JPS5934465A - 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Ｎ乍がほぼ理論空燃比であるときに
最も高くなシ、例えば８０／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。

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Ｐつ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　Ｎｏ、　
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
Ｉ　Ｈｚで基準空燃比に対して±１．０だけ変動させた
場合の基準空燃比ヤ乍のウィンドウＷｏを示している。

第１（＆）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パ、り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。

理論、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
固定ベンチュリ型気化器、或いは可変ペンチエリ型気化
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ｓ−’）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
、ザクジョンピストン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
空円筒状ノケーシング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内には多数のが−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を介シテケ
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２ｏと大気圧室２１とに分割され、負圧室２ｏ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。負圧室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’ｅ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ｆ２７ｆ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・千イノ２
７を介して燃料通路２５内に送シ込まれる。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の内壁面からペンチ−り部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および計算ジェット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を介して負圧室２０内に導
びかれる。サクションピストン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
＃Ｉは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
けて隆起しておシ、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よシもニードル９
の先端部に近い側圧位置しておル、残シの凹溝部分３１
ｂは上流側端部３１ｍ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よシも上流側に
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
なしておシ、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、３２ｂ、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、従ってサクショ
ンピストン８のリフト１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清らかに移動する。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々る。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、サクションピストン８は軸受１
７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図に示す可変ペンチーリ型気化器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が創量ジェット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に連結された可動シランジ
ャ４２と、可動グランジャ４２全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
ノランジャ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６図（−）に示すような例
えば５）１１ｚから１０Ｈｚ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、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、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。

一方、スロットル弁１１近傍の吸気通路７の内壁面上に
は負圧ポート６０が形成される。この負圧ポー）６０は
スロットル弁１１の開度が予め定められた一定開度以下
のときには第２図に示すようにスロットル弁１１上流の
吸気通路７内に開口し、スロットル弁１１が一定開度以
上になるとスロットル弁１１下流の吸気通路７内に開口
する。

この負圧ポート６０は負圧導管６１および遅延弁６２を
介して負圧ダイアフラム装置６３に連結される。遅延弁
６２は隔壁６４にょシ分離された第１室６５と第２室６
６とを具備し、第１室６５は負圧ポート６０に連結され
る。また、隔壁６４上には第１室６５から第２室６６内
に向けてのみ流通可能な逆止弁６７と、絞シロ８が設け
られる。

一方、負圧ダイアフラム装置６３はダイア７ラム６９に
よって分離された負圧室７０と大気圧室７１とを具備す
る。負圧室７０内にはダイアフラム押圧用圧縮ばね７２
が挿入され、この負圧室７０は遅延弁６２の第２室６６
に連結される。一方、大気圧室７】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が設けられる。固定接点７
◆４は電源７５に接続され、可動接点７３はソレノイド
駆動回路５００Å力端子に接続される。第２アナログス
イツチ５２は可動接点７３に加わる電圧によってインバ
ータ５７を介して制御され、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
きには負圧ポート６０に加わる負圧が小さなためにダイ
アフラム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７４から離れている。斯くして第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が導通状態となっているので第５図（、
）に示すようなＩ　Ｈｚから２１１ｚの周波数を有する
鋸歯状電圧が電圧電流変換器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ポ
ート６０がスロットル弁１１後流の吸気通路７内に開口
すると負圧ポート６０には大きな負圧が加わるために遅
延弁６２の第１室６５内の負圧も大きく々る。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れる。次いで暫らくす
ると負圧室７０内の空気が絞シロ８を介して第１室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５
３が導通状態となり、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（、）に示すような周波数の高
い鋸歯状電圧が電圧電流変換器５５に印加される。

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型らくの
間はＩＨｚから２Ｈｚの周波数の鋸歯状電圧が電圧変流
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。前述したように弁ポート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し、ソレノイド４
３には第５（ａ）図に示すよう表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ＡＩＦ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シ、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れる混合気の空燃比はＩ　Ｈ
ｚから２Ｈ２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Ｗｏ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、スロットル弁１１が閉弁されて暫らくたつと、即
ち加速運転が完了した後型らくして定常走行状態になる
と前述したように第６図（＆）に示すような周波数の高
い鋸歯状電圧が電圧電流変換器５５に印加され、斯くし
てこのとき第６図（ｂ）に示すように空燃比Ａ／Ｆは短
かい周期で変動することになる。このように空燃比の変
動周期が短かくなると空燃比の変動に伴なって燃焼変動
が生じても出力トルクの変動が小さくなシ、斯くして滑
らかな定常運転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トを大巾に低減す
ることができる。更に、エアプリー１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を向上することができる。また、定
常走行時におけるトルク変動を抑制できるので滑らかな
定常運転を確保することができる。

【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・・・サクションピストン、９・・
・ニードル、２５・・・燃料通路、２８・・・ノズル、
３５・・・−ｒ−−ｒｒｖ−ド通路、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 特許出願代理人　　　　　　　　　　　−弁理士　青　
木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理土中山恭介 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１ｌｌｚから２１１ｚの第１の一定周波数の駆動信
   号および該第１の一定周波数よシも周波数の高い第２の
   周波数の駆動信号を発生可能な駆動信号発生回路を具備
   し、上記エアブリード通路内に上記駆動信号に応動して
   エアブリード通路を上記一定周波数で開閉する電磁弁を
   配置し、該エアブリード通路を開閉した際に空燃比が平
   均値に対してほぼ±０．２から±１．０の間で周期的に
   変動すると共に該空燃比の平均値がほぼ理論空燃比とな
   るように上記エアブリード通路の流路面積を定め、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上記定
   常運転時に上記第２の一定周波数の駆動信号を発生させ
   ると共に上記定常運転時でないときには上記第１の一定
   周波数の駆動信号を発生せしめるようにした内燃機関の
   排気ガス浄化装置。