JPS5934456A - 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Ｈｅ、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〜乍がほぼ理論空燃比であるときに
最も高くな夛、例えば８０ノ９−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／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
ガス浄化装着では、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ｔｌｉ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　＆　７６
０２０１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Ｎｏ　から酸素を奪い取ってＮｏ　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りＮＯｘの還元作用お
よび（１）。

ＨＣの酸化作用が促進されて高い浄化効率を得るしｄ；
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
〜乍のウィンドウ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。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果が得
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リーン側に交互に変動
できなく々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か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
来の可変ペンチー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−り型気化器、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とと々く、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全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。可変ベンチュリ型気化器２は気化器ハウジング
６と、ノ１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
ュリ部１３が形成される。気化器ハウジング６には中空
円筒状のケーシング１４が固定され、とのケーシング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が取付けられる。案内スリ
ーブ１５内には多数のが−ル１６全備えた軸受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ｐ支持されるのでサクシ冒ンピストン
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を常時ベンチュリ部１３に向け
て押圧する圧縮はね２２が挿入される。負王室２０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
方に延びる燃料パイｆ２７に介してフロート室１２に連
結され、フロート室１２内の燃料はこの燃料パイｆ２７
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
およヒ計量ジェット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、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シ、残シの凹溝部分３１
ｂは上流側端部３１１Ｌ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Ｖ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３２ａ　ｐ　３２　ｂ　ｒおよび
凹溝上流側端部３１ｍ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夛部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校シ
部にの開口面積に比例するように々シ、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。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、ザクジョンピストン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の移動に影響を与えることがなく、斯くし
てザクジョンピストン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が計量ジェット２６の内周壁
面上に形成される。環状空（１１） 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、と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ポート３７
が形成される。

リニアソレノイド弁４０は弁＆　−）　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１ラ
ンジヤ４２と、可動シランジャ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４
０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２Ｈ２１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（１２） ッチ５３と、定電圧源５２の出力端子に接続されたアナ
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は更にアンドダート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パイプレーク５７と
、インバータ５８とを具備する。第１アナログスイツチ
５４はインバータ５８を介してアンドダート５６の出力
電圧によ多制御され、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の出力信号によシ直接制御さ
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
ルスイッチ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シ、回転数スイッチ６０は機関回
転数が例えば１５００　ｒ、ｐ、ｍよシも高いときにオ
ンとなる。従ってスロットル弁１１がアイドリング位置
にあシ、かつ機関回転数が１５０　Ｏｒ、ｐ、ｍよりも
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ｒ−）　５６の出力電圧
が高レベルになると一方では第１アナログスイツチが非
導通状態となり、他方では単安定マルチバイブレータ５
７の出力電圧が１時的に高レベルとなるので第２アナロ
グスイツチ５４は１時的に導通状態となった後に非導通
状態となる。従って減速運転が開始されると定電圧が１
時的に電圧電流変換器５５に印加され、次いで減速運転
開始後位らくすると電圧電流変換器５５の入力端子に印
加される電圧は零となる。一方、スロットル弁１１がア
イドリング位置に々いか、或いは機関回転数が１５０　
Ｏｒ、ｐ、ｍよシも低いとき、即ち減速運転時でないと
きにはアンドダート５６の出力電圧が高レベルとなって
いるので第１アナログスイツチ５３が導通状態にあシ、
−万年安定マルチバイブレータ５７の出力電圧が低レベ
ルとなっているので第２アナログヌイツチ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ｉ？−
）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および弁ポ
ート３７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だときに機
関シリン（１５） 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［１］が理論空燃比に対してほぼ±０．２から±１．
０と碌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、しかもと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。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。次（１６） いて機関シリンダ内には十分な燃料が供給されないため
に失火してトルク変動をひき起こすという問題を生じる
。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シ、従ってこのとき弁体４１が弁
ポート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。次いで減速運転開始
後位らくすると電圧電流変換器５５の入力端子に印加さ
れる電圧が零となるためにソレノイド４３が消勢され、
斯くして弁体４１が弁ポート３７を閉鎖する。その結果
、機関シリンダ内には過濃な混合気が供給されるために
減速運転時であっても失火を生ずることがなく、斯くし
てトルク変動のない安定した減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彦
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ヲ大巾に低減す
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全向上することができる。また、機
関減速運転開始直後に機関シリンダ内に供給される混合
気が極度に過濃になるのを阻止できるので排気ガスを良
好に浄化することができ、更に減速運転開始後型らくし
てから適度に過濃な混合気が機関シリンダ内に供給され
るので失火が生ずるのを阻止でき、斯くしてトルク変動
のガい安定した減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Ｉｌ＋に沿
ってみた平面図、第４図はザクジ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・・・ザクジョンピストン、９・・
・ニードル、２５・・・燃料通路、２８・・・ノズル、
３５・・・エアブリード通路、４０・・・リニアソレノ
イド。 １時許出願人 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　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２Ｈｚ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た後に全閉させる駆動信号を発生
   する回路金倉み、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
   始時に電磁弁を一時的に全開すると共に続く減速期間中
   、該電磁弁を全閉せしめるようにした内燃機関の排気ガ
   ス浄化装置。