JPS5996421A - 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】 本発明に内燃機関の排気カス浄化装置に関する。

排気ガス中の有害三成分子（Ｃ，ＣｏおよびＮ０ｘｆ同
時に低減することのできる触媒として、三元触媒が仰ら
れている０この三元触媒の浄化効率Ｒに第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、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ぼ空燃比が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を同時に
低減するためＫは空燃比全この狭いウィ、ドウｗ８に常
時にＭ持しヶけλ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同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＃度検出器を用いた排気カス
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全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ｎているように三元触媒の機能が次第に解明され
、三元触媒が酸累憬待機能金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を還元させると共にこの奪い取った酸素全保持し、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２
よびＣＯ，Ｈｅ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）は空燃比全ｊ司阪数Ｉ
　Ｈｚ　で基準空燃比に対して（３） ±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。第１（ａ）図および第１申
）図から全燃比を一足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
比全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ｎ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。−万、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
保持機能が飽オロ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）図はこのこと全明瞭に示している。第１（Ｃ）
図に２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に狭くなる。従ってウィンドウの
巾を広くするにｒｃ最適なを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（４） 巾２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全得ることができる。このことば
、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開側ｌを用
いなくても高い浄化効率全得ることができること全意味
している０無論、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Ｉｃ機関の製造コストが高くな
ってし１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。

本発明に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ＫあるＯ 以下、添附図面を参照して不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に吸気マ
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に′！ｌＰ気マニホルド、４ｒａ、触媒コンバータを
夫々示し、触媒コンバータ４の内部にに三元モノリス触
媒５が配置される０可変ベンチユリ型気化器２に気化器
ハウジング６と、ノ１ウジング６Ｆｌ垂直万同に延びる
吸気通路７と、吸気通路７円全横万同に移動するサクシ
ョンピストン８と、サクションピストン８の先端面に増
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ｗ５７の内壁面上に同定されたスペ
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と全
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にに中壁円筒状のケーシング１４が固定され、この
ケーシング１４にばケーシング１４の内部でケーシング
１４のｌ１ｌｌ線万同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同にに多数のボール１６全
備えた１ｉｌｌｌ受１７が挿入され、葦た案内スリーブ
１５の／Ａ塙部はげ蓋１８によって閉鎖される。−万、
サクションピストン８にぼ案内ロッド１９が固定され、
この案内ロッド１９ｒｌ：＠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０このようにサクシ
ョンピストン８に軸受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０ケーシング１４の内
部ぽサクションピストン８によって負圧室２０と大気圧
室２１とに分割され、負圧室２０内にぼサクシボンピス
トン８全常時ベンチュリ＠１３に向けて押圧する圧縮は
ね２２が挿入される０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に気化器ハウジング６に
形成された全気孔２４に介してサクションピストン８土
流の吸気通路７１７３に連結される。

（７） 一万、気化器ハウジング６円にはニードル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円にぼ計量ジェット２６が
設けられる。＃肝ジェット２６上流の燃料通ｋＮ５．２
５は下方に延びる燃料バイブ２７全介してフロート室１
２に連結され、フロート室１２円の燃料はこの燃料パイ
プ２７を介して燃料通路２５内に送９込１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ぼ
スペーサ１ｏの内壁部からベンチュリ部１３円に突出し
、しかもノズル２８の先端部の土手分に下手分から更に
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２６１７ｇを貫通し
て延び、燃＃＋にニードル９と計重ジェット２６間に形
成さｎ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図に示されるよりにスペーサ１０の上端部には吸気
通路７円に向けて水平方向に突出する隆（８） 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２いて流量制御が行なわれる。機関
運転が開始されると望見は吸気通路７ＦＥ３を下方に向
けて流れる０このときを気流に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
にに負圧が発生し、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ば
負圧室２０と大気圧室２１との圧力差が圧縮ばね２２の
ばね力により定するほぼ一足圧となるように、即ちベン
チュリ部１３円の負圧がほぼ一定となるように移動する
。

第３図２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の増灯端面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
上にに吸気通１！１ｉ５７の＠線方向に延びる凹溝３１
が形成される。この凹溝３１のよＲＵＪ０７ｆａ　ｍ　
３１　ａ　ｎ　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′Ｊ？シ、残シの凹溝部分３１ｂに上流ｆＨＩＪ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ハロ溝３１に向
けて傾斜する一対の傾斜壁面部３２ａ。

３２ｂを肩する。

第３図かられかるように吸入全気量が少ないときには隆
起壁２９、傾斜壁部分３２ａ、３２ｂ。

Ｐ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ｔが吸入空気制御絞９
部にの開口面積に比例するようになシ、従ってサクショ
ンピストン８のリフ）Ｊ！ｔｒｃ吸入窒気量の増大に応
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に佃］受１７［よって支持されているので吸入
全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に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９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９久が吸気通路７の中央部を流通せしめられ
、その結果ノズル２８から供給された溶料Ｉ／：ｉ吸入
孕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
れた燃料に即座に機関シリンダ内に供給される０従って
、力ロ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童が吸
入空気量に比例し、しかもノズル２８から供給さ几ｆＣ
燃料が即座に機関シリンダ内に供給さ几るので機関シリ
ンダ内に供給される混合気の空燃比ぼ吸入費気重が急激
に変化してもほぼ一定に維持される０１だ、サクション
ピストン８に軸受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
がナク、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−り型気化
器２を用いると、機関温度２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
ぼ一足値、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円にに望燃比が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
を気室３３が形成され、この環状空気案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の円周壁
面上に形成される０壌状孕気室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０ワツクス弁３８
の感温部３８ａの周囲Ｋに冷却水循環室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υ
［出されるＯ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ホ窒燃比が１４
．０程度の濃混合気となる〇−万、機関排気マニホルド
３にば２次孕気の供給制御をする２次空気供給制御弁５
０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次々気供給制御弁５１Ｊ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０
大気圧室５４内にはダイアフラム５２に同けて突出する
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０この弁ボート５
７は弁ボート５７から排気マニホルド３円に同けてのみ
流通可能な逆止弁５９および２次伊気供給孔６０を介し
て排気マニホルド３内に一１！！ｉされる。

従って弁ボート５７および２次望見供給孔６０が２次空
気供給通路を形成する〇一方、電磁弁５１は弁室６２と
、弁室６２ＦＥ３に配置された弁体６３と、弁室６２Ｖ
３に開口しかつ吸気マニホルド１円に連結された負圧ボ
ート６４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ｎた可動プランジ＋
６６と、可動プランジャ６６を吸引するためのソレノイ
ド６７とを具備し、負圧ボート６４および大気ボート６
５は弁体６３によって開閉制御される０弁呈６２に導管
６８を介して２次空気供給制御弁５０の負圧室５３に運
転され、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ぼ第５図（ａ）に示
すようにデー−ティー比ｔ／Ｔがは１丁５０パーセント
のＩ　Ｈｚから２　Ｈ７の周波数の矩形パルスを発生す
る第１のパルス発生器７１と、デユーティ−比ｔ／Ｔが
ほぼ２０パーセントから３０パーセントのＩ　Ｈｚから
２　Ｈ２の周波数の矩形パルスを発生する第２のパルス
発生器７２と、第１パルス発生器７１の出力を一刀の入
力とする第１のアンドゲート７３と、第２パルス発生器
７２の出力を一刀の入力とする第２のアンドゲート７４
と、第１アンドゲート７３および第２アンドゲート７４
の出力端子に接続はれた電力増巾器７５とにより構成さ
れ、電力増巾器７５の出力端子にソレノイド６７に接続
される。また、第１アンドゲート７３の他方の入力は負
圧スイッチ７７に接続され、第２アンドゲート７４の他
方の入力にインバータ７６を介して負圧スイッチ７７に
接続される。負圧スイッチ７７はダイアフラム７８によ
って隔離された負圧室７９と大気圧室８０とをＭし、負
圧室７９に負圧導管８１を介して吸気マニホルドｌ内に
連結される。大気圧室８０内にに第１アンドゲート７３
と第２アンドゲート７４の入力に接続さｎた固定接点８
２と、ダイアフラム７８に固定さｎかつ電源（図示せず
）に接続さｆした可動接点８３とが配置さｎ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７７の負圧室７９内に大きな負圧が発生するためにダ
イアフラム７８が左方に移動し、可ＩｖＩ接点８３と固
定接点８２とが接触する。従ってこのとき第１アンドゲ
ート７３の出力電圧に第１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、−１第２アンドゲート７
４の出力電圧に低レベルに維持されるのでソレノイド６
１Ｊ第１パルス発生器７１の出力パルスによって駆動制
御される０−万、スロットル弁１１の開度が大きくなっ
て高負荷運転状態になると負圧スイッチ７７の負圧室７
９内の負圧が小さくなるために可動接点８３と固定接点
８２に非接触状態となる。その結果、第１アンドゲート
７３の出力電圧は低レベルに維持され、−１第２アンド
ゲート７４の出力電圧に第２パルス発生器７２がパルス
を発生する毎に高レベルとなるためにソレノイド６７ｉ
ｉ２パルス発生器７２の出力パルスによって駆動制御さ
れる０ 上述したように機関低負荷運転時にはソレノイド６７に
第１パルス発生器７１の出力パルスによって駆動制御さ
れる。弁体６３ば通常負圧ボート６４を閉鎖すると共に
大気ボート６５を開口して詮シ、第１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ｎ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′Ｊ？よび大気ボート６５　Ｌｒｌ
　Ｉ　Ｈｚから２Ｈｚの周波数でもって開閉動作が繰返
され、斯くして２次空気供給制御弁５０の負圧室５３Ｋ
にＩ　Ｈｚから２Ｈｚの周波数でもって負圧、又に大気
圧が交互に導びかれる０負圧室５３内に負圧が加わると
弁体５８が弁ボート５７を開口し、このとき排気脈動に
よシ排気マニホルド３１ＫＪに発生する負圧によって９
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０従って上述のように負圧室５３内がＩ　Ｈｚか
ら２．　Ｈｚの周波数でもって交互に大気圧、又に負圧
になると弁体５８が弁ボート５７をＩ　Ｈｚから２Ｈｚ
の周波数でもって開口し、斯くして２次空気がわト気マ
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次空気がり「気マニホ
ルド３内に間欠的に供給されると〃Ｆ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０なお、ここで空燃比という
用語に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、この空燃比に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９気量（吸入空気と２次空
気の和）と全燃料量との比を言う〇三元触媒５に排気ガ
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
保持機能を肩して２９、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ば関係ない０従って排気マニホルド
３内に供給される２次空気の童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
１直が第１（ｂ）図のウインドウＷｏ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２いて、弁ボート５７２よび２次９気供給孔６００寸
法にダイアフラム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／Ｆ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０このように弁体５８の単純
な開閉動作の繰返しによって９燃比Ａ／Ｆの平均筒をほ
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９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に空燃比ｖＸ、Ｉ
Ｈ２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に第１山）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１１Ｒ累保持
機能をオリ用して高い浄化効率を得ることができる。

一方、加速運転時２よび足當高負荷運転時のような高負
荷運転時にはＮＯｘの発生量が増大し、従りてこのよう
な高負荷運転時にＶＸ、ＮＯｘを積極的に浄化せしめる
ことが大気中に放出さｎる排気ガス中の有害成分を低減
する土で好ましい。本発明でに前述したように機関高負
荷運転時に第６図（ａ）に示すようなデユーティ−比ｔ
／Ｔの小さなパルスによってソレノイド６７が駆動制御
されるために２次望見供給制御９Ｐ５０の弁ボート５７
の開口時間が短かくなシ、升ボート５７の閉鎖時間が長
くなる。その結果、第６図（ｂ）に示すように空燃比が
理論空燃比よりも小さくなる時間が長くなるためにＮＯ
ｘの還元作用に費やざｎる時間が長くなシ、その結果Ｎ
Ｏｘの浄化効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変検出器および
高価な９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
きるのです「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、機関シリンダ内に供給される
混合気のを燃比ば一足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。′！！た、ＮＯｘの発生量の多い機関高
負荷運転時にはＮＯＸの浄化効率が向上せしめられるた
めに大気中に放出される排気ガス中の有害成分を一様に
低減することができる。

【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図に機関吸
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図にサクションピストンの側面断面図
、第５図に空燃比の変動を示す囚、第６図に空燃比の変
動を示す図である０２・・・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、５０・・・２次空気供
給制御弁、　　５１・・・電磁弁、６０・・・２次孕気
供給孔、７７・・・負圧スイッチ。 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. 機関シリンダ内に過濃な混合気全供給するための燃料供
   給装置全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次窒気供給通路全連結し、該２次
   孕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次窒気供給通路を開
   閉した際に空燃比が平均値に対してほぼ±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２次窒気供給通路の
   流路面８＃を足め、更に機関負荷を検出する負荷検出器
   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
   よりも大きくなったときに上記２次孕気供給通路の開口
   時間を短かくすると共に該２次窒気供給通路の閉鎖時間
   を長くするようにした同船機関の排気ガス浄化装置。