JPS5934457A - 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Ｎ販を同時に
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
れるように空燃比酔乍がほぼ理論空燃比であるときに最
も高くなシ、例えば８ｏ／ｆ−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０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〇 ところが最近になって、ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ａ　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
が理論空燃比よシもり。

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）は空燃比全周波数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紗乍のウィンド
ウＷ。を示している。第１（ａ）図および第１（ｂ）図
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
味している〇一方、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つく酸化還元能
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１］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〇
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中が広く、また従
来の可変ペンチ−り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、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
される。可変ベンチュリ型気化器２は気化器ハウシング
６と、ハウジング６内を画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、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、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、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、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内には多数のメール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Ｍ１８によっ
て閉鎖される。一方、ザクジョンピストン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。

このようにザクジョンピストン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ボンピストン
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の内部はサクシ四ンピストン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
はザクジョンピストン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。負圧室２０はザ
クショア　ＬＪ’ストン８に形成されたサクション孔２
３を介してベンチュリ部１３に連結され、大気圧室２工
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０計量ジエツト２６上流の燃料通路２５は下
方に延びる燃料パイｆ２７を介してフロート室】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の先端部の上半分は下半分から更にザクジ
ョンピストン８に向（７） 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１（１）ｌＪ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を介して負圧室２ｏ内に
導びかれる０サクシ、ンピストン８は負王室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ｌ幻ホ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（８） 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、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３１１はＵ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てお９、残シの凹溝
部分３１ｂは上流側端部３１ｍからニードル取付端面３
０までほぼまっすぐに延びる０更に、ニードル９よシも
上流側に位置するサクシ、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、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窒気童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３１１Ｌ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校シ部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−１１１吸入空気制
御絞シ部にの開口面積に比例するようになり、従ってザ
クジョンピストン８のリフト量ハ吸入空気僅の増大に応
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’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９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量と
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ｉＩｌ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
波に比例し、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の移動に影響ヲ与えることがなく、
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
吸入空気波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は／Ｙ　一
定値、例えは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２
９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は弁ポート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を吸引するだめのソレノ
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
動プランツヤ４２が移動し１、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％５０は第６図（、）に示すよりな１
　エｉｚから２Ｈｚの周波数の鋸歯状電圧を発生する第
１の鋸歯発生器５１と、同様に第５図（、）に示すよう
なＩＨｚから２Ｈｚの周波数の鋸歯状電圧を発生する第
２の鋸歯発生器５２と、第１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、第２の鋸
歯発生器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、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、この電流電圧変換器５５の出力端子は
ソレノイド４３に接続される。上述したように第１鋸歯
発生器５１と紀２鈴歯発生器５２とはほぼ同じ周波数Ｉ
Ｈｚから２Ｈｚの鋸歯状電圧を発生するが第５図（ａ）
および第６図（、）かられかるように第１鋸歯発生器５
１の鋸歯の振幅のほうが第２鋸歯発生器５２の鋸歯の振
幅よ如も小さい。前述したように弁ポート３７の開口面
積はソレノイド４３’ｉ流れる電流に比例し、ソレノイ
ド４３に供給される電流は鋸歯発生器５１．５２の出方
電圧に比例するので弁ポート３７の開口面積の増減中は
鋸歯発生器５１．５２が発生する鋸歯の振幅に比例する
ことがわかる。

一方、第２図に示されるようにスロットル弁１１にはス
ロットル弁１１の開閉動作に応動するスロットルスイッ
チ５８が連結され、このスロットルスイッチ５８はスロ
ットル弁１１がアイドリング位置にあるときにオンとな
る。第１アナログスイツチ５３はアイドルスイッチ５８
の出力信号によシ直接制御され、第２アナログスイツチ
５４はインバータ５７を介してアイドルスイッチ５８の
出力信号により制御される。従って、スロットル弁１１
がアイドリング位置にあると、即ちアイドリンク運転時
には第１アナログスイツチ５３が導通状態となシ、第２
アナログスイツチ５４が非導通状態となるので第６図（
、）に示すような振幅の小さな鋸歯状電圧が電圧電流変
換器５５に印加される。一方、スロットル弁１１がアイ
ドリング位置にないときには第１アナログスイツチ５３
が非導通状態となシ、第２アナログスイツチ５４が導通
状態となる。従って、このとき第５図（、）に示すよう
な振幅の大きな鋸歯状電圧が電圧電流変換器５５に印加
される。

スロットル弁１１がアイドリング位置にないときには上
述したように第５図（−）に示すような振幅の大きな鋸
歯状電圧が電圧電流変換器５５に印加される。このとき
弁体４１は全開位置と全閉位置との間を往復して弁ポー
ト３７の開口面積を鋸歯状に変化せしめる。このように
升ポート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
比し乍は第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３７０寸法はりニアソレノイド弁４００弁体４
１が弁ポート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）
、空燃比の変動巾が理論空燃比に対してほぼ±０．２か
ら±１．０と力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の酸系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、アイドリンク運転時には前述したように第６図（
、）に示すような振幅の小さな鋸歯状電圧が電圧電流変
換器５５に印加される。従ってこのときには弁ポート３
７の開口面積の増減中が小さくなるためには第６図（ｂ
）に示されるように空燃比給乍の変動巾が狭くなる。空
燃比が変動すればそれに伴なって機関出力トルクが変動
するが搭乗者が感じる出力トルクの変動はアイドリンク
運転時のときに最も激しくなる。従ってアイドリンク運
転時に空燃比ヤ乍の変動ｌ］を狭くすると浄化効率は若
干低下するが出力トルクの変動が小さくなるために安定
したアイドリング運転を得ることができる。なお、アイ
ドリング運転時には機関シリンダ内に供給される吸入空
気の絶対量が少なく、従って排気マニホルド３内に排出
される排気ガス中の有害成分の絶対量が少ないために浄
化効率が若干低下しても大気中に放出される有害成分の
絶対量は少なく、斯くしてアイドリング運転時であって
も大気中に放出される排気ガス量を低く抑えることがで
きることには変９はない。

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、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シ、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、ア
イドリング運転時に空燃比の変動中を狭めることによっ
て安定したアイドリング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■に沿って
みた平面図、第４図はサクシ、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、第６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・・・リニアンレノ
イド弁、５８・・・アイドルスイッチ〇 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　背　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士　中　山　恭　介 ９Ｐ理士　山　　口　　昭　　之 （１９）

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しかつ互に
   異なる少くとも２つの振幅を有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開口面積を増大減少せしめると共に
   該開口面積の増大減少中が上記振幅に比例した電磁弁を
   設け、上記駆動信号が第１の振幅を壱するときは空燃比
   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、更に機関ア
   イドリング運転状態を検出可能なアイドリンク運転検出
   器を上記駆動信号発生回路に接続して機関アイドリンク
   運転時に上記駆動信号の振幅を上記第１振幅から第１振
   幅よシも振幅の小さな第２の振幅に切換えるようにした
   内燃機関の排気ガス浄化装置。