JPS5996418A - 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，Ｃｏｂ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
に最も高くなり１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０．０６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、三元触媒音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２．空燃比が理論
空燃比よりも大きいか小さいか全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　Ａ７
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リッチ側になると保持した酸素を
放出してＣＯ，ＨＣのは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Ａ／、のウィンドウＷｏ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（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ｆ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、
従り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ン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。

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と
いう問題があり、更にこのように機関シリンダ内に供給
される空燃比を変動せしめるとたとえ変動中が小さくて
も燃焼が周期的に変動し、斯くして車両運転性が悪化す
るという問題を生ずる。

本発明は酸素濃度検出器を用いることなく、シかも機関
シリンダ内に供給される空燃比を変動させることなく高
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、　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。可変ベンチエリ型気化器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レタ
二一ドル９と、サクションピストン８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
、　ＩＪ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内には多数のボール１６全備えた軸受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が固着され、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・ヨンピスト
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の内部はサクシジンピストン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。負圧室２ｏは
サクションヒストン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の内壁面がらベンチュリ部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１ｏ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、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、　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内に導か
れる。サクションピストン８は負圧室２０と大気圧室２
１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、即ちベンチエリ部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
、　３２　ｂ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のり７トが吸入空気量の
増大に比例して増大ｒ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。また、サクシ璽
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ルコ
トカなく、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を用いると９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１４．０程度に維持することができる。従って機
関シリンダ内には空燃比が１４．０程度の過濃混合気が
常時供給されることになる。

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
３５．３６およびエアブリードジェット３７を介して隆
起壁２９上流の吸気通路７内に連結され、これらエアブ
リード通路３５．３６の連結部にはワックス弁３８によ
って駆動される弁体３９が配置される。ワックス弁３８
の感温部３８ａの周囲には冷却水循環室３９が形成され
、この冷却水循環室３９内には冷却水流入口４０から冷
却水が導入され、この冷却水は冷却水流出口４１から排
出される。機関冷却水温が上昇すると弁体３９が左方に
移動し、それによってエアブリード通路の流れ面積が増
大するためにエアブリード量が増大する。暖機運転が完
了すると弁体３９がエアブリード通路を全開し、このと
き機関シリンダ内に供給される混合気は空燃比が１４．
０程度の濃混合気となる。

一方２機関排気マニホルド３には２次空気の供給制御を
する２次空気供給制御弁５０が取付けられ、吸気マニホ
ルド１には２次空気供給制御弁５０の作動を制御する電
磁弁５１が取付けられる。

２次空気制御弁５０はダイアフラム５２によって隔離さ
れた負圧室５３と大気圧室５４とを有し。

負圧室５３内にはダイアフラム押圧用圧縮ばね５５が挿
入される。大気圧室５４内にはダイアフラム５２に向け
て突出する中空管５６が固定配置され、この中空管５６
の先端部にはダイアフラム５２に固着された弁体５８に
よって開閉制御される弁ボート５７が形成される。この
弁ボート５７は弁ボート５７から排気マニホルド３内に
向けてのみ流通可能な逆止弁５９および２次空気供給孔
６０を介して排気マニホルド３内に連結される。

従って弁ボート５７および２次空気供給孔６０が２次空
気供給通路を形成する。一方、電磁弁５１は弁室６２と
、弁室６２内に配置された弁体６３と、弁室６２内に開
口しかつ吸気マニホルド１内に連結された負圧ボート６
４と、弁室６２内に開口しかつ大気に連通ずる大気ボー
ト６５と、弁体６３に連結された可動プランジャ６６と
、可動プランジャ６６を吸引するだめのソレノイド６７
を具備し、負圧ボート６４および大気ボート６５は弁体
６３によって開閉制御される。弁室６２は導管６８を介
して２次空気供給制御弁５０の負圧室５３に連結され、
ソレノイド６７はソレノイド駆動回路７０に接続される
。ソレノイド駆動回路７０は第５図（ａ）に示すような
Ｉ　Ｈｚから２　Ｈｚ　　の周波数の矩形パルスを発生
するパルス発生器７１と、パルス発生器７１の出力を一
方の入力とじ負圧スイッチ７２の出力を他方の入力とす
るアンドゲート７３と、アンドゲート７３の出力端子に
接続された電力増幅器７４とを具備し、電力増幅器７４
の出力端子はソレノイド６７に接続される。

負圧スイッチ７２はダイアフラム７５によって隔離され
た負王室７６と大気圧室７７とを具備し。

大気圧室７７内にはアンドゲート７３に接続された固定
接点７８と、ダイアフラム７５に固定されかつ電源（図
示せず）に接続された可動接点７９が配置される。一方
、負圧室７６は負圧遅延弁８０および負圧導管８１を介
して吸気マニホルド１内に連結される。この負圧遅延弁
８０は負圧室７６から吸気マニホルド１内に向けてのみ
流通可能な逆止弁８１と絞シ８２とを具備し、これら逆
止弁８１と絞り８２とは並列配置される。

スロットル弁１１の開度が小さな低負荷運転時には負圧
スイッチ７２の負王室７６内に大きな負圧が発生してお
シ、従ってこのときダイアフラム７５が左方に移動する
ために可動接点７９と固定接点７８とが互に接触する。

斯くしてこのときアンドゲート７３の出力電圧はパルス
発生器７１がパルスを発生する毎に高レベルとなシ、従
ってソレノイド６７には第５図（ａ）に示すような連続
パルスが印加される。次いで加速すべくスロットル弁１
１が全開近くまで開弁せしめられると吸気マニホルドｌ
内の負圧が小さくなるが、このとき逆止弁８１は閉弁状
態に保持されるので負圧スイッチ７２の負王室７６内に
は依然として大きな負圧が作用しておシ、斯くして可動
接点７９と固定接点７８とは互に接触し続けるのでソレ
ノイド６７には第５図（ａ）に示すような連続パルスが
供給され続ける。次いで暫くすると負圧室７６内の負圧
が小さくなるためにダイアフラム７５は右方に移動し。

斯くして可動接点７９と固定接点７８とは非接触状態と
なる。その結果、アンドゲート７３の出力電圧は低レベ
ルに維持されるのでソレノイド６７が消勢される。この
ように本発明では高負荷運転が開始された後暫くの間は
ソレノイド６７に連続パルスが印加され１次いでソレノ
イド６７は消勢される。なお、スロットル弁１１が開弁
された後。

短時間のうちにスロットル弁１１が再び閉弁せしめられ
ると逆止弁８１が即座に開弁して負王室７６内には大き
な負圧が加わる。従ってこの場合にはソレノイド６７が
消勢されることなく、ソレノイド６７に連続パルスが印
加され続けることになる。

上述したように機関低負荷運転時および高負荷運転に移
行してから暫くの間はソレノイド６７に第５図（ａ）に
示すような連続パルスが印加される。

弁体６３は通常負圧ボート６４を閉鎖すると共に大気ボ
ート６５を開口しておシ、パルス発生器７１がパルスを
発生するとソレノイド６７が付勢されて弁体６４が右方
に移動し、それによって弁体６３が負圧ボート６４を開
口すると共に大気ボート６５を閉鎖する。従って負圧ボ
ート６４および大気ボート６５はＩ　Ｈｚから２　Ｈｚ
の周波数でもりて開閉動作が繰返され、斯くして２次空
気供給制御弁５０の負圧室５３にはＩ　Ｈｚから２　Ｈ
ｚノ周波数でもって負圧、又は大気圧が夜互に導かれる
。負王室５３内に負圧が加わると弁体５８が弁ポート５
７を開口し、このとき排気脈動により排気マニホルド３
内に発生する負圧によって空気が２次空気供給孔６０か
ら排気マニホルド３内に吸入される。従って上述のよう
に負圧室５３内がＩＨｚから２１（ｚの周波数でもって
交互に大気圧。

又は負圧になると弁体５８が弁ボート５７をＩＨｚから
２　Ｈｚの周波数でもって開口し、斯くして２次空気が
排気マニホルド３内にＩ　Ｈｚから２Ｈｚの周波数でも
って間欠的に供給されることになる。２次空気が排気マ
ニホルド３内に間欠的に供給されると排気マニホルド３
内の排気ガス中の酸素濃度が周期的に変動し、斯くして
空燃比が変動することになる。なお、ここで空燃比とい
う用語は通常用いられる意味とは多少違った意味で使用
されており、この空燃比は三元触媒コンバータ４上流の
作動ガス通路内に供給された全空気量（吸入空気と２次
空気の和）と全燃料量との比を言う。三元触媒５は排気
ガス中に存在する過剰な酸素に対して前述したような酸
素保持機能を有しておシ、この過剰酸素が吸気系に供給
された吸入空気によるものか、又は排気系に供給された
２次空気によるものかは関係ない。従って排気マニホル
ド３内に供給される２次空気の量を変動させることによ
って空燃比を周期的に変動させた場合にこの空燃比の平
均値が第１缶）図のウィンドウＷ０内に維持されれば高
い浄化効率を得ることができる。第２図に示す実施例に
おいて弁ボート５７および２次空気供給孔６００寸法は
ダイアフラム５２の弁体５８が弁ボート５７の開閉を繰
返し行なったときに空燃比Ａ／、の平均直が第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。このように弁体５８の単純な開
閉動作の繰返しによって空燃比〜争の半均値をほぼ理論
空燃比に維持できるのは気化器２において形成される混
合気の空燃比が一定に維持されているからである。従っ
て機関の運転状態にかかわらず空燃比はＩ　Ｈｚから２
　Ｈｚ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。

一方、スロットル弁１１の開度が全開に近い高負荷運転
状態では排気ガス量が増大し、斯くして高負荷運転が継
続しているときに２次空気を供給すると酸化反応による
発熱作用によって三元触媒５が過熱し、斯くして三元触
媒５が劣化するという問題を生ずる。これに対してスロ
ットル弁１１が一時的に全開近くまで開弁せしめられる
ような場合には三元触媒５が過熱されることもなく、こ
の場合にはむしろ排気ガスの浄化の面から２次空気を間
欠的に供給することが好ましい。ところで本発明では高
負荷運転が一定時間以上継続すると負圧スイッチ７２が
オフとなってソレノイド６７が消勢され、その結果２次
空気供給制御弁５０の弁ボート５７が弁体５８によって
閉鎖されるために２次空気の供給が停止される。従って
スロットル弁１１が一時的に開弁せしめられたときの良
好な浄化作用を維持しつつ三元触媒の劣化を阻止するこ
とかできる。

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１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１機関シリンダ内に供給される混
合気の空燃比は一定に維持されるので燃焼変動が生ずる
こともなく、斯くして滑らかな機関の運転を確保するこ
とができる。また９通常しばしば行なわれるスロットル
弁の一時的な開弁動作時における良好な浄化作用を維持
しつつ、触媒の過熱による劣化を阻止することができる
。

【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図はサクシ褒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・・・サクシ諺ンピストン。 ９・・・ニードル、２５・・・燃料通路。 ２８・・・ノズル、　　５０・・・２次空気供給制御弁
。 ５１・・・電磁弁、　　　６０・・・２次空気供給孔。 ７２・・・負圧スイッチ、　　８０・・・負圧遅延弁。 特許出願人 トヨタ自動車株式会社 特肝出願代理人 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 ＋　　　　　　　　　　女 く　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　く−１０
５＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 機関シリンダ内に過濃な混合気を供給するための燃料供
   給装置を具備すると共に機関排気通路に三元触媒コンバ
   ータを取付けた内燃機関において。 三元触媒コンバータ上流の排気通路内に２次空気供給通
   路を連結し、該２次空気供給通路内にほぼＩ　Ｈｚから
   ２　Ｈｚの一定周波数で開閉する電磁弁を配置し、該２
   次空気供給通路を開閉した際に空燃比が平均値に対して
   ほぼ主０゜２から主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
   ２次空気供給通路の流路面積を定め、更に機関負荷変化
   に遅延して応動する負荷検出器を上記電磁弁に接続して
   機関負荷が予め定められた負荷を越えた後一定時間を経
   過したときに上記２次空気供給通路を閉鎖するようにし
   た内燃機関の排気ガス浄化装置。