JPS5993952A - 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
に低減することができる触媒として、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ル乍がほぼ理論空燃比であるときに
最も高く々シ、例えば８０パ一セント以上の浄化効率Ｒ
を得ることが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
だ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、５ＡＥｐａｐｅｒ　Ａ７６０２
０１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Ｎ０ｘｆ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、９ＮＯｘ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
の基準空燃比ル乍のウィンドウＷ。を示している。第１
（８９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ｗ０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。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
とり一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。

無菌、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ヲ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−り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
固定ベンチエリ型気化器、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ｌ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は気化器ハウゾング
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レタ二
一ドル９と、サクションピスト７３　ノ先端面に対向し
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、７０−ト室１２とを具備し、丈ク
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−・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内には多数のゾール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を介してケ
ーシング１４によシ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
王室２０と大気圧室２１とに分割され、負圧室２０内に
はサクションピストン８を常時ベンチ−り部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
してペンチ−り部１３に連結され、大気圧室］は気化器
−・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ｌ・ウジフグ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
下方に延びる燃料ノくイゾ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パイプ
２７を介して燃料通路２５内に送シ込まれる。更に、ス
ペーｖ１０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
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７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３２ａ、３２ｂ１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
御絞シ部Ｋが形成される。

このように吸入空気制御絞シ部Ｋｉ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シ
部にの開口面積に比例するようになリ、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。１だ、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図に示す可変ベンチュリ型気化器２全用いると、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上はぼ一定値、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
３４およびエアブリードジェット３５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３４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３６が形成される。

リニアソレノイド弁４０は弁ポート３６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
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、弁ボート３６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（ａ）に示すようなＩＨｚから２Ｈ
ｚの周波数の鋸波状電圧を発生する鋸歯発生器５１と、
鋸波発生器５１の一出力端子に接続された第１のアナロ
グスイッチ５２と、第１アナログスイツチ５２の出力端
子に接続された電圧電流変換器５３と、定電圧源５４と
、定電圧源ヌの出力端子に接続された第２のアナログス
イッチ５５を具備する。第２アナログスイツチ５５の出
力端子は電圧電流変換器５３の入力端子に接続され、電
圧電流変換器５３の出力端子はソレノイド４３に接続さ
れる。定電圧源５４は電源５４ａに接続された固定抵抗
５４ｂと、固定抵抗５４ｂに接触しつつ摺動可能なスラ
イダ５４ｃとにょ多構成され、スライダ５４ｃにはスラ
イダ５４ｃの位置によって定まる一定電圧が表われる。

第２図に示されるようにソレノイド駆動回路５ｏは更に
アンドゲート５６を具備する。このアンドゲート５６の
一方の入力端子は機関冷却水温に応動する水温スイッチ
５８に接続され、アンドｆ−ト５６の他方の入力端子は
三元触媒コンバータ４の触媒床の温度を検出するだめに
三元触媒コンバータ４に取付けられた感温スイッチ５９
に接続される。水温スイッチ５８は暖機がある程度進行
したが否か全検出するために設けられておシ、例えばこ
の水温スイッチ５８は機関冷却水温が６０Ｃ以下のとき
オフとなり、機関冷却水温が６０’Ｃ以上になるとオン
になる。一方、感温スイッチ５９は三元触媒が活性化し
たか否かを検出するために設けられており、例えばこの
感温スイッチ５９は触媒床の温度が６５０℃以下のとき
オンとなシ、触媒床の温度が６５０℃以上になるとオフ
となる。従ってアンドｒ−ト５６の出力電圧は機関冷却
水温が６０℃以上であって触媒床の温度が６５０℃以下
のときに高レベルになる。第２図に示されるように第】
アナログスイッチ５２はインノぐ一夕５７を介してアン
ドゲート５６の出力電圧によシ制御され、第２アナログ
スイツチ５２はアンドダート５６の出力電圧によυ直接
制御される。従ってアンドゲート５６の出力電圧が低レ
ベルのときには第１アナログスイツチ５２が導通状態に
なると共に第２アナログスイツチ５５が非導通状態にな
るために鋸波発生器５１の出力電圧が電圧電流変換器５
３に印加され、アンドゲート５６の出力電圧が高レベル
のときには第１アナログスイツチ５２が非導通状態にな
ると共に第２アナログスイツチ５５が導通状態になるた
めに定電圧源５４の出力電圧が電圧電流変換器５３に印
加される。

機関冷却水温が６０℃以下のとき、又は触媒床温度が６
５０℃以上のとき、又は機関冷却水温が６０℃以上であ
って触媒床温度が６５０℃以上のとき、即ち暖機が完了
したときにはアンドダート５６の出力電圧は低レベルと
なる。従ってこのとき鋸波発生器５１の出力電圧が電圧
電流変換器５３に印加される。前述したように弁ポート
３６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、従ってこのときソレノイド４３には第５（
ａ）図に示すような電流が供給されるので弁サポート３
６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３６の開口面積が鋸歯状に変化するとエア
ブリード孔３３から燃料通路δ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Ｖは第５（ｂ）図に示されるように綜状に滑
らかに変化することになる。エアブリードジェット３５
および弁ポート３６の寸法はりニアソレノイド弁４０の
弁体４１が弁ボート３６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±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、しかもこの空燃比の平均値
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、機関冷却水温が６０℃以上であって触媒床の温度
が６５０℃以下のとき、即ち機関の暖機がある程度完了
していて触媒温度が活性化温度に達していないときには
アンドゲート５６の出力電圧は高レベルとなる。従って
このとき定′眠圧源ヌの出力電圧が電圧電流変換器５３
に印加されるためにリニアソレノイド弁４０の弁体４１
は一定開度に保持される。このときの弁体４１の開度は
定電源５４のスライダ５４ｃの位置によって任意に設定
することができるがこの開度は少くとも半開以上であっ
て、全開にすることもできる。このように弁体４１が半
開以上の一定開度、或いは全開に保持されるとエアブリ
ード量が増大するためにノズル２８から供給される燃料
が減少し、斯くして機関シリンダ内には稀薄な混合気が
供給される。

その結果、排気ガス温が上昇するために三元触媒コンバ
ータ４の触媒の加熱が促進され、また排気ガス中の酸素
濃度が増大するために酸化作用が促進されて触媒の加熱
が更に促進され、斯くして触媒温度を活性化温度まで急
速に上昇させることができる。また、暖機が完了する前
にはＮｏ　ｘよシもＨＣ、Ｃｏ　の排出量が多く、従っ
てこのようなときに機関シリンダ内に稀薄な混合気を供
給することによってＨｅ　、　ＣＯの排出量を低減する
こともできる。

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６１、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、機
関シリンダ内に供給される混合気の空燃比が滑らかに変
動せしめられるので安定した燃焼を確保することができ
る。１だ、機関がある程度暖機されたにも拘わらずに触
媒温度が低い場合には機関シリンダ内に稀薄混合気を供
給することによって触媒の活性化を早めることができる
。

【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図は嬉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、４
０・・・リニアンレノイド弁、５８・・・水温スイッチ
、５９・・・感温スイッチ。 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

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、
   上記エアブリード通路内に該エアブリード通路をほぼＩ
   Ｈｚから２Ｈｚの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
   にエアブリード通路の流路面積を定め、更に機関の温度
   を検出する機関温度上ンサと上記触媒コンバータの温度
   を検出する触媒温度上ンサとを上記′電磁弁に接続して
   機関温度が予め定められた温度以上であって触媒コンバ
   ータの温度が予め定められた温度以下のときに該電磁弁
   を一定開度に開弁保持するようにした内燃機関の排気ガ
   ス浄化装置。