JP4385531B2 - 触媒を備えた４サイクルエンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に具備した４サイクルエンジンに関し、とくにＮＯｘ触媒の温度上昇時の対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特定運転域でリーン運転を行なうエンジン、例えば燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えて低負荷低回転側の運転領域で成層燃焼によりリーン運転を行なうようにしたエンジンにおいて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に設け、リーン運転状態のときに排気中のＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸収され、空燃比がリッチ側に変化したときにＮＯｘがＮＯｘ触媒から放出されて還元されるようにしたものが知られている。
【０００３】
このようなエンジンにおいて、上記ＮＯｘ触媒はＮＯｘ浄化率が高い活性温度範囲が三元触媒等と比べて狭いため、運転中にＮＯｘ触媒の温度が上記活性温度範囲を越える高温状態となることがあり、このような高温状態になればＮＯｘ浄化性能が低下する。
【０００４】
ＮＯｘ触媒の高温化の対策に関する技術としては、例えば特開平１１−２２９８５６号公報に示されるように、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒時にＳパージ（硫黄放出）のために排気雰囲気を酸素濃度低下雰囲気として触媒温度を上昇させる制御手段を備えたエンジンにおいて、上記制御手段によるＳパージ制御動作中に燃料カットモードの条件が成立したとき、上記ＮＯｘ触媒へ流入する排気ガス中の余剰酸素を抑制するようにしたものがある。
【０００５】
この技術は、Ｓパージ制御動作中に硫黄放出のためにＨＣ，ＣＯ等が排気ガス中に多く混入してＮＯｘ触媒に与えられている状態で、燃料カットモードに移行したとき、燃料供給が停止されることで急激に酸素過剰雰囲気になってＮＯｘ触媒に蓄積されたＨＣ，ＣＯ等が燃焼し、ＮＯｘ触媒の温度が急上昇するといった事態を防止するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示された技術は、Ｓパージ制御動作中に燃料カットモードの条件が成立するという特殊な状況下でのみＮＯｘ触媒の温度上昇防止を図るものであるが、このような特殊な状況以外でも、例えばエンジンの負荷や回転数がある程度高くなって排気ガス温度が比較的高い状態が持続した場合等にＮＯｘ触媒の温度が活性温度範囲を越える高温状態となることがあり、このような場合にも効果的にＮＯｘ触媒の温度を低下させることが望まれる。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑み、ＮＯｘ触媒の温度が活性温度範囲を越える高温状態となったときに排気温度を低下させてＮＯｘ触媒の高温状態を解消し、とくに排気弁及び吸気弁のバルブ開閉タイミングを変更するバルブタイミング可変装置を利用して効果的にＮＯｘ触媒の高温化を防止することができる触媒を備えた４サイクルエンジンを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に具備するとともに、所定のリーン運転領域で空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御するようになっている４サイクルエンジンにおいて、ＮＯｘ触媒の温度を直接的または間接的に検出する触媒温度検出手段と、排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも排気弁に対してバルブ開閉タイミングを変更するバルブタイミング可変装置と、上記触媒温度検出手段による検出に基づき、ＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態のとき、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定クランク角期間前へ進角するように上記バルブタイミング可変装置を制御するバルブタイミング制御手段とを備え、かつ、少なくとも上記高温状態のときに、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期が吸気上死点以後とされていることを特徴とする触媒を備えたものである。
【０００９】
この発明によると、ＮＯｘ触媒が高温状態のとき、排気弁閉時期が吸気上死点より前、吸気弁開時期が吸気上死点以後とされることにより、燃焼室内に既燃ガスが残留していわゆる内部ＥＧＲが得られるとともに、その既燃ガスが充分に冷却され、低温のＥＧＲガスを導入する場合と同様に燃焼温度が低下し、それに伴って排気温度が低下する。これにより、ＮＯｘ触媒の温度が高温状態から活性温度範囲へ引き下げられる。また、上記内部ＥＧＲによるＮＯｘ低減作用も得られる。
【００１０】
この発明において、上記バルブタイミング制御手段は、エンジンの高負荷側の中・高速域を含む所定運転領域で上記排気弁閉時期を上死点より前とし、かつ、上記排気弁閉時期から吸気上死点までのクランク角期間を上記所定運転領域内の中速域では高速域よりも大きくするように、運転状態に応じて排気弁のバルブ開閉タイミングを制御するとともに、ＮＯｘ触媒の温度状態が高い程、上記排気弁閉時期から吸気上死点までの期間を増大方向に補正するものであることが好ましい。
【００１１】
このようにすると、運転状態に応じたバルブタイミングの制御に加えて触媒温度に応じたバルブタイミングの補正制御が行なわれる。そして、運転状態に応じた制御でも、上記所定運転領域で排気弁閉時期が吸気上死点より前、吸気弁の開時期が吸気上死点以後とされることにより排気温度の上昇が抑制されるが、それでもなお触媒が高温状態になれば、それに応じたバルブタイミングの補正制御により排気温度を低下させる作用が高められる。
【００１２】
さらに、上記バルブタイミング制御手段は、上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を上記所定運転領域内の中速域では高速域よりも大きくするとともに、ＮＯｘ触媒の温度状態が高い程、上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までのクランク角期間を増大方向に補正するものであることが好ましい。
【００１３】
このようにすると、触媒が高温状態になった場合のバルブタイミングの補正制御により排気温度を低下させる作用が、より一層高められる。
【００１４】
上記リーン運転領域においてＮＯｘ触媒が上記高温状態にあるとき、上記バルブタイミング制御手段による制御に加え、空燃比制御手段により空燃比を理論空燃比とするように制御してもよい。
【００１５】
このようにすると、ＮＯｘ触媒が高温状態にあるときに、三元触媒としての機能によりＮＯｘが浄化される。
【００１６】
上記バルブタイミング制御手段は、ＮＯｘ触媒が上記高温状態にあって、かつ、減速運転中に燃料供給を停止する減速燃料カット状態にあるときには、上記排気弁閉時期を上死点以後とするように制御することが好ましい。
【００１７】
このようにすると、減速運転中に燃料供給が停止されたとき、新気が排気通路に多く流されて触媒を冷やす作用が高められる。
【００１８】
また、バルブタイミング可変装置は排気弁と吸気弁の双方のバルブタイミングを変更するものであり、上記バルブタイミング制御手段は、エンジンの全開域では、ＮＯｘ触媒の温度が触媒劣化傾向を生じる極高温状態に達したときに、上記排気弁閉時期を吸気上死点より前の所定クランク角へ進角し、上記吸気弁開時期を吸気上死点以後の所定クランク角へ遅角するように制御するものであることが好ましい。
【００１９】
このようにすると、エンジンの全開域では、上記極高温状態に達するまでは全開出力確保に有利なバルブタイミングとされるが、上記極高温状態に達すると排気温度が低下するようにバルブタイミングが変更される。
【００２０】
また、本発明は、ＮＯｘ触媒を排気通路に具備するとともに過給機を備えたエンジンに適用する場合、少なくとも高負荷域における中・高速域で、過給を行うとともに、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より前、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定したものである。
【００２１】
このようにすると、ＮＯｘ触媒が高温状態となり易い高負荷域の中・高速域で、過給により出力が確保されつつ、充分な内部ＥＧＲとこれを冷却する作用により、排気温度が低下して、ＮＯｘ触媒の温度上昇が抑制される。
【００２２】
この発明において、過給を行う運転領域で空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御することが好ましい。このようにすると、ＮＯｘ触媒の温度上昇を抑制する作用が高められる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明が適用される自動車用４サイクルエンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、１はエンジン本体であり、複数の気筒を有し、その各気筒２には、シリンダボアに挿入されたピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。この燃焼室５には吸気ポート７及び排気ポート８が開口し、これらのポート７，８は吸気弁９及び排気弁１０によって開閉されるようになっている。
【００２５】
上記吸気弁９及び排気弁１０はカムシャフト１１，１２等からなる動弁機構により開閉作動されるようになっている。また、吸気弁９に対する動弁機構及び排気弁１０に対する動弁機構には、それぞれ、バルブ開閉タイミングを変更可能にするバルブタイミング可変装置１３，１４が設けられている。このバルブタイミング可変装置１３，１４は、クランクシャフトに連動するカムプーリとカムシャフトとの間に設けられて、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変更することにより、開弁期間は一定としつつ開時期及び閉時期を変更することができるようになっている。このようなバルブタイミング可変装置１３，１４は従来から種々知られているため、具体的な構造の図示及び説明は省略する。
【００２６】
上記燃焼室５の中央部には点火プラグ１６が配設され、そのプラグ先端が燃焼室に臨んでいる。さらに燃焼室５には、側方からインジェクタ１８の先端部が臨み、このインジェクタ１８から燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。
【００２７】
上記エンジン本体１には吸気通路２０及び排気通路３０が接続されている。上記吸気通路２０には、その上流側から順に、エアクリーナ２１、エアフローセンサ２２、スロットル弁２３及びサージタンク２４が設けられている。上記スロットル弁２３は、図外のアクセルペダルに機械的に連結され、アクセルペダル踏込み量に応じた開度に開かれるようになっている。このスロットル弁２３に対し、その開度を検出するスロットル開度センサ２５が設けられている。
【００２８】
上記排気通路３０には、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって空燃比を検出するＯ2センサ３１が設けられるとともに、その下流にＮＯｘ触媒３２が設けられている。このＮＯｘ触媒３２は、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン運転状態でもＮＯｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化して酸素濃度が減少したときに、吸収していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっている。
【００２９】
より詳しく説明すると、上記ＮＯｘ触媒３２は、例えばコージュライト製ハニカム構造体等からなる担体の上にＮＯｘ吸収材層と触媒材層とを層状に形成したものであり、ＮＯｘ吸収材層は活性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸収材としてのＢａ成分とを担持させたものを主成分として構成され、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分として構成されている。
【００３０】
４０はエンジン制御用のコントロールユニット（ＥＣＵ）である。このＥＣＵ４０には、上記エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５及びＯ2センサ３１からの信号が入力されるとともに、クランク角センサ３５からエンジン回転数検出等のためのクランク角信号が入力され、さらにエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３６等からの信号も入力されている。
【００３１】
また、ＥＣＵ４０から、上記インジェクタ１８に対して燃料噴射を制御する信号が出力されるとともに、バルブタイミング可変装置１３，１４に対してこれを制御する信号が出力されている。
【００３２】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、触媒温度検出手段４２、バルブタイミング制御手段４３及び燃料噴射制御手段４４を含んでいる。運転状態判別手段４１は、クランク角センサ３５からのクランク角信号の周期の計測等によって検出されるエンジン回転数と、エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５等からの信号によって調べられるエンジン負荷とに基づき、エンジンの運転状態を判別するようになっている。
【００３３】
触媒温度検出手段４２は、ＮＯｘ触媒３２の温度状態をほぼ直接的に検出するもので、排気通路３０のＮＯｘ触媒３２の直上流側に設けられた排気温度センサ３３の出力により、ＮＯｘ触媒３２の温度状態を検出するものである。なお、触媒温度検出手段４２は、例えば水温とエンジンの運転状態の経過等に基づいてＮＯｘ触媒３２の温度状態を推定する間接的な温度検出手段であってもよい。
【００３４】
バルブタイミング制御手段４２は、運転状態判別手段４１による運転状態の判別及び触媒温度検出手段４２による触媒温度状態の検出に基づいてバルブタイミング可変装置１３，１４を制御するものであり、後に詳述するような運転状態に応じたバルブタイミングの制御を行なうとともに、ＮＯｘ触媒３２の温度状態に応じた制御として、ＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態となったときに、排気弁閉時期を吸気上死点より前とするとともに、吸気弁開時期を吸気上死点後とするようになっている。
【００３５】
また、燃料噴射制御手段４３は、運転状態判別手段４１により判別される運転状態に応じてインジェクタ１８からの燃料噴射量及び噴射時期を制御するものであり、例えば図２中に示すようにエンジンの低速、低負荷側の所定領域をリーン運転領域とし、このリーン運転領域では、空燃比を理論空燃比よりもリーン（空気過剰率λがλ＞１）とするとともに、圧縮行程後半に燃料を噴射することにより点火プラグ１６まわりに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。一方、上記リーン運転領域以外の領域では、空燃比を理論空燃比（空気過剰率λがλ＝１）もしくはこれに近い値とするとともに、吸気行程で燃料を噴射することにより混合気を拡散させて均一燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。
【００３６】
図３は吸・排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表しており、ＩｎＶは吸気弁、ＥｘＶは排気弁を意味する。また、ＩｎＯ及びＩｎＣは吸気弁の開時期及び閉時期、ＥｘＯ及びＥｘＣは排気弁の開時期及び閉時期である。ここで、吸気弁及び排気弁の開時期ＩｎＯ，ＥｘＯは、カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義し、吸気弁及び排気弁の閉時期ＩｎＣ，ＥｘＣは、カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義することとする（図４参照）。
【００３７】
図３において、排気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに実線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに破線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後となり、吸気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに破線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに実線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後となる。従って、破線で示すような排気弁が遅角、吸気弁が進角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがあるが、実線で示すような排気弁が進角、吸気弁が遅角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがない。このようなオーバラップがない状態での排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間を、実施形態の説明の中では便宜的にマイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）と呼ぶ。
【００３８】
図５は、リーン運転状態にあるときのＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率（ＮＯｘ吸収率）と触媒温度との関係を示しており、この図のように、所定の活性温度範囲Ｔ１（２５０°Ｃ程度）〜Ｔ２（４００°Ｃ程度）にあるときにＮＯｘ浄化率が高く、この温度範囲の下限値Ｔ１より低温側及び上限値Ｔ２より高温側でＮＯｘ浄化率が低くなる。そこで、触媒温度が上記活性温度範囲の上限値Ｔ２より高い高温状態の時、排気温度を低下させるため、排気弁閉時期が吸気上死点より前、吸気弁開時期が吸気上死点以後となるようにバルブタイミングが制御される。ただし、運転状態に応じた制御によって既にこのようなバルブタイミングとなっている場合は、排気弁閉時期が進角側、吸気弁開時期が遅角側にそれぞれ補正されてマイナスＯ／Ｌが大きくされる。
【００３９】
次に、運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変更の仕方を、図２および図６を参照しつつ説明する。なお、以下の説明の中で吸気弁、排気弁の開閉タイミング等についての時期及び期間を表す数値はクランク角によるものであり、また、ＢＴＤＣは上死点前を意味し、ＡＴＤＣは上死点後を意味する。
【００４０】
エンジンの高負荷側の中・高速域を含む所定運転領域では、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とされるとともに吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後とされることにより、マイナスＯ／Ｌが生じるように設定され、特に当実施形態では図２中に示すようにエンジン中負荷からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中速域（領域Ａ）でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされる。
【００４１】
具体的には、中速中負荷（上記領域Ａ内）では図６（ｂ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも２０°以上前、好ましくはＢＴＤＣ３０〜４０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、好ましくはＡＴＤＣ３５〜４５°に設定される。なお、中速中負荷域において吸気弁の閉時期ＩｎＣは吸気下死点後８０°程度、排気弁の開時期は排気下死点前８０°程度とされる。そして、当実施形態において用いられているバルブタイミング可変装置によると、吸気弁及び排気弁の開弁期間は一定に保たれつつ、吸気弁開時期の変化に伴って吸気弁閉時期も変化し、また排気弁閉時期の変化に対応して排気弁開時期も変化する。
【００４２】
領域Ａより高速側の領域である高速中負荷域では、図６（ｃ）に示すように、マイナスＯ／Ｌを有するがその期間が中速中負荷域より小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。
【００４３】
また、領域Ａから全開域に近づくと、それにつれて排気弁が徐々に遅角され、かつ、吸気弁が徐々に進角されることにより、マイナスＯ／Ｌが徐々に小さくされ、あるいはさらに正のオーバラップが生じる状態に至る。そして、中速全開域では、図６（ｅ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、例えばＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。また、高速高負荷域では、図６（ｆ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０〜１５°に設定される。
【００４４】
なお、低速域でのバルブ開閉タイミングは本発明で限定しないが、図示の例によると、低速中負荷域では図６（ａ）のように、中速中負荷域よりマイナスＯ／Ｌが小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。低速全開域では図６（ｄ）のように、中速中全開域と略同じで排気弁閉時期ＥｘＣがＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。
【００４５】
また、低負荷領域のバルブ開閉タイミングは本発明で限定しないが、例えば図６（ｇ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前で、ＢＴＤＣ５〜１５°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後で、例えばＡＴＤＣ１０〜２０°程度に設定される。
【００４６】
ＥＣＵ４０による制御の具体例を、図７のフローチャートによって説明する。
【００４７】
ＥＣＵ４０による制御としては、先ず各センサからの信号が入力され（ステップＳ１）、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて運転状態が判別され（ステップＳ２）、水温及び運転状態等に基づいてＮＯｘ触媒３２の温度状態が判別される（ステップＳ３）。さらに、ステップＳ２で判別された運転状態に応じて吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの設定（図６参照）が行われる（ステップＳ４）。
【００４８】
次に、運転状態がエンジンの全開域にあるか否かが判定され（ステップＳ５）、全開域にない場合は減速燃料カット領域にあるか否かが判定される（ステップＳ６）。運転状態がエンジンの全開域及び減速燃料カット領域にない場合、ステップＳ７に移って、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲の上限値Ｔ２を越える高温状態であるか否かが判定される。
【００４９】
ステップＳ７でＮＯｘ触媒３２が高温状態にあることが判定された場合は、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより前で、吸気上死点ＴＤＣまでの期間が長くなるように進角側に補正するとともに、吸気弁開時ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣより後で、吸気上死点ＴＤＣからの期間が長くなるように遅角側に補正し、マイナスＯ／Ｌを大きくする（ステップＳ８）。また、インジェクタ１８からの燃料噴射の制御（噴射量及び噴射タイミングの制御）は図外の燃料制御ルーチンで行われ、この燃料制御ルーチンで図２中に示すように運転領域に応じて空燃比が設定されて、その空燃比となるように燃料噴射量が演算されるが、ＮＯｘ触媒３２が高温状態にある場合は、リーン運転領域であっても空燃比が理論空燃比（λ＝１）に修正される（ステップＳ９）。
【００５０】
そしてステップＳ１０に移行し、ステップＳ８で補正されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５１】
また、上記ステップＳ５でエンジンの運転状態が全開域にあると判定された場合は、ステップＳ１１に移って、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲の上限値Ｔ２よりもさらに所定量高い極高温状態判定値Ｔ３（図５参照）を越える極高温状態となったか否かが判定される。そして、全開域で極高温状態となった場合は、排気弁閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣより前、吸気弁開時期ＩｎＯを上死点ＴＤＣより後とするように、バルブタイミングが変更される（ステップＳ１２）。それからステップＳ１０に移行し、ステップＳ１２で変更されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５２】
また、上記ステップＳ６でエンジンの運転状態が減速燃料カット領域にあることが判定された場合、ステップＳ１３に移って、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲の上限値Ｔ２を越える高温状態であるか否かが判定される。そして、ＮＯｘ触媒３２が高温状態にある場合は、排気弁閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣより後、吸気弁開時期ＩｎＯを上死点ＴＤＣより前とするように、バルブタイミングが変更される（ステップＳ１４）。それからステップＳ１０に移行し、ステップＳ１４で変更されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５３】
なお、ステップＳ７またはステップＳ１３でＮＯｘ触媒３２に高温状態でないと判定された場合、あるいはステップＳ１１でＮＯｘ触媒３２に極高温状態でないと判定された場合は、そのままステップＳ１０に移行することにより、ステップＳ４で設定されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５４】
以上のような当実施形態のエンジンによると、前述のようにエンジンの運転状態に応じたバルブタイミングの制御が行なわれて、中速中負荷、高速中負荷等の運転領域で、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされることにより、いわゆる内部ＥＧＲが行われてＮＯｘが低減されるとともに、その内部ＥＧＲによる燃焼室内の既燃ガスが充分に冷却されて熱効率の向上による燃費改善及び排気温度上昇抑制の効果が得られる。
【００５５】
すなわち、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣよりも前としておけば、既燃ガスを排出し終える前に排気弁が閉じるため燃焼室５内に既燃ガスが残留していわゆる内部ＥＧＲ効果が得られ、外部から排気ガスを還流させる外部ＥＧＲと同様にＮＯｘが低減される。
【００５６】
また、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とするとともに吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後とした場合の排気行程後期から吸気行程前記にかけての圧力変化は図８のようになり、排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣになるまで間に燃焼室内圧力が上昇し、吸気上死点ＴＤＣを過ぎてから燃焼室圧力が低下する。そして、圧力上昇に伴って温度が上昇し、圧力低下に伴って温度が低下するが、圧力上昇により燃焼室内温度が高められる期間には、燃焼室を構成する周囲の壁（ウォータジャケットが内蔵されて比較的温度が低いシリンダヘッドないしシリンダ壁）との温度差が大きくなることにより、この周囲の壁への放熱量が増大する。従って、排気弁が閉じた時点で燃焼室内に残留する既燃ガスの温度が高くても、排気弁が閉じてからの圧力が高い期間に充分に放熱が行われた上で、その後の圧力低下に伴い温度が低下する。
【００５７】
こうして既燃ガスを冷却する作用が得られ、これにより、外部から冷却されたＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度が低下する。このように燃焼温度が低下すると、熱効率が高められるため、燃費が改善される。また、燃焼温度の低下に伴い、排気温度が低下するため、ＮＯｘ触媒の温度上昇抑制に有利となる。さらに、比較的高負荷側の運転領域では、燃焼温度の低下によってノッキングを抑制する効果も得られる。
【００５８】
運転状態に応じたバルブタイミングの制御において、とくに、エンジン中負荷からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中速域及び高速域では、燃焼安定性が高くて内部ＥＧＲの許容量が大きいため、排気弁閉時期が吸気上死点に対して比較的大きく進角されるとともにマイナスＯ／Ｌが大きくされ、これにより内部ＥＧＲ量が多くされ、かつ、既燃ガス冷却作用が高められて、燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制する作用が充分に得られる。
【００５９】
また、このようにマイナスＯ／Ｌにするとよって内部ＥＧＲを得るようにすると、エンジン回転速度が高くなるにつれ、吸気弁及び排気弁の有効開弁期間が減少することが実質的にマイナスＯ／Ｌを大きくするのと同等に作用するので、高速域では中速域と比べてマイナスＯ／Ｌを小さくしても内部ＥＧＲの確保及び燃焼温度、排気温度の低減等の効果が充分に得られる。従って、中速中負荷でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされるのに対し、高速中負荷ではマイナスＯ／Ｌが中速中負荷よりもある程度小さくされることにより、内部ＥＧＲ量が過剰になることが避けられ、上記のような効果が得られつつ出力が確保される。
【００６０】
エンジンの低速域や低負荷域では、中・高速の中・高負荷域と比べるとＥＧＲ許容量が少なくなるので、マイナスＯ／Ｌが比較的小さくされる。また、エンジンの全開域では、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも多少遅いＡＴＤＣ１０°程度とされることにより、内部ＥＧＲが極力少なくされて全開トルクが確保される。
【００６１】
エンジンの運転状態に応じた燃料噴射の制御としては、図２中に示すリーン運転領域で、空燃比がリーンになるように燃料噴射量が制御されるとともに、成層燃焼が行なわれるように燃料噴射時期が制御される。そして、このようなリーン運転状態にあるときに、酸素過剰状態の排気ガスに含まれるＮＯｘがＮＯｘ触媒３２に吸収され、その後にリーン運転領域外への運転状態の移行等によって空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチとされたとき、ＮＯｘ触媒３２からＮＯｘが放出され、かつ、排気ガス中のＣＯ等の還元材の存在により、ＮＯｘ触媒３２の還元作用でＮＯｘが還元される。
【００６２】
このようにしてＮＯｘ触媒３２により排気ガス中のＮＯｘが浄化されるが、このＮＯｘ触媒３２の活性温度範囲（Ｔ１〜Ｔ２）は比較的狭く、運転中に排気温度の上昇に伴って触媒温度が活性温度範囲を越えて上昇することがある。
【００６３】
そこで、ＮＯｘ触媒３２が活性温度範囲を越える高温状態となったとき、上記マイナスＯ／Ｌによる排気温度の低下が図られる。
【００６４】
すなわち、上述のように排気弁閉時期を吸気上死点より前とし、かつ、吸気弁開時期を吸気上死点後としてマイナスＯ／Ｌを生じるようにしておけば、内部ＥＧＲが得られるとともにこれが冷却されることで排気温度を低下させる作用が得られ、このような作用は、吸気上死点に対する排気弁閉時期の進角量及び上記マイナスＯ／Ｌを大きくするほど高められる。
【００６５】
このため、エンジンの全開域及び減速燃料カット領域にない場合においてＮＯｘ触媒３２が高温状態となったときは、排気弁閉時期が進角されるとともにマイナスＯ／Ｌを大きくなるようにバルブタイミングが補正され（ステップＳ７，Ｓ８）、これにより排気温度が引き下げられる。その上、このように補正されることで内部ＥＧＲ量が増加するため、ＮＯｘ触媒３２が高温状態にあるため浄化性能が低い状況下でもＮＯｘ排出量の増大が抑制される。
【００６６】
さらに、ＮＯｘ触媒３２は理論空燃比では三元触媒機能を有し、この機能は高温状態でも発揮し得るため、当実施形態ではＮＯｘ触媒３２が高温状態にあるときにリーン運転領域であっても空燃比を理論空燃比に調整し（ステップＳ９）、三元触媒機能を利用してＮＯｘの浄化を図っている。
【００６７】
また、エンジンの全開域では、全開出力確保の要求が強いため、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲を超えても極高温状態判定値Ｔ３を越えなければ、全開出力確保に適したバルブタイミングが維持されるが、極高温状態判定値Ｔ３を越える極高温状態にまで達すれば排気弁閉時期が吸気上死点ＴＤＣ前とされるとともに吸気弁開時期が吸気上死点ＴＤＣ後とされるようにバルブタイミングが変更され（ステップＳ１２）、これにより、ＮＯｘ触媒３２の劣化を招くような過度の温度上昇が避けられる。
【００６８】
また、高速高負荷の状態から減速が行われた場合等には、ＮＯｘ触媒３２が高温状態で、かつ、減速燃料カットが行われることがあり、このような場合は燃料供給が停止されて燃焼が行なわれないので、マイナスＯ／Ｌとしても内部ＥＧＲは得られず、それよりも排気側への新気の流れを多くするほうが触媒の冷却に有利である。そこでこのような場合は、排気弁閉時期が吸気上死点後、吸気弁開時期が吸気上死点前とされ（ステップＳ１４）、これにより新気の吸入量が増大されて触媒冷却作用が高められる。
【００６９】
図９は本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、図１に示す第１の実施形態と同様の構造に加え、ターボ過給機５０を装備している。このターボ過給機５０は、吸気通路２０に設けたコンプレッサ５１と、排気通路３０に設けたタービン５２と、両者を連結する軸体５３とからなり、排気ガス流によりタービン５２が回転し、それに連動してコンプレッサ５１が回転することにより吸気を過給するようになっている。なお、５５は吸気通路２０におけるコンプレッサ５１の下流に設けられたインタークーラである。また、５６は排気通路３０におけるタービン５２をバイパスするウエストゲート通路、５７はこの通路５６に設けられたウエストゲートバルブである。
【００７０】
そして、このように過給機５０を備える場合、中負荷（乃至高負荷側）の領域や低負荷域における吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの制御は第１の実施形態と同様であって（図６（ａ）〜（ｃ）及び（ｇ）参照）、中・高速の中負荷では排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされるが、さらに中速及び高速の全開域でも、図１０（ａ）及び同（ｂ）のように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされる。例えば、中速全開域では排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１５〜２０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２０〜２５°に設定され、高速全開域では排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１０〜１５°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ１５〜２０°に設定される。
【００７１】
また、燃料噴射制御手段４３による制御としては、エンジンの低速域や低・中負荷域だけでなく中・高速域の全開域を含む過給域でも上記空燃比が理論空燃比以上（空気過剰率λがλ≧１）となるように、燃料噴射量が制御される。
【００７２】
なお、ＮＯｘ触媒３２の温度状態に応じたバルブタイミングの制御は、第１の実施形態と同様にすればよい。
【００７３】
この実施形態によると、中速及び高速の全開域でも、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされることにより、内部ＥＧＲが得られてＮＯｘが低減され、かつ、その内部ＥＧＲによる既燃ガスが冷却されて燃焼温度が低下することにより、熱効率が高められて燃費が改善されるとともに、燃焼温度の低下に伴って排気温度が低下し、ＮＯｘ触媒３２の温度上昇が抑制される。
【００７４】
しかも、内部ＥＧＲによる出力低下分が過給により補われ、全開トルクが確保される。
【００７５】
とくに、従来では全開域やそれに近い領域ではノッキング防止等のためウエストゲートバルブを通して排気エネルギーを逃がすことで過給圧上昇を抑制していたが、当実施形態ではウエストゲートバルブ５７の開度を小さくし、従来では捨てていた排気エネルギーを利用して過給圧を高めることにより、有効に全開トルクを確保することができる。さらに、上記のようにマイナスＯ／Ｌとすることによりノッキングを抑制する作用が得られるため、内部ＥＧＲによる出力低下分を補う程度以上に過給圧を高めることも可能となり、全開トルクを高めることができる。
【００７６】
なお、本発明のエンジンの具体的構成は上記各実施形態に限定されず、種々変更可能である。
【００７７】
例えば、触媒温度検出手段は、触媒３２もしくはその近傍に温度センサを設けて触媒温度を直接的に検出するものでもよい。
【００７８】
また、図７に示す制御の例では、ステップＳ７で触媒が高温状態であると判定されたとき、バルブタイミングの補正（ステップＳ８）とともに空燃比を理論空燃比とする空燃比調整（ステップＳ９）を行なっているが、空燃比は運転状態に応じて設定される値に保ちつつバルブタイミングの補正だけを行なうようにしてもよい。
【００７９】
また、上記各実施形態のエンジンは火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）であるが、本発明はディーゼルエンジンにも適用することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエンジンによると、排気通路に具備されたＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態のとき、排気弁閉時期を吸気上死点より所定クランク角前へ進角するように排気弁のバルブタイミングを制御するとともに、吸気弁開時期を吸気上死点以後としているため、ＮＯｘ触媒が高温状態のとき、低温の内部ＥＧＲを与えることができ、これにより燃焼温度及び排気温度を低下させて、ＮＯｘ触媒の温度を活性温度範囲へ引き下げることができる。従って、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化作用の低下を防止することができ、かつ、上記内部ＥＧＲによるＮＯｘ低減作用も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図２】運転状態に応じた燃料噴射の制御の仕方とバルブタイミングの設定、変更の仕方をマップ的に示す説明図である。
【図３】吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表した図である。
【図４】カムリフト曲線の部分拡大図である。
【図５】ＮＯｘ触媒の温度とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。
【図６】低速中負荷、中速中負荷、高速中負荷、低速全開、中速全開、高速全開、低負荷の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図７】運転状態及び触媒温度状態に応じたバルブタイミングの制御の具体例を示すフローチャートである。
【図８】排気行程後期から吸気行程前期にかけての燃焼室容積及び燃焼室内圧力の変化を示す図である。
【図９】本発明の別の実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図１０】図９の実施形態による場合の中速全開、高速全開の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
５ 燃焼室
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１３，１４ バルブタイミング可変装置
３２ ＮＯｘ触媒
４０ ＥＣＵ
４１ 運転状態判別手段
４２ 触媒温度検出手段
４３ バルブタイミング制御手段
４４ 燃料噴射制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に具備した４サイクルエンジンに関し、とくにＮＯｘ触媒の温度上昇時の対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特定運転域でリーン運転を行なうエンジン、例えば燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを備えて低負荷低回転側の運転領域で成層燃焼によりリーン運転を行なうようにしたエンジンにおいて、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に設け、リーン運転状態のときに排気中のＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸収され、空燃比がリッチ側に変化したときにＮＯｘがＮＯｘ触媒から放出されて還元されるようにしたものが知られている。
【０００３】
このようなエンジンにおいて、上記ＮＯｘ触媒はＮＯｘ浄化率が高い活性温度範囲が三元触媒等と比べて狭いため、運転中にＮＯｘ触媒の温度が上記活性温度範囲を越える高温状態となることがあり、このような高温状態になればＮＯｘ浄化性能が低下する。
【０００４】
ＮＯｘ触媒の高温化の対策に関する技術としては、例えば特開平１１−２２９８５６号公報に示されるように、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒時にＳパージ（硫黄放出）のために排気雰囲気を酸素濃度低下雰囲気として触媒温度を上昇させる制御手段を備えたエンジンにおいて、上記制御手段によるＳパージ制御動作中に燃料カットモードの条件が成立したとき、上記ＮＯｘ触媒へ流入する排気ガス中の余剰酸素を抑制するようにしたものがある。
【０００５】
この技術は、Ｓパージ制御動作中に硫黄放出のためにＨＣ，ＣＯ等が排気ガス中に多く混入してＮＯｘ触媒に与えられている状態で、燃料カットモードに移行したとき、燃料供給が停止されることで急激に酸素過剰雰囲気になってＮＯｘ触媒に蓄積されたＨＣ，ＣＯ等が燃焼し、ＮＯｘ触媒の温度が急上昇するといった事態を防止するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示された技術は、Ｓパージ制御動作中に燃料カットモードの条件が成立するという特殊な状況下でのみＮＯｘ触媒の温度上昇防止を図るものであるが、このような特殊な状況以外でも、例えばエンジンの負荷や回転数がある程度高くなって排気ガス温度が比較的高い状態が持続した場合等にＮＯｘ触媒の温度が活性温度範囲を越える高温状態となることがあり、このような場合にも効果的にＮＯｘ触媒の温度を低下させることが望まれる。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑み、ＮＯｘ触媒の温度が活性温度範囲を越える高温状態となったときに排気温度を低下させてＮＯｘ触媒の高温状態を解消し、とくに排気弁及び吸気弁のバルブ開閉タイミングを変更するバルブタイミング可変装置を利用して効果的にＮＯｘ触媒の高温化を防止することができる触媒を備えた４サイクルエンジンを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に具備するとともに、所定のリーン運転領域で空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御するようになっている４サイクルエンジンにおいて、ＮＯｘ触媒の温度を直接的または間接的に検出する触媒温度検出手段と、排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも排気弁に対してバルブ開閉タイミングを変更するバルブタイミング可変装置と、上記触媒温度検出手段による検出に基づき、ＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態のとき、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定クランク角期間前へ進角するように上記バルブタイミング可変装置を制御するバルブタイミング制御手段とを備え、かつ、少なくとも上記高温状態のときに、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期が吸気上死点以後とされていることを特徴とする触媒を備えたものである。
【０００９】
この発明によると、ＮＯｘ触媒が高温状態のとき、排気弁閉時期が吸気上死点より前、吸気弁開時期が吸気上死点以後とされることにより、燃焼室内に既燃ガスが残留していわゆる内部ＥＧＲが得られるとともに、その既燃ガスが充分に冷却され、低温のＥＧＲガスを導入する場合と同様に燃焼温度が低下し、それに伴って排気温度が低下する。これにより、ＮＯｘ触媒の温度が高温状態から活性温度範囲へ引き下げられる。また、上記内部ＥＧＲによるＮＯｘ低減作用も得られる。
【００１０】
この発明において、上記バルブタイミング制御手段は、エンジンの高負荷側の中・高速域を含む所定運転領域で上記排気弁閉時期を上死点より前とし、かつ、上記排気弁閉時期から吸気上死点までのクランク角期間を上記所定運転領域内の中速域では高速域よりも大きくするように、運転状態に応じて排気弁のバルブ開閉タイミングを制御するとともに、ＮＯｘ触媒の温度状態が高い程、上記排気弁閉時期から吸気上死点までの期間を増大方向に補正するものであることが好ましい。
【００１１】
このようにすると、運転状態に応じたバルブタイミングの制御に加えて触媒温度に応じたバルブタイミングの補正制御が行なわれる。そして、運転状態に応じた制御でも、上記所定運転領域で排気弁閉時期が吸気上死点より前、吸気弁の開時期が吸気上死点以後とされることにより排気温度の上昇が抑制されるが、それでもなお触媒が高温状態になれば、それに応じたバルブタイミングの補正制御により排気温度を低下させる作用が高められる。
【００１２】
さらに、上記バルブタイミング制御手段は、上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を上記所定運転領域内の中速域では高速域よりも大きくするとともに、ＮＯｘ触媒の温度状態が高い程、上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までのクランク角期間を増大方向に補正するものであることが好ましい。
【００１３】
このようにすると、触媒が高温状態になった場合のバルブタイミングの補正制御により排気温度を低下させる作用が、より一層高められる。
【００１４】
上記リーン運転領域においてＮＯｘ触媒が上記高温状態にあるとき、上記バルブタイミング制御手段による制御に加え、空燃比制御手段により空燃比を理論空燃比とするように制御してもよい。
【００１５】
このようにすると、ＮＯｘ触媒が高温状態にあるときに、三元触媒としての機能によりＮＯｘが浄化される。
【００１６】
上記バルブタイミング制御手段は、ＮＯｘ触媒が上記高温状態にあって、かつ、減速運転中に燃料供給を停止する減速燃料カット状態にあるときには、上記排気弁閉時期を上死点以後とするように制御することが好ましい。
【００１７】
このようにすると、減速運転中に燃料供給が停止されたとき、新気が排気通路に多く流されて触媒を冷やす作用が高められる。
【００１８】
また、バルブタイミング可変装置は排気弁と吸気弁の双方のバルブタイミングを変更するものであり、上記バルブタイミング制御手段は、エンジンの全開域では、ＮＯｘ触媒の温度が触媒劣化傾向を生じる極高温状態に達したときに、上記排気弁閉時期を吸気上死点より前の所定クランク角へ進角し、上記吸気弁開時期を吸気上死点以後の所定クランク角へ遅角するように制御するものであることが好ましい。
【００１９】
このようにすると、エンジンの全開域では、上記極高温状態に達するまでは全開出力確保に有利なバルブタイミングとされるが、上記極高温状態に達すると排気温度が低下するようにバルブタイミングが変更される。
【００２０】
また、本発明は、ＮＯｘ触媒を排気通路に具備するとともに過給機を備えたエンジンに適用する場合、少なくとも高負荷域における中・高速域で、過給を行うとともに、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より前、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定したものである。
【００２１】
このようにすると、ＮＯｘ触媒が高温状態となり易い高負荷域の中・高速域で、過給により出力が確保されつつ、充分な内部ＥＧＲとこれを冷却する作用により、排気温度が低下して、ＮＯｘ触媒の温度上昇が抑制される。
【００２２】
この発明において、過給を行う運転領域で空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御することが好ましい。このようにすると、ＮＯｘ触媒の温度上昇を抑制する作用が高められる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明が適用される自動車用４サイクルエンジンの全体構造を概略的に示したものである。この図において、１はエンジン本体であり、複数の気筒を有し、その各気筒２には、シリンダボアに挿入されたピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。この燃焼室５には吸気ポート７及び排気ポート８が開口し、これらのポート７，８は吸気弁９及び排気弁１０によって開閉されるようになっている。
【００２５】
上記吸気弁９及び排気弁１０はカムシャフト１１，１２等からなる動弁機構により開閉作動されるようになっている。また、吸気弁９に対する動弁機構及び排気弁１０に対する動弁機構には、それぞれ、バルブ開閉タイミングを変更可能にするバルブタイミング可変装置１３，１４が設けられている。このバルブタイミング可変装置１３，１４は、クランクシャフトに連動するカムプーリとカムシャフトとの間に設けられて、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変更することにより、開弁期間は一定としつつ開時期及び閉時期を変更することができるようになっている。このようなバルブタイミング可変装置１３，１４は従来から種々知られているため、具体的な構造の図示及び説明は省略する。
【００２６】
上記燃焼室５の中央部には点火プラグ１６が配設され、そのプラグ先端が燃焼室に臨んでいる。さらに燃焼室５には、側方からインジェクタ１８の先端部が臨み、このインジェクタ１８から燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。
【００２７】
上記エンジン本体１には吸気通路２０及び排気通路３０が接続されている。上記吸気通路２０には、その上流側から順に、エアクリーナ２１、エアフローセンサ２２、スロットル弁２３及びサージタンク２４が設けられている。上記スロットル弁２３は、図外のアクセルペダルに機械的に連結され、アクセルペダル踏込み量に応じた開度に開かれるようになっている。このスロットル弁２３に対し、その開度を検出するスロットル開度センサ２５が設けられている。
【００２８】
上記排気通路３０には、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって空燃比を検出するＯ2センサ３１が設けられるとともに、その下流にＮＯｘ触媒３２が設けられている。このＮＯｘ触媒３２は、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン運転状態でもＮＯｘ浄化性能を有するものであって、酸素過剰雰囲気で排気ガス中のＮＯｘを吸収し、空燃比がリーンからリッチ側に変化して酸素濃度が減少したときに、吸収していたＮＯｘを放出するとともに、雰囲気中に存在するＣＯ等の還元材によりＮＯｘを還元させるようになっている。
【００２９】
より詳しく説明すると、上記ＮＯｘ触媒３２は、例えばコージュライト製ハニカム構造体等からなる担体の上にＮＯｘ吸収材層と触媒材層とを層状に形成したものであり、ＮＯｘ吸収材層は活性アルミナにＰｔ成分とＮＯｘ吸収材としてのＢａ成分とを担持させたものを主成分として構成され、触媒材層は、ゼオライトを担持母材としてこれにＰｔ成分及びＲｈ成分を担持させてなる触媒材を主成分として構成されている。
【００３０】
４０はエンジン制御用のコントロールユニット（ＥＣＵ）である。このＥＣＵ４０には、上記エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５及びＯ2センサ３１からの信号が入力されるとともに、クランク角センサ３５からエンジン回転数検出等のためのクランク角信号が入力され、さらにエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３６等からの信号も入力されている。
【００３１】
また、ＥＣＵ４０から、上記インジェクタ１８に対して燃料噴射を制御する信号が出力されるとともに、バルブタイミング可変装置１３，１４に対してこれを制御する信号が出力されている。
【００３２】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、触媒温度検出手段４２、バルブタイミング制御手段４３及び燃料噴射制御手段４４を含んでいる。運転状態判別手段４１は、クランク角センサ３５からのクランク角信号の周期の計測等によって検出されるエンジン回転数と、エアフローセンサ２２、スロットル開度センサ２５等からの信号によって調べられるエンジン負荷とに基づき、エンジンの運転状態を判別するようになっている。
【００３３】
触媒温度検出手段４２は、ＮＯｘ触媒３２の温度状態をほぼ直接的に検出するもので、排気通路３０のＮＯｘ触媒３２の直上流側に設けられた排気温度センサ３３の出力により、ＮＯｘ触媒３２の温度状態を検出するものである。なお、触媒温度検出手段４２は、例えば水温とエンジンの運転状態の経過等に基づいてＮＯｘ触媒３２の温度状態を推定する間接的な温度検出手段であってもよい。
【００３４】
バルブタイミング制御手段４２は、運転状態判別手段４１による運転状態の判別及び触媒温度検出手段４２による触媒温度状態の検出に基づいてバルブタイミング可変装置１３，１４を制御するものであり、後に詳述するような運転状態に応じたバルブタイミングの制御を行なうとともに、ＮＯｘ触媒３２の温度状態に応じた制御として、ＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態となったときに、排気弁閉時期を吸気上死点より前とするとともに、吸気弁開時期を吸気上死点後とするようになっている。
【００３５】
また、燃料噴射制御手段４３は、運転状態判別手段４１により判別される運転状態に応じてインジェクタ１８からの燃料噴射量及び噴射時期を制御するものであり、例えば図２中に示すようにエンジンの低速、低負荷側の所定領域をリーン運転領域とし、このリーン運転領域では、空燃比を理論空燃比よりもリーン（空気過剰率λがλ＞１）とするとともに、圧縮行程後半に燃料を噴射することにより点火プラグ１６まわりに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。一方、上記リーン運転領域以外の領域では、空燃比を理論空燃比（空気過剰率λがλ＝１）もしくはこれに近い値とするとともに、吸気行程で燃料を噴射することにより混合気を拡散させて均一燃焼を行わせるように、燃料噴射量及び噴射タイミングを制御する。
【００３６】
図３は吸・排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表しており、ＩｎＶは吸気弁、ＥｘＶは排気弁を意味する。また、ＩｎＯ及びＩｎＣは吸気弁の開時期及び閉時期、ＥｘＯ及びＥｘＣは排気弁の開時期及び閉時期である。ここで、吸気弁及び排気弁の開時期ＩｎＯ，ＥｘＯは、カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義し、吸気弁及び排気弁の閉時期ＩｎＣ，ＥｘＣは、カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義することとする（図４参照）。
【００３７】
図３において、排気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに実線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに破線のように閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後となり、吸気弁は開閉タイミング可変範囲内で最も進角したときに破線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、最も遅角したときに実線のように開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後となる。従って、破線で示すような排気弁が遅角、吸気弁が進角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがあるが、実線で示すような排気弁が進角、吸気弁が遅角の状態では両者の開弁期間にオーバラップがない。このようなオーバラップがない状態での排気弁閉時期ＥｘＣから吸気弁開時期ＩｎＯまでの期間を、実施形態の説明の中では便宜的にマイナスオーバラップ（マイナスＯ／Ｌ）と呼ぶ。
【００３８】
図５は、リーン運転状態にあるときのＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率（ＮＯｘ吸収率）と触媒温度との関係を示しており、この図のように、所定の活性温度範囲Ｔ１（２５０°Ｃ程度）〜Ｔ２（４００°Ｃ程度）にあるときにＮＯｘ浄化率が高く、この温度範囲の下限値Ｔ１より低温側及び上限値Ｔ２より高温側でＮＯｘ浄化率が低くなる。そこで、触媒温度が上記活性温度範囲の上限値Ｔ２より高い高温状態の時、排気温度を低下させるため、排気弁閉時期が吸気上死点より前、吸気弁開時期が吸気上死点以後となるようにバルブタイミングが制御される。ただし、運転状態に応じた制御によって既にこのようなバルブタイミングとなっている場合は、排気弁閉時期が進角側、吸気弁開時期が遅角側にそれぞれ補正されてマイナスＯ／Ｌが大きくされる。
【００３９】
次に、運転状態に応じたバルブタイミングの設定、変更の仕方を、図２および図６を参照しつつ説明する。なお、以下の説明の中で吸気弁、排気弁の開閉タイミング等についての時期及び期間を表す数値はクランク角によるものであり、また、ＢＴＤＣは上死点前を意味し、ＡＴＤＣは上死点後を意味する。
【００４０】
エンジンの高負荷側の中・高速域を含む所定運転領域では、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とされるとともに吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後とされることにより、マイナスＯ／Ｌが生じるように設定され、特に当実施形態では図２中に示すようにエンジン中負荷からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中速域（領域Ａ）でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされる。
【００４１】
具体的には、中速中負荷（上記領域Ａ内）では図６（ｂ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも２０°以上前、好ましくはＢＴＤＣ３０〜４０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、好ましくはＡＴＤＣ３５〜４５°に設定される。なお、中速中負荷域において吸気弁の閉時期ＩｎＣは吸気下死点後８０°程度、排気弁の開時期は排気下死点前８０°程度とされる。そして、当実施形態において用いられているバルブタイミング可変装置によると、吸気弁及び排気弁の開弁期間は一定に保たれつつ、吸気弁開時期の変化に伴って吸気弁閉時期も変化し、また排気弁閉時期の変化に対応して排気弁開時期も変化する。
【００４２】
領域Ａより高速側の領域である高速中負荷域では、図６（ｃ）に示すように、マイナスＯ／Ｌを有するがその期間が中速中負荷域より小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。
【００４３】
また、領域Ａから全開域に近づくと、それにつれて排気弁が徐々に遅角され、かつ、吸気弁が徐々に進角されることにより、マイナスＯ／Ｌが徐々に小さくされ、あるいはさらに正のオーバラップが生じる状態に至る。そして、中速全開域では、図６（ｅ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより前、例えばＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。また、高速高負荷域では、図６（ｆ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、例えばＡＴＤＣ１０〜１５°に設定される。
【００４４】
なお、低速域でのバルブ開閉タイミングは本発明で限定しないが、図示の例によると、低速中負荷域では図６（ａ）のように、中速中負荷域よりマイナスＯ／Ｌが小さくされ、例えば排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ２０〜３０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２５〜３５°に設定される。低速全開域では図６（ｄ）のように、中速中全開域と略同じで排気弁閉時期ＥｘＣがＡＴＤＣ１０°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯがＢＴＤＣ１０〜１５°程度に設定される。
【００４５】
また、低負荷領域のバルブ開閉タイミングは本発明で限定しないが、例えば図６（ｇ）に示すように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣより前で、ＢＴＤＣ５〜１５°程度に設定されるとともに、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後で、例えばＡＴＤＣ１０〜２０°程度に設定される。
【００４６】
ＥＣＵ４０による制御の具体例を、図７のフローチャートによって説明する。
【００４７】
ＥＣＵ４０による制御としては、先ず各センサからの信号が入力され（ステップＳ１）、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて運転状態が判別され（ステップＳ２）、水温及び運転状態等に基づいてＮＯｘ触媒３２の温度状態が判別される（ステップＳ３）。さらに、ステップＳ２で判別された運転状態に応じて吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの設定（図６参照）が行われる（ステップＳ４）。
【００４８】
次に、運転状態がエンジンの全開域にあるか否かが判定され（ステップＳ５）、全開域にない場合は減速燃料カット領域にあるか否かが判定される（ステップＳ６）。運転状態がエンジンの全開域及び減速燃料カット領域にない場合、ステップＳ７に移って、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲の上限値Ｔ２を越える高温状態であるか否かが判定される。
【００４９】
ステップＳ７でＮＯｘ触媒３２が高温状態にあることが判定された場合は、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより前で、吸気上死点ＴＤＣまでの期間が長くなるように進角側に補正するとともに、吸気弁開時ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣより後で、吸気上死点ＴＤＣからの期間が長くなるように遅角側に補正し、マイナスＯ／Ｌを大きくする（ステップＳ８）。また、インジェクタ１８からの燃料噴射の制御（噴射量及び噴射タイミングの制御）は図外の燃料制御ルーチンで行われ、この燃料制御ルーチンで図２中に示すように運転領域に応じて空燃比が設定されて、その空燃比となるように燃料噴射量が演算されるが、ＮＯｘ触媒３２が高温状態にある場合は、リーン運転領域であっても空燃比が理論空燃比（λ＝１）に修正される（ステップＳ９）。
【００５０】
そしてステップＳ１０に移行し、ステップＳ８で補正されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５１】
また、上記ステップＳ５でエンジンの運転状態が全開域にあると判定された場合は、ステップＳ１１に移って、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲の上限値Ｔ２よりもさらに所定量高い極高温状態判定値Ｔ３（図５参照）を越える極高温状態となったか否かが判定される。そして、全開域で極高温状態となった場合は、排気弁閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣより前、吸気弁開時期ＩｎＯを上死点ＴＤＣより後とするように、バルブタイミングが変更される（ステップＳ１２）。それからステップＳ１０に移行し、ステップＳ１２で変更されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５２】
また、上記ステップＳ６でエンジンの運転状態が減速燃料カット領域にあることが判定された場合、ステップＳ１３に移って、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲の上限値Ｔ２を越える高温状態であるか否かが判定される。そして、ＮＯｘ触媒３２が高温状態にある場合は、排気弁閉時期ＥｘＣを上死点ＴＤＣより後、吸気弁開時期ＩｎＯを上死点ＴＤＣより前とするように、バルブタイミングが変更される（ステップＳ１４）。それからステップＳ１０に移行し、ステップＳ１４で変更されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５３】
なお、ステップＳ７またはステップＳ１３でＮＯｘ触媒３２に高温状態でないと判定された場合、あるいはステップＳ１１でＮＯｘ触媒３２に極高温状態でないと判定された場合は、そのままステップＳ１０に移行することにより、ステップＳ４で設定されたバルブタイミングとなるようにバルブタイミング制御信号がバルブタイミング制御装置１３，１４に対して出力される。
【００５４】
以上のような当実施形態のエンジンによると、前述のようにエンジンの運転状態に応じたバルブタイミングの制御が行なわれて、中速中負荷、高速中負荷等の運転領域で、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされることにより、いわゆる内部ＥＧＲが行われてＮＯｘが低減されるとともに、その内部ＥＧＲによる燃焼室内の既燃ガスが充分に冷却されて熱効率の向上による燃費改善及び排気温度上昇抑制の効果が得られる。
【００５５】
すなわち、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣよりも前としておけば、既燃ガスを排出し終える前に排気弁が閉じるため燃焼室５内に既燃ガスが残留していわゆる内部ＥＧＲ効果が得られ、外部から排気ガスを還流させる外部ＥＧＲと同様にＮＯｘが低減される。
【００５６】
また、排気弁閉時期ＥｘＣを吸気上死点ＴＤＣより所定期間前とするとともに吸気弁開時期ＩｎＯを吸気上死点ＴＤＣ後とした場合の排気行程後期から吸気行程前記にかけての圧力変化は図８のようになり、排気弁閉時期ＥｘＣから吸気上死点ＴＤＣになるまで間に燃焼室内圧力が上昇し、吸気上死点ＴＤＣを過ぎてから燃焼室圧力が低下する。そして、圧力上昇に伴って温度が上昇し、圧力低下に伴って温度が低下するが、圧力上昇により燃焼室内温度が高められる期間には、燃焼室を構成する周囲の壁（ウォータジャケットが内蔵されて比較的温度が低いシリンダヘッドないしシリンダ壁）との温度差が大きくなることにより、この周囲の壁への放熱量が増大する。従って、排気弁が閉じた時点で燃焼室内に残留する既燃ガスの温度が高くても、排気弁が閉じてからの圧力が高い期間に充分に放熱が行われた上で、その後の圧力低下に伴い温度が低下する。
【００５７】
こうして既燃ガスを冷却する作用が得られ、これにより、外部から冷却されたＥＧＲガスを導入する場合と同様に、燃焼温度が低下する。このように燃焼温度が低下すると、熱効率が高められるため、燃費が改善される。また、燃焼温度の低下に伴い、排気温度が低下するため、ＮＯｘ触媒の温度上昇抑制に有利となる。さらに、比較的高負荷側の運転領域では、燃焼温度の低下によってノッキングを抑制する効果も得られる。
【００５８】
運転状態に応じたバルブタイミングの制御において、とくに、エンジン中負荷からこれより多少高負荷側にまでわたる領域における中速域及び高速域では、燃焼安定性が高くて内部ＥＧＲの許容量が大きいため、排気弁閉時期が吸気上死点に対して比較的大きく進角されるとともにマイナスＯ／Ｌが大きくされ、これにより内部ＥＧＲ量が多くされ、かつ、既燃ガス冷却作用が高められて、燃焼温度及び排気温度の上昇を抑制する作用が充分に得られる。
【００５９】
また、このようにマイナスＯ／Ｌにするとよって内部ＥＧＲを得るようにすると、エンジン回転速度が高くなるにつれ、吸気弁及び排気弁の有効開弁期間が減少することが実質的にマイナスＯ／Ｌを大きくするのと同等に作用するので、高速域では中速域と比べてマイナスＯ／Ｌを小さくしても内部ＥＧＲの確保及び燃焼温度、排気温度の低減等の効果が充分に得られる。従って、中速中負荷でマイナスＯ／Ｌが最も大きくされるのに対し、高速中負荷ではマイナスＯ／Ｌが中速中負荷よりもある程度小さくされることにより、内部ＥＧＲ量が過剰になることが避けられ、上記のような効果が得られつつ出力が確保される。
【００６０】
エンジンの低速域や低負荷域では、中・高速の中・高負荷域と比べるとＥＧＲ許容量が少なくなるので、マイナスＯ／Ｌが比較的小さくされる。また、エンジンの全開域では、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣよりも多少遅いＡＴＤＣ１０°程度とされることにより、内部ＥＧＲが極力少なくされて全開トルクが確保される。
【００６１】
エンジンの運転状態に応じた燃料噴射の制御としては、図２中に示すリーン運転領域で、空燃比がリーンになるように燃料噴射量が制御されるとともに、成層燃焼が行なわれるように燃料噴射時期が制御される。そして、このようなリーン運転状態にあるときに、酸素過剰状態の排気ガスに含まれるＮＯｘがＮＯｘ触媒３２に吸収され、その後にリーン運転領域外への運転状態の移行等によって空燃比が理論空燃比もしくはそれよりリッチとされたとき、ＮＯｘ触媒３２からＮＯｘが放出され、かつ、排気ガス中のＣＯ等の還元材の存在により、ＮＯｘ触媒３２の還元作用でＮＯｘが還元される。
【００６２】
このようにしてＮＯｘ触媒３２により排気ガス中のＮＯｘが浄化されるが、このＮＯｘ触媒３２の活性温度範囲（Ｔ１〜Ｔ２）は比較的狭く、運転中に排気温度の上昇に伴って触媒温度が活性温度範囲を越えて上昇することがある。
【００６３】
そこで、ＮＯｘ触媒３２が活性温度範囲を越える高温状態となったとき、上記マイナスＯ／Ｌによる排気温度の低下が図られる。
【００６４】
すなわち、上述のように排気弁閉時期を吸気上死点より前とし、かつ、吸気弁開時期を吸気上死点後としてマイナスＯ／Ｌを生じるようにしておけば、内部ＥＧＲが得られるとともにこれが冷却されることで排気温度を低下させる作用が得られ、このような作用は、吸気上死点に対する排気弁閉時期の進角量及び上記マイナスＯ／Ｌを大きくするほど高められる。
【００６５】
このため、エンジンの全開域及び減速燃料カット領域にない場合においてＮＯｘ触媒３２が高温状態となったときは、排気弁閉時期が進角されるとともにマイナスＯ／Ｌを大きくなるようにバルブタイミングが補正され（ステップＳ７，Ｓ８）、これにより排気温度が引き下げられる。その上、このように補正されることで内部ＥＧＲ量が増加するため、ＮＯｘ触媒３２が高温状態にあるため浄化性能が低い状況下でもＮＯｘ排出量の増大が抑制される。
【００６６】
さらに、ＮＯｘ触媒３２は理論空燃比では三元触媒機能を有し、この機能は高温状態でも発揮し得るため、当実施形態ではＮＯｘ触媒３２が高温状態にあるときにリーン運転領域であっても空燃比を理論空燃比に調整し（ステップＳ９）、三元触媒機能を利用してＮＯｘの浄化を図っている。
【００６７】
また、エンジンの全開域では、全開出力確保の要求が強いため、ＮＯｘ触媒３２の温度が活性温度範囲を超えても極高温状態判定値Ｔ３を越えなければ、全開出力確保に適したバルブタイミングが維持されるが、極高温状態判定値Ｔ３を越える極高温状態にまで達すれば排気弁閉時期が吸気上死点ＴＤＣ前とされるとともに吸気弁開時期が吸気上死点ＴＤＣ後とされるようにバルブタイミングが変更され（ステップＳ１２）、これにより、ＮＯｘ触媒３２の劣化を招くような過度の温度上昇が避けられる。
【００６８】
また、高速高負荷の状態から減速が行われた場合等には、ＮＯｘ触媒３２が高温状態で、かつ、減速燃料カットが行われることがあり、このような場合は燃料供給が停止されて燃焼が行なわれないので、マイナスＯ／Ｌとしても内部ＥＧＲは得られず、それよりも排気側への新気の流れを多くするほうが触媒の冷却に有利である。そこでこのような場合は、排気弁閉時期が吸気上死点後、吸気弁開時期が吸気上死点前とされ（ステップＳ１４）、これにより新気の吸入量が増大されて触媒冷却作用が高められる。
【００６９】
図９は本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、図１に示す第１の実施形態と同様の構造に加え、ターボ過給機５０を装備している。このターボ過給機５０は、吸気通路２０に設けたコンプレッサ５１と、排気通路３０に設けたタービン５２と、両者を連結する軸体５３とからなり、排気ガス流によりタービン５２が回転し、それに連動してコンプレッサ５１が回転することにより吸気を過給するようになっている。なお、５５は吸気通路２０におけるコンプレッサ５１の下流に設けられたインタークーラである。また、５６は排気通路３０におけるタービン５２をバイパスするウエストゲート通路、５７はこの通路５６に設けられたウエストゲートバルブである。
【００７０】
そして、このように過給機５０を備える場合、中負荷（乃至高負荷側）の領域や低負荷域における吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの制御は第１の実施形態と同様であって（図６（ａ）〜（ｃ）及び（ｇ）参照）、中・高速の中負荷では排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされるが、さらに中速及び高速の全開域でも、図１０（ａ）及び同（ｂ）のように、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされる。例えば、中速全開域では排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１５〜２０°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ２０〜２５°に設定され、高速全開域では排気弁閉時期ＥｘＣがＢＴＤＣ１０〜１５°、吸気弁開時期ＩｎＯがＡＴＤＣ１５〜２０°に設定される。
【００７１】
また、燃料噴射制御手段４３による制御としては、エンジンの低速域や低・中負荷域だけでなく中・高速域の全開域を含む過給域でも上記空燃比が理論空燃比以上（空気過剰率λがλ≧１）となるように、燃料噴射量が制御される。
【００７２】
なお、ＮＯｘ触媒３２の温度状態に応じたバルブタイミングの制御は、第１の実施形態と同様にすればよい。
【００７３】
この実施形態によると、中速及び高速の全開域でも、排気弁閉時期ＥｘＣが吸気上死点ＴＤＣ前、吸気弁開時期ＩｎＯが吸気上死点ＴＤＣ後とされることにより、内部ＥＧＲが得られてＮＯｘが低減され、かつ、その内部ＥＧＲによる既燃ガスが冷却されて燃焼温度が低下することにより、熱効率が高められて燃費が改善されるとともに、燃焼温度の低下に伴って排気温度が低下し、ＮＯｘ触媒３２の温度上昇が抑制される。
【００７４】
しかも、内部ＥＧＲによる出力低下分が過給により補われ、全開トルクが確保される。
【００７５】
とくに、従来では全開域やそれに近い領域ではノッキング防止等のためウエストゲートバルブを通して排気エネルギーを逃がすことで過給圧上昇を抑制していたが、当実施形態ではウエストゲートバルブ５７の開度を小さくし、従来では捨てていた排気エネルギーを利用して過給圧を高めることにより、有効に全開トルクを確保することができる。さらに、上記のようにマイナスＯ／Ｌとすることによりノッキングを抑制する作用が得られるため、内部ＥＧＲによる出力低下分を補う程度以上に過給圧を高めることも可能となり、全開トルクを高めることができる。
【００７６】
なお、本発明のエンジンの具体的構成は上記各実施形態に限定されず、種々変更可能である。
【００７７】
例えば、触媒温度検出手段は、触媒３２もしくはその近傍に温度センサを設けて触媒温度を直接的に検出するものでもよい。
【００７８】
また、図７に示す制御の例では、ステップＳ７で触媒が高温状態であると判定されたとき、バルブタイミングの補正（ステップＳ８）とともに空燃比を理論空燃比とする空燃比調整（ステップＳ９）を行なっているが、空燃比は運転状態に応じて設定される値に保ちつつバルブタイミングの補正だけを行なうようにしてもよい。
【００７９】
また、上記各実施形態のエンジンは火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）であるが、本発明はディーゼルエンジンにも適用することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエンジンによると、排気通路に具備されたＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態のとき、排気弁閉時期を吸気上死点より所定クランク角前へ進角するように排気弁のバルブタイミングを制御するとともに、吸気弁開時期を吸気上死点以後としているため、ＮＯｘ触媒が高温状態のとき、低温の内部ＥＧＲを与えることができ、これにより燃焼温度及び排気温度を低下させて、ＮＯｘ触媒の温度を活性温度範囲へ引き下げることができる。従って、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化作用の低下を防止することができ、かつ、上記内部ＥＧＲによるＮＯｘ低減作用も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図２】運転状態に応じた燃料噴射の制御の仕方とバルブタイミングの設定、変更の仕方をマップ的に示す説明図である。
【図３】吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを示すためのカムリフト曲線を表した図である。
【図４】カムリフト曲線の部分拡大図である。
【図５】ＮＯｘ触媒の温度とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。
【図６】低速中負荷、中速中負荷、高速中負荷、低速全開、中速全開、高速全開、低負荷の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【図７】運転状態及び触媒温度状態に応じたバルブタイミングの制御の具体例を示すフローチャートである。
【図８】排気行程後期から吸気行程前期にかけての燃焼室容積及び燃焼室内圧力の変化を示す図である。
【図９】本発明の別の実施形態による４サイクルエンジンの概略図である。
【図１０】図９の実施形態による場合の中速全開、高速全開の各運転域での排気弁の閉時期及び吸気弁の開閉時期を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
５ 燃焼室
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１３，１４ バルブタイミング可変装置
３２ ＮＯｘ触媒
４０ ＥＣＵ
４１ 運転状態判別手段
４２ 触媒温度検出手段
４３ バルブタイミング制御手段
４４ 燃料噴射制御手段
Claims (8)
- 酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に具備するとともに、所定のリーン運転領域で空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御するようになっている４サイクルエンジンにおいて、ＮＯｘ触媒の温度を直接的または間接的に検出する触媒温度検出手段と、排気弁及び吸気弁のうちの少なくとも排気弁に対してバルブ開閉タイミングを変更するバルブタイミング可変装置と、上記触媒温度検出手段による検出に基づき、ＮＯｘ触媒の温度が所定の活性温度範囲を越える高温状態のとき、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より所定クランク角期間前へ進角するように上記バルブタイミング可変装置を制御するバルブタイミング制御手段とを備え、かつ、少なくとも上記高温状態のときに、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期が吸気上死点以後とされていることを特徴とする触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 上記バルブタイミング制御手段は、エンジンの高負荷側の中・高速域を含む所定運転領域で上記排気弁閉時期を上死点より前とし、かつ、上記排気弁閉時期から吸気上死点までのクランク角期間を上記所定運転領域内の中速域では高速域よりも大きくするように、運転状態に応じて排気弁のバルブ開閉タイミングを制御するとともに、ＮＯｘ触媒の温度状態が高い程、上記排気弁閉時期から吸気上死点までの期間を増大方向に補正するものであることを特徴とする請求項１記載の触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 上記バルブタイミング制御手段は、上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までの期間を上記所定運転領域内の中速域では高速域よりも大きくするとともに、ＮＯｘ触媒の温度状態が高い程、上記排気弁閉時期から上記吸気弁開時期までのクランク角期間を増大方向に補正するものであることを特徴とする請求項２記載の触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 上記リーン運転領域においてＮＯｘ触媒が上記高温状態にあるとき、上記バルブタイミング制御手段による制御に加え、空燃比制御手段により空燃比を理論空燃比とするように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 上記バルブタイミング制御手段は、ＮＯｘ触媒が上記高温状態にあって、かつ、減速運転中に燃料供給を停止する減速燃料カット状態にあるときには、上記排気弁閉時期を上死点以後とするように制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 上記バルブタイミング可変装置は排気弁と吸気弁の双方のバルブタイミングを変更するものであり、上記バルブタイミング制御手段は、エンジンの全開域では、ＮＯｘ触媒の温度が触媒劣化傾向を生じる極高温状態に達したときに、上記排気弁閉時期を吸気上死点より前の所定クランク角へ進角し、上記吸気弁開時期を吸気上死点以後の所定クランク角へ遅角するように制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収して酸素濃度が減少するに伴いＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒を排気通路に具備した４サイクルエンジンにおいて、過給機を備え、少なくとも高負荷域における中・高速域で、過給を行うとともに、排気弁用カムリフト特性における加速度区間から定速度区間への移行時点をもって定義した排気弁閉時期を吸気上死点より前、吸気弁用カムリフト特性における定速度区間から加速度区間への移行時点をもって定義した吸気弁開時期を吸気上死点以後に設定したことを特徴とする触媒を備えた４サイクルエンジン。
- 過給を行う運転領域で空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比に制御することを特徴とする請求項７記載の触媒を備えた４サイクルエンジン。
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