JPS5934467A - 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Ａ／Ｆがほぼ理論空燃比であるとき
に最も高くかり、例えば８０・母−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８０／４−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々らない。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如も大きいか
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力酸素濃度検出器を用いた排気ガ
ス浄化装置では高価々酸素濃度検出器および空燃比制御
のだめの高価々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。

ところが最近罠なって、ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　Ｎｏ、７
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だのであ
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，Ｉ（Ｃの酸化を行なうのである。従って
空燃比を成る基準中（３） 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υＮＯｘ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（４） をリッチ側とリーン側に交互に変動できなく力るのでウ
ィンドウの巾は狭く々る。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＠ｈ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
。

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ガってしまう。

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
チ−り型気化器では基準空燃比の変動中が広く、まだ従
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。可変ペンチ、　ＩＪ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ザクジョンピス
トン８と、サクションピストン８の先端面に取付けらｈ
た＝−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の先端面とス波−サ１０間にはペン
チ−り部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内には多数のゼール１６を備えた軸受１７が
挿入され、まだ案内スリーブ１５の外端部は盲蓋１８に
よって閉鎖される。一方、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の内部はザクジョンピストン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
て押圧する圧縮ばね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プ２７を介してフロート室１２に連
結され、フロート室１２内の燃料はこの燃料・９イブ２
７を介して燃料通路２５内に送り込まれる。更に、スに
−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に向ケチ突出している。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
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ヒストン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、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３ｏ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。との凹溝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り、残りの凹溝部分３１
ｂ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３２　ａ
　、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３２ｍ、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、従ってザクジョ
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、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
てもザクジョンピストン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＝計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不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
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１ｅ−）３７が形成される。

リニアソレノイド弁４０は弁Ｊ　−）　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、可動プランジャ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ｙＮ−）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（ａ）に示すような例えば５　Ｈ
ｚから１０　Ｈｚ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ｈ　Ｉ　
Ｈｚ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。

第２図を参照すると、スロットル弁１１上流近傍の吸気
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、Ｎ−トロ０はスロットル弁１１が所定開度以上
開弁したときにスロットル弁１１下流の吸気通路７内に
開口し、従ってスロットル弁１１が所定開度以上開弁し
たときの高負荷運転時に大きな負圧が負圧ポート６０に
加わる。

この負圧ポート６０は負圧導管６１を介して負荷検出用
負圧ダイアフラム装置６２に連結される。

負圧ダイアフラム装置６２はダイアフラム６３によって
分離された負圧室６４と大気圧室６５とを具備し、負圧
室６４は負圧Ｊ　−）　６０に連結される。負圧室６４
内にはダイアフラム押圧用圧縮ばね６６が挿入され、大
気圧室６５内にはダイアフラム６３に固定された可動接
点６７と、可動接点６７に対向配置された固定接点６８
とが設けられる。この固定接点６８は電源６９に接続さ
れ、可動接点６７はソレノイド駆動回路５００Åカ端子
に接続される。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、即ち機関低負荷運転時には負圧室６
４内に加わる負圧が小さなために第２図に示すように可
動接点６７と固定接点６８とは互に離れている。一方、
スロットル弁１１の開度が大きくなって負圧ポート６０
がスロットル弁１１下流の吸気通路７内に開口すると負
圧室６４内には大きな負圧が加わるためにダイアフラム
６３が左方に移動し、可動接点６７が固定接点６８に接
触する。第２アナログスイツチ５４は可動接点６７に加
わる電圧によシインバータ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６７に加わる電圧によ
って直接側へされる。機関低負荷運転時には第２図に示
すように可動接点６７と固定接点６８とが離れている。

従ってこのとき第１アナログスイツチ５３が非導通状態
とカリ、第２アナログスイツチ５４が導通状態となるの
で第５図（ａ）に示すようなＩ　Ｈｚから２Ｈｚ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。一方、スロットル弁１１の開度が犬きくなって高負
荷運転が行々われると可動接点６７に電圧が印加される
ために第１アナログスイツチ５３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。従ってこ
のとき第６図（ａ）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。

機関低負荷運転時には上述したように第５図（ａ）に示
されるようなＩＨｚから２Ｈｚ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。

このとき弁体４１は弁ポート３７の開口面積を鋸歯状に
変化せしめる。このように弁、Ｎ　−）　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ｙＪｅ　−
）　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り、空
燃比の変動中が理論空燃比に対してほぼ±０２から±１
，０と々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、しかもこの空燃比の平均値は第１（ｂ
）図のウィンドウＷ０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、機関高負荷運転時には吸入空気量が増大するため
に排気マニホルド３内に排出される排気ガス中の有害成
分の絶対量が増大する。このように有害成分の絶対量が
増大するとそれに伴々っで三元モノリス触媒５が単位時
間当Ｖに奪い取る酸素の量が増大し、斯くして三元モノ
リス触媒５の酸素保持能力が短時間で飽和してし捷うこ
とにな、る。ところが本発明では吸入空気量が多いとき
には空燃比Ａ／Ｆの変動周期を第６図（ｂ）に示すよう
に短かくしているので三元モノリス触媒５の酸素保持能
力が飽和する前に空燃比Ａ／Ｆがリーン側からリッチ側
に切換えられ、斯くして三元モノリス触媒５の酸素保持
機能を有効に利用して高い充填効率を得ることができる
。

第７図に別の実施例を示す。この実施例ではケーシング
１４の内周壁面上にポート７０が形成され、このポート
７０に吸入空気量検出用負圧ダイアフラム装置７１の作
動圧室７２が連結される。

この負圧グイアフラム装置７１もダイアフラム７３に固
定された可動接点７４と、電源７５に接続された固定接
点７６とを具備し、可動接点７４はソレノイド駆動回路
５０（第２図）の入力端子に接続される。この実施例で
は吸入空気量が少ないときにはサクションピストン８が
右方に移動するので作動圧室７２は負圧室２０内に連結
される。その結果、可動接点７４が固定接点７６から離
れるのでソレノイｒ４３には第５図（ａ）に示すような
ＩＨｚから２Ｈｚの周波数を有する鋸歯状電圧に対応し
た電流が供給される。一方、吸入空気量が多いときには
サクションピストン８が左方に移動するので作動圧室７
２は大気圧室２１に連結される。

その結果、可動接点７４が固定接点７６に接触するため
に第６図（ａ）に示すような周波数の高い鋸歯状電圧に
対応した電流がソレノイド４３に供給される。

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とと々
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わ、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、吸
入空気量の多いときには空燃比の変動周期を短かくして
三元モノリス触媒の酸素保持機能を有効に発揮させるこ
とにより排気ガスの浄化効率を高めることができる。

【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、第７図は別の実施例の側面断面図であ
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・・・エアブリード通路、４０・・・リニアソレノ
イド弁。

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ＩＨｚから２Ｈｚの第１の一定周波数の駆動信号お
   よび該第１の一定周波数よりも周波数の高い第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、更に吸入
   空気量或いは機関負荷を検出可能な検出器を上記駆動信
   号発生回路に接続して吸入空気量或いは機関負荷が所定
   値以上のときに上記第２の一定周波数の駆動信号を発生
   させると共に吸入空気量或いは機関負荷が所定値以下の
   ときに上記第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。