JPS5934466A - 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）１０．００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１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
程度の狭い巾でおる。

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騰するという問題がある。

ところが最近になって、　５ＡＦｉｐａｐｅｒ　Ｎｏ。

７６０２０１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ＮＯ
ｘ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りｙチ側になると保持した酸素
を放出して００、ＨＯ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、８０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１［
１ｚ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は浄化効率全示し、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
くなるのでウィンドウの巾は狭く々る。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１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
さ扛る。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ｅ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５１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間にはベンチエ
リ部１３が形成される。気化器ハウジング６には中空円
筒状のケーゾング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
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
はサクションピストン８を常時ベンチエリ部１３に向け
て押圧する圧縮ばね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１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−り部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、
この負圧がサクション孔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２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（９） 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
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３１ｂ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７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合有する。

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＋　３２ｂｔおよび凹溝上
流側端部３１８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
９部Ｋを形成することに（１０） 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り、従ってサク
ションピストン８のリフ）・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ぁ。

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。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。

（１１） 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、サクショ
ンピストン８は軸受１７によって支持さ扛ているので機
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１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１計量ジエツト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が針量ジェット２６の内周壁
面上に形成される。環状空（１２） 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の周波数の鋸波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５゜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
続された単安定マルチバイブレータ５７と、インバータ
５８とを具備する。第１アナログスイツチ５３はインバ
ータ５８を介して単安定マルチバイブレータ５７の出力
電圧により制御され、第２アナログスイツチ５４は単安
定マルチバイブレータ５７の出力信号により直接制御さ
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ッチ５９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ッチ６０に接続される。アイド
ルスイッ−Ｊ−５９はスロットル弁１１がアイドリンク
位置にあるときにオンとなり１回転数スイッチ６ｏは機
関回転数が例えば２０００　ｒ、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２０００　ｒ、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
なると単安定マルチバイブレータ５７の出力電圧は１時
的に高レベルとなり、その結果第１アナログスイツチ５
３が１時的に非導通状態となり、第２アナログスイツチ
５４が１時的に導通状態と庁るので定電圧が電圧電流変
換器５５に１時的に印加される。一方、スロットル弁１
１がアイドリンク位置にないか、或いは機関回転数が２
００　Ｏｒ、ｐ、ｍよりも低いとき、即ち減速運転時で
ないときには単安定マルチバイブレータ５７の出力電圧
が低レベルとなっているために第１アナログスイツチ５
３が導通状態にあり、第２アナログスイツチ５４が非導
通状態にある。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に印加される。

減速運転時でないときには上述したように鋸歯（１５） 発生器５１の出力発圧が電圧電流変換器５５に印加され
１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
に比例しで変化し、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。エアブリードジェット３６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
４】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
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。

（１６） 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１　）１ｚか
ら２Ｆ−１ｚ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１減速すべくスロットル弁１１が閉弁せしめられる
と吸気マニホルド１内の負圧が急激に大きくなるために
吸気マニホルド１の内壁面上に付着した液状燃料が蒸発
し、斯くして機関シリンダ内に供給される混合気が一時
的に過濃になるという問題がある。ところが本発明では
減速運転が開始されると一定時間、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）の鋸歯状電圧のほぼ最大値に設定されてお
り、従ってこのとき弁体４１が弁ボート３７を全開する
。斯くして減速運転が開始されるとノズル２８から供給
される燃料が１時的に減少せしめられるために機関シリ
ンダ内に供給される混合気が過濃になるのを阻止するこ
とができる。次いで減速運転が開始されて暫らくすると
空燃比Ａ／Ｆは再び第５図（ｂ）に示すように変動せし
められる。

従って減速運転開始直後から減速運転が完了するまで高
い浄化効率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１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、減
速開始直後においても空燃比をほぼ理論空燃比に維持す
ることが可能となるので機関の運転状態にかかわらずに
高い浄化効率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・・・リニアルノイ
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　青　　木　　　　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　中　　山　　恭　介 弁理士　山　　口　昭　之 （１９）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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Ｉ　Ｈｚから２）１ｙ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１ｌ−１ｘから２
   ）１２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開させる駆
   動信号を発生する回路を含み、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
   て減速運転開始時に電磁弁を１時的に全開するようにし
   た内燃機関の排気ガス浄化装置。