JPS5934462A - 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Ｖがほぼ理論空燃比であるときに最
も高くなシ、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８９ノｆ−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
に基づ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騰す
るという問題がある。

ところが最近になって、ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ｔｏ、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。Ｒ［」ち、空燃比が理論空燃比に対しでリーン側に
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ｆ）　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１Ｈｚ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Ｎ少のウィンドウ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
０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散票保持能力
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巾および
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、添附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は吸気マニホルド、２は吸気マ
ニホルドｌ上に取付けられた可変ベンへり型気化器、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。可変ベンチュリ型気化器２は気化器ハウジング６
と、ノ・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、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１１１２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が形成される。気化器ハウジング６には中空円
筒状　□ノケーシング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
内口、ド１９が固定され、この案内ロッド１９は軸受１
７内に案内口、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を常時ベンチュリ部１３に向
けて抑圧する圧縮ばね２２が挿入される。負王室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
方に延びる燃料ノｆイグ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ｌＯ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ザク
ジョンピストン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間を貫通して延び、
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ｌＯ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、
この負圧がサクション孔２３を介して負圧室２０内に導
ひかれる。サクションピストン８け負圧室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
けて隆起しておシ、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、残長の凹溝部分３１
ｂは上流側端部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よシも上流側に
位置するサクシ、ンピストン先端面部分の断面形状は凹
＠３１からベンチュリ部１３に向けて拡開するＶ字形を
彦しておシ、従ってこのサクションぎストン先端面部分
は凹溝３１に向けて傾斜する一対の傾斜壁面部３２ｍ　
。

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３２ｍ、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シ部Ｋが形成される。

このように吸入空気制御絞シ部Ｋを形成するととによっ
てサクションピストン８のリフト量が吸入空気制御絞り
部にの開口面積に比例するようになす、従ってサクショ
ンピストン８のリフト量ハ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　Ｋ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清らかに移動する。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
ぼ一足に維持される。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Ｋｆｌｌを与えることがなく、斯く
してサタンヨンピストン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
数個のエアブリード孔３４がｔｔｉ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３５およびエアブリードジエツト３６を介して隆起壁
２９−Ｆ流の吸気通路７内に連結され、このエアブリー
ド通路３５内にはりニアソレノイド弁４ｏによって開口
面積が制御される弁ポート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に連結された可動プランジ
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。

ソレノイド駆動回路５０は第５図（、）に示すようなＩ
Ｈｚから２Ｈｚの周波数の鋸歯状電圧を発生する鋸歯発
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。ソレノイド駆動回路５０は更に
アンドゲート５６と、アンドゲート５６の出力端子に接
続された遅延回路５７と、インバータ５８とを具備する
。第１アナログスイ、チ５３はインバータ５８を介して
遅延回路５７の出力電圧によ逆制御され、第２アナログ
スイツチ５４は遅延回路５７の出力電圧により直接制御
される。遅延回路５７は単安定マルチバイブレーク５９
と、アンドダート６０からなシ、アンドダート６０の一
方の入力端子はアンドゲート５６の出力端子に接続され
、アンドゲート６０の他方の入力端子は単安定マルチパ
イプレーク５９の出力端子に接続される。単安定マルチ
パイブレニタ５９の出力電圧は通常は高レベルとなシ、
単安定マルチパイプレータ５９の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５９の出力端子は一定
時間低レベルと々る。従ってアンドダート５６の出力電
圧が低レベルから高レベルに変化すると一定時間　□、
をおいて遅延回路５７の出力電圧が高レベルになること
がわかる。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ッチロ１
に接続され、アンドゲート５６の他方の入力端子は機関
回転数に応動する回転数スイ、チロ２に接続される。ア
イドルスイッチ６１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シ、回転数スイッチ６２は機
関回転数が例えば２００Ｏｒ、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がアイドリング位
置にあり、かつ機関回転数が２００　Ｏｒ、ｐ、ｍよシ
も高いとき、即ち減速運転時にはアンドダート５６の出
力電圧が高レベルとなる。アンドゲート５６の出力電圧
が高レベルになると前述したように遅延回路５７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第１
アナログスイツチ５３が非導通状態となり、第２アナロ
グスイツチ５４が導通状態となる。従って減速運転開始
時から一定の遅延時間をおいて定電圧が電圧電流変換器
５５に印加されることになる。一方、スロットル弁１１
がアイドリング位置にないか、或いは機関回転数が２０
０Ｏｒ、ｐ、ｍ　　よ）も低いとき、即ち減速運転時で
ないときには遅延回路５７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が導通状態となシ、第
２アナログスイ、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５
５に印加される。

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
電圧電流変換器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ブリード孔３４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１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。エアブリードジェット３６および弁ポート３
７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ＩＨｚから２Ｈｚの周波数でもってはは理
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、減速運転時には燃料消費率を向上するためにり＝
アソレノイド弁４０を全開して稀薄な混合気を機関シリ
ンダ内に供給することが好ましい。

しかしながら変速機の変速位置を変えるためにアクセル
ペダルが一時的に解放され、それによってスロットル弁
１１がアイドリング開度まで一時的に閉弁された場合に
稀薄な混合気が機関シリンダ内に供給されると変速位置
を変えた後に機関を加速するときに十分な出力が得られ
ず、斯くして良好な加速運転が得られないという問題が
ある。従ってこのような問題を解決するためには短時間
の減速運転時には機関シリンダ内に供給される混合気を
稀薄にしないことが必要である。このようなことから本
発明では減速運転開始後一定時間経過した後に定電圧を
電圧電流変換器５５に印加するようにしている。この定
電圧は第５図（ａ）の鋸歯状電圧のほぼ最大値に設定さ
れておシ、従ってこのとき弁体４１が弁ｙｊ？−）　３
７を全開するので機関シリンダ内に稀薄な混合気が供給
される。このように本発明ではスロットル弁１１が一時
的に閉弁せしめられたときには空燃比〜少は第５図（ｂ
）に示されるように変動し続け、スロットル弁１１の閉
弁時間が長い減速運転時には機関シリンダ内に稀薄な混
合気が供給されるので燃料消費率を向上させつつ変速位
置を変えた後において良好な加速運転を得ることができ
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がスを良好に浄化で
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、減
速運転開始後型らくしてからリニアン４イド弁を全開す
ることによって燃料消費率を向上しつつ変速位置を変え
た後において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。 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　宮　木　　　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、
   はぼＩＨｚから２Ｈ７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之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
   を全開させる全開駆動信号を発生する回路と、該全開駆
   動信号の発生を遅延させる遅延回路とを含み、更に機関
   減速運転を検出可能な減速運転検出器を上記駆動信号発
   生回路に接続して減速運転開始後、上記遅延時間だけ遅
   延させて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。