JPS5910724A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

排気ガス中の有害三成分ＨＣＸＣｏおよびＮＯｘを同時
に低減することのできる触媒として、三元触媒が知られ
ている。この三元触媒の浄化効率Ｒは第１（ａ）図に示
されるように空燃比Ａ／Ｆがほぼ理論空燃比であるとき
に最も高くなシ、例えばｆ３　Ｑ　ｉｐ−セント以上の
浄化効率Ｒを得ることのできる空燃比領域は空燃比が０
．０６程度の狭い巾である。

通常、このように８０・ぞ−セント以上の浄化効率を得
ることのできる空燃比領域をウィンドウＷと称する。従
って、三元触媒を用いて排気ガス中の有害三成分を同時
に低減する／こめには空燃比をこの狭いウィンドウＷ内
に常時に維持しなけれはならない。このために従来の排
気ガス浄化装置では、空燃比が理論空燃比よりも大きい
か小さいかを判別可能な酸素濃度検出器を機関排気通路
に取付け、この酸素濃度検出器の出力信号に基いて空燃
比がウィンドウＷ内の空燃比となるように制御している
。しかしながらこのような酸素濃度検出器を用いた排気
ガス浄化装置では高価な酸素濃度検出器および空燃比制
御のための高価な電子制御ユニットを必要とするために
排気ガス浄化装置の製造コストが高精するという問題が
ある。

ところが最近になって、ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ａ、　７
６０２０１号、或いは特公昭５６−４７４１号公報に記
載されているように三元触媒の機能が次第に解明され、
三元触媒が酸素保持機能を有することが判明したのであ
る。即ち、空燃比が理論空燃比に対してリーン側にある
ときには三元触媒がＮＯｘから酸素を奪い取ってＮＯｘ
を還元させると共にこの奪い取った酸素を保持し、空燃
比が理論空燃比よりもリッチ側になると保持した酸素を
放出してＣＯ，ＨＣの酸化を行なうのである。従って空
燃比を成る基準空燃比に対してリーン側とリッチ側に交
互に変動させると基準空燃比が理論空燃比からずれたと
しても上述の酸素保持機能によりＮＯｘの還元作用およ
びＣｏ、ＨＣの酸化作用が促進されて高い浄化効率を得
ることができる。第１図（ｂ）は空燃比を周波数ＩＨｙ
、で基準空燃比に対して±１０だけ変動させた場合の基
準空燃比Ａ／Ｆのウィンドウｗｏを示している。第１（
３）図および第１（ｂ）図がら空燃比を一定周波数で変
動させた場合にはウィンドウｗｏが広くなることがわか
る。このことは、空燃比を一定周期で変動させれば基準
空燃比が理論空燃比から多少ずれていたとしても高い浄
化効率が得られることを意味している。一方、空燃比の
変動周波数を短かくすると、即ち空燃比の変動周期を長
くすると三元触媒の酸素保持能力が飽和するだめに酸素
保持機能に基づく酸化還元能力が低下し、三元触媒の浄
化効率が低下する。第１（Ｃ）図はこのことを明瞭に示
している。第１（Ｃ）図において縦軸Ｒは浄化効率を示
し、横軸Ｆは空燃比の変動周波数を示す。壕だ、空燃比
の変動中を小さくすると空燃比をリッチ側とり一ン側に
交互に変動できなくなるのでウィンドウのｒｌＪは狭く
なる。従ってウィンドウの１］を広くするには最適な空
燃比の変動周期と変動中が存在することがわかる。

上述のように基準空燃比に対する空燃比の変動ｒｊｙお
よび変動周波数を適切に選定すればウィンドウが広くな
り、従って基準空燃比が理論空燃比に対して多少変動し
ても高い浄化効率を得ることができる。このことは、基
準空燃比の変動１（３の狭い・燃料供給系を用いれば酸
素濃度検出器の出力信号によるフィードバック制御を用
いなくても高い浄化効率を得ることができることを意味
している。

熱論、燃料供給系として燃料噴射弁を用いれば基準空燃
比の変動中を狭くすることができるが燃料噴射装置は高
価であるために機関の製造コストが畠くなってしまう。

従って機関の製造コストを低く抑えるためには気化器を
用いることが必要となる。しかしながら従来の固定ベン
チュリ型気化器では基準空燃比の変動「１〕が広く、ま
た従来の可変ベンチ７、す型気化器では加速時に、或い
は機関温度によって基準空燃比が大きく変動するのでこ
れらの固定ベンチュリ型気化器、或いは可変ベンチ、９
り型気化器を用いても高い浄化効率を得るのは困難であ
る。

本発明は酸素濃度検出器を用いることなく、価格の低い
気化器を用いて高い排気ガス浄化効率を確保することの
できる排気ガス浄化装置を提供するととにある。

以下、添附図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図を＃ｔｆｌ！すると、■は吸気マニホルド、２は
吸気マニホルド】上に増刊けられだｊｉＪ変ペンチーリ
型気化器、３は排気マニホルド、４け触媒コンバークを
夫々示し、ｆｉｌｌｔ媒コンバータ４の内部には三元モ
ノリス触媒５が配置される。可変ペンチーリ型気化器２
は気化器・・ウノング６と、・・ウソ〕ノグ６内を垂直
方向に延びる吸気通路７と、吸気通路７内を横方向に移
動する→ノークシワンピストン８、す、ツク／１ンピス
トン８の先端面に増刊けられたニードル９と、サク・／
９ンピストン８の先端面に対向して吸気通路７の内壁面
上に固定されたスぜ−ヤ１０と、サクションピストン８
下流の吸気通路７内に設けられたスロットル弁１１と、
フロート室１２とを具（１ｆｆｉＬ、サクションピスト
ン８の先端面とスベーザ１０間にはベンチュリ部１３が
形成される。気化器・・ウノング６には中空円筒状のケ
ーシング１４が固定され、このケーシング１４にはり゛
−シング１４の内部でケーシング１４の狽＋　１１０方
向に延びる案内スリーブ１５が取付けられる。案内スリ
ーブ１５内には多数のボール１６を備えた軸受１７が挿
入され、また案内スリーブ１５の外端部は盲蓋１８によ
って閉鎖される。一方、ザクジョンピストン８には案内
ロッド１９が固定され、この案内ロッド１９は軸受１７
内に案内ロッド１９の軸線方向に移動可能に挿入される
。

このようにザクジョンピストン８は軸受１７を介してケ
ーシング１４により支持されるのでサクションピストン
８はその軸線方向に滑らかに移動することができる。ケ
ーシング１４の内部はサクションピストン８によって負
圧室２０と大気圧室２１とに分割され、負圧室２０内に
はサクションピストン８を常時ペンチ−り部１３に向け
て押圧する圧縮ばね２２が挿入される。負圧室２０はザ
クジョンピストン８に形成されたサクション孔２３を介
してベンチュリ部１３に連結され、大気圧室２１は気化
器ハウジング６に形成された空気孔２４を介してサクシ
ョンピストン８上流の吸気通路７内に連結される。

一方、気化器ハウジング６内にはニードル９が侵入可能
なようにニードル９の軸線方向に延びる燃′！−１通路
２５が形成され、との燃半・１通路２５内には計算ジェ
ット２６が設けられる。計量ジェット２６上流の燃料通
路２５は下方に延びるｅ’、ｌｌ”＋−９イブ２７を介
してフロート室１２に連結され、フロート室１２内の燃
料はこの燃料・やイブ２７を介して燃料通路２５内に送
り込まれる。更に、スペーサ１０には燃ｔ（通路２５と
共動的に配置された中空円筒状のノズル２８が固定され
る。このノズル２８はスペーサ１０の内壁面からペンチ
ーリ部１３内に突出し、しかもノズル２８の先端部の上
半分はＴ子分から更にサクションピストン８に向けて突
出している。ニードル９はノズル２８およＱ引量ジェッ
ト２６内を貫通して延び、燃料はニードル９と割量ジェ
ット２６間に形成される環状間隙により言１量されカー
後にノズル２８から吸気通路７内に供給される。

第２図に示されるようにスペーサ１０の上端部には吸気
通路７内に向けて水平方向に突出する隆起壁２９が形成
され、この隆起壁２９とザクジョンピストン８の先端部
間において流１制御が行なわれる。機関運転が開始され
ると空気は吸気通路７内を下方に向けて流れる。このと
き空気流はサクションピストン８と隆起壁２９間におい
て絞られるためにベンチュリ部１３には負圧が発生し、
この負圧がシクション孔２３を介して負圧室２゜内に導
ひかれる。サクションピストン８は負圧室２０と大気圧
室２１との圧力差が圧縮ばね２２のばね力により定する
ほぼ一定圧七なるように、即ち４ンチュリ部１３内の負
圧がほぼ一定となるように移動する。

第３図および第４図を参照すると、ニードル９の上流側
に位置するサクションピストン先端面部分ｔよその全体
がニードル９の取付端面３ｏがもニードル９の先端部に
向けて隆起しており、このサクションピストン先端面部
分上には吸気通路７の軸線方向に延びる凹溝３１が形成
される。との凹溝３１の上流側端部３１ａはＵ字形断面
形状をなすと共にニードル取付端面３ｏよりもニードル
９の先端部に近い側に位置しており、残りの凹溝部分３
１ｂｉｄ、上流側端部３１ａからニードル増刊端面３０
寸でほぼまっすぐに延びる。更に、ニードル９よりも上
流側に位置するサクションピストン先端面部分の断面形
状は凹溝３１かもベンチュリ部１３に向けて拡開するＶ
字形をなしており、従ってこのザクジョンピストン先端
面部分は凹溝３１に向けて傾斜する一対の傾斜壁面部３
２ａ１３２ｂを有する。

第３図かられかるように吸入空気量が少ないときには隆
起壁２９、傾斜壁部分３２ａ、３２ｂ、および凹溝上流
側端部３１ａによってほぼ二等辺三角形状の吸入空気制
御絞り部Ｋが形成される。

このように吸入空気制御絞り部Ｋを形成することによっ
てザクジョンピストン８のリフト量が吸入空気制御絞り
部にの開口面積に比例するようになす、従ってザクジョ
ンピストン８のリフト量は吸入空気量の増大に応じて滑
らかに増大するようになる。更に、サクションピストン
８は軸受１７によって支持されているので吸入空気量の
変化に対して応答性よく移動し、斯くしてサクションビ
ストン８は吸入空気量が増大しだときに吸入空気量の増
大に応答性よくかつ滑らかに移動する。その結果、加速
運転時のように吸入空気量が急激に変化する場合であっ
てもサクションピストン８のリフトが吸入空気量の増大
に比例して増大するためにノズル２８から供給される燃
料の量は吸入空気量に常時比例することになる。史に、
第３図かられかるように吸入空気量が少ないときには吸
入空気が吸気通路７の中央部を流通せしめられ、その結
果ノズル２８から供給された燃料は吸入空気流と共に即
座に機関シリンダ内に供給されるので吸入空気量が少な
いときであってもノズル２８から供給された燃料は即座
に機関シリンダ内に供給される。従って、加速運転時の
ように吸入空気量が急激に増大しても上述したようにノ
ズル２８かも供給される燃料の量が吸入空気量に比例し
、しかもノズル２８から供給された燃料が即座に機関シ
リンダ内に供給されるので機関シリンダ内に供給される
混合気の空燃比は吸入空気量が急激に変化してもほぼ一
定に維持される。また、サクションピストン８は軸受１
７によって支持されているので機関温度がザクジョンピ
ストン８の移動に影響を与えることがなく、斯くしてサ
クションピストン８は機関温度とは無関係に吸入空気量
の変化に応答性よく移動することができる。斯くして、
第２図に示す可変ベンチュリ型気化器２を用いると、機
関温度および機関運転状態にかかわらずに機関シリンダ
内に供給される混合気の空燃比をほぼ一定値、例えばは
ｔｒ理論空燃比に維持することができる。

第２図を参照すると、計量ジェット２６の周囲には環状
空気室３３が形成され、この環状空気室３３に通ずる複
数個のエアブリード孔３４が４量ジェット２６の内周壁
面上に形成される。環状空気室３３はエアブリード通路
３４およびエアブリードジェット３５を介して隆起壁２
９上流の吸気通路′７内に連結され、このエアブリード
通路３４内にはりニアソレノイド弁４０によって開［コ
面積が制御される弁ｚ　−ト３６が形成される。

リニアソレノイド弁４０は弁ポート３６の開口面積を制
御する弁体４１と、弁体４１に連結されたｎＪ動プラン
ツヤ４２と、可動グランジャ４２を吸引するだめのソレ
ノイド４３とを具備し、ソレノイド４３はソレノイド駆
動回路５０に接続される。このリニアソレノイド弁４０
ではソレノイド４３を流れる電流に比例しだ距離だけ可
動プランジャ４２が移動し、ソレノイド４３を流れる電
流が増大するにつれて弁体４１が右方に移動する。

従って、弁ポート３６の開口面積はソレノイド４３を流
れる電流に比例して変化することになる。

ソレノイド駆動回路５０は第５図（ａ）に示すような１
　ｆｌｙ、から２　Ｈ２の周波数の鋸波状電圧を発生す
る鋸波発生器５１と、鋸波発生器５１の出力端子に接続
された電圧電流変換器５２からなシ、電圧電流変換器５
２の出力端子はソレノイド４３に接続される。前述した
ように弁、ｔ？　−ト３６の開口面積はソレノイド４３
を流れる電流に比例して変化し、ソレノイド４３には第
５（ａ）図に示すような電流が供給されるので弁＝ｊ？
　−ト３６の開口面積は鋸歯状に変化することがわかる
。とのように弁ポート３６の開口面積が鋸歯状に変化す
るとエアブリード孔３３から燃料通路２５内に供給され
る空気量も鋸歯状に変化するので機関シリンダ内に供給
される混合気の空燃比Ａ／Ｆは第５（ｂ）図に示される
ように波状に清らかに変化することになる。エアブリー
ドジェット３５および弁ポート３６の寸法はりニアソレ
ノイド弁４０の弁体４１が弁ホード３６の流れ面積を繰
返し増大減少したときに機関シリンダ内に供給される混
合気の空燃比の平均値が第５（ｂ）図に示されるように
ほぼ理論空燃比となり、空燃比の変動中が理論空燃比に
対して＃１は±０２から±１．０となるように定められ
る。従って機関温度および機関運転状態にかかわらずに
機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比はＩＨｚか
ら２　Ｈ７，の周波数でもってほぼ理論空燃比に対して
±０２から±１．０の範囲で変動せしめられ、しかもこ
の空燃比の平均値は第１（ｂ）図のウィンドウＷｏ内に
維持されるので三元モノリス触媒５の酸素保持機能を利
用して高い浄化効率を得ることができる。更に、第５（
ｂ）図に示されるよう、に空燃比が清らかに変動するの
で燃焼状態が急激に変化することがなく、斯くして機関
の運転状態にかかわらずに常時安定した燃焼を確保する
ことができる。

このように本発明によれば高価な酸素濃度検出器および
高価な空燃比制御用の電子制御ユニットを用いることな
く、価格の低い気化器を用いて排気ガスを良好に浄化で
きるので排気ガス浄化装置の製造コストを大巾に低減す
ることができる。更に、エアブリード通路に電磁弁を設
けるだけなので構造は極めて簡単であり、従って排気ガ
ス浄化装置の信頼性を向上することができる。また、機
関シリンダ内に供給される混合気の空燃比が滑らかに変
動せしめられるので安定した燃焼を確保することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気ガス浄化効率を示す線図、第２図は機関吸
排気系の側面断面図、第３図は第２図の矢印■に沿って
みた平面図、第４図はザクジョンピストンの側面断面図
、第５図は空燃比の変動を示す線図である。 ２・・・気化器、８・ザクジョンピストン、９・・・ニ
ー　ドル、２５・・・燃料通路、２８・・・ノズル、２
５・・・燃料通路、４０・・・リニアソレノイド弁。 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 特許出願人代理人 弁理士　宵　　木　　　　　朗 弁理士　西　　舘　　和　　之 弁理士　中　　山　　恭　　介 弁理士　山　　口　　昭　　之 ３ＮＳ１図（Ｃ１） １５、じ　１ｌｔＵｌζｔ＋Ｉｌ＋４　、Ｌｂ　　ｌＩ
ｌ＋、６（ｃ） Ｒｆ’／。）　ＴＯＯ−−一一一一。−一−，丁二４二
二１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関吸気通路に気化器を取付けると共に機関排気通路に
   三元触媒コンバータを取付け、該気化器の燃料通路にエ
   アブリード通路を連結して該エアブリード通路から燃料
   通路内に空気を供給するようにした内燃機関において、
   上記エアブリード通路内に該エアブリード通路の流れ断
   面積をほぼＩＨｚから２　Ｈ７，の一定周波数でもって
   鋸波状に変化させる電磁弁を配置し、該エアブリード通
   路の流れ断面積を変化させた際に空燃比が平均値に対し
   てほぼ±０．２から±１．０の間で周期的に変動するよ
   うにエアブリード通路の流れ抵抗を定め、更に上記空燃
   比の平均値がほぼ理論空燃比となるように気化器を設定
   した内燃機関の排気ガス浄化装置。