JPS5934461A - 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、三元峡媒が知られ
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パ一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イン
ドウル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ライ１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雷、子制御ユニ
ットを・必要とするために排気ガス浄化装抛゛の製ン＾
コストが高僧するという問題がある。

ところが最近になって、ＳＡＥ　　ｐａｐｅｒ、＆７ｃ
ＳＤ２０１号、或いは特公昭５６−４７４１号公報に記
載されでいるように三元触媒の機能が次第に解明され、
三井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、空燃用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学空撚比が理論空燃比がらずわた
としても上述の酸素保持機能によｐＮＯｘの還元作用お
よびＣＯ，ＨＣの階化作用が１）Ｉ！押されて高い浄化
効率を得ることができる。第１図（ｂ）は空燃比を周波
数１　）１’ｚ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Ｗ。を示して
いる。第１（ａ）図および第１（ｈ）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
さゼれげ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、ＩＪｌｌ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
変動周波数を適り１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１Ｊ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
価でお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＠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
ｆ　ｚ　ＩＪ型気化器では基準空燃比の変動中が広く、
また従来の可変ベンｆｘり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′ｆ＋−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催で
ある。

本発明は市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、生付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図を４照すると、１は吸気マニホルド、２は吸気マ
ニホルド１上に取付けられた可変ベンチュリ型気化器、
６は排気マニホルド、４は触媒コンバータを夫々示し、
融媒コンバータ４の内部には三元モノリス触媒５が配蓋
される。可変ベンプーリ型Ｘ、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、吸り通路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した
ニードル９と、サクションピストン６の先端面に対向し
て吸気通路７の内暗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内に設けられた
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間にはベンゾ
ユリ部１５戸！形成される。気化器ハウジング６には中
空円筒吠のケーシング１４が固定され、このケーシング
１４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
内ロクド１９が固定され、この案内ロッド１９は軸受１
７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はその軸線方向に清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
王室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を常時ベンゾユリ部１５に向け
て押圧する圧縮ばね２２が挿入される。負王室２０はサ
クションピストン８に形成され九サクション孔２３を介
してベンチュリ部１６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Ｚ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
方に延びる燃料パイプ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プ２７
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の内壁面からベンゾユリ部１６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に向けて裟出している。ニードル９はノ
ズル２８および計量ジェット２６内を菫通して延び、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＠２９間におい
て絞られるためにベンｆ！Ｌり部１３には負圧が発生し
、この負圧がサクシラン孔２３を介して負圧室２０内に
導びかれる。サクションピストン８は負圧室２０と大気
圧室２１との圧力差が圧縮はね２２のばね力により定ま
るほぼ一定圧となるように、即ちベンゾユリ部１３内の
負圧がほぼ一定となるように移動する。

第６図および第４口金参照すると、ニードル９の上流側
に位置するサクシ１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６１αはＵ字形断面形
状をなすと共にニードル取付端面３０よυもニードル９
の先端部に近い側に位置しており、残シの凹溝部分５１
ｂは上流側端部６１ａからニードル取付端面３０までほ
ぼまっすぐに延びる。更例いニードル９よシも上流側に
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６１からベンチュリ部１３に向けて拡大するＶ字形を
なしておシ、従ってこのサクシランピストン先端面部分
は凹溝５１に向けて傾斜する一対の傾斜壁面部５２α。

５２Ａ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３２α、３２ｈおよび凹溝上流側
端部３１α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シ部Ｋを形成するこトニよっ
てサクションピストン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り、従ってサクショ
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１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田ンビス）・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嵐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、加速逆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、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ーリ型気化器
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３′５に通ずる
複数個のエアブリード孔５４が計量ジェット２６の内周
壁面上に形成される。環状空気室６３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
２９上流の吸気通路７内に連結され、このエアブリード
通路５５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５７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１ランジ
ヤ４２と、可動プランジャ４２を吸引するだめのソレノ
イド４５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４５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４６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
Ｈｚから２　Ｈｚの周波数の鋸波状電圧を売手する鋸歯
発生器５１と、定電圧源５２と、鋸歯発生器５１の出力
端子に接続された第１のアナログスイッチ５３と、定電
圧源５２の出力端子に接続された第２のアナログスイッ
チ５４と、第１アナログスイツチ５３と第２アナログス
イツチ５４の出力端子に接続された電圧電流変換器５５
とを具備し、この電圧電流変換器５５の出力端子はソレ
ノイド４３に接続される。ソレノイド鳴動回路５ｏは更
にアンドゲート５６とインバータ５７とを具備し、第１
アナログスイツチ５５はインバータ５７を介してアンド
ゲート５６の出力電圧によｐ制御卸され、第２アナログ
スイツチ５４はアンドゲート５６の出力電圧により直接
制御される。アンドゲート５６の一方の入力端子はスロ
ットル弁１１の開閉動作に応動するアイドルスインｆ５
８に接続され、アンドゲート５６の他方の入力端子は機
関回転数に応動する同転数スイン？５９に接続される。

アイドルスイッチ５８はスロットル弁１１がアイドリン
グ位置にあるときにオンとなり、回転数スイッチ５９は
機関回転数が例えば２００　Ｏｒ、ｐ、ｍよりも高いと
きにオンとなる。従ってスロットル弁１１がアイドリン
ク位置にあり、かつ機関回転数が２００Ｏｒ、ｐ、ｍよ
りも高いとき、即ち減速運転時にはアンドゲート５６の
１８力電圧が高レベルとなる。その結果、第１アナログ
スイツチ５５が非導通状態となシ、第２アナログスイツ
チ５４が導通状態となるので定電圧が電圧電流変換器５
５に印加される。一方、スロットル弁１１がアイドリン
ク位置にないか、吠いは機関同転数が２００Ｏｒ、　ｐ
、　ｍ　　よりも低いとき、即ち減速運転時でないとき
にはアンドゲート５６の出力電圧が低レベルとなるため
に第１アナログスイツチ５３が導通状態となり、第２ア
ナログスイツチ５４が非導通状態となる。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５５に
印加きれる。

減速運転時でないときには上述したように鋸歯発生器５
１の出力電圧が電圧電流変換器５５に印加され、次いで
電圧゛曙、流変換器５５において対応する電流に変換さ
れてソレノイド４５に供給される。上述したように弁ボ
ート６７の開口面積はソレノイド４５１流れる電流に比
例して変化し、ソレノイド４３には第５（−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。このように弁ボート６７
の開口面相が鋸歯状に変化するとエアブリード孔６４か
ら燃料通路２５内に供給される空気側も鋸歯状に変化す
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（ｈ）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。エアブリードジェット６６および弁
ボート３７の寸法はりニアソレノイド弁４０の弁体４１
が弁ポート３７の流れｒｔＩ檀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１１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２　Ｈｚ　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、しかもこの空燃比の平
均値は＠　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、機関減速運転時には上述したように定電圧源５２
から定電圧が電圧電流変換器５５に印加される。この定
電圧は第５図（ａ）の＃ｉ！ｉ歯状曹、圧の最大値に設
定されておシ、従ってこのとき弁体４１が弁ボート３７
を全開し続ける。斯くして減速１１１転時にはノズル２
８から供給される燃料が減少せしめられるために燃料消
９率が向トすることになる。

このように本発明によれば高価な酸素３．催度検出器お
よび高価な空燃比制御用の電子側副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効率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。ま九
、減速運転時には供給燃料量が減少せしめられるので燃
料消費率を向上することができる。

【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
排気糸の仙１面断面図、第３図は第２図の朱印１１１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）’ル、２５・・・ｍｌ）通路、２８・・・ノズ
ル、５５・・・エアブリード通路、４０・・・リニアソ
レノイド弁、特許出顯人 トヨタ自動車株式会社 特許出願代理人 弁理士青水　朗 弁理士西舘和之 弁理土中山恭介 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１Ｈ・２から２　Ｈ，Ｚの一定周波数でもっ
   て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と共に上
   記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、更に機関減速運転状態を
   検出可能な減速運転検出器を設けて機関減速運転時に上
   記電磁弁を全開せしめるようにした内燃機関の排気ガス
   浄化装置。