JPS5912113A - 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　′ｔ
−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５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＆−得ることのできる空燃比領域は空燃比が０．０
６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ｐ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、５Ａｌｉ）　ｐａｐｅｒＮａ　
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リッチ側になると保持した酸素
を放出してｃｏ、ｉｉｃ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、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Ｗ。を示している
。第１（ａ）図および第１（ｂ）図がら空燃比全一定周
波数で変動させた場合にはウィンドウＷ０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ｈたとして
も高い浄化効率が得られること全意味している。一方、
空燃比の変動周波数を短かくすると、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［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中
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。

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−り型気化器では加速時に、或いは
機関温度Ｖこよって基準空燃比が犬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け困難である
。

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は吸気マニホルド、２は吸気マ
ニホルド１上に取付けられた可変べ／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内を横方向に移動するサクシ目ン′ピスト
ン８と、サクションビス）ｙ８の先端面に取付けらレタ
二一ドル９と、サクシ１ンピストｙ　８　＋７）　先ｉ
４）面に対向して吸気通路７の内壁面上ｖＣ固定された
スペーサ１０と、サクシ酉ンピストン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、サクシ田ンピストン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には中空円筒状ノクーシｙグ１４が固定され、
このクーシング１４にはクーシング１４の内部でクーシ
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の軸線方間に移動
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ジンピストン
８はそのｉｓ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
はサクシジンピストン８を常時ベンチュリ部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
クシロンピストン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け気化
器ハウジング６に形成された空気孔２４を介してサクシ
ジンピストン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
方に延びる燃料バイブ２７を介してフロート室１２に連
結され、フロート室１２円の燃料はこの燃料バイブ２７
を介しテ燃料通路２５内に送り込まれる。更に、スペー
サＩＯＫ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ＩＪｌ１５１３内に突出し
、しかもノズル２８の先端部ノ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および計量ジェット２６円を貫通して延
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とサクシジンピストン８の先端部
間にお員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
ひかれる。サクシジンピストン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、即ちベンチ−り部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図を診照すると、ニードル９の上流側
に位ｔｉｔ−ｒ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。との凹溝３１の上流側端部３１＆はＵ字形
断面形状をなすと共にニードル取付端面３０よＶもニー
ドル９の先端部に近い側に位置しておｐ１残９の凹溝部
分３１ｂは上流側端部３１ｇからニードル取付端面３０
までｔナホまっすぐに延びる。更に、ニードル９ｊｐ４
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、従ってこのサクシジンピストン先
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Ｆｓ
、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ｓＫが形成される。

このように吸入空気制御絞り部Ｋを形成することによっ
てサクシロンピストン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１従ってサクシ巨
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、サクシロンピストン
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、斯くしてサクシ田ンピ
ストン８は吸入空気量が増大したときに吸入空気Ｉ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ｉ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ｋが少ないときＶＣ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孕気流と共に
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
シリンダ内に供給てれるので機関シリンダ内に供給され
る混合気の９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、サクシ日ンで機関温度がサク
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ュリ型気化器２ｆ：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が計量ジェット２６の内周壁
面上に形成される。猿状窒気室３３は一方では第１エア
ブリード通路３５を介して隆起壁２９上流の吸気通路７
円に連結され、他方では第２エアブリード通路３６を介
して自動開閉弁５０に連結される。第１エアブリード通
路３５内には第１エアブリードジエツト３７が挿入され
、第２エアブリード通路３６内には第２エアブリードジ
エツト３８が挿入される。また、第１エアブリード通路
３５と第２エアブリード通路３６ｖＣ共通なエアブリー
ド通路部分からは補助エアフＩＪ−ド通路３９が分岐さ
れ、この補助エアブリード通路３９は計量ジェット２６
下流の燃料通路２５内に開口する。

自動開閉弁５０は°第１負圧ダイアフラム装置Ａと第２
負圧ダイアフラム装置ｔＢから構成される。

第１負圧ダイアフラム装置Ａはそのハウジング５１内に
ダイアフラム５２によって分離された負圧室５３と大気
圧室５４とを具備する。大気圧室５４はエアフィルタ５
５を介して大気に連通し、負王室５３内にはダイアフラ
ム５２を上方に向けて押圧する圧縮ばね５６が挿入され
る。ハウジング５１の土壁面には大気圧室５４内に常時
開口する弁ボート５７が形成され、この弁ボート５７は
導管５８を介して第２エアブリード通路３６に連結され
る。ハウジング５１内には弁ボート５７の開閉制御をす
る弁体５９が設Ｑすられ、この弁体５９は圧縮ばね６０
のばね力によって常時下方に抑圧きれる。ダイアフラム
５２には制御ロッド６１が固着され、制御ロッド６１の
上端部は弁体５９と保合可能に配置される。一方、第２
負圧ダイアフラム装置Ｂはダイアフラム６２に、よって
分離された負圧室６３と大気圧室６４とを具備する。

大気圧室６４は開口６５を介して大気に連通り、、負圧
室６３内にはダイアフラム６２を上方に向けて押圧する
圧縮ばね６６が挿入される。ダイアフラム６２の中央部
にはストッパ６７が固着され、このストッパ６７には負
圧室６３と大気圧室６４とを連結する弁ボート６８が形
成される。負圧室６３内には弁ボート６８の開閉制御を
する弁体６９が配置され、この弁体６９は弁ポート６８
を貫通して大気圧室６４内に突出する弁ロンドア０を具
備する。弁ロッド７０の上端部とダイアフラム６２間に
は圧縮ばね７１が挿入され、弁体６９はこの圧縮ばね７
１のばね力によって通常弁ボート６Ｂを閉鎖し続ける。

第１負圧ダイアフラム装置Ａの制御ロッド６１はハウジ
ング５１を貫通して第２負圧ダイアフラム装置Ｂの大気
圧呈６４内に突出１．７、制御ロッド６１の突出下端部
は弁ロンドア０の頂部と係合０Ｔ能に配置される。第２
負圧ダイアフラム装置Ｂの負圧基６３は一方では負圧導
管７２を介して第１負圧ダイアフラム装置ｆＡの負圧室
５３に連結され、他力では負圧導管７３を介して負圧タ
ンク７４に連結される。これらの負圧導管７２．７３内
には夫々ジェノ）７５　、７６が挿入をれる。負圧タン
ク７４は負圧導管７７を介して吸気マニホルド１内に連
結され、この負圧導管７７内には負圧タンク７４から吸
気マニホルド１円に向けてのみ流通可能な逆止弁７８が
挿入される。この逆止弁７８は吸気マニホルド１内の負
圧が負圧タンク７４内の負圧よりも大きくなったときに
開弁じ、吸気マニホルド１円の負圧が負圧タンク７４内
の負圧よりも小さくなったときに閉弁する。従って負圧
タンク７４内は吸気マニホルド１円に発生した最大負圧
に維持される。

第２図は負王室５３．６３に大気圧が作用しているとき
を示している。このときには制御ロッド６１が弁体５９
を押上げているので弁ボート５７が開口している。一方
、制御ロッド６１の下端部は弁ロッド７０の頂部から離
れているために弁体６９が弁ボート６８を閉鎖している
。機関の運転が開始されて負圧タンク７４内に負圧が加
わると負圧タンク７４はジェット７６を介して負圧室６
３に連結されているために負圧室６３内の負圧が次第に
大きくなり、ダイアフラム６２はストッパ６７がハウジ
ング７９の内壁面に当接する壕で下降する。一方、負圧
室６３内の負圧が大きくなると負圧室６３はジェット７
５を介して負圧室５３に連結されているために負王室５
３内の負圧は次第に大きくなり、その結果ダイアフラム
５２が下降する。ダイアフラ、Ａ５２が下降すると弁体
５９と制御ロッド６１との係合が解除されるために弁体
５９が弁ボート５７を閉鎖する。次いで更にダイアフラ
ム５２が下降すると制御ロッド６１の下端部が弁ロッド
７０に当接して弁ロッド７０を押下げる。その結果弁体
６９が弁ポート６８を開口するために負王室６３円には
大気が導入され、その結果ダイアフラム６２が圧縮ばね
６６のばね力によって上昇する。寿お、このとき弁体６
９は停止したままである。負王室６３内が大気圧にｈる
と負圧室５３内の負圧が徐々に小Ｊくなるためにダイア
フラム５２が圧縮ばね５６のばね力により上昇１−２、
その結果制御ロッド６１の上端部が弁体５９に当接して
弁体５９を押上げる。その結果、弁体５９が弁ボート５
７を再び開口する。ダイアフラム５２が更に上昇すると
弁体６９が弁ボート６８の開口面積を減少させるために
負圧室６３内の負圧が大きくなってダイアフラム６２が
下降し、その結果弁体６９が弁ボート６８を閉鎖する。

弁体６９が弁ボート６８を閉鎖するとダイアフラム６２
が更に下降し、次いでダイアフラム５２が下降するため
に弁体５９が弁ポート５７を再び閉鎖する。従って自動
開閉弁５０の弁体５９は弁ボート５７の開閉動作を繰返
すことになる。弁体５９が弁ボート５７を開閉する周波
数はダイアフラム５２．６２やジェノ）７５．７６の寸
法で定まり、第２図に示す実施例では弁体５９が弁ボー
ト５７を開閉する周波数がＩ　Ｉ（ｚから２ｍとなるよ
うにダイアフラム５２．６２やジェット７５．７６の寸
法が定められている。弁体５９が弁ボートＩ５７を開口
すると空気がエアフィルタ５５、大気圧室５４、弁ボー
ト５７および導管５８を介して第２エアブリード通路３
６内に供給されるためにエアブリード孔３３および補助
エア７リード通路３９から燃料通路２５内に供給される
空気量が増大し、その結果ノズル２８から供給される燃
料が減少して機関シリンダ内に供給される混合気は薄く
なる。

第１エアブリードジエツト３７および第２エアブリード
ジエツト３８の寸法は自動開閉弁５０の弁体５９が第５
（＆）図に示すように弁ボート５７の開閉を繰返し行な
ったときｒ機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比
Ａ／Ｆの平均値が第５（ｂ）図に示されるようには３丁
理論空燃比となり、空燃比の変動中が理論空燃比に対１
−てほば±０，２から±１．０となるように定められる
。なお、第５（ａ）図において縦軸ｓｔ−を弁ボート５
７の開口面積を示し、第５（ｂ）図において縦軸ｖＦは
空燃比を示す。

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ばＩ　Ｈｚ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．Ｑの範囲で変動せしめらね、しかもこの空
燃比の平均値は第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。

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會良好に浄化で
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３、更に、エアブリード通路に自動開閉
弁を設けるだけなので構造は極めて簡単であり、従って
排気ガス浄化製蓋の信頼性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／の側面断面図
、第５図に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　トル、２５・・・燃料通路、２８・・・ノズル
、３５゜３６・・・エアブリード通路、５０・・・自動
開閉弁。 特許出願人 トヨタ自１ノ車株式会社 ％許出願代理人 弁理士　青　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士申山恭介 弁理士　山　口　昭　之 し　　　　　　　　　　　　茎 −５ γ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　γ７２ ！　竺　！ 七 く

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をは＃Ｙ
   　Ｉ　Ｈｚから２Ｈｚの一定周波数で開閉する負圧駆動
   の自動開閉弁を配置し、該エアブリード通路を開閉した
   際に空燃比が平均値に対してｔｌは±０．２から±１．
   ０の間で周期的に変動するようにエアブリード通路の流
   れ抵抗を定め、更に上記空燃比の平均値がほぼ理論空燃
   比となるように気化器を設定した内燃機関の排気カス浄
   化装置。