JPS5928013A - 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ＩＪｌ’気ガス浄ｒヒ装置に関する
。

排気ガス中の有害三成分Ｊ−ＩＣ，ＣＯおよびＮＯｘを
同時に低減することのできる触媒として、五元理論空燃
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イＧることのできる空燃比
領域をウィンドウＷと称する７従って、三元触媒をｎＪ
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（、なけ
ればならない。このために従来のＵｌ・気ガスａ）化装
置では、空燃比が、Ｌ！１１１１６空燃比よりも入きい
か小さいかを↑（別可能な酸素濃度検出器を機関すＪト
気通路に取付け、ｌこの酸素濃度検出器の出方信号に基
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一度検出器を用
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、Ｓ　ＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ｎｎ７
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。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
しても一ヒ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Ｉ　
Ｈｚ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。ＩＮ　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４なくなるの
でウィンドウのｉＪ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０
無論、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
師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ペン
テ−り型気化器では基ｊ−空燃比の変動中が広く、−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
らの固定べ／テユリ型気化器、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国難でめる。

本発明は酸′ＪＡｍ度検出度検出−ることなく、画格の
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ととＫ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は触媒コンバークを夫々示し、
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。可変ペンテ具り型気化器２は気化器ノ１ウジン
グ６と、ノ）ウジフグ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フンピス
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、フ四−ト室１２とを具備し、サ
クシ曹ンピストン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
窒円筒状のケーシング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
内ロッド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
て押圧する圧縮ばね２２が挿入される０負圧室２０はサ
クションピストン８に形成されたチクシーン孔２３を介
してペンテエリ部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を介してザクシ
マ／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ｆＩＩｉジェット２
６が設けられる。計速ジェット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、７目−ト室１２内の燃料はこの燃料パイプ
２７′ｊｋ介して燃料通路２５内に送り込まれる。更に
、スペーサｌＯには燃料通路２５と共軸的に配鎗された
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ｌＯ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（Ｃ突出する隆起壁２９が形
成され、この隆起壁２９とサクシロンピストン８の先端
部間において流１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ペンチエリ部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
導びかれる０サクシａ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−・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」；流側端部３１ａは【Ｊ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−でおり、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
上流側に位置するザク’／ＥＩンピストン先端面部外の
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字形になしており、従ってこのサクシ日ンピスト
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。

第３図かられかるように吸入空気ｑ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絞り部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）ｔ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ｌ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３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、斯くしてサクシ蓼ンピス
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
もサクシ謬ンピストン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の中央部を流量せしめられ、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縦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
に維持され桐また、サクシトンピストン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１ンピスト
ン８の移動に影響全路えることがなく、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０斯くして、第２
図に示す可変べｙ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、気化器ノ・ウジフグ２内には計量
ジェット２６を迂回するコ字形のバイパス通路３０が形
成される０このバイパス通路３０の燃料流入口３１は計
量ジェット２６の上流において燃料通路２５内に開口し
、バイパス通路３０の燃料流出口３２は計量ジェット２
６の下流において燃料通路２５内に開口する。燃料流入
１」３１近傍のバイパス通路３０内にはバイパス通路３
０内を流れる燃料を計量するための計殖ジエツ）３３が
挿入される。このバイパス通路３０はエアブリード通路
３５およびエアブリードジェット３７を介して隆起壁２
９−上流の吸気通路７内に連結される。また、バイパス
通路３０からは補助燃料通路３４が分岐され、この補助
燃料通路３４は燃料通路２５内に開口する燃料流入口３
８に連結される。

この燃料流入口３８は燃料流入口３１よりも上流におい
て燃料通路２５内に開口する。燃料流入口３８近傍の補
助燃料通路３４内には補助燃料を計量するための補助燃
料ｉｔ級レジエツト９が挿入され、補助燃料通路３４の
途中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３６が形成される。機関アイドリング
１転時には大部分の燃料がバイパス通路３０を介してノ
ズル２８に供給される。このとき燃料は一定断面の計量
ジェット３３によって計量されるためにノズル２８から
吸気通路７内に供給される燃料の避は安定しており、斯
くして安定した機関ア・１ドリング運転１確保すること
ができる。吸入空気ｌが増大するとニードル９が左方に
移動するために計１ジェット２６とニードル９間に形成
される環状間隙の面積が増大する。このときバイパス通
路３０内を流れる燃料の皺はほとんど変化せず、計＋１
ジェット２６とニードル９間に形成される環状間隙内を
流れる燃料が増大してノズル２８から供給される全燃料
量が増大せしめられる。

リニアソレノイド弁４０は弁ボート３６の開口面ａ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、可動グラ／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、弁ボート３６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（ａ）に示すような１
　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、鋸波発生器５１の出力端子に接続され
た電圧電流変換器５２からなり、電圧Ｋｍ変換器５２の
出力端子はソレノイド４３に接続される。前述したよう
に弁ボート３６の開口面積はソレノイド４３を流れる［
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ボート３６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３６の開口面積が鋸歯状に変化すると補助燃料通路
３４からバイパス通路３０内に供給される燃料１」も＃
！両歯状変化し、斯くしてこのとき燃料流出口３２から
流出する燃料の量も鋸歯状に変化する。その結果、機関
シリンダ内に供給される空燃比が変動することになる。

空燃比の変動中および変動する空燃比の平均値はジェッ
）３３，３７゜３９および弁ボート３６の開口面積によ
って定まる。これらのジェット３３，３７．３９と弁ボ
ート３６の寸法は吸入空気量が少ないときに機関シリン
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ほぼ理論空燃比となり、空燃
比の使動巾が理論空燃比に対してほぼ十〇、２から±１
．０となるように定められる。従って吸入空気量が少な
いときには機関温度に関係なく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冗モノ
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。一方、前述したように吸入空気量が増
大してもバイパス通路３０内を流れる燃料量はほとんど
変化せず、従ってノズル２８から供給される全燃料址に
対して補助燃料通路３４からバイパス通路３０内に供給
される燃料量が吸入空気量の増大に伴なって減少するた
めに吸入空気量が増大するにつれて空燃比の平均値は次
第に大きくなる。このように吸入空気量が多いとき、即
ち頻繁に使用される中負荷運転時に空燃比の平均値が大
きくなるので燃料消費率を向上することができる。熱論
上述のように空燃比の平均値が大きくなっても空燃比の
平均値は第１（ｂ）図のウィンドウＷｏ内に維持さ゛れ
るので高い浄化効率を得られることは変りがない。更に
＃！５図（ｂ）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。

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）ｆ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
ガス浄化装置の信禎性を向上することができる。また、
機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比が滑らかに
変動せしめられるので安定した燃焼を確保することがで
きる。更に、通常Ｈ４繁に使用される運転領域において
は空燃比が増大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
排気系の側面断面図、第３図は第２図の矢印璽に沿って
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・・・・・・サクシジンピス
トン、３０・・・・・・バイパス通路、３４・・・・・
・補助燃料通路、４０　・・・・リニアソレノイド弁。 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 番　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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関吸気通路に可変ペンチエリ型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
   器がサクションピストンに固定されたニードルと、該ニ
   ードルが侵入する燃料通路と、該燃料通路内に設けられ
   てニードルと協働する計量ジェットを具備した内燃機関
   において、上記計量ジェット上流の燃料通路と計量ジェ
   ット下流の燃料通路とを連結するバイパス通路を設ける
   と共に該バイパス通路を補助燃料通路を介して計量ジェ
   ット−Ｅ流の燃料通路に連結し、該補助燃料通路内に補
   助燃料通路をほぼ１１（Ｚから２Ｈｚの一定周波数で開
   閉する電磁弁を設け、該電磁弁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
   に変動すると共に防空燃比の平均値がほぼ理論空燃比と
   なるように電磁弁の開口面積を定めだ内燃機関の排気ガ
   ス浄化装置Ｌ