JPS5934460A - 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Ｎｏ　　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″４Ｂ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８０・９−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シも大きいか小
さいか全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Ｐつ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
だめの高価な電子制御ユニ。

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
高騰するという間組がある。

ところが最近になって、ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ｎα７６
０２０１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
が理論空燃比よシ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ｊ９　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Ｗｏを示してい
る・第１（ａ）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能力が飽和するた
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。また
、空燃比の変動巾を小さくすると空燃比をリッチ側とリ
ーン側に交互に変動できなくなるのでウィンげつの巾は
狭くなる。従ってウィンドウのｌ〕を広くするには最適
な空燃比の変動周期と変動巾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ｌ〕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シ
、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
空燃比の変動巾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パ、り制御を用いなくて
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
比の変動巾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空燃比の変動巾が広く、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、或いは可変ベンチュリ型気化
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にある。

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図を参照すると、１は吸気マニホルＰ、２は吸気マ
ニホルド１上に取付けられた可変ベンチュリ型気化器、
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。可変ベンチモリ盤気化器２は気化器ハウジング
６と、ハウソング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ソンピスト
ン８と、サクシ田ンピストン８の先端面に取付けられた
ニードル９と、サクシ冒ンピストン３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、
ザクンｌ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とを具備し、サク
シロンピストン８の先端面とスペーサ１０間にはベンチ
ュリ部１３が形成される。気化器ハウジング６には中空
円筒状のケーシングエ４が固定され、このケーシング１
４にはケーシング１４の内部でケーシング１４の軸線方
向に延びる案内スリーブエ５が取付けられる。案内スリ
ーブ１５内には多数のが−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、サクシロンピストン８には案内
ロッド１９が固定され、この案内口、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によシ支持されるのでサクシ賢ンピストン
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の内部はサクシロンピストン８によって負
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１ンピストン８を常時ベンチュリ部１３に向け
て抑圧する圧縮はね２２が挿入される。負圧室２ｏはサ
クシロンピストン８に形成されたサクシ習ン孔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
膳ンピストン８上流の吸気通路７内に連結される。

一方、気化器ハウシング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料通路２５が
形成され、この燃料通路２５内には計量ジェット２６が
設けられる。計量ジェット２６上流の燃料通路２５は下
方に延びる燃料・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パイグ２
７を介して燃料通路２５内に送シ込まれる。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
シロンピストン８に向けて突出している◎ニードル９は
ノズル２８およ（７） 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、・ト２６間に形成される環状間隙によシ
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とサクシロンピストン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
き空気流はサクシロンピストン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、
この負圧がサクシ盲ン孔２３を介して負王室２０内に導
びかれる。サクシロンピストン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
に位置するサクシロンピストン先端面部（８） 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シ、このサクシロンピス
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３１ａ
はＵ字形断面形状をなすと共にニードル取付端面３０よ
シもニードル９の先端部に近い側に位置しており、残う
の凹溝部分３１ｂは上流側端部３１ｍ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
よシも上流側に位置するサクシロ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υ、従ってとのサクシロンピス
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３２＆。

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＋３２ｂｓおよび凹溝上流
側端部３１１によってほぼ二等辺三角形状の吸入空気制
御絞シ部Ｋが形成される。

このように吸入空気制御絞シ部Ｋｌ形成するととによっ
てサクシ冒ンピストン８のリフト量が吸入空気制御絞シ
部にの開口面積に比例するようになシ、従ってサクシ曹
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、サクシ響ンピストン
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７日ンピ
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
てもサクシ望ンピストン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。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
いときでおってもノズル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０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から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、ザクジョンピストン８は軸受１
７によって支持されているので機関温度がサクシ胃ンピ
ストン８の［１に影響を与えることがなく、斯くしてサ
クシ日ンピストン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
数個のエアプリーＰ孔３４が計量ジェット２６の内周壁
面上に形成される。環化空気室３３はエアブリード通路
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円に連結され、このエアブリード通
路３５内にはりニアソレノイド弁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は弁ポート３７の開口面積を制
御する弁体４１と、弁体４１に連結された可動シランジ
ャ４２と、可動ノランジャ４２を吸引するだめのソレノ
イド４３とを具備し、ソレノイＰ４３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
グランジャ４２が移動し、ソレノイｌ−’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なる。

ソレノイげ駆動回路５０は第５図（ａ）に示すよりな１
１（ｚ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、鋸歯発生器５１の出力端子に接続された
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′に光変換器５３の出力端子はソレノイド４３に接
続される。更にソレノイド駆動回路５０は単安定マルチ
バイブレータ５４からなる遅延回路を具備し、アナログ
スイッチ５２はこの単安定マルチバイブレータ５４の出
力電圧によって制御される。単安定マルチバイブレータ
５４の出力電圧は通常は高レベルとなっているので鋸歯
発生器５１の出力電圧が通常電圧電流変換器５３０入力
端子に印加される。一方、単安定マルチバイブレータ５
４０入力端子が高レベルになると単安定マルチバイブレ
ータ５４の出力端子は一定時間低レベルとなシ、従って
この間電圧電流変換器５３０入力端子に印加される電圧
は零になる。

第２図に示されるようにスロットル弁１１近傍の吸気通
路７の内壁面上には負圧ポート６０が形成される。この
負圧ポー）６０は第２図に示すようにスロットル弁１１
の開度が予め定められた−定開度以下のときにはスロッ
トル弁１１上流の吸気通路７内に開口し、スロットル弁
１１の開度が上述の一定開度よシも犬きくなりたときに
スロ。

トル弁１１下流の吸気通路７内に開口する。この負圧ポ
ート６０は負圧導管６１を介して負圧ダイアフラム装置
６２に連結される。負圧ダイアフラム装置６２はダイア
フラム６３によシ分離された負圧室６４と大気圧室６５
とを具備し、負圧室６４は負圧ポートに連結される。ま
た、この負圧室６４内にはダイアフラム押圧用圧縮ばね
６６が挿入される。一方、大気圧室６５内にはダイアフ
ラム６３に固定された可動接点６７と、可動接点６７に
対向配置された固定接点６８とを具備する。

固定接点６８は電源６９に接続され、可動接点６７は単
安定マルチバイブレータ５４の入力端子に接続される。

第２図に示すようにスロットル弁１１の開度が小さなと
きには負圧ポート６０に加わる負圧は小さく、従ってダ
イアフラム６３が右方に移動しているので可動接点６７
が固定接点６８から離れて１／１ル。このとき単安定マ
ルチバイブレータ５４の出力電圧は高レベルとなってい
るので鋸歯発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５３
に印加される０次いで加速すべくスロットル弁１１が開
弁せしめられて負圧ポー）６０がスロットル弁１１後流
の吸気通路７内に開口すると負圧ポー）６０には大きな
負圧が加わるためにダイアフラム６３が左方に移動し、
その結果可動接点６７が固定接点６８に接触する。可動
接点６７が固定接点６８に接触すると単安定マルチバイ
ブレータ５４の出力電圧は一定時間低レベルとなるので
電圧電流変換器５３の入力端子に印加される電圧は一定
時間零となり、次いでこの一定時間を経過すると再び鋸
歯発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５３に印加さ
れる。

上述したようにスロットル弁１１の開度が小さなとき、
およびスロットル弁１１が開弁せしめられて暫らくする
と鋸歯発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５３に印
加される。このとき前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）図に示すような電流が供
給されるので弁ポート３７の開口面積は鋸歯状に変化す
ることがわかる。このように弁ポート３７の開口面積が
鋸歯状に変化するとエアグリ−Ｐ孔３４から燃料通路２
５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滑らかに変化することにな
る。エアブリードジェ。

ト３６および弁ポート３７０寸法はりニアソレノイｒ弁
４０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
空燃比となシ、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Ｉ　Ｈｚから２Ｈ
ｚ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、しかもとの空燃比
の平均値は第１の）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。

一方、このように空燃比Ａ／Ｆｔ−変動させるようにし
た場合には空燃比Ａ／Ｆが稀薄になったときにスロット
ル弁１１が開弁せしめられると機関シリンダ内には稀薄
な混合気が供給され、斯くして良好な加速運転が得られ
ないという問題を生ずる３ところが本発明では加速すべ
くスロットル弁１１が開弁せしめられると電圧電流変換
器５３０入力端子に印加される電圧が零となるためにン
レノイｒ４３が消勢され、斯くして弁体４１が弁ポート
３７を閉鎖するために過濃な混合気が機関シリンダ内に
供給される・従りて良好な加速運転が得られることにな
る。

第６図に別の実施例を示す。この実施例ではり−シンク
１４の内周壁面上にポー）７０が形成され、この・−ド
ア０に吸入空気量検出用負圧ダイアフラム装置７１の作
動圧室７２が連結される。

この負圧ダイアフラム装置７１もダイアフラム７３に固
定された可動接点７４と、電源７５に接続された固定接
点７６とを具備し、可動接点７４はソレノイド駆動回路
５０（第２図）の入力端子に接続される。この実施例で
は吸入空気量が少ないときにはサクシ冒ンピストン８が
右方に移動するので作動圧室７２は負圧室２０内に連結
される。

その結果、可動接点７４が固定接点７６から離れるので
鋸歯発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５３に印加
される。一方、加速すべくスロットル弁１１の開度が大
きくなると吸入空気量が増大するためにサク７ｍＶピス
トン８が左方に移動する。その結果、作動圧室７２が大
気圧室２１に連結されるために可動接点７４が固定接点
７６に接触し、斯くして機関シリンダ内には１時的に温
濃な混合気が供給される。

このように本発明によれば高価な酸素濃度検出（１９） エアブリード通路、４０・・・リニアソレノイド弁。

器および高価な空燃比制御用の電子制御二二、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シ、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、空燃比を変動させるようにしても加速運転時には
機関シリンダ内に供給される混合気が稀薄になるのを阻
止できるので良好な加速運転を得ることができる。

【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１幾関
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図はサクシ曹ンビストンの側面断面
図、第５図は空燃比の変動を示す線図、第６図は別の実
施例の側面断面図で必る・ ２・・・気化器、８・・・サクシ璽ンピストン１，９・
・・ニードル、、２５・・・燃料通路、２８・・・ノズ
ル、３５・・・（２０） 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 ％杵出願代理人 弁理士　青　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士　中　山　恭　介 弁理士　　山　　口　　昭　　之 ′＋、　　　　　　　　　　　　　ぐ く　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　く３６
７−

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　ｐ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、
   はぼＩ　Ｈｚ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を具備し、該エアブリ
   ード通路内に該駆動信号に応動してＩ　Ｈｚ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
   磁弁を一時的に全閉させる駆動信号を発生する回路を含
   み、更に機関加速運転を検出可能な加速運転検出器を上
   記駆動信号発生回路に接続して加速運転開始時に電磁弁
   を１時的に全閉するようにした内燃機関の排気ガス浄化
   装置。