JPS5934464A - 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お工び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ｍ　Ｉ　（ａ）図
に示されるように空燃比Ａ／Ｆ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を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？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
空燃比重りも大きいか小さいかを判別可能な酸素濃度検
出益金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
検出器ケ用いた排気ガス浄化装置では高価な酸素濃度検
出器お工び空燃比制御のための高価な電子制御ユニット
２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ＶＣなって、ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ｎ［１
７６０２０１号、或いは特公昭５６−４７４１号公報に
記載されている工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？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　　ｋ還元させると共にこの奪い取った酸素上保持し
、空燃比が理論空燃比重りもリッチ側になると保持した
酸素？放出してＣｏ、ＨＣの酸化を行なうのである。従
って空燃比ｒ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（３） しても上述の酸累保持機能により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
？得ることができる。第１図（ｂｌ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Ｗｏ　ｋ示している
。＠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児が広くなるこ
とがわかる。このことは、空燃比茫一定周期で変動させ
ｎは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低くすると、即ち空燃比の変−周
期を長くすると三元触媒の散票保持能力が飽和するため
に酸累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　（ｃ１図はこのことを
明瞭に示、している、第１　（ｃ１図において縦軸Ｒは
浄化効率上水し、横軸Ｆは空燃比の変動周波数を示す、
また、空燃比の変動巾茫小さくすると空燃比に’）ツチ
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（４） ライ。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
器の出力信号にぶるフィードバック制御？用いなくても
高い浄化効率ｒ得ることができることケ意味している。

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？狭くすることができるが燃料噴射装置は高
価で必ゐ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、ヲ低く抑え／）ためには気化
器４用いることが必要となる。しかしながら従来の固定
ベンチーリ型気化器では基準空燃比の変動中が広く、ま
た従来の可変ベンチ−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、或いは可変ベンチエリ型
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？用いることなく、価格の低い
気化器ケ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菌＠２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図ケ参照すると、１は吸気マニホルド、２は吸気マ
ニホルドｌ上に取付けられた可変ベンチ二す型気化器、
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内ケ垂直方向に延びる吸気通路７と
、吸気通路７内茫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りニ
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Ｊ３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Ｊ４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円には多数のボール１６を備えた軸受１７
が挿入され、また案内スリーブＪ５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が固定さ扛、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
ルる。

このようにサクションピストン８は軸受１７に介してケ
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Ｉ４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
て抑圧（７） する圧縮ばね２２が挿入される。負圧空２０はザクシｒ
ンピヌトン８に形成されたザクシ日ン孔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に形成さ扛た空気孔２４全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
方に延びる燃料バイブ２７を介してフロート室１２ＶＣ
連結さｆ′１．、フロート室１２内の燃料はこの燃料バ
イブ２７茫介して燃料通路２５内に送り込まれる。更に
、スペーサ１０には燃料通路２５と共軸的に配歌された
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ＪＯ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お工（８） 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間に形放さｎる環状間隙にニジ計
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円（Ｃ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。＠関運転が開始さ
れろと空気は吸気通路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ｎる。サクションピストン８は負王室２０と大気
圧ｉ２１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、即ちベンチ二す部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図上参照すると、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（９）　　　　
　　　　　　　　　〜へ。

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？かすと共にニードル取付端面３０．
１：りもニードル９の先端部に近い側に位置しており、
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。

ｗ４３図かられかる工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絞り部Ｋｌ形成すること（１０
） によってサクションピストン８のリフｌ−肯：が吸入空
切制御絞り部■ぐの開口面積に比例するようにカリ、従
ってサクシ・１ンピストン８のリフトｆ５け吸入空気量
の増大に応じて滑らかに増大するようになる。更に、サ
グジョンピストン８け軸受１７によって支持されていゐ
ので吸入空気μの変化に対して応答性工く移動し、斯く
してサクションピストン８け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ｒ）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２
８から供給さ江る燃料の量は吸入空気量に常時比例すゐ
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我気通路７の中央部？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く１３
） 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工うにノズル２８から供給される燃
料の量が吸入空気量に比例し、；−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扛る混合気の空燃比は吸入空
気蓋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ｒ
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値の変化に応答性工〈移動
することができる。斯くして、第２図に示す可変ベンナ
ユリ型気化器２ｒ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汁気の
空燃比ｋｉｔは一定１直、例えば＃ｉは理論空燃比に維
持することができる。

第２図？参照すると、計量ジェット２６の周囲ＶＣ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（１２） ジェット２６の内周壁面上に形成さ７１５る。（ｖ、１
状空グ室３３はエアブリード通路３５おＬびエアブリー
ドジェット３６を介して隆起壁２９」電流の吸気通路７
内Ｖ（連結きれ、こぐ）エアブリード通路３５内にはり
ニアソレノイド弁４０に工って開口■ｌ積が制御される
弁ホード３７が形成される。

リニアソレノイド弁４０は弁ボート３７の開口面積４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、’ｏＪ頼１プランジャ４２全吸引する１こめ
のソレノイド４３とケ具偏し、ソレノイド４３はソｔ／
メイド駆！１１回路５０に接続される。このリニアソレ
ノイド弁４０ではソＬ／ノイド４３’５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３７の開口面積はソレノイド４３　ｉ
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（ａｌに示す工う々Ｉ
　Ｈ２から２１［ｚ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のアナログスイッチ５３と、定
電圧源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＋７
グスイノー”ｆ５４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（ｄソレノイド４３に接続される。

一方、スロットル弁ＩＩ近傍の吸気通路７の内壁面上に
は負圧ポユト６０が形成される。この負圧ボート６０は
スロットル弁又１の開度が予め定めら扛た一定開度以下
のときには第２図に示すようにスロットル弁Ｊ１上流の
吸気通路７内に開口し、スロットル弁ＩＩが一定開度以
上になるとスロットル弁ＩＪ下流の吸気通路７内に１ボ
ロする。

この負圧ボート６０は負圧専管６１お工び遅延弁６２ｉ
介して負圧ダイ了フラム装置６３に連結される。遅延弁
６２は隔壁６４により分離された第１室６５と第２室６
６と？具備し、第１室６５は負圧ボート６０１て連結さ
れる。ま７ζ、隔壁６４上には第］室６５からｍ　２箆
６６内に向けてのみ流通可能な逆止弁６７と、絞り６８
が設けられる。

一方、負圧ダイアフラム装置６３はダイアフラム６９に
よって分離された負王室７０と大気圧室７１とｒｔ具備
する。負王室７０内にはダイアフラム押圧用圧縮ばね７
２が挿入され、この負王室７０は遅延弁６２の第２室６
６に連結される。一方、大気圧室７１内にはダイアフラ
ム６９に固定された可動接点７３と、この可動接点７３
に対向配置された固定接点７４が設けられろ。固定接点
７４は電源７５に接続さｎ、可動接点７３はンレノイド
駆動回路５０の入力端子に接続される。第１アナログス
イツチ５３は可動接点７３に加わる電圧によってインバ
ータ５７を介して制御さｎ、第２アナログスイツチ５４
は可動接点７３に加わる電圧によって直接制御される。

第２図に示すようにスロットル弁１１の開度が小さなと
きには負圧ボート６０に加わる負圧が小さなためにダイ
ア７ラム６９は圧縮ばね７２のばね力により右方に移動
している。従ってこのときには第２図に示すように可動
接点７３が固定接点（１５） ７４から離れている。斯くして第１アナログスイツチ５
３が導通状態となシ、第２アナログスイツチ５４が非導
通状態となっているので第５図（ａ）に示す工うな鋸歯
状電圧が電圧を流変換器５５に印加される。次いで加速
すべくスロットル弁１１が開弁せしめられて負圧ボート
６０がスロットル弁Ｊｌ後流の吸気通路７内に開口する
と負圧ボート６０には大きな負圧が加わるために遅延弁
６２の第１室６５内の負圧も大きくなる。しかしながら
このとき逆止弁６７が閉弁するので負圧室７０内の負圧
は依然として小さく、斯くして可動接点７３は固定接点
７４から離れた状態に維持さ江る。

次いで暫らくすると負圧室７０内の空気が絞り６８に介
して第１寥６５内に流入して負圧室７０内の負圧が大き
くなるためにダイアフラム６９が左方に移動して可動接
点７３が固定接点７４に接触する。その結果、第１アナ
ログスイツチ５３が非導通状態となり、第２アナログス
イツチ５４が導通状態と々るので定電圧が電圧電流変換
器５５に印加される。

（１６） 上述したようにスロットル弁１１の開度が小さなとき、
およびスロットル弁１１が開弁せしめられた後暫らくの
間は鋸歯発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５５に
印加され、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
たように弁ボート３７の開口面積はソレノイド４３ｉ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ボート３７
の開口面積は鋸歯状に変化することがわかる。

このように弁ボート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お工び弁ボート３７の寸法はりニアソレノ
イド弁４０の弁体４１が弁ボート３７の流れ面積？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
ぼ理論空燃比となり、空燃比の変動中が理論空燃比に対
してほぼ±０．２から±１．０とな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扛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　（ｂＪ図のウィンドウ県内に維持
されるので三元モノリス触媒５の酸素保持機能茫利用し
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ｔｌＩ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、２０ツトル弁１１が閉弁されて暫らくたつと、即
ち加速運転が完了したｖｊ：ｉらくして定常走行状態に
力ると前述したように定電圧が定電圧源５２から電圧電
流変換器５５に印加される。この定電圧は第５図（ａｌ
に示す鋸歯状電圧のほぼ最大値に等しく、従ってこのと
き弁体４工が弁ボート３７ｉ全開する。その結果、ノズ
ル２８から供給される燃料が減少するために機関シリン
ダ円には稀薄な混合気が供給される。機関アイドリンク
運転時および加速運転時には比較的濃い混合気が必要と
なるが定常運転時には比較的薄い混合気でも安定した燃
焼を得ることができる。しかもこのような定常走行が行
なわれる頻度は多く、従って定常走行時に機関シリンダ
に稀薄な混合気を供給することによって燃料消費率を向
上することができる。

このように本発明によれば高価な酸素濃度検出器お工び
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ヌトを大巾に低減す
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６カ、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、定
常走行時に稀薄な混合気上機関シリンダ内に供給するこ
とによって燃料消費率を向上することかで（１９） きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気ガス浄化効率？示すａ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１こ平面図、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・・・・・・サクションピス
トン、９・・・・・・ニードル、２５・・・・・・ａ料
通路、２８・・・・・・ノズル、３５・・・・・・エア
ブリード通路、４０・旧・・リニアソレノイド弁。 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　木　　　　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　中　山　恭　介 弁理士　山　口　昭　之 （２０） 犬 く −３９゜

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ｌＨｚ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Ｉ　Ｈｚ　から２　Ｈ
   ｚ　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！＠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工うにエア
   ブリード通路の流路面積を定め、上記駆動信号発生回路
   が電磁弁を全開させる駆動信号を発生する回路を含み、
   更に機関負荷が所定負荷以上の定常走行運転を検出可能
   な定常運転検出器を上記駆動信号発生回路に接続して機
   関負荷が所定負荷以上の定常走行時に上記電磁弁を全開
   するようにした内燃機関の排気ガス浄化装置。