストン上面と対向するように配置されるとともに、前記混合気噴射弁の混合気噴射口が前記燃焼室の中央部であって前記キャビティー部と対向するように配置され、前記電磁弁は、内燃機関の圧縮行程で前記エア吸入口を開放するように作動し、前記燃焼室内で圧縮されたエアが前記エア吸入口から吸い込まれて前記吸入エア空間および前記エア通路を介して前記混合室に供給されるように構成され、前記ヘッド部材の前記混合気噴射弁を挟んだ前記点火プラグと反対側に前記混合気噴射弁と並列かつ隣接して取り付けられたことを特徴とする。

また、上記構成の筒内直噴型内燃機関において、前記ヘッド部材は、前記シリンダに結合されるシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに結合されるヘッドカバーとから構成され、前記ヘッドカバーに所定の容量を有した蓄圧室が前記電磁弁の前記吸入エア空間と一体となるように形成され、前記ヘッドカバーに前記吸入エア空間、前記エア通路および前記混合室が一方向に並んで設けられることが好ましい。

このように構成された本発明に係る筒内直噴型内燃機関によると、燃焼室と混合室とを連通する連通空間を開閉する電磁弁を備えており、圧縮行程でこの電磁弁が開弁し、燃焼室内で圧縮されたエアが混合室に供給されるようになっている。このように、燃焼室内で圧縮されたエアを混合室に供給することにより、混合気噴射弁に圧縮されたエアを供給するために設けられていたエアポンプなどの専用の混合気圧力発生装置を小型化あるいは省略して内燃機関を構成できる。これにより、混合気圧力発生装置の配置スペースを小さくしたり無くしたりすることができ、内燃機関全体を小型化できる。また、クランクシャフトの回転を駆動源とする混合気圧力発生装置を設ける形態の内燃機関に対しては、混合気圧力発生装置の小型化や省略に伴って燃費の向上を図ることができる。

また、上記構成の筒内直噴型内燃機関によると、ピストンの上面中央部にキャビティー部が形成され、エア吸入口が燃焼室の端部であってキャビティー部の外側のピストン上面と対向するように配置され、混合気噴射口が燃焼室の中心部であってキャビティー部と対向するように配置されている。このようにキャビティー部が形成されるとともに混合気噴射口が設けられることにより、混合気噴射弁から噴射された混合気が燃焼室の中心部に集められる。これにより、燃焼室には、中心部に燃料を含む混合気が多く分布してその外側には燃料を含まないエアが多く分布した略層状化された気場が形成される。エア吸入口はこのような中心部の外側に設けられるため、混合室には燃料を含まないフレッシュなエアが供給される。このため、混合気噴射弁から噴射されるエアおよび燃料の混合比の調整を正確に行わせることができ、安定した燃焼を行わせることができる。

なお、上記構成の筒内直噴型内燃機関において、ヘッド部材の連通空間における電磁弁よりも混合室側に所定容量の蓄圧室を形成すると、燃焼室内で圧縮されたエアを蓄えるための容量が大きくなり、圧縮されたエアをより多く混合室側に蓄えることができる。これにより、混合気圧力発生装置をより一層小型化できる。

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。図中の矢印Ｕの方向を上方、矢印Ｆの方向を前方、矢印Ｒの方向を右方とする。まず、図１〜図３に示す第１構成例のエンジンＥについて説明する。このエンジンＥは、単気筒４ストローク型内燃機関であり、エアおよび燃料の混合気が燃焼室１０に直接噴射される筒内直噴型内燃機関である。また、エンジンＥは、ヘッドカバー１と、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、クランクケース４とから構成され、これら各部材１〜４が結合されてハウジングＨが形成されている。

シリンダブロック３は、内部に円筒状のシリンダ室３ａが形成されており、このシリンダ室３ａにピストン５が摺動自在に配設されている。ピストン５の上面には、中央部に凹状のキャビティー部５ａが形成されている。クランクケース４は、左右のケース半体が接合されて一体になっており、シリンダブロック３の下部に結合され、内部に形成されたクランク室４ａがシリンダ室３ａと連通されている。クランク室４ａには、クランクシャフト６が回転自在に支持された状態で収容されている。クランクシャフト６は、左右のシャフト部６ａ，６ｂをクランクピン６ｃで結合して一体になっており、左右のシャフト部６ａ，６ｂがクランク室４ａ内に設けられたベアリング７ａ，７ｂにより支持されている。

ピストン５およびクランクシャフト６は、コンロッド８を介して連結されている。なお、ピストン５にはコンロッド８の小端部８ａがピストンピン５ｂを介して枢結され、クランクシャフト６にはコンロッド８の大端部８ｂがクランクピン６ｃを介して枢結される。これにより、ピストン５とクランクシャフト６とが連動し、ピストン５が一往復するとクランクシャフト６が一回転する。

シリンダヘッド２は、シリンダブロック３の上部に結合されており、ヘッドカバー１は、シリンダヘッド２の上部に結合されている。これらヘッドカバー１およびシリンダヘッド２によりヘッド部材ＣＨが構成される。ピストン５の上面と、シリンダ室３ａの内周面と、シリンダヘッド２の下壁面とにより囲まれて燃焼室１０が形成される。シリンダヘッド２には、点火プラグ９および混合気インジェクタ１００が取り付けられており、それぞれの先端部９ａ，１２３が燃焼室１０に臨んでいる。

シリンダヘッド２には、燃焼室１０にそれぞれ開口する吸気口１１および排気口１５が形成されており、シリンダヘッド２の内部には、一端が吸気口１１に繋がり他端が外部に繋がる吸気通路１２と、一端が排気口１５に繋がり他端が外部に繋がる排気通路１６とが形成されている。吸気通路１２の外部接続口１３には吸気管１４が取り付けられており、この吸気管１４の上流側には図示しないエアクリーナが接続されている。排気通路１６の外部接続口１７には図示しない排気管が取り付けられる。

また、ヘッド部材ＣＨに、吸排気バルブ１８，１９が設けられている。吸排気バルブ１８，１９は、バルブスプリング１８ａ，１９ａにより常には吸気口１１および排気口１５を閉じる方向に付勢されている。ハウジングＨの内部には、クランクシャフト６の回転に応じて吸排気バルブ１８，１９を開閉作動させる動弁機構３０が設けられている。

動弁機構３０として、シリンダブロック２の側部に、カムシャフト３４が回転自在に設けられている。クランクシャフト６の左シャフト部６ａにはクランクシャフト６と一体に回転する第１スプロケット３１が設けられ、カムシャフト３４にはカムシャフト３４と一体に回転する第２スプロケット３２が設けられている。両スプロケット３１，３２の間には、カムチェーン３３が掛け渡されている。両スプロケット３１，３２の歯数比は１：２になっている。カムシャフト３４には吸気用カム部３４ａおよび排気用カム部３４ｂが一体に成形されている。シリンダブロック３には、それぞれ連結ピン３５ａ，３６ａを介してカムフォロア３５，３６の吸気用ローラ３５ｂおよび排気用ローラ３６ｂが枢結されており、両ローラ３５ｂ，３６ｂが両カム部３４ａ，３４ｂに当接している。

ヘッドカバー１にはロッカーアーム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いる。ロッカーアーム３９，４０の一端とカムフォロア３５，３６との間にはプッシュロッド３７，３８が介設されており、ロッカーアーム３９，４０の他端は吸排気バルブ１８，１９の先端に当接している。

このように構成される動弁機構３０においては、クランクシャフト６が二回転するとカムシャフト４１が一回転し、カムシャフト３４が一回転するごとにカムフォロア３５，３６が上下に一回揺動する。この揺動に応じてプッシュロッド３７，３８が上下に往復動してロッカーアーム３９，４０を揺動させる。ロッカーアーム３９，４０が揺動すると、吸排気バルブ１８，１９がバルブスプリング１８ａ，１９ａの付勢力に抗して押し下げられ、吸気口１１および排気口１５が開放され、吸気通路１２および排気通路１６が燃焼室１０と連通される。

エンジンＥは、ピストン５が上死点から下動すると、吸気バルブ１８が吸気口１１を開放して吸気通路１２からのエアが燃焼室１０に吸気される（吸気行程）。次いで、下死点から上動して燃焼室１０（シリンダ室３ａ）に供給されたエアが圧縮される（圧縮行程）。このとき、所定のタイミングで混合気インジェクタ１００から燃焼室１０に混合気が噴射される。ピストン５が上死点近傍まで上動すると、点火プラグ９により燃焼室１０に噴射された混合気が点火燃焼され（燃焼行程）、ピストン５を再び下動させる。下動したピストン５が下死点から上動すると、排気バルブ１９が排気口１５を開放して燃焼室１０（シリンダ室３ａ）内の既燃ガスが排気通路１６に導かれ、外部に排出される（排気行程）。以下、ピストン５が二往復するごとに、上記吸気〜排気行程が行われる。

混合気インジェクタ１００は、図４に示すエアインジェクタ１１０と、図５に示す燃料インジェクタ１４０とから構成され、エアインジェクタ１１０の上方に燃料インジェクタ１４０が直結される。混合気インジェクタ１００は、ヘッド部材ＣＨの内部を上下に延びて形成されたインジェクタ取付空間７６に収容されて取り付けられる。

エアインジェクタ１１０は、上端開口１１１ａおよび下端開口１１１ｂを有して上下に貫通する収容孔１１１ｃが形成された上部ハウジング１１１と、上下に延びる針状に成形されるとともに長孔１１２ａが上下に貫通して形成されており、上部ハウジング１１１の下端開口１１１ｂに嵌め込まれて上部ハウジング１１１に対して固定される下部ハウジング１１２と、収容孔１１１ｃの上下中央部に保持されたノズル保持部材１１３と、上部ハウジング１１１および下部ハウジング１１２に渡って取り付けられたエア噴射バルブ１２０とから構成される。

ノズル保持部材１１３は皿状に成形されており、内部に上面が開放された混合室１１４が形成される。また、ノズル保持部材１１３には、混合室１１４と連通して下方に延びる通路部１１５が一体に成形されている。ノズル保持部材１１３の上方、すなわち、収容孔１１１ｃの上部には、上端開口１１１ａにより上方に開放された燃料インジェクタ取付空間１１６が形成される。なお、下部ハウジング１１２の長孔１１２ａの下端開口が、エアインジェクタ１１０の混合気噴射口１１７を形成する。

エア噴射バルブ１２０は、下部ハウジング１１２の長孔１１２ａ内に上下動自在に配設され、内部に混合気通路１２１ａを形成する混合気管１２１と、混合気管１２１の上端部に嵌合して取り付けられ、上部ハウジング１１１の収容孔１１１ｃの下部に上下動自在に配設されて通路部１１５の開口端と対向するコア１２２と、混合気管１２１の下端部に取り付けられて混合気管１２１の上下動に伴って混合気噴射口１１７を開閉するプラグ部材１２３と、下部ハウジング１１２の上面に形成された取付溝１１２ｂ内に収容保持されてコア１２１の下面および下部ハウジング１１２の間に跨設され、コア１２１を上方に付勢するスプリング１２４と、制御装置２００からの制御信号を受けて励磁されるコイル１２５とから構成される。

コイル１２５が非励磁のときには、スプリング１２４によりコア１２２が上方に付勢され、プラグ部材１２３が混合気噴射口１１７を閉塞する。コイル１２５が励磁されると、コア１２２がスプリング１２４の付勢力に抗して電磁石となったコイル１２５に向けて下動し、プラグ部材１２３が混合気噴射口１１７を開放する。エアインジェクタ１１０は、混合室１１４と混合気噴射口１１７が、通路部１１５および混合気通路１２１ａを介して連通している。

燃料インジェクタ１４０は、エアインジェクタ１１０の燃料インジェクタ取付空間１１６に収容され、下方中心部に収容孔１４１ａが形成されたハウジング１４１と、ハウジング１４１の収容孔１４１ａに嵌め込まれてハウジング１４１に対して固定されるノズル部材１４２と、ハウジング１４１の収容孔１４１ａ内に固定して設けられる燃料噴射バルブ１５０とから構成される。

ハウジング１４１の側壁には、燃料ポンプＰから供給された高圧燃料を燃料インジェクタ１４０に取り入れる燃料供給口１４１ｂが形成されている。ハウジング１４１の内部には、燃料供給口１４１ｂから下方に位置するプラグ部材１４２に向けて延びる高圧油路１４１ｃが形成されている。ノズル部材１４２は、上壁部１４２ａ、下壁部１４２ｂおよび側壁部１４２ｃにより囲まれた燃料室１４３が形成されている。上壁部１４２ａには、開口１４４が設けられており、この開口１４４を介して高圧油路１４１ｃと燃料室１４３とが連通される。下壁部１４２ｂには上下に貫通する燃料噴射口１４５が形成されている。また、上壁部１４２ａの中央部には上下に貫通する貫通孔１４６が形成されている。

燃料噴射バルブ１５０は、ノズル部材１４２の貫通孔１４６を貫いて上下に延びて配設され、上端部がハウジング１４１の収容孔１４１ａ内に位置して下端部が燃料室１４３内に位置するプランジャ１５１と、プランジャ１５１の上端部に固定して取り付けられ、収容孔１４１ａに上下動自在に配設されたコア１５２と、プランジャ１５１の下端に取り付けられたボール部材１５３と、ハウジング１４１とプランジャ１５２との間に跨設され、常にはプランジャ１５１を下方に付勢するスプリング１５４と、制御装置２００からの制御信号を受けて励磁されるコイル１５５とから構成される。

コイル１５５が非励磁のときには、スプリング１５４によりプランジャ１５１が下方に付勢され、ボール部材１５３が混合気噴射口１４５を閉塞する。コイル１５５が励磁されると、コア１５２がスプリング１５４の付勢力に抗して電磁石となったコイル１５５に向けて上動し、ボール部材１５３が燃料噴射口１４５を開放する。

燃料インジェクタ１４０は、燃料インジェクタ取付空間１１６に挿入されてエアインジェクタ１１０と上下に直結され、ノズル部材１４２がノズル保持部材１１３により保持されてノズル部材１４２の下端部が混合室１１４内に収容される。このため、燃料噴射バルブ１５０のコイル１５５が励磁されて燃料噴射口１４５が開放されると、燃料ポンプＰから燃料室１４３に供給された高圧燃料が、混合室１１４内に噴射される。

混合室１１４には、圧縮されたエアが外部から供給される。混合室１１４では、燃料インジェクタ１４０から供給された燃料と、外部から供給されたエアとが混合されて混合気が生成される。混合気は、エア噴射バルブ１２０のコイル１２５が励磁されて混合気噴射口１１７が開放されると、エア自身の内部圧力を利用して混合室１１４から通路部１１５および混合気通路１２１ａを通って燃焼室１０に噴射される。

エンジンＥには、混合室１１４に圧縮されたエアを供給するための装置として、クランクシャフト６の回転を駆動源とする圧縮機５０と、ヘッド部材ＣＨに取り付けられた電磁バルブ１７０とが設けられている。

図６〜図９に示すように、圧縮機５０は、シリンダブロック３に一体に成形されて内部に圧縮機シリンダ室５１ａを有した圧縮機シリンダ５１と、圧縮機シリンダ５１に結合されて吸入孔５２ａおよび圧縮エア通過空間５２ｄが形成された圧縮機シリンダヘッド５２と、圧縮機シリンダ室５１ａ内に摺動自在に配設された圧縮機ピストン５３と、圧縮機ピストン５３をシリンダ室５１内で往復動させるスコッチヨーク機構ＳＹとを有して構成される。

圧縮機ピストン５３の上面と、圧縮機シリンダ室５１ａの内周面と、圧縮機シリンダヘッド５２の内壁面とにより囲まれて圧縮室５０ａが形成される。吸入孔５２ａおよび圧縮エア通過空間５２ｄは、圧縮室５０ａに連通される。吸入孔５２ａは外部に繋がり、圧縮エア通路５２ｄは混合室１１４に繋がる。

スコッチヨーク機構ＳＹは、圧縮機ピストン５３と一体に成形されて平板状のピストンロッド５４と、ピストンロッド５４の先端に圧縮機シリンダ室５１ａのシリンダ軸の直交方向に延びて形成された摺動孔５４ａ内に摺動自在に設けられたスライダ５５と、シリンダブロック３の側部に設けられた圧縮機駆動シャフト５６と、圧縮機駆動シャフト５６の先端に偏心して形成された偏心シャフト５７とから構成される。圧縮機駆動シャフト５６は、ベアリング５８ａ，５８ｂを介してシリンダブロック３により回転自在に支持されており、偏心シャフト５７は、スライダ５５に嵌合連結されて回転自在になっている。このスコッチヨーク機構ＳＹにより、圧縮機駆動シャフト５６が一回転すると圧縮機ピストン５３を一往復させることができる。

また、カムシャフト３４に設けられた第２スプロケット３２と一体に第３スプロケット６０が設けられており、圧縮機駆動シャフト５６に圧縮機駆動シャフト５６と一体に回転する第４スプロケット６１が設けられている。両スプロケット６０，６１の間には、ポンプチェーン６２が掛け渡されている。両スプロケット６０，６１は歯数が同じであり、第２スプロケット３２が一回転すると第４スプロケット６１が一回転する。したがって、クランクシャフト６が二回転すると、圧縮機駆動シャフト５６が一回転して圧縮機ピストン５３が一往復する。

圧縮機シリンダ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、このバルブプレート６３がガスケットとして機能する。バルブプレート６３には、吸気孔５２ａを閉塞する部分に打ち抜き加工が施され、舌片状のリード６４が形成されている。また、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。排気ポペット弁７０は、圧縮エア通過空間５２ｄ内の着座面５２ｃに着座するように設けられた円盤状の弁体７１と、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。圧縮エア通過空間５２ｄは、圧縮機シリンダヘッド５２に形成された空気連通孔５２ｂおよびバルブプレート６３に形成された円形孔６５を介して圧縮室５０ａに連通され、弁体７１が着座面５２ｃに着座すると空気連通孔５２ｂが弁体７１により覆われる。

このように構成される圧縮機５０においては、クランクシャフト６が回転すると、圧縮機駆動シャフト５６が回転して圧縮機ピストン５３が往復動する。圧縮機ピストン５３の往復動において、図９の矢印Ａの向きに移動する下動時には、リード６４が圧縮室５０ａ内に発生する負圧を受けて図９に二点鎖線で示すように撓み、吸気孔５２ａから圧縮室５０ａ内に外部からのエアが導入される。図９の矢印Ｂの向きに移動する上動時には、圧縮室５０ａ内が正圧になって排気ポペット弁７０が圧縮ばね７４の付勢力に抗して開弁し、圧縮室５０ａ内で圧縮されたエアが圧縮エア通過空間５２ｄ内に押し出される。

圧縮エア通過空間５２ｄに押し出されたエアは、圧縮エア通路７５に導かれてインジェクタ取付空間７６に取り付けられた混合気インジェクタ１００の混合室１１４に供給される。なお、圧縮機５０がエアを押し出すタイミングは、混合気噴射インジェクタ１００による混合気噴射に合わせた所定のタイミングに設定されている。

電磁バルブ１７０は、図１に示すように、混合気インジェクタ１００と並んでヘッド部材ＣＨに取り付けられている。ここで、ヘッド部材ＣＨには、燃焼室１０と混合室１１４とを連通する連通空間が形成されている。この連通空間は、ヘッド部材ＣＨの内部においてインジェクタ取付空間７６の左方を燃焼室１０から上方に延びて形成された電磁バルブ取付空間と、この電磁バルブ取付空間とインジェクタ取付空間７６とを連通するエア通路１ａとからなる。さらに、ヘッドカバー１の内部には、電磁バルブ取付空間の上方に位置して所定容量の空間が確保されており、電磁バルブ取付空間と一体の蓄圧室１ｂが形成されている。電磁バルブ１７０は、電磁バルブ取付空間に設置されており、図１０に示すように図４に示すエアインジェクタ１１０とほぼ同様の構造を有して構成されている。

電磁バルブ１７０は、上端開口１７１ａおよび下端開口１７１ｂを有して上下に貫通する収容孔１７１ｃが形成された上部ハウジング１７１と、上下に延びる針状に成形されるとともに長孔１７２ａが上下に貫通して形成されており、上部ハウジング１７１の下端開口１７１ｂに嵌め込まれて上部ハウジング１７１に対して固定される下部ハウジング１７２と、上部ハウジング１１１および下部ハウジング１１２に渡って取り付けられたエア吸入バルブ１８０とから構成される。

電磁バルブ１７０の外殻は、上部ハウジング１７１および下部ハウジング１７２を組み付けることで成形される。両部材１７１，１７２が組み付けられると、下部ハウジング１７２の長孔１７２ａと、上部ハウジング１７１の収容孔１７１ｃとが連通する。収容孔１７１ｃの上部には上方に開放される吸入エア空間１７４が形成される。また、上部ハウジング１７１には径方向に延びて吸入エア空間１７４に連通する貫通孔１７５が形成されている。

電磁バルブ１７０が電磁バルブ取付空間に設置されると、長孔１７２ａの下端開口が燃焼室１０に臨む。こうして、長孔１７２ａの下端開口が電磁バルブ１７０のエア吸入口１７３を形成する。そして、上部ハウジング１７１の貫通孔１７５の外端開口がエア通路１ａに繋がる。インジェクタ取付空間７６に混合気インジェクタ１００が取り付けられると、エア通路１ａの他端側は混合室１１４に繋がるようになっている。このように、電磁バルブ１７０および混合気インジェクタ１００が取り付けられた状態においては、下部ハウジング１７２の長孔１７２ａ、上部ハウジング１７１の収容孔１７１ｃ（吸入エア空間１７４）、貫通孔１７５、および、エア通路１ａにより連通空間が形成され、この連通空間を介して燃焼室１０と混合室１１４とが連通する。さらに、上部ハウジング１７１の上端開口１７１ａを介して蓄圧室１ｂが吸入エア空間１７４と連通される。これにより、蓄圧室１ｂは、燃焼室１０および混合室１１４と連通される。

エア吸入バルブ１８０は、下部ハウジング１７２の長孔１７２ａ内を上下動自在に配設され、内部に吸入エア通路１８１ａを形成する圧縮エア管１８１と、圧縮エア管１８１の上端部に嵌合して取り付けられ、上部ハウジング１７１の収容孔１７１ｃの下部に上下動自在に配設されたコア１８２と、圧縮エア管１８１の下端部に取り付けられて圧縮エア管１８１の上下動に伴ってエア吸入口１７７を開閉するプラグ部材１８３と、下部ハウジング１７２の上面に形成された収容溝１７２ｂに収容保持され、コア１８２の下面と下部ハウジング１７２との間に跨設されてコア１８２を上方に付勢するスプリング１８４と、制御装置２００からの制御信号を受けて励磁されるコイル１８５とから構成される。

コイル１８５が非励磁のときには、スプリング１８４によりコア１８２が上方に付勢され、プラグ部材１８３がエア吸入口１７３を閉塞する。コイル１８５が励磁されると、コア１８２がスプリング１８４の付勢力に抗して電磁石となったコイル１８５に向けて下動し、プラグ部材１８３がエア吸入口１７３を開放する。

なお、インジェクタ取付空間７６は、燃焼室１０の頂部から上方に延びて形成され、電磁バルブ取付空間はこのインジェクタ取付空間７６の左方を延びて形成されている。このため、混合気インジェクタ１００の混合気噴射口１１７（プラグ部材１２３）は、燃焼室１０の中心部に臨んでいる。一方、電磁バルブ１７０のエア吸入口１７３（プラグ部材１８３）は、燃焼室１０の中心部の外側に臨んでいる。

図１１には、エアインジェクタ１１０、燃料インジェクタ１４０、および、電磁バルブ１７０を作動制御する制御装置２００を示している。制御装置２００には、吸気管１４に設けられる図示しないスロットルバルブの開度を検出するスロットル開度センサ２０６からの開度検出信号、エンジン回転数を検出する回転数センサ２０７からの回転数検出信号、クランク角を検出するクランク角センサ２０８からのクランク角検出信号がそれぞれ入力される。

制御装置２００には、メモリ２０１が備えられている。制御装置２００は、入力された開度検出信号および回転数検出信号に基づいてメモリ２０１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。制御装置２００は、設定されたパラメータと、入力されたクランク角検出信号に基づいて、コイル１２５，１４５，１８５に制御信号を出力し、エアインジェクタ１１０、燃料インジェクタ１４０、および、電磁バルブ１７０の作動制御を行うように構成されている。また、同様にして点火プラグ９に制御信号を出力し、点火プラグ９の作動制御を行うように構成されている。

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２０が図３に示すようにクランクケース４に取り付けられている。このスタータモータ２０の駆動軸にはスタータピニオン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６の左シャフト部６ａにワンウェイクラッチを介して取り付けられたスタータギヤ２１と噛合している。クランクシャフト６の左シャフト部６ａの端部には発電機２２が取り付けられており、クランクシャフト６により駆動されて発電を行う。なお、この発電機２２の内部に上記ワンウェイクラッチが配設されている。

スタータモータ２０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２１が回転してクランクシャフト６が回転し、エンジンＥが始動される。これにより、圧縮機５０が駆動されて圧縮されたエアが所定のタイミングでエアインジェクタ１１０の混合室１１４に供給される。このとき同時にクランクシャフト６の回転により燃料ポンプＰが駆動され、燃料が燃料インジェクタ１４０の燃料室１４３に供給される。制御装置２００により、クランク角が所定の角度範囲にあるときに燃料噴射バルブ１５０のコイル１５５に制御信号が出力され、燃料室１４３内の燃料が混合室１１４に噴射される。

なお、制御装置２００は、メモリ２０１に記憶されるマップの設定により、入力される開度検出信号や回転数検出信号に応じて角度範囲を適宜変更する制御を行うように構成されている。これにより、スロットルバルブの開度やエンジン回転数に応じて燃焼室１０に供給される燃料量が最適になるように、燃料室１４３から混合室１１４に供給される燃料量の調整が行われる。

次に、圧縮行程における混合気インジェクタ１００および電磁バルブ１７０の作動について説明する。図１２に示すように、制御装置２００は、ピストン５の圧縮工程において、下死点近傍の第１クランク角ｔ₁になると、エア噴射バルブ１２０のコイル１２５に制御信号を出力するように構成されている。さらにクランク角が進角して第２クランク角ｔ₂になったときに、制御信号の出力を停止する。したがって、第１クランク角ｔ₁から第２クランク角ｔ₂までの角度範囲において、混合気噴射口１１７が開放されて混合室１１４から混合気が燃焼室１０に噴射される。このとき、シリンダ室３ａの内圧Ｐは図１２に示す第２圧力値Ｐ₂を示しており、燃料噴射終了後における混合室１１４、エア通路１ａ、および、蓄圧室１ｂの内圧はこの第２圧力値Ｐ₂になっている。

なお、混合気インジェクタ１００のプラグ部材１２３は燃焼室１０の中心部に臨んでいるとともに、ピストン５の上面の中央部にはキャビティー部５ａが形成されている。このため、噴射された混合気はキャビティー部５ａに集められる。これにより、燃焼室１０では、中心部に燃料を含むエアが多く分布するとともに、その外側に燃料を含まないエアが多く分布し、略層状化された気場が形成される。

ピストン５がさらに上動し、第３クランク角ｔ₃まで進角すると、制御装置２００によりエア吸入バルブ１８０のコイル１８５に制御信号が出力され、エア吸入口１７３が開放される。このとき、シリンダ室３ａの内圧Ｐは、混合気インジェクタ１００による燃料噴射終了時における第２圧力値Ｐ₂よりも差圧ΔＰだけ大きい第３圧力値Ｐ₃となる。

このようにシリンダ室３ａの内圧Ｐが混合室１１４側の内圧よりも高いため、燃焼室１０（シリンダ室３ａ）のエアがエア吸入口１７３から電磁バルブ１７０の内部に吸い込まれる。さらに、ピストン５が上動して第４クランク角ｔ₄まで進角すると、制御装置２００による制御信号の出力が停止され、エア吸入口１７３が閉塞される。このとき、シリンダ室３ａの内圧Ｐは、ピストン５の上動に伴う圧縮によりエア吸入口１７３の開放時よりも高くなり、図１２に示す第４圧力値Ｐ₄を示す。これにより、プラグ部材１８３よりも上方側、すなわち、吸入エア通路１８１ａ、吸入エア空間１７４、蓄圧室１ｂ、貫通孔１７５、エア通路１ａ、および、混合室１１４には、この第４圧力値Ｐ₄の圧力が蓄えられる。

図１３には、圧縮行程におけるシリンダ室３ａの体積Ｖとシリンダ室３ａの内圧Ｐとの関係を示している。実線Ａは電磁バルブ１７０を備えずに構成された従来形態のエンジンにおける関係を示しており、一点鎖線Ｂは本構成例のエンジンＥにおける関係を示している。シリンダ室３ａの体積Ｖが第３体積値Ｖ₃になったとき、すなわち、クランク角が第３クランク角ｔ₃になったときにエア吸入口１７３が開放され、第４体積値Ｖ₄になったとき、すなわち、クランク角が第４クランク角ｔ₄になったときにエア吸入口１７３が閉塞される。

一点鎖線Ｂによると、エア吸入口１７３が開放されている間（Ｖ₃＞Ｖ＞Ｖ₄）においては、緩やかにシリンダ室３ａの内圧Ｐが上昇し、エア吸入口１７３の閉塞後（Ｖ＜Ｖ₄）においては、シリンダ室３ａの内圧Ｐが急激に上昇している。このように、本構成例のエンジンＥは、電磁バルブ１７０の開閉作動により、エア吸入口１７３が閉塞される第４体積値Ｖ₄を境とする可変圧縮が実現される。

また、本構成例においてエア吸入口１７３が閉塞される第４体積値Ｖ₄に対応する第４圧力値Ｐ₄は、エア吸入空間１７４や蓄圧室１ａなどにシリンダ室３ａ内のエア圧が逃げるため、実線Ａで示される従来の圧力値Ｐ₄′に比べて低減される。このように、エア吸入口１７３の開放後においては、閉塞後も含めて、本構成例のエンジンＥにおけるシリンダ室３ａの内圧Ｐは、同じシリンダ室３ａの体積Ｖに対して従来よりも低い値で推移しており、実線Ａと一点鎖線Ｂとにより形成される斜線領域Ｃで表されるようにエンジンＥが圧縮行程で必要とする仕事量が低減されることがわかる。

エア吸入口１７３の閉塞後にピストン５が上動してクランク角が第５クランク角ｔ₅まで進角すると、制御装置２００は点火プラグ９に制御信号を出力して先端部９ａによる放電を行わせる。これにより、燃焼室１０に噴射された混合気の点火燃焼が行われる。

そして、次の圧縮行程において、エアインジェクタ１０の混合気噴射口１１７が開放されると、吸入エア通路１８１ａ、吸入エア空間１７４、蓄圧室１ｂ、貫通孔１７５、および、エア通路１ａに蓄えられた第４圧力値Ｐ₄のエアが、混合室１１４に供給される。

このように、本構成例においては、燃焼室１０と混合室１１４とが上記連通空間を介して連通され、この連通空間を開閉する電磁バルブ１７０が設けられている。そして、混合気インジェクタ１００は、圧縮行程においてピストン５が下死点側に位置している間に、混合気を噴射するようになっている。電磁バルブ１７０は、圧縮行程において混合気の噴射後に開弁作動する。これにより、混合気噴射口１１７の閉塞時とエア吸入口１７３の開放時との間に行われたピストン５の上動により生じる差圧ΔＰを利用して、燃焼室１０内で圧縮されたエアが混合室１１４に供給される。このため、圧縮機５０の圧縮室５０ａの容量を小さくして構成しても混合気インジェクタ１００を作動させるための圧縮エアを供給でき、圧縮機５０を小型化できる。この小型化により、圧縮機５０の配置スペースを小さくでき、エンジンＥを全体的に小型化できる。また、圧縮機５０の小型化により、ポンプフリクションによる出力損失の低減が図られ、燃費の向上を図ることができる。さらには、圧縮機５０を省略して構成することも可能であり、同様にエンジンＥの小型化と燃費の向上が図られる。

また、燃焼室１０と混合室１１４とを連通させる連通空間には、ヘッドカバー１に形成された所定容量の蓄圧室１ｂが連通している。このため、混合室１１４へのエアの供給量をより多く確保することができ、圧縮機５０の小型化がより一層図られる。また、蓄圧室１ｂが形成されることにより、エア吸入口１７３を開閉するプラグ部材１８３から見て混合室１１４側の容量が大きくなる。このため、燃焼室１０内のエアが混合室１１４側により多く逃げ、エア吸入口１７３が開放されている間はシリンダ室３ａの内圧Ｐの上昇を緩やかにすることができる。したがって、圧縮行程で必要な仕事量の低減が図られ、熱効率の上昇や燃費の向上が図られる。

さらに、混合気噴射後において、燃焼室１０内には、中心部に燃料を含むエアが多く分布し、その外側に燃料を含まないエアが多く分布する略層状化された気場が形成される。電磁バルブ１７０のエア吸入口１７３は、中心部の外側に臨んでいるため、燃焼室１０から混合室１１４に、燃料を含まないフレッシュなエアが供給される。このため、エアおよび燃料の混合比の調整が正確に行われ、混合比のばらつきが低減される。これにより、狙いの最適な混合比で燃焼行程を行わせることができ、エンジンＥを安定して作動させることができる。さらに、オイル成分を捕捉するための濾過手段を連通空間に介設する必要がなく、簡易な構成でこのような効果が得られるエンジンＥを提供できる。

続いて、図１４，図１５を参照して第２構成例について説明する。図１４には、本構成例のエンジンＥ２を示している。エンジンＥ２は、上記構成例のエンジンＥと同様に、ヘッドカバー１、シリンダヘッド２、シリンダブロック３、クランクケース４とから構成されている。これら各部材１〜４を結合して形成されるハウジングＨの内部に、上記同様のピストン５と、クランクシャフト６と、コンロッド８と、点火プラグ９と、吸排気バルブ１８，１９と、混合気インジェクタ１００とが配設されている。本構成例のエンジンＥ２も、単気筒４ストローク型内燃機関であり、筒内直噴型内燃機関である。また、本構成例のエンジンＥ２は、上記構成例の電磁バルブ１７０を備えずに構成されている。

本構成例においては、クランクシャフト６と連動する圧縮機２５０がクランクケース４に結合されて設けられている。この圧縮機２５０は、クランクケース４に結合されて内部にクランク室４ａと連通する圧縮機シリンダ室２５１ａが形成された圧縮機シリンダ２５１と、圧縮機シリンダ２５１に結合されて圧縮機シリンダ室２５１ａの一端を閉塞する圧縮機シリンダヘッド２５２と、圧縮機シリンダ室２５１ａ内に摺動自在に配設された圧縮機ピストン２５３とから構成される。また、圧縮機２５０は、シリンダ室３ａのシリンダ軸と、圧縮機シリンダ室２５１ａのシリンダ軸とによりなす角が略９０度になるようにして設けられている。

そして、圧縮機ピストン２５３およびクランクシャフト６は、圧縮機コンロッド２５４を介して連結されて連動するようになっており、クランクシャフト６が一回転すると圧縮機ピストン２５３が圧縮シリンダ室２５１ａ内を一往復するようになっている。これにより、ピストン５が一往復すると圧縮機ピストン２５１が一往復するが、ピストン５と圧縮機ピストン２５２とは位相を逆にして連動するようになっている。すなわち、ピストン５と圧縮機ピストン２５３とは、ピストン５が上死点に位置しているときに圧縮機ピストン２５３が下死点に位置し、ピストン５が下死点に位置しているときに圧縮機ピストン２５３が上死点に位置するようにして連動する。

圧縮機ピストン２５３の上面と、圧縮機シリンダ室２５１ａの内周面と、圧縮機シリンダヘッド２５２の内壁面とにより囲まれて圧縮室２５５が形成される。この圧縮室２５５には吸入通路２６０および吐出通路２７０が接続されている。吸入通路２６０は、上流端が吸気管１４に繋がれている。吐出通路２７０は、下流端が混合気インジェクタ１００の混合室１１４に繋がれている。

吸入通路２６０には、吸入側チェックバルブ２６５が設けられており、吐出通路２７０には、吐出側チェックバルブ２７５が設けられている。吸入側チェックバルブ２６５は、圧縮機ピストン２５３が下動して圧縮室２５５内が負圧になり、吸入側チェックバルブ２６５の吸入側と吐出側の差圧が所定の圧力値になると開弁して吸入通路２６０を開放する。これにより、エアクリーナを通った吸入管１４からの清浄なエアが圧縮室２５５に供給される。吐出側チェックバルブ２７５は、圧縮機ピストン２５３が上動して圧縮室２５５内が正圧になり、吸入側と吐出側の差圧が所定の圧力値になると開弁して吐出通路２７０を開放する。これにより、圧縮室２５５で圧縮されたエアが混合室１１４に供給される。なお、このとき、吸入側チェックバルブ２６５により吸入通路２６０での逆流が防止される。

また、吐出側チェックバルブ２７５の開弁圧は、吸入側チェックバルブ２６５の開弁圧よりも高く設定されている。これにより、所定の圧力値まで圧縮された状態でエアが供給され、混合室１１４へのエア供給量が適切に調節されるようになっている。

混合気インジェクタ１００は、図示しない制御装置により作動制御される。本構成例の制御装置は、図１０に示す上記構成例と同様、スロットル開度センサ２０６、回転数センサ２０７、クランク角センサ２０８からの各検出信号が入力される。制御装置は、入力された検出信号に基づき、クランク角が所定の角度範囲にあるときに、コイル１２５，１５５に制御信号を出力し、エアインジェクタ１１０および燃料インジェクタ１４０を作動制御するように構成されている。

上記構成例と同様にスタータモータ２０が作動すると、クランクシャフト６が回転し、ピストン５が連動して往復動してエンジンＥが始動する。このクランクシャフト６の回転に伴って圧縮機ピストン２５３が往復動する。これにより、吐出側チェックバルブ２７５を介して所定の圧力値のエアが混合室１１４に供給される。燃料インジェクタ１４０の燃料室１４３から供給される燃料と、圧縮機２５０から供給された圧縮されたエアとを混合室１１４で混合して混合気が形成される。混合気インジェクタ１００は、制御装置による作動制御により、圧縮行程における所定のタイミングで混合気噴射口１１７から混合気を燃焼室１０に噴射する。

ここで、本構成例のエンジンＥ２においては、ピストン５の往復動と、圧縮機ピストン２５３の往復動とが逆の位相で行われるようになっている。これにより、ピストン５の往復動に伴って生じるおそれのある振動が、圧縮機ピストン２５３の往復動によって打ち消される。このように、本構成例においては、圧縮機２５０をバランサとして機能させることができるため、従来の内燃機関では圧縮機２５０と別体で専用に設けられていたバランサを省略でき、内燃機関の小型化を図ることができる。

なお、本構成例のエンジンＥ２は、シリンダ室３ａのシリンダ軸と、圧縮機シリンダ室２５１ａのシリンダ軸とでなす角が略９０度となるように、圧縮機２５０を設けて構成されているが、必ずしもこの角度設定に限られず、例えばシリンダブロック３と圧縮機シリンダ２５１とをクランクシャフト６を介して対向させ、両シリンダ軸でなす角が１８０度になるように設定してもよい。

本発明に係る筒内直噴型内燃機関の実施形態であるエンジンの正断面図である。 上記エンジンの側断面図である。 動弁機構を示す上記エンジンの断面図である。 混合気インジェクタを構成するエアインジェクタの断面図である。 混合気インジェクタを構成する燃料インジェクタの断面図である。 圧縮機の正断面図である。 圧縮機の側断面図である。 圧縮機の平断面図である。 圧縮機シリンダヘッドを拡大して示す圧縮機の正断面図である。 蓄圧バルブの断面図である。 制御装置の構成を示すブロック図である。 圧縮行程におけるクランク角とシリンダ室の内圧の関係を示すグラフである。 圧縮行程におけるシリンダ室の体積とシリンダ室の内圧の関係を示すグラフである。 第２の本発明に係る筒内直噴型内燃機関の構成例であるエンジンの側断面図である。 上記エンジンの構成を模式的に示す概略構成図である。

符号の説明

Ｅ，Ｅ２ エンジン
ＣＨ ヘッド部材
１ ヘッドカバー
１ａ 連通路
１ｂ 蓄圧室
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
５ ピストン
６ クランクシャフト
１０ 燃焼室
５０ 圧縮機
１００ 混合気インジェクタ
１１０ エアインジェクタ
１１４ 混合室
１１７ 混合気噴射口
１２３ プラグ部材
１４０ 燃料インジェクタ
１５０ 燃料噴射バルブ
１７０ 電磁バルブ
１７３ エア吸入口
１８０ エア吸入バルブ
１８３ プラグ部材
２００ 制御装置
２５０ 圧縮機
２５３ 圧縮機シリンダ
２５２ 圧縮機シリンダヘッド
２５３ 圧縮機ピストン
２５４ 圧縮機コンロッド
２５５ 圧縮室
２６０ 吸入通路
２６５ 吸入側チェックバルブ
２７０ 吐出通路
２７５ 吐出側チェックバルブ

Claims (2)

1. ピストンと、
   内部に形成されたシリンダ室に前記ピストンが往復動自在に配設されるシリンダと、
   前記シリンダに結合されて前記ピストンの上面および前記シリンダ室の内周面とともに燃焼室を形成するヘッド部材と、
   前記ヘッド部材に取り付けられて前記燃焼室に臨み、内部に形成された混合室でエアおよび燃料を混合し、エアおよび燃料の混合気を前記燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁と、
   前記ヘッド部材に取り付けられて前記燃焼室に臨み、前記混合気噴射弁により前記燃焼室に噴射された前記混合気に点火する点火プラグとを有して構成される筒内直噴型内燃機関において、
   前記ヘッド部材に取り付けられ、前記燃焼室内のエアを前記混合気噴射弁の前記混合室に供給するための電磁弁を備え、
   前記ヘッド部材に前記電磁弁内の吸入エア空間と前記混合室とを連通させるエア通路が形成され、
   前記ピストンには、上面中央部に凹状のキャビティー部が形成され、
   前記電磁弁のエア吸入口が前記燃焼室の端部であって前記キャビティー部の外側の前記ピストン上面と対向するように配置されるとともに、前記混合気噴射弁の混合気噴射口が前記燃焼室の中央部であって前記キャビティー部と対向するように配置され、
   前記電磁弁は、内燃機関の圧縮行程で前記エア吸入口を開放するように作動し、前記燃焼室内で圧縮されたエアが前記エア吸入口から吸い込まれて前記吸入エア空間および前記エア通路を介して前記混合室に供給されるように構成され、前記ヘッド部材の前記混合気噴射弁を挟んだ前記点火プラグと反対側に前記混合気噴射弁と並列かつ隣接して取り付けられたことを特徴とする筒内直噴型内燃機関。
2. 前記ヘッド部材は、前記シリンダに結合されるシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに結合されるヘッドカバーとから構成され、
   前記ヘッドカバーに所定の容量を有した蓄圧室が前記電磁弁の前記吸入エア空間と一体となるように形成され、前記ヘッドカバーに前記吸入エア空間、前記エア通路および前記混合室が一方向に並んで設けられたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴型内燃機関。

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