JPS5934458A - 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ＨＣ，Ｃｏ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
に最も高くなり、例えば８０バ一セｙト以上の浄化効率
Ｒを得ることのできる空燃比領域に空燃比が０．０６程
度の狭い巾である。通常、このように８０パ一セント以
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ため［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ばならない。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ガ酸素濃度検出器
および空燃比制御のための高価力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騰す
るという問題がある。

ところが最近になって、Ｓ　Ａ　Ｅ　ｐａｐｅｒ　Ｎ１
１７６０２０１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Ｎ
Ｏｘ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Ｃ０１Ｉ（Ｃの酸化を行乞うのである。従
って空燃比を成る基準空燃比に対してリーフ側とリッチ
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（ｂｌＵ空燃比を周波
数ＩＨｚで基準空燃比に対して±１，０だけ変動させた
場合の基準空燃比Ａ／ＦのウィンドウＷ。を示している
。第１（ａ）図および第１（ｂ）図から空燃比を一定周
波数で変動させた場合にはウィンドウＷ。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式せ
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。−万、
空燃比の変動周波ａを低くすると、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機能が飽和するため
に酸素保持機能に基づく酸化還元能力が低Ｆし、三元触
媒の浄化効率が低下する０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。また、
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巾は狭
くなる。

従ってウィンドウの巾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中および
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
燃比の変動中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汲置は高
価であるために機関の製造コストが高くなってしまう。

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を燃比の変動中が広く、また従
来の可変ベンチュリ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犬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ｚ　’Ｊ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こと１Ｃある。

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する７ 第２図を参照すると、１は吸気マニホルド、２は吸気マ
ニホルド１上に取付けらルた可変ベンチュリ似気化器、
３は排気マニホルド、４は触媒コンバータを夫々示し、
触媒コンバータ４の内部には三元モノリス触媒５が配置
される。可変ベンチュリ型気化器２は気化器ハウジング
６と、ハウジング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サクションピストン
８と、サクションピストン８の先端面に取付けられたニ
ードル９と、サクションピストン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ペーサ１０と、サ
クションピストン８下流の吸気通路７内に設けらねたス
ロットル弁１１と、フロート室１２とを具備し、サクシ
ョンピストン８の先端面とスペーサ１０間にはベンチュ
リ部１３が形成きれる。気化器ハウジング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
ににケーシング１４の内部でゲージング１４の軸線方向
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、サクションピストン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。

このようにサクションピストン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　ＶＣよっ
て負王室２０と大気圧室２１とに分割され、負王室２０
内にはサクションピストン８を常時ベンチュリ部１３［
向けて押圧する圧縮ばね２２が挿入される。負圧室２ｏ
はサクションピストン８に形成されたサクション孔２３
′ｆ介してベンチュリ部１３に連結さね、大気圧室２１
は気化器ハウジング６に形成された便気孔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
力ようにニードル９の軸線方向に延びる燃料通路２５が
形成され、この燃料通路２５内には計量ジェン！・２６
が設けられる。計量ジェット２６上流の燃料通路２５は
下方に延びる燃料バイブ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バイブ２
７を介して燃料通路２５内に送り込まれる。更に、スペ
ーサ１０には燃料通路２５と共軸的に配置きれた中空円
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の内壁面からベンチュリ部１３内に突出し、し
かもノズル２８の先端部の上半分は下半分から更にサク
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および計量ジェット２６内を貫通して延び、
燃料はニードル９と計量ジェット２６間に形成される環
状間隙により計量された後にノズル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とサクションピストン８の先端部
間において流量制御が行なわれる。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、
この負圧がザクジョン孔２３を介して負王室２０内に導
びかれる。サクションピスト／８は負圧室２０と大気圧
室２１との圧力差が圧縮ばね２２のばね力により定まる
ほぼ一定圧となるように、即ちベンチュリ部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はその全体が
ニードル９の取付端面３０からニードル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。この凹溝３１の上流側端部３１＆はＵ字形断面形
状をなすと共にニードル取付端面３０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３１
ｂｉ上流側端部３１ａからニードル取付端面３０までほ
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からベンチュリ部１３に向けて拡開するＶ字形を
なしており、従ってこのサクシ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３２ａ。

３２ｂ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３１ｍ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］コ面積に比例するようになり、従ってサクシ
ョンピスト／８のリフｌ１−８Ｕ人窒気量の増大に応じ
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
ンピストン８は吸入空気量が増大したときに吸入空気量
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
あってもザクジョンピストン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１り１」することに々
る。更に、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
ノ１、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、
７．１０速運転時のように吸入空気量が急激に増大して
も上述しまたようにノズル２８から供給される燃料Ｑ）
量が吸入空気量に比例１−１しがもノズル２８から供給
でれた燃料が即座に機関シリンダ内に供給さり、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１７によって支持−Ｊ　１１
．ているので機関温度がサクションピストン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１／ｌ１ｍ
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、例えばほぼ理論空
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が計量ジェット２６の内周壁
面上に形成式れる。環状空気室３３にエアブリード通路
３５およびエアブリードジェット３６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３５内ＫＦＩリニアソレノイド弁４０によって開口面
積が制御される弁ボート３７が形成される。

リニアソレノイド弁４０は弁ボート３７の開口面積を制
御する弁体４１と、弁体４１に連結された可動プランジ
ャ４２と、可動プランジャ４２を吸引するためのソレノ
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た距離だけ可動
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、弁ボート３７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々る。

ソレノイド駆動回路５０は第５図（ａ）に示すようなＩ
Ｈｚから２Ｈｚの周波数の鋸波状電圧を発生する鋸歯発
生器５１と、鋸波発生器５１の出方端子に接続されたア
ナログスイッチ５２と、アナログスイッチ５２の出力端
子に接続された電圧電流変換器５３とを具備し、この電
圧電流変換器５３の出力端子にソレノイド４３に接続さ
れる。ソレノイド駆動回路５０は更に遅延回路５４とイ
ンバータ５５とを具備し、アナログスイッチ５２はイン
バータ５５を介して遅延回路５４の出方電圧により制御
される。遅延回路５４は単安定マルチバイブレータ５６
とアンドゲート５７からなり、アンドゲート５７の一方
の入力端子はスロットル弁１１に応動するスロットルス
イッチ５８に接続すれ、アンドゲート５７の他方の入力
の入力端子は単安定マルチバイブレータ５６を介してス
ロットルスイッチ５８に接続をれる。単安定マルチバイ
ブレータ５６の出力電圧は通常は高レベルとなり、単安
定マルチバイブレータ５６の入力端子が高しヘＡ／　Ｋ
々ると単安定マルチバイブレータ５６の出力端子は一定
時間低レベルとなる。従ってスロットルスイッチ５８の
出力電圧が低レベルから高しベルに変化すると一定時間
をおいて遅延回路５４の出力電圧が高レベルになること
がわかる。スロットルスイッチ５８はスロットル弁１１
がほぼ全開１〜だとき、即ち全負荷運転に近い高負荷運
転が　□行なわれているときにオンとなる。スロットル
スイッチ５８がオンＶＣなると前述したように遅延回路
５４の出力電圧は一定の遅延時間をおいて高レベルとな
るのでアナログスイッチ５２は非導通状態となる。従っ
て機関高負荷運転開始時から一定の遅延時間をおいて電
圧電流変換器５３に印加される電圧は零になる。一方、
スロットル弁１１の開度が小ざなとき、即ち部分負荷運
転時には遅延回路５４の出力電圧が低レベルとなるため
にアナログスイッチ５２が導通状態となる。従ってこの
とき鋸歯発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５１に
印加される。

高負荷運転時でないときには上述したように鋸歯発生器
５１の出力電圧が電圧電流変換器５３に印加され、次い
で電圧電流変換器５３において対応する電流に変換され
てソレノイド４３に供給される。−上述したように弁ポ
ート３７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！／＆’、が供給されるので弁ボート３７の開口
面積は鋸歯状に変化することがわかる。このように弁ボ
ート３７の開口面積が鋸歯状に変化するとエアブリード
孔３４から燃料通路２５内に供給される９気量も鋸歯状
に変化するので機関シリンダＰ３　Ｋ供給される混合気
の空燃死人／Ｆｉｄ第５（ｂ）図に示さ力るように波状
に滑らかに変化することになる。エアブリードジェット
３６および弁ボート３７０寸法はりニアソレノイド弁４
０の弁体４１が弁ボート３７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ＶＣ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ほ
ぼ±０．２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２Ｈｚ
の周波数でもってほぼ理論空燃比に対して±０．２から
±１．０の範囲で変動せしめられ、Ｉ−かもこの空燃比
σ）平均値は第１（ｂ）図のウィンドウＷ。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１−
で高い浄化効率を得ることができる。更に、第５（ｂ）
図に示はれるように空燃比が滑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。

一方、例えば登板時のように機関高出力を必要とする高
負荷運転時にはりニアソレノイド弁４０を開弁して過濃
な混合気を機関シリンダ内に供給することが好ましい。

しかしながら機関高出力を必安としない短時間の高負荷
運転時、例えば変速機の変速位置を変える際にクラッチ
を踏込んだ状態でアクセルペダルが踏込まれた場合、或
いは低速走行時又はアイドリンク運転時にクラッチを踏
込んだ状態でアクセルペダルが踏込まれた場合には機関
出力を高める必要がなく、むしろこれらの場合ｔｉｃは
燃料消費率を向上するために機関シリンダ内に供給され
る混合気を濃くし々い方が好ましい。そこで本発明では
高負荷運転が開始されてから暫らくの間は空燃比Ａ／Ｆ
を第５図（ｂ）に示すように変動させておき、高負荷運
転開始後暫らくしてから電圧電流変換器５３に印加され
る電圧を零にしてソレノイド４３を消勢し、それによっ
て弁体４１により弁ボート３７を閉鎖して過濃な混合気
を機関シリンダ内に供給するようにしている。

こうすることによって実際に機関高出力が必要となると
きだけ機関出力を高めることができる。

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、エアフリート〕Φ路に電畠弁を
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、
機関高出力を必要としない高負荷運転時にＱゴ混合気を
過濃にしないようにして燃料消費率の向上を図リ、実際
に高出力を必要とする高負荷運転時には機関出力を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気カ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図はサクシ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・・・サクションピストン、９・・
・ニードル、２５・・・燃料通路、２８・・・ノズル、
３５・・・エアブリード通路、４０・・・リニアンレノ
イド弁０ 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 特許出願代理人 弁理士　　官　木　　　朗 弁理士　西舘和之 弁理士　中山恭介 弁理士　　山　口　昭　之

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、該気化器の燃料連路にエ
   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匈は
   ぼＩＨｚから２Ｈｚの一定周波数で変動する駆動信号を
   発生可能な駆動信号発生回路全具備し、該エアブリード
   通路内に該駆動信号に応動してＩＨｚから２Ｈｚの一定
   周波数でエアブリード通路の流れ面積を増大減少せしめ
   る電磁弁を設け、該電磁弁がエアブリード通路の流れ面
   積を増大減少せしめ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しかつ空燃比
   の平均値がほぼ理論空燃比となるようにエアブリード通
   路の流路面積を定め、上記駆動信号発生回路が電磁弁を
   全閉させる全閉駆動信号を発生する回路と、該全閉駆動
   信号の発生を遅延させる遅延回路とを含み、更に機関高
   負荷運転を検出可能な負荷検出器を上記駆動信号発生回
   路に接続して高負荷運転開始後上記遅延時間だけ遅延さ
   せて電磁弁を全閉せしめるようにした内燃機関の排気ガ
   ス浄化装＋ｔ。