(57)【要約】【課題】  内燃機関の熱効率の向上を図る。【解決手段】  本発明では、シリンダブロック１と、シリンダブロック１内に摺動自在に嵌合するピストン３と、ピストン３と連結されるクランクシャフト５と、ピストン３とクランクシャフト５とを連結するコネクティング手段１０とを備え、コネクティング手段１０が、クランクシャフト５の回転に応じたピストン３の下降速度をピストン３の上昇速度より小さくするリンク機構１９を有して構成されたエンジンＥにおいて、燃焼室４内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置を備えて構成される。【選択図】  図２
2005325814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、
前記ピストンと連結されるクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティング手段とを備え、
前記コネクティング手段が、前記クランクシャフトの回転に応じた前記ピストンの下降速度を前記ピストンの上昇速度より小さくするリンク機構を有して構成された内燃機関において、
前記内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置を備えて構成されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記リンク機構は、
一端が前記ピストンと枢結されるとともに他端に中間ピンが設けられた第１コネクティングロッドと、
一端が前記中間ピンと枢結されるとともに他端が前記クランクシャフトと枢結された第２コネクティングロッドと、
一端が前記中間ピンと枢結されるとともに他端が前記クランクシャフトの下方に位置する固定部と枢結されたリンクアームとを備え、
前記ピストンが上死点に位置すると、前記第１コネクティングロッドの向きが前記シリンダの中心軸に対してほぼ平行になるとともに、前記第２コネクティングロッドの向きが前記シリンダの中心軸に対してほぼ直角になるように構成され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】
シリンダと、
前記シリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、
前記ピストンと連結されるクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティング手段と、
前記シリンダの一端に設けられて前記ピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダヘッドとを備え、
前記シリンダヘッドが前記ピストンと前記クランクシャフトとの間に配設されるように構成された内燃機関において、
前記燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置を備えて構成されることを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射装置は、前記燃料と圧縮空気とを混合した混合気を前記燃焼室内へ噴射供給するように構成されており、
前記ピストンは、前記燃料噴射装置から噴射された混合気の大部分を受容するキャビティ部を備えて構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダに摺動自在に嵌合するピストンがコネクティング手段を介してクランクシャフトと連結される内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような内燃機関には、例えば、特開２０００−５５１６４号公報や、特開平７−１１９７１号公報で開示されるように、ピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティングロッド（コネクティング手段）を、ピストン側の第１コネクティングロッドと、クランクシャフト側の第２コネクティングロッドとに２分割して中間ピンにより枢結し、さらに中間ピンと固定部とをリンクアームで連結したものが知られている。
【０００３】
ところで、内燃機関の混合気の燃焼時における等容度を高めて熱効率を向上させ、また、吸気効率の向上やポンピングロスの低減を図るためには、膨張行程で上死点からピストンがゆっくりと（低速で）下降することが望ましい。そこで、例えば、特開２００３−８３１０１号公報で開示されるように、膨張行程（および吸気行程）のクランク角変化が１８０°より大きくなるようにした内燃機関が考案されている。このようにすれば、上死点付近のピストン下降速度が従来よりも遅くなるため、その間に燃焼を完了させて等容度を上げることで、熱効率の改善が期待できる。
【特許文献１】特開２００３−８３１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような内燃機関においては、燃焼室の容積が小さく、圧力の高い時間が長くなるため熱損失が増加するという課題がある。また、このような熱損失を減少させるため、冷却水の温度を上げたり、冷却水の水量を減じたりしても排気損失が増加し、熱効率の改善に繋がりにくいことが知られている。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の熱効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的達成のため、本発明では、シリンダ（例えば、実施形態におけるシリンダブロック１）と、シリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、ピストンと連結されるクランクシャフトと、ピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティング手段とを備え、コネクティング手段が、クランクシャフトの回転に応じたピストンの下降速度をピストンの上昇速度より小さくするリンク機構を有して構成された内燃機関（例えば、実施形態におけるエンジンＥ）において、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置（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。
【０００７】
また、上述の発明において、リンク機構は、一端がピストンと枢結されるとともに他端に中間ピンが設けられた第１コネクティングロッドと、一端が中間ピンと枢結されるとともに他端がクランクシャフトと枢結された第２コネクティングロッドと、一端が中間ピンと枢結されるとともに他端がクランクシャフトの下方に位置する固定部と枢結されたリンクアームとを備え、ピストンが上死点に位置すると、第１コネクティングロッドの向きがシリンダの中心軸（例えば、実施形態におけるシリンダブロック１の軸線Ｌ２）に対してほぼ平行になるとともに、第２コネクティングロッドの向きがシリンダの中心軸に対してほぼ直角になるように構成されることが好ましい。
【０００８】
さらに、第二の発明では、シリンダと、シリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、ピストンと連結されるクランクシャフトと、ピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティング手段（例えば、実施形態におけるコネクティングロッド４２１）と、シリンダの一端に設けられてピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダヘッドとを備え、シリンダヘッドがピストンとクランクシャフトとの間に配設されるように構成された内燃機関（例えば、実施形態におけるエンジンＥ２）において、燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置を備えて構成される。
【０００９】
また、上述の各発明において、燃料噴射装置は、燃料と圧縮空気とを混合した混合気を燃焼室内へ噴射供給するように構成されており、ピストンは、燃料噴射装置から噴射された混合気の大部分を受容するキャビティ部を備えて構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料噴射装置を用いた成層燃焼により熱損失が減少するため、上死点付近のピストン速度を小さくする効果が熱効率の改善に繋がり、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【００１１】
また、上述の発明において、ピストンが上死点に位置するときに、第１コネクティングロッドの向きがシリンダの中心軸に対してほぼ平行になるとともに、第２コネクティングロッドの向きがシリンダの中心軸に対してほぼ直角になるように構成されることで、シリンダの中心軸方向における内燃機関の寸法を小さくすることができる。
【００１２】
さらに、第二の発明によれば、上死点付近におけるクランクシャフトの回転に応じたピストンの下降速度および上昇速度が従来のものより小さくなるため、同様に、燃料噴射装置を用いた成層燃焼により熱損失が減少することで、上死点付近のピストン速度を小さくする効果が熱効率の改善に繋がり、内燃機関の熱効率を向上させることができる。さらに、ピストンの上昇速度も小さくすることができるため、燃料噴射のタイミングが早められて燃料霧化が良好となり、内燃機関の熱効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また、上述の各発明において、ピストンが混合気の大部分を受容するキャビティ部を備えて構成されることで、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ため、より安定した成層燃焼が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明に係る内燃機関の一例であるエンジンＥを図１および図２に示している。このエンジンＥは、二輪車に搭載される単気筒のエンジンであり、クランクシャフト５の回転駆動力を図示しない変速機により伝達（変速）して二輪車の後輪（図示せず）を回転駆動するように構成されている。なお、本明細書において、エンジンＥに構成されるピストン３の上死点の方向および下死点の方向を、それぞれ上方および下方と定義する。
【００１５】
エンジンＥは、円筒状のシリンダ内周面１ａを有するシリンダブロック１と、シリンダブロック１の上面を覆って取り付けられたシリンダヘッド２とを有して構成されており、シリンダブロック１内（シリンダ内周面１ａ）にピストン３が軸方向へ摺動移動可能に嵌合する。ピストン３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容し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）３ｂが設けられている。
【００１６】
シリンダヘッド２には、図１に示すように、点火プラグ２１および混合気噴射インジェクタ１００が取り付けられており、シリンダブロック１内においてシリンダヘッド２とピストン３とに囲まれた燃焼室４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。また、図２に示すように、シリンダヘッド２には、吸気バルブ２３および排気バルブ２４がバルブスプリング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はシリンダヘッド２に形成された吸気通路２ａを開閉し、排気バルブ２４は排気通路２ｂを開閉する。なお、吸気通路２ａには吸気マニホールド２５が繋がり、排気通路２ｂの出口端２ｃには排気マニホールド（図示せず）が繋がる。
【００１７】
シリンダブロック１を支持するハウジングＨＳＧ内には、図２に示すように、シリンダブロック１の軸線Ｌ２（シリンダ内周面１ａに囲まれて形成される空間の中心軸）に対して直角に延びるクランクシャフト５が回転自在に取り付けられる。クランクシャフト５は、第１および第２コネクティングロッド１１，１２からなるコネクティング手段１０を用いてピストン３と連結されており、クランクシャフト５の軸線Ｌ１（中心軸）がシリンダブロック１の軸線Ｌ２に対して一側方に偏倚するように配置される。
【００１８】
第１コネクティングロッド１１は、上下方向へ延びるように形成されており、一端がピストンピン３ａを介してピストン３と枢結されるとともに、他端が中間ピン１３を介して第２コネクティングロッド１２の一端と枢結される。第２コネクティングロッド１２は、左右方向へ延びるように形成されており、一端が中間ピン１３を介して第１コネクティングロッド１１の他端と枢結されるとともに、他端がクランクピン５ａを介してクランクシャフト５と枢結される。また、中間ピン１３にはリンクアーム１４の一端が枢結されており、その他端がクランクシャフト５の下方に位置する固定部１５に支点ピン１６を介して枢結される。
【００１９】
ピストン３が上死点にあるとき、第１コネクティングロッド１１の軸線Ｌ３（すなわち、ピストンピン３ａの軸線Ｌ４と中間ピン１３の軸線Ｌ５とを結ぶ線分）はシリンダブロック１の軸線Ｌ２にほぼ一致しており、第２コネクティングロッド１２の軸線Ｌ６（すなわり、中間ピン１３の軸線Ｌ５とクランクピン５ａの軸線Ｌ７とを結ぶ線分）は、第１コネクティングロッド１１の軸線Ｌ３にほぼ直交している。すなわち、ピストン３が上死点に位置すると、第１コネクティングロッド１１の向きがシリンダブロック１の軸線Ｌ２（シリンダ内周面１ａに囲まれて形成される空間の中心軸）に対してほぼ平行になるとともに、第２コネクティングロッド１２の向きがシリンダブロック１の軸線Ｌ２に対してほぼ直角になるように構成される。またこのとき、リンクアーム１４の軸線Ｌ８（つまり中間ピン１３の軸線Ｌ５と支点ピン１６の軸線Ｌ９とを結ぶ線分）は、第１コネクティングロッド１１の軸線Ｌ３に対して図２中において左下がりに傾斜している。
【００２０】
なお、上記第１コネクティングロッド１１、第２コネクティングロッド１２およびリンクアーム１４は、本発明におけるリンク機構１９を構成する。
【００２１】
また、クランクシャフト５の回転方向は、ピストン３が上死点から下死点へ下降する間に、クランクピン５ａが上昇したのち下降する方向に設定される。
【００２２】
図３には、ピストン３が下死点にあるときの状態が示されている。ピストン３が上死点から下死点に移動するとき、第１コネクティングロッド１１の下端に位置する中間ピン１３の軸線Ｌ５は、リンクアーム１４に拘束されて支点ピン１６の軸線Ｌ９を中心とする円弧Ｒ上を移動する。その間、中間ピン１３の軸線Ｌ５はシリンダブロック１の軸線（中心軸）Ｌ２よりも図中左側に出ることはない。
【００２３】
そしてピストン３が上死点から下死点に移動する間にクランクシャフト５は２１６°回転し、ピストン３が下死点から上死点に移動する間にクランクシャフト５は１４４°回転する。つまり、本実施形態のエンジンＥは、リンク機構１９により、膨張行程および吸気行程の期間（クランク角）が圧縮行程および排気行程の期間（クランク角）よりも長くなり、クランクシャフト５の回転に応じたピストン３の下降速度がピストン３の上昇速度より小さくなる。
【００２４】
図４はクランク角に対するピストンのストロークの関係を示すもので、そのうちの二点鎖線は、シリンダ軸線上にクランクシャフトの軸線を配置してピストンピンとクランクピンとを１本のコネクティングロッドで連結した従来のエンジン（内燃機関）の特性を示している。上記二点鎖線の特性はサインカーブ（破線）と類似のもので、上死点を中心にして遅れ側（圧縮行程および排気行程）と進み側（膨張行程および吸気行程）とが対称である。それに対して実線で示す本実施形態の特性は、上述したように膨張行程および吸気行程の期間が圧縮行程および排気行程の期間よりも長くなるため、上死点を中心にして遅れ側と進み側とが非対称になる。
【００２５】
ところで、本実施形態のエンジンＥは４ストロークタイプエンジンであり、ピストン３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。そして、図５に示すように、吸排気バルブ２３，２４の開閉作動のため、クランクシャフト５の第１スプロケット３０と第１中間スプロケット３１ａとの間に第１チェーン３２ａが掛け回されるとともに、第１中間スプロケット３１ａと一体に設けられた第２中間スプロケット３１ｂとカムシャフト３４の第２スプロケット３３との間に第２チェーン３２ｂが掛け回されている。第１スプロケット３０はクランクシャフト５の端部に結合して設けられ、第１および第２中間スプロケット３１ａ，３１ｂはハウジングＨＳＧ内における第１スプロケット３０の右方に位置して設けられるとともに、第２スプロケット３３はシリンダブロック１の側部に回転自在に設けられたカムシャフト３４に設けられる。
【００２６】
第１および第２スプロケット３０，３３の歯数は（第１および第２中間スプロケット３１ａ，３１ｂを介して）１：２に設定されており、クランクシャフト５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によりシリンダブロック１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５を参照）。
【００２７】
一方、シリンダヘッド２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。
【００２８】
上記構成の機構においては、クランクシャフト５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５の二回転ごとに一回）上下に揺動される。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２ａ，２ｂを燃焼室４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。
【００２９】
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４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（成層燃焼）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。
【００３０】
上記混合気噴射インジェクタ１００は、図１０および図１１に示すように、加圧された混合室１３４（図１０を参照）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４内に噴射するエアインジェクタ１１０と、燃料ポンプＰ（図１１を参照）から燃料供給管路２７（図７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。
【００３１】
図１０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１０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とを主体に構成される。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。
【００３２】
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１０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。
【００３３】
燃料インジェクタ１４０は、図１１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とを主体に構成される。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。
【００３４】
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１１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。
【００３５】
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４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）。
【００３６】
圧縮機５０は、図６および図７に示すように、シリンダブロック１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、シリンダブロック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、図８に示すように、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。
【００３７】
このような構成の圧縮機において、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３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５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５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９を参照）内に空気を吸入して圧縮する。
【００３８】
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９を参照）。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９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が形成されている。
【００３９】
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９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５２ｂ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９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。
【００４０】
以上の説明から分かるように、クランクシャフト５が回転されると、この回転が第１〜第３チェーン３２ａ，３２ｂ，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５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５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９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９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５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。
【００４１】
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。
【００４２】
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７に示すように、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５を参照）。
【００４３】
一方、図８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。
【００４４】
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５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５に示す冷却水入口部８８に繋がり、ここからシリンダブロック１及びシリンダヘッド２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シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の冷却を行った冷却水は冷却水出口部８９（図１を参照）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８を参照）。
【００４５】
なお、図５に示すように、ハウジングＨＳＧにはエンジンＥを始動させるためのスタータモータＳＭが取り付けられている。スタータモータＳＭ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５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（図示せず）と噛合している。
【００４６】
このように構成されるエンジンＥにおいて、エンジンＥを始動するためにスタータモータＳＭが駆動されると、スタータピニオン（図示せず）を介してスタータギヤ（図示せず）が回転駆動され、クランクシャフト５が回転駆動される。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５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。
【００４７】
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。
【００４８】
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４内に噴射される。
【００４９】
そして、ピストン３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３の上面にはキャビティ部３ｂが設けられており、そのキャビティ部３ｂ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。
【００５０】
このようにして、混合気噴射インジェクタ１００を用いた成層燃焼により熱損失が減少するため、上死点付近のピストン速度を小さくする効果が熱効率の改善に繋がり、エンジンＥの熱効率を向上させることができる。すなわち、図４に示すように、エンジンＥにおける膨張行程の期間が排気行程の期間よりも長く、クランクシャフト５の回転に応じたピストン３の下降速度が小さくなるため、混合気の燃焼時における等容度が高められて熱効率が向上する。
【００５１】
また、ピストン３が上死点に位置するときに、第１コネクティングロッド１１の向きがシリンダブロック１の軸線Ｌ２（シリンダ内周面１ａに囲まれて形成される空間の中心軸）に対してほぼ平行になるとともに、第２コネクティングロッド１２の向きがシリンダブロック１の軸線Ｌ２に対してほぼ直角になるように構成されることで、シリンダブロック１の軸線Ｌ２方向におけるエンジンＥの寸法を小さくすることができる。
【００５２】
さらに、ピストン３が混合気の大部分を受容するキャビティ部３ｂを備えて構成されることで、キャビティ部３ｂ内に混合気を充分に確保することができるため、より安定した成層燃焼が可能となる。
【００５３】
なお、上述の実施形態において、ピストン３が上死点にあるとき、第２コネクティングロッド１２がシリンダブロック１の軸線Ｌ２に対して直交する方向に延びているが、例えば、図１２に示すように、第２コネクティングロッド２１２の軸線Ｌ６がシリンダブロック１の軸線Ｌ２に直交する方向に対して僅かに斜め上方に延びるようにしてもよく、また例えば、図１３に示すように、第２コネクティングロッド３１２の軸線Ｌ６がシリンダブロック１の軸線Ｌ２に直交する方向に対して僅かに斜め下方に延びるようにしてもよい。
【００５４】
なお、図１２においては、図２に示す上記実施形態のエンジンＥと同様の構成であるため、第１および第２コネクティングロッド２１１，２１２からなるコネクティング手段２１０以外の部位には、同一番号を付している。また同様に、図１３においては、図２に示す上記実施形態のエンジンＥと同様の構成であるため、第１および第２コネクティングロッド３１１，３１２からなるコネクティング手段３１０以外の部位には、同一番号を付している。
【００５５】
このとき、図１２に示すコネクティング手段２１０において、ピストン３が上死点にあるときにシリンダブロック１の軸線Ｌ２上にある中間ピン１３の軸線Ｌ５の位置をＱ１とし、クランクシャフト５の軸線Ｌ１からシリンダブロック１の軸線Ｌ２に下ろした垂線の足をＳとしたとき、Ｑ１はＳの下側にある。また、図１３に示すコネクティング手段３１０においては、ピストン３が上死点にあるときにシリンダブロック１の軸線Ｌ２上にある中間ピン１３の軸線Ｌ５の位置をＱ２とし、クランクシャフト５の軸線Ｌ１からシリンダブロック１の軸線Ｌ２に下ろした垂線の足をＳとしたとき、Ｑ２はＳの上側にある。
【００５６】
図１２および図１３に示すコネクティング手段２１０，３１０においては、ピストン３が上死点にあるときに第２コネクティングロッド２１２，３１２が第１コネクティングロッド２１１，３１１に対してほぼ直角に配置されるため、上記実施形態の作用効果をそのまま達成することができる。しかしながら厳密に言うと、図１２に示すコネクティング手段２１０ではＱ１がＳの下側に位置するため、膨張行程でピストン３が上死点から下降するときに、第２コネクティングロッド２１２に引張荷重が作用する。また、図１３に示すコネクティング手段３１０ではＱ２がＳの上側に位置するため、膨張行程でピストン３が上死点から下降するときに、第２コネクティングロッド３１２に一瞬だけ圧縮荷重が作用する。従って、第２コネクティングロッドの強度上の観点からは、それに圧縮荷重が作用しない図１２に示すコネクティング手段２１０の配置の方が有利であり、このような配置を採用することで第２コネクティングロッドを小径化して重量の軽減に寄与することができる。
【００５７】
また、上述の実施形態において、本発明に係る内燃機関の一例として二輪車に用いられる４サイクルのエンジンＥを用いて説明したが、これに限られるものではなく、四輪車のエンジン（内燃機関）や、２サイクルのエンジン（内燃機関）に対しても本発明を適用することができる。
【００５８】
さらに、図１４に示すように、シリンダ４１５と、シリンダ４１５に摺動自在に嵌合するピストン４１６と、ピストン４１６と連結されるクランクシャフト４１９と、ピストン４１６とクランクシャフト４１６とを連結するコネクティングロッド４２１と、シリンダ４１５の一端に設けられてピストン４１６との間に燃焼室（図示せず）を形成するシリンダヘッド４１２とを備え、シリンダヘッド４１２がピストン４１６とクランクシャフト４１９との間に配設されるように構成されたエンジンＥ２において、燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置（混合気噴射インジェクタ）を設けるようにしてもよい。このようにすれば、上述のエンジンＥと同様に、エンジンＥ２の熱効率を向上させることができる。
【００５９】
このような第二の発明に係るエンジンＥ２を備えた自動二輪車用のパワーユニットＰＵを図１４に示しており、このパワーユニットＰＵは、ミッションケース４１１と、ミッションケース４１１の前面に締結されたシリンダヘッド４１２と、シリンダヘッド４１２の前面に締結されたシリンダブロック４１３と、シリンダブロック４１３の前面に締結されたカバー４１４とから構成される。なお、以下の説明においては、図１４における左方をパワーユニットＰＵの前方とする。シリンダブロック４１３の内部に支持されたシリンダ４１５にピストン４１６が摺動自在に嵌合しており、このピストン４１６から前方に向けて一体に突出する脚部４１６ａ，４１６ａの前端にピストンピン４１７が固設される。また、ピストン４１６が図１４に示す上死点にあるときにピストンピン４１７との干渉を回避するため、シリンダ４１５の前端にＵ字状の切欠４１５ａが形成される。
【００６０】
シリンダヘッド４１２およびミッションケース４１１の合わせ面に支持されたクランクシャフト４１９は一対のクランクピン４１９ａを備えて構成されており、一対のコネクティングロッド４２１の後端がニードルベアリング４２０を介してこのクランクピン４１９ａと枢結される。また、一対のコネクティングロッド４２１の前端は、シリンダヘッド４１２の開口（図示せず）およびシリンダブロック４１３の開口（図示せず）を通ってピストンピン４１７の両端に枢結される。
【００６１】
ピストン４１６の頂面に対向するようにシリンダヘッド４１２に燃焼室（図示せず）が形成されており、この燃焼室から上方に延びる吸気ポート（図示せず）および下方に延びる排気ポート（図示せず）は、Ｖ字状に配置された吸気弁４２５および排気弁４２６でそれぞれ開閉される。また、燃焼室には吸気弁４２５および排気弁４２６と干渉しないように点火プラグ（図示せず）が装着される。
【００６２】
ミッションケース４１１には吸気ロッカーシャフト４３０および排気ロッカーシャフト４３１が支持されており、吸気ロッカーシャフト４３０に揺動自在に支持された吸気ロッカーアーム４３２が、カムシャフト４２８に固定した吸気カム４３３および吸気弁４２５のステムエンドに当接する。排気ロッカーシャフト４３１にはＬ字状の従動排気ロッカーアーム４３４の中間部が揺動自在に支持されており、この従動排気ロッカーアーム４３４の一端は排気弁４２６のステムエンドに当接し、他端は連結ロッド４３５の一端に連結される。吸気ロッカーシャフト４３０には、前記吸気ロッカーアーム４３２に対して独立した駆動排気ロッカーアーム４３６が揺動自在に支持されており、この駆動排気ロッカーアーム４３６にカムシャフト４２８に固定された排気カム４３７が当接するとともに、連結ロッド４３５の他端が連結される。
【００６３】
カムシャフト４２８の回転は、吸気カム４３３および吸気ロッカーアーム４３２を介して吸気弁４２５に伝達され、クランクシャフト４１９の２回転につき１回の割合で吸気弁４２５を開弁駆動する。またカムシャフト４２８の回転は、排気カム４３７、駆動排気ロッカーアーム４３６、連結ロッド４３５および従動排気ロッカーアーム４３４を介して排気弁４２６に伝達され、クランクシャフト４１９の２回転につき１回の割合で排気弁４２６を開弁駆動する。
【００６４】
以上のように構成されるエンジンＥ２において、シリンダヘッド４１２がピストン４１６とクランクシャフト４１９とに挟まれた位置に配設されている。そして図１５には、上記エンジンＥ２の上死点を基準としたクランク角θと、上死点を基準としたピストン４１６の変位ｘとの関係が破線で示されている。ここで、ピストン４１６の上死点および下死点間のストロークは６０ｍｍである。図１５から分かるように、ピストン４１６が上死点および下死点の中点（変位が−３０ｍｍの点）にあるとき、クランク角θは９０°よりも大きい角度θｂとなる。それに対して実線で示す余弦カーブでは、ピストン４１６が上死点および下死点の中点にあるとき、クランク角θは９０°となる。
【００６５】
このように、第二の発明に係るエンジンＥ２では、クランク角θに対するピストン４１６の変位ｘの関係を示すライン（破線参照）が、実線で示す余弦カーブよりも上側に位置していることが分かる。このことは、ピストンの上死点付近において、クランク角θの変化量に対するピストン４１６の変位ｘの変化量が余弦カーブの特性に比べて小さいことを意味している。
【００６６】
前述したように、エンジンＥ２の熱効率を高めるには混合気の燃焼時の等容度を高めることが望ましく、そのためには膨張行程で上死点からピストン４１６が下降するときに、クランク角θの増加量に対する燃焼室（図示せず）の容積の増加量が小さいほど等容度が高められて熱効率が向上する。図１５から明らかなように、破線で示すエンジンＥ２の上死点付近におけるピストン４１６の変位ｘは、鎖線で示す従来のエンジンのピストンの変位ｘに比べて小さくなっている。すなわち、上死点付近におけるクランクシャフト４１９の回転に応じたピストン４１６の下降速度および上昇速度が従来のものより小さくなっている。
【００６７】
そして、このような第二の発明に係るエンジンＥ２が燃焼室内に直接燃料を噴射供給する燃料噴射装置を備えて構成されていれば、上死点付近におけるクランクシャフト４１９の回転に応じたピストン４１６の下降速度および上昇速度が従来のものより小さくなるため、燃料噴射装置を用いた成層燃焼により熱損失が減少することで、上死点付近のピストン速度を小さくする効果が熱効率の改善に繋がり、エンジンＥ２の熱効率を向上させることができる。さらに、ピストン４１６の上昇速度も小さくすることができるため、燃料噴射のタイミングが早められて燃料霧化が良好となり、エンジンＥ２の熱効率をさらに向上させることができる。なお、ピストン４１６が混合気の大部分を受容するキャビティ部を備えて構成されれば、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ため、より安定した成層燃焼が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る内燃機関の一例である二輪車のエンジンを、クランクシャフトおよびシリンダブロックの軸線を通る平面において切断して示す断面図である。
【図２】上記エンジンをシリンダブロックの軸線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（ピストンが上死点に位置する状態を示す）断面図である。
【図３】図２においてピストンが下死点に位置する状態を示す断面図である。
【図４】クランク角とピストンストロークとの関係を示すグラフである。
【図５】上記エンジンの正面前面側を示す部分断面図である。
【図６】上記エンジンに設けられる圧縮機の正断面図である。
【図７】上記圧縮機の側断面図である。
【図８】上記圧縮機及びウォーターポンプの平面断面図である。
【図９】上記圧縮機のシリンダヘッド部を拡大して示す正断面図である。
【図１０】エアインジェクタの断面図である。
【図１１】燃料インジェクタの断面図である。
【図１２】上記エンジンの変形例を示す側断面図である。
【図１３】上記エンジンの第２の変形例を示す側断面図である。
【図１４】第二の発明に係るエンジンの側断面図である。
【図１５】第二の発明に係るエンジンのクランク角とピストン変位との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
Ｅ  エンジン（内燃機関）
Ｅ２  第二の発明に係るエンジン（内燃機関）
Ｌ２  シリンダブロックの軸線
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
３  ピストン（３ａ  ピストンピン、３ｂ  キャビティ部）
４  燃焼室
５  クランクシャフト（５ａ  クランクピン）
１０  コネクティング手段
１１  第１コネクティングロッド
１２  第２コネクティングロッド
１３  中間ピン
１４  リンクアーム
１５  固定部
１９  リンク機構
１００  混合気噴射インジェクタ１００（燃料噴射装置）
２１０  コネクティング手段（変形例）
２１１  第１コネクティングロッド
２１２  第２コネクティングロッド
３１０  コネクティング手段（第二の変形例）
３１１  第１コネクティングロッド
３１２  第２コネクティングロッド
４１２  シリンダヘッド（別実施形態）
４１５  シリンダ
４１６  ピストン
４１９  クランクシャフト
４２１  コネクティングロッド（コネクティング手段）
【図１】
2005325814.tif 000003
【図２】
2005325814.tif 000004
【図３】
2005325814.tif 000005
【図４】
2005325814.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005325814.tif 000008
【図７】
2005325814.tif 000009
【図８】
2005325814.tif 000010
【図９】
2005325814.tif 000011
【図１０】
2005325814.tif 000012
【図１１】
2005325814.tif 000013
【図１２】
2005325814.tif 000014
【図１３】
2005325814.tif 000015
【図１４】
2005325814.tif 000016
【図１５】
2005325814.tif 000017