JPS5996425A - 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Ｏ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果Ｒは第１（ａ）図に示される
ように空燃比ル乍がほぼ理論空燃比でおるときに最も篩
〈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
浄化装置では隔測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−二ツトを必要とするために１ノ
ド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、５ＡＥｐａｐｅ　ｒ　’Ａ　７
６０２’Ｏ１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）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５妄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υＮＯｘの蕪元作用およ
びＣＯ，Ｉ（Ｃ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ＩＨ
ｚ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〜乍のウィンドウＷ０を示している。紀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が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　（ｅ）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と
いう問題があシ、更にこのように機関シリンダ内に供給
される空燃比を変動せしめるとたとえ変動中が小さくて
も燃焼が周期的に変動し、斯くして車両運転性が悪化す
るという問題を生ずる。

本発明は酸素濃度検出器を用いることなく、シかも機関
シリンダ内に供給される空燃比を変動させることなく高
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
される。可変ベンチーリ型気化器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
クシ百ンピストン８下流の吸気通路７内ｒＣ設けられた
スロットル弁１１と、フｏ−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間にはペンテ
−り部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１５が取例けられる。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
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を常時ペンチーリ部１３に向け
て押圧する圧縮ばね２２が挿入される。負圧室２０はサ
クシ扇ンピストン８に形成されたサクション孔２３を介
してペンチーリ部１３に連結され、大気圧室２１は気化
器−・ウジンダ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（ＡＴの吸気通路７内に連結される
。

一方、気化器）・ウジフグ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
が設けられている。計量ジェット２６上流の燃料通路２
５は下方に延びる燃料パイプ２７を介して７０−ト室１
２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１
スイーサ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２６Ｉ！Ｊ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。機関連転が開始され
ると空気は吸気通路（７） ７内を下方に向けて流れる。このとき突気流はザクジョ
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−り部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のばね力によシ定まるほぼ一定圧となるよ
うに、即チヘンチーリ部１３内の負圧が１１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の土浦側
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、このザクジ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。との凹溝３１の上流側端部３１ａはＵ字形断面形
状全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シ、残シの凹溝部分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（８） ル９よシも上流側に位置するザクジ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字形を力しており、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。

薗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３１ａ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数シ部Ｋを形成することによっ
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シ、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、斯くしてザクジョンピ
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。従って、加速運転時の
ように吸入空気量が１＠、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
崗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丈クシ７
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図に示す可変ペンテ−り型気化器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はＩＹ　一定値、
例えば１４．０程度に維持することができる。

従って機関シリンダ内には空燃比が１４．０程度の過濃
混合気が常時供給されることになる。

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
血止に形成される。環状空気室３３はエアブリード通路
３５．３６およびエアブリードジェット３７を介して隆
起壁２９上流の吸気通路７内に連結され、これらエアブ
リード通路３５．３６の連結部にはワックス弁３８によ
って駆動される弁体３９が配置される。ワックス弁３８
の感温部３８ａの周囲には冷却水循環室３９が形成され
、この冷却水循環室３９内には冷却水流入口４０から冷
却水が導入され、この冷却水は冷却水流出口４１から排
出される。機関冷却水温が上昇すると弁体３９が左方に
移動し１それＫよってエアブリード通路の流れ面積が増
大するためにエアブリード量が増大する。暖機運転が完
了すると弁体３９がエアブリード通路を全開し、このと
き機関シリンダ内に供給される混合気は空燃比が１４．
０程度の濃混合気となる。

一方、機関排気マニホルド３には２次空気の供給制御を
する２次空気供給制御弁５０が取付けられ、吸気マニホ
ルド１には２次空気供給制御弁５０の作動を制御する電
磁弁５１が取付けられる。

２次空気供給制御弁５０はダイアフラム５２によって隔
離された負圧室５３と大気圧室５４を有し、負圧室５３
内にはダイアフラム押圧用圧縮ばね５５が挿入される。

大気圧室５４内にはダイアフラム５２に向けて突出する
中空管５６が固定配置され、この中空管５６の先端部に
はダイアフラム５２に固定された弁体５８によって開閉
制御される弁ポート５７が形成される。この弁ポート５
７は弁ポート５７から排気マニホルド３内に向けてのみ
流通可能な逆止弁５９および２次空気供給孔６０を介し
て排気マニホルド３内に連結される。

従って弁ポート５７および２次空気供給孔６ｏが２次空
気供給通路を形成する。一方、電磁弁５１は弁室６２と
、弁室６２内に配置された弁体６３と、弁室６２内に開
口しかつ吸気マニホルド１内に連結された負圧ポート６
４と、弁室６２内に開口しかつ大気に連通ずる大気ポー
ト６５と、弁体６３に連結された可動グランツヤ６６と
、可動グランジャ６６を吸引するためのソレノイド６７
とを具備し、負圧ポート６４および大気ポート６５は弁
体６３によって開閉制御される。弁室６２は導管６８を
介して２次空気供給制御弁５０の負圧室５３に連結され
、ソレノイド６７はソレノイド駆動回路７０に接続され
る。ソレノイド駆動回路７０はＭ５図（、）に示すよう
なＩＨｚから２Ｈｚの周波数の矩形ノ４ルスを発生する
パルス発生器７−１と、ノヤルス発生器７１の出力を一
方の入力とするオアｆ−ドア　２と、オアゲート７２の
出力端子に接続された電力増巾器７３からなシ、′電力
増巾器７３の出力端子はソレノイド６７に接続される。

一方、スロットル弁１１にはアイドルスイッチ７４が連
結され、このアイドルスイッチ７４の出力端子はオアゲ
ート７２の他方の入力に接続される。このアイドルスイ
ッチ７４はスロットル弁１１がアイドリンク位置にある
ときにオンになシ、スロットル弁１１が開弁するとオフ
になる。従ってスロットル弁１１が開弁しているときに
はソレノイド６７はノ４ルス発生器７１の出力パルスに
よって駆動される。弁体６３は通常負圧ポート６４を閉
鎖すると共に大気ポート６５を開口しておシ、パルス発
生器７１がノ母ルスを発生するとソレノイド６７が付勢
されて弁体６４が右方に移動し、七扛によって弁体６３
が負圧ポート６４を開口すると共に大気ポート６５を閉
鎖する。従って負圧ポート６４および大気ポート６５は
ｌＨｚから２Ｈｚの周波数でもって開閉動作が繰返され
、斯くして２次空気供給制御弁５０の負圧室５３にはＩ
Ｈｚから２Ｈｚの周波数でもって負圧、又は大気圧が交
互に導びかれる。負圧室５３内に負圧が加わると弁体５
８が弁ポート５７を開口し、このとき排気脈動によシ排
気マニホルド３内に発生する負圧によって空気が２次空
気供給孔６ｏがら排気マニホルド３内に吸入される。従
って上述のように負圧室５３がＩＨｚから２Ｈｚの周波
数でもって交互に大気圧、又は負圧になると弁体５８が
弁ポート５７をＩＨｚから２Ｈｚの周波数でもって０１
口し、斯くして２次空気が排気マニホルド３内にＩＨｚ
から２Ｈｚの周波数でもって間欠的に供給されることに
なる。２次空気が排気マニホルド３内に間欠的に供給さ
れると排気マニホルド３内の排気ガス中の酸素濃度が周
期的に変動し、ル「＜シて空燃比が変動することになる
。なお、ここで空燃比という用語は通常用いられる意味
とは多少違った意味で使用されておυ、との空燃比は三
元触媒コンバータ４上流の作動ガス通路内に供給さｎた
全空気蓋（吸入空気と２次空気の和）と全燃料社との比
を言う。

三元触媒５は排気ガス中に存在する過剰な酸素に対して
前述したよりな酸素保持機能を治しておシ、（１５） この過剰酸素が吸気系に供給さｎた吸入空気によるもの
か、又は排気系に供給された２次空気によるものかは関
係ない。従って排気マニホルド３内に供給される２次空
気の量を変動させることによって空燃比を周期的に変動
させた場合にとの空燃比の平均値が第１（ｂ）図のウィ
ンドウＷ０内に維持されれば高い浄化効率を得ることが
できる。Ｍ２図に示す実施例において弁ポート５７およ
び２次を気供給孔６０の寸法はダイアフラム５２の弁体
５８が弁ポート５７の開閉を繰返し行なったときに空燃
比〜乍の平均値が第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
ｌ’ｔは±０．２から±１．０となるように定められる
。このように弁体５８の単純な開閉動作の繰返しによっ
て全燃比〜乍の平均値をはは理論空燃比に維持できるの
は気化器２において形成される混合気の空燃比が一定に
維持されているからである。従って機関の運転状態にか
かわらずに空燃比は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（１６） 動せしめられ、しかもと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
１ｓ：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。

一方、スロットル弁１１がアイドリング位置にあるとき
にはアイドルスイッチ７４がオンとなる。

従ってこのときソレノイド６７が付勢され続けるために
負圧室５３内は負圧となり、斯くして２次空気が排気マ
ニホルド３内に供給され続ける。アイドリンク運転時に
は多量の未燃ＨＣ、Ｃｏが排出されるもののＮＯｘの排
出量は少なく、従ってアイドリンク運転時には未燃ＨＣ
、Ｃｏの浄化作用を促進することが望まれる。そこで本
発明では上述したようにアイドリング運転時には２次空
気を継続的に供給して未燃ＨＣ、Ｃｏの酸化反応を促進
させ、それによって未燃Ｈｅ　、ＣＯｅ積極的に浄化す
るようにしている。

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、機関シリンダ内に供給される混
合気の空燃比は一定に維持されるので燃焼変動が生ずる
こともなく、斯くして滑らかな機関の運転を確保するこ
とができるｏｔた、アイドリング運転時には２次望見を
継続的に供給することによって未燃ＨＣ。

ＣＯの酸化反応を促進し、それによって未燃ＨＣ。

ＣＯの浄化効率が高められるので大気に放出される排気
ガス中の有害成分を大巾に低減することができる。

【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
排気系１２′）１１ＩＩ］ｉｆｉ断面図、第３図は第２
図の矢印■に沿ってみた平面図、第４図はサクシ目ンピ
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、
５０・・・２次空気供給制御弁、５１・・・電磁弁、６
０・・・２次空気供給孔、７４・・・アイドルスイッチ
。 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 特許出願代理人 弁理士青水　朗 弁理士　西　色　和　之 弁理士　中　山　恭　介 弁理士　山　口　昭　之 皮 く −１６［

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関シリンダ内に過濃な混合気を供給するための燃料供
   給装置を具備すると共に機関排気通路に三元触媒コン・
   ぐ−夕を取付けた内燃機関において、三元触媒コンバー
   タ上流の排気通路内に２次空気供給通路を連結し、該２
   次空気供給通路内にほぼＩＨｚから２Ｈｚの一定周波数
   で開閉する電磁弁を配置し、該２次空気供給通路を開閉
   し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該空燃比の平均値が
   ほぼ理論空燃比となるように上記２次空気供給通路の流
   路面積を定め、更に機関アイドリング運転を検出するア
   イドル検出器を上記電磁弁に接続してアイドリング運転
   時に上記２次空気供給通路を全開し続けるようにした内
   燃機関の排気ガス浄化装置。