DE60117184T2 - Brennkraftmaschine mit variablem Ventilsteuerungssystem und NOx-Katalysator - Google Patents

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Verbrennungsmotor, der an einem Fahrzeug montiert ist, wie einem Automobil, und genauer gesagt auf ein Gerät mit einem Verbrennungsmotor eines Magerverbrennungstyps. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren des Steuerns eines Abgases, das von einem Verbrennungsmotor eines Magerverbrennungstyps abgegeben wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Unlängst war es gewollt, dass Verbrennungsmotoren, die an Automobilen installiert sind, Abgase reinigen, die von den Verbrennungsmotoren abgegeben werden, von schädlichen Gaskomponenten wie Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx), die darin enthalten sind, bevor die Abgase in die Atmosphäre freigesetzt werden.
  • Um die zuvor aufgezeigte Forderung zu erfüllen, sieht eine bekannte Technik einen Dreiwegekatalysator in der Auslasspassage des Verbrennungsmotors vor. Der Dreiwegekatalysator ist angeordnet, um Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) zu entfernen oder zu reduzieren, die in den Abgasen enthalten sind, die ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoffverhältnis haben, das gleich oder nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis ist. Für ein Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses der Abgase, denen der Dreiwegekatalysator ausgesetzt ist, wird das Luft-Kraftstoffverhältnis eines Luft-Kraftstoffgemischs, das in den Motor eingeleitet werden soll, in einer Rückkopplungsart so gesteuert, dass die Abgase, die von dem Verbrennungsmotor abgegeben werden, das vorbestimmte Luft-Kraftstoffverhältnis haben, was ermöglicht, dass der Dreiwegekatalysator die Abgase von den gewünschten schädlichen Gaskomponenten reinigt.
  • Andererseits wurden Verbrennungsmotoren des Magerverbrennungstyps für eine Benutzung an Automobilen entwickelt, in einem Bestreben, die erforderliche Verbrauchsmenge von Kraftstoff durch den Motor zu verringern. Der Verbrennungsmotor des Magerverbrennungstyps kann ein kraftstoffmageres Luft-Kraftstoffgemisch verbrennen, dessen Luft-Kraftstoffverhältnis höher ist als der stöchiometrische Wert.
  • Die Abgase, die von solchen Verbrennungsmotoren des Magerverbrennungstyps abgegeben werden, haben ein relativ hohes Luft-Kraftstoffverhältnis und enthalten eine relativ geringe Menge von reduzierenden Komponenten wie Kohlenwasserstoff (HC), so dass Stickoxide (NOx), die in den Abgasen enthalten sind, durch den Dreiwegekatalysator allein nicht ausreichend reduziert oder entfernt werden können.
  • In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Situation wurde vorgeschlagen, einen NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator zu verwenden, der in der Auslasspassage des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator kann Stickoxide (NOx) okkludieren oder absorbieren, die in den kraftstoffmageren Abgasen enthalten sind, denen der NOx-Katalysator ausgesetzt ist, wenn die Abgase ein kraftstoffreiches Luft-Kraftstoffverhältnis haben, und die okkludierten Stickoxide (NOx) frei setzen, wenn die Abgase ein stöchiometrisches oder kraftstoffreiches Luft- Kraftstoffverhältnis haben. Die freigesetzten Stickoxide (NOx) werden zu Stickstoff (N2) reduziert durch Reaktion mit den Reduktionsmitteln oder Reduktionskomponenten wie Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO), die in den Abgasen enthalten sind.
  • Mit dem NOx-Katalysator der Okklusions-Reduktionsart, der in der Auslasspassage des magerverbrennenden Verbrennungsmotors angeordnet ist, werden Stickoxide (NOx), die in den Abgasen enthalten sind, in dem NOx-Katalysator okkludiert oder absorbiert, wenn die kraftstoffmageren Abgase abgegeben werden als eine Folge der Verbrennung eines kraftstoffmageren Luft-Kraftstoffgemischs innerhalb des Verbrennungsmotors.
  • Wenn der Verbrennungsmotor mit einem stöchiometrischen oder kraftstoffreichen Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, das das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein Luft-Kraftstoffverhältnis hat, das niedriger ist als der stöchiometrische Wert, und wenn die Abgase, die von dem Verbrennungsmotor abgegeben werden, stöchiometrisch oder kraftstoffreich sind, setzt der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator die okkludierten Stickoxide (NOx) frei, und die freigesetzten Stickoxide werden zu Stickstoff (N2) reduziert.
  • Die Menge von Stickoxiden (NOx), die in dem NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator okkludiert oder untergebracht werden kann, ist begrenzt, und die Aufnahmefähigkeit des NOx-Katalysators Stickoxide (NOx) zu absorbieren, ist nach einer langen Betriebszeitspanne des Verbrennungsmotors mit einem kraftstoffmageren Luft-Kraftstoffgemisch gesättigt, was zu einer Möglichkeit des Freisetzens der Stickoxide in die Atmosphäre führt, ohne dass sie reduziert werden.
  • Um die vorstehend aufgezeigte Möglichkeit zu vermeiden, wurde eine sog. „fette Spitze"-Steuerung durchgeführt, wenn die NOx-Okklusionsaufnahmefähigkeit des NOx-Okklusions-Reduktionskatalysators, während des Magerverbrennungbetriebs des Verbrennungsmotors gesättigt ist. In der „fetten Spitzen"-Steuerung wird die Betriebsart des Verbrennungsmotors von der Magerverbrennungsart zu der reichen Verbrennungsart umgeschaltet, so dass der NOx-Katalysator kraftstoffreichen Abgasen ausgesetzt wird, die ein relativ niedriges Luft-Kraftstoffverhältnis haben.
  • Das bloße Erhöhen der Kraftstoffeinspritzmenge in den Verbrennungsmotor bewirkt jedoch unerwünschterweise einen plötzlichen Anstieg des Ausgabedrehmoments des Verbrennungsmotors. Um diesen plötzlichen Anstieg zu verhindern, muss die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht werden, während die Luftmenge verringert wird, die in den Verbrennungsmotor gezogen werden soll. Demzufolge erfordert die „fette Spitzen"-Steuerung, dass sowohl das Kraftstoffeinspritzventil als auch das Drosselventil gesteuert werden, um die Kraftstoffeinspritzmenge zu erhöhen, während die Einlassluftmenge reduziert wird.
  • Das Drosselventil ist mit einigem Abstand entfernt von der Verbrennungskammer in jedem Zylinder gelegen, und deshalb erfordert die tatsächliche Verringerung der Luftmenge in der Verbrennungskammer auf einen gewünschten Wert eine gewisse Zeit nach dem Zeitpunkt, bei dem die Öffnung des Drosselventils verringert wurde. Somit erfordert das Schalten der Verbrennungsmotorbetriebsart von der Magerverbrennungsart zu der reichen Verbrennungsart eine relativ lange Zeit aufgrund einer verzögerten Steuerungsantwort des Drosselventils.
  • Des Weiteren müssen das Drosselventil und das Kraftstoffeinspritzventil nach der Beendigung der „fetten Spitzen"-Steuerung wieder gesteuert werden, um die Luftmenge, die in die Zylinder des Verbrennungsmotors gezogen werden soll, zu erhöhen und die Kraftstoffmenge, die in die Zylinder eingespritzt werden soll, zu reduzieren. Wie das Umschalten des Verbrennungsmotorbetriebs aufgrund eines Beginns der „fetten Spitzen"-Steuerung, erfordert das Umschalten der Verbrennungsbetriebsart von der fetten Verbrennungsart zu der mageren Verbrennungsart eine relativ lange Zeit aufgrund einer verzögerten Antwort des Drosselventils nach Beendigung der „fetten Spitzen"-Steuerung.
  • Somit erfordert die „fette Spitzen"-Steuerung eine beträchtlich lange Zeit aufgrund der langen Zeitspanne, die für das Umschalten der Betriebsart des Motorbetriebs zwischen der Magerverbrennungs- und der reichen Verbrennungsart nach Beginn und Beendigung der „fetten Spitzen"-Steuerung erfordert ist. Dies kann eine ungewünschte Verschlechterung der Fahrbarkeit der Fahrzeugs und eine unnötige Erhöhung der Kraftstoffverbrauchsmenge verursachen.
  • Einige der magerverbrennenden Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren und magerverbrennende Benzinmotoren benutzen den zuvor beschriebenen NOx-Katalysator der Okklusions-Reduktionsart oder der selektiven Reduktionsart oder andere Abgasemissionsreinigungsvorrichtungen für das Reinigen der Abgase, die von ihnen abgegeben wird.
  • Der selektive NOx-Reduktionskatalysator ist ein Katalysator, der Stickoxide (NOx) in einer sauerstoffreichen Atmosphäre in der Anwesenheit von Kohlenwasserstoff (HC) reduzieren oder abbauen kann. Für diesen selektiven NOx-Reduktionskatalysator, der NOx reduzieren oder entfernen kann, ist eine geeignete Menge von Kohlenwasserstoffkomponenten erforderlich. Wenn dieser selektive NOx-Reduktionskatalysator verwendet wird, um Abgase zu reinigen, die von den zuvor aufgezeigten magerverbrennenden Verbrennungsmotoren abgegeben werden, muss der selektive NOx- Reduktionskatalysator mit der Kohlenwasserstoff-Komponente (HC-Komponente) versorgt werden, da die Menge der HC-Komponente in den Abgasen, die während eines normalen Magerverbrennungsbetriebs des Motors abgegeben werden, außerordentlich gering ist. Die Zuführung der HC-Komponente kann durch Betreiben des Motors mit einem kraftstoffreichen oder stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisch erreicht werden, sodass die Abgase, die von dem Verbrennungsmotor abgegeben werden, das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein Luft-Kraftstoffverhältnis haben, das geringer ist als der stöchiometrische Wert.
  • Wie vorstehend diskutiert ist, ist der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator geeignet, um NOx zu okkludieren, wenn die abgegebenen Abgase kraftstoffmager sind, und das okkludierte NOx freizusetzen und zu reduzieren, wenn die Sauerstoffkonzentration der Abgase verringert ist.
  • Wenn der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator verwendet wird, um Abgase zu reinigen, die von den magerverbrennenden Verbrennungsmotoren abgegeben werden, wird NOx in den kraftstoffmageren Abgasen in dem NOx-Katalysator während einem normalen Magerverbrennenungsbetrieb des Verbrennungsmotors okkludiert. Das NOx kann nicht in dem NOx-Katalysator okkludiert werden, nachdem die NOx-Okklusionsaufnahmefähigkeit des Katalysators, als eine Folge des Magerverbrennungsetriebs des Verbrennungsmotors für eine lange Zeit gesättigt ist. In diesem Fall wird NOx in die Atmosphäre freigesetzt. Um diese Situation zu vermeiden, ist es notwendig zu bewirken, dass die Abgase kraftstoffreich sind, und die Sauerstoffkonzentration der Abgase beträchtlich zu verringern, bei einem geeigneten Zeitpunkt vor einer Sättigung der NOx-Okklusionsaufnahmefähigkeit des NOx-Katalysators, um die Menge von HC als ein Reduziermittel zu erhöhen, das okkludierte NOx von dem NOx-Katalysator freizusetzen und das freigesetzte NOx zu N2 zu reduzieren. In dieser Weise kann der NOx-Katalysator die ursprüngliche NOx-Okklusionsaufnahmefähigkeit wiederherstellen.
  • Somit erfordert die Emissionsreinigungsvorrichtung, die den Magerverbrennungs-NOx-Katalysator verwendet, die Zuführung von Kohlenwasserstoff (HC) als das Reduziermittel für ein Reduzieren und Entfernen von NOx, und deshalb ist es erforderlich, dass die Abgase von Zeit zu Zeit stöchiometrisch oder kraftstoffreich sind. Dokument JP-A-6-117225 offenbart ein Beispiel eines Verfahrens des Steuerns der Abgase, um stöchiometrisch oder kraftstoffreich zu sein, das eine Hilfs- oder zweite Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor verwendet.
  • Die Kraftstoffhilfseinspritzung ist eine Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotorzylinder, die auf die erste Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotorzylinder folgt, die gemacht wird für ein Vorsehen des gewünschten Ausgabedrehmoments des Verbrennungsmotors. Die Kraftstoffhilfseinspritzung findet während des Expansionshubs oder des Auslasshubs statt.
  • Ein Teil des Kraftstoffs, der in den Zylinder in der zweiten Kraftstoffeinspritzung für den Zweck des Steuerns des Luft-Kraftstoffverhältnisses der Abgase eingespritzt wird, kann jedoch in dem Zylinder verbrannt werden, was das Ausgabedrehmoment des Verbrennungsmotors um eine geringe Menge erhöht, in Abhängigkeit des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, sodass die Fahrzeugantriebskraft schockartig erhöht wird, was eine unerwünschte Verschlechterung des Fahrzeugfahrverhaltens zur Folge hat. Insofern ist es wünschenswert, ein geeignetes Verfahren des Steuerns des Luft- Kraftstoffverhältnisses der Abgase (oder der Erhöhung von HC als das Reduziermittel) zu entwickeln, das anders ist als die Kraftstoffhilfseinspritzung.
  • Für ein Steuern der Abgase, damit sie stöchiometrisch oder kraftstoffreich sind, ist auch ein Verfahren bekannt, in dem das Luft-Kraftstoffgemisch, das in die Verbrennungskammer eingeleitet wird, gesteuert wird, um das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein Kraftstoffverhältnis zu haben, das geringer ist als der stöchiometrische Wert. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemischs von einem Wert, der höher ist als der stöchiometrische Wert, zu dem stöchiometrischen oder niedrigern Wert sofort geändert wird, kann es jedoch ein Risiko einer Fehlzündung des Verbrennungsmotors geben aufgrund eines verzögerten Mischens der Luft und des Kraftstoffs in das gewünschte Luft-Kraftstoffgemisch. Demzufolge muss das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemischs ausreichend schrittweise von einem mageren Level (d.h. höher als der stöchiometrische Wert) zu einem reichen Level (d.h. niedriger als der stöchiometrische Wert) geändert werden.
  • Die schrittweise Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses erfordert jedoch eine relativ lange Zeit bis das gewünschte stöchiometrische oder niedrigere Luft-Kraftstoffverhältnis erreicht ist. Während dieser Zeitspanne wird NOx weniger wahrscheinlich reduziert und entfernt durch den selektiven NOx-Reduktionskatalysator, oder eine NOx-Freisetzung und -Reduktion wird durch den NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator weniger wahrscheinlich bewirkt. In jedem von diesen zwei NOx-Katalysatorenarten wird die NOx-Reduktions-/Entfernungsfähigkeit und die Kraftstoffsparsamkeit des Motors unerwünschterweise verschlechtert.
  • Dokument JP-A-2000-54872 offenbart ein Gerät mit den Merkmalen, die in dem Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefasst sind, und ein Verfahren, das die Merkmale hat, die in dem Oberbegriff von Anspruch 10 zusammengefasst sind. In diesem bekannten Gerät und Verfahren ist das Abgasventil geöffnet vor dem Augenblick des Beginns eines Auslasshubs, sodass unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu dem NOx-Katalysator zugeführt werden und mit Überschusssauerstoff reagieren können für ein schnelles Erhöhen der Temperatur des Katalysators und für eine schnelle Aktivierung von ihm.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gerät vorzusehen, das einen NOx-Katalysator wiederherstellen kann, der in einem Verbrennungsmotor eines Magerverbrennungstyps verwendet wird, der ein sauerstoffreiches Luft-Kraftstoffgemisch verbrennen kann, sodass der NOx-Katalysator bei einer frühen Gelegenheit in einen Zustand versetzt wird, der geeignet ist für ein Reduzieren oder Entfernen von ausgewählten Gaskomponenten in Abgasen, die von dem Verbrennungsmotor abgegeben werden, während das Abgas von den Gaskomponenten gereinigt werden soll, und sodass die Menge des verbrauchten Kraftstoffes durch den Motor verringert wird. Des weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren des Steuerns eines Abgases vorzusehen, das von einem Verbrennungsmotor eine magerverbrennenden Typs abgegeben wird.
  • Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben durch das Gerät und das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 gelöst.
  • Durch Öffnen des Auslassventils zum ersten Mal in der Weise, wie in Ansprüchen 1 und 10 definiert ist, kann ein Teil des Kraftstoffs, der in eine Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, in den NOx-Katalysator eingeleitet werden, bevor dieser Teil des Kraftstoffs innerhalb der Verbrennungskammer verbrannt worden ist. Da die vorstehende Steuerung ausgeführt werden kann, unmittelbar nachdem die Steuerung bestimmt hat, dass der NOx-Katalysator ein Reduziermittel oder mehrere Reduziermittel braucht, kann die Reinigungswirksamkeit des NOx-Katalysators verbessert werden, während andererseits eine mögliche Verschlechterung der Kraftstoffsparsamkeit minimiert wird.
  • Wenn der Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Zylindern hat, kann der zuvor beschriebene Steuerungsvorgang, um das Auslassventil bei einer geeigneten Zeit zu öffnen, die anders ist als während des Auslasshubs, bezüglich allen den Zylindern oder einem ausgewählten von den Zylindern durchgeführt werden. Wenn der Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Auslassventilen für einen Zylinder hat, kann der zuvor beschriebene Steuerungsvorgang mit Bezug auf alle die Auslassventile des Zylinders oder für nur ein ausgewähltes von den Auslassventilen durchgeführt werden.
  • Das variable Ventilsteuersystem des Geräts gemäß dieser Erfindung kann einen elektromagnetischen Antriebsmechanismus haben, wie in Anspruch 9 definiert ist. Alternativ kann das variable Ventilsteuersystem einen hydraulischen Ventilantriebsmechanismus haben, der mit einem unter Druck gesetzten Fluid betrieben wird für Bewegungen der Auslassventile und/oder der Einlassventile in zwei Richtungen.
  • Der NOx-Katalysator kann von der Okklusions-Reduktionsart oder der selektiven Reduktionsart sein.
  • Der selektive NOx-Reduktionskatalysator wird so interpretiert, dass er einen Katalysator bezeichnet, der geeignet ist, NOx in Abgasen zu reduzieren oder abzubauen, die als eine Folge einer Verbrennung eines kraftstoffmageren Luft-Kraftstoffgemischs abgegeben werden, und genauer gesagt NOx zu reduzieren oder abzubauen, das in einer sauerstoffreichen Atmosphäre enthalten ist in der Anwesenheit von Kohlenwasserstoff. Zum Beispiel kann der Magerverbrennungs-NOx-Katalysator ein Katalysator sein, wobei Zeolith ein ionenausgetauschtes Kupfer (Cu) oder ein anderes Übergangsmetall trägt, oder wobei Zeolith oder Aluminium ein Edelmetall trägt.
  • Weitere vorteilhafte Entwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung auf einem magerverbrennenden Verbrennungsmotor anwendbar ist, wie Dieselmotoren und magerverbrennende Benzinmotoren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Anordnung eines Geräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Ansicht, die schematisch einen Verbrennungsmotor des Geräts gemäß 1 zeigt;
  • 3 ist eine Ansicht, die das Innere eines elektromagnetischen Antriebsmechanismus für ein Auslassventil in dem Motor von 2 zeigt;
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das eine elektronische Steuereinheit für ein Steuern des Motors von 2 zeigt;
  • 5 ist ein Graph, der verschiedenen Zustände der Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemischs im Bezug auf die Motorgeschwindigkeit bzw. Motordrehzahl und die Motorlast anzeigt; und
  • 6 ist ein Ablaufdiagramm, das die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Einlass- und Auslassventile in dem Motor von 2 anzeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Mit Bezug auf die 1 bis 6 wird ein Gerät mit einem Verbrennungsmotor beschrieben, der ein variables Ventilsteuersystem hat, wobei das Gerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist.
  • In den schematischen Ansichten von 1 und 2 wird der Verbrennungsmotor gemäß dieser Ausführungsform im Allgemeinen mit 1 bezeichnet zusammen mit seinen Einlass- und Auslasssystemen. Der Verbrennungsmotor 1 ist ein wassergekühlter Viertakt-Ottomotor, der vier Zylinder 21 hat.
  • Der Verbrennungsmotor 1 hat einen Zylinderblock 1b, der die vier Zylinder 21 und Kühlpassagen 1c hat, und einen Zylinderkopf 1a, der an dem Zylinderblock 1b befestigt ist.
  • In dem Zylinderblock 1b ist eine Kurbelwelle 23, die als eine Ausgabewelle des Verbrennungsmotors 1 dient, frei drehbar abgestützt. Die Kurbelwelle 23 ist über einen Verbindungsstab 19 mit einem Kolben 22 operativ verbunden, der gleitbar in jedem Zylinder 21 aufgenommen ist. Ein oberer Abschnitt des Zylinders 21 wirkt mit der oberen Endfläche des Kolbens 22 und der unteren Fläche des Zylinderkopfs 1a zusammen, um eine Brennkammer 24 zu definieren. Der Zylinderkopf 1a ist mit vier Zündkerzen 25 versehen, die an ihm befestigt sind, sodass jede Zündkerze 25 zu der Verbrennungskammer 24 in jedem Zylinder 21 frei liegt. Mit der Zündkerze 25 ist ein Zündelement 25a elektrisch verbunden für ein Aufbringen eines elektrischen Stroms auf die Zündkerze 25.
  • Der Zylinderkopf 1a hat zwei Einlassanschlüsse 26, die bei ihren offenen Enden zu der Verbrennungskammer 24 in jedem Zylinder 21 offen sind, und zwei Auslassanschlüsse 27, die bei ihren offenen Enden zu der Verbrennungskammer 24 hin offen sind. Der Zylinderkopf 1a ist mit Einlassventilen 28 für ein Öffnen und Schließen der jeweiligen offenen Enden der Einlassanschlüsse 26 und mit Auslassventilen 29 für ein Öffnen und Schließen der jeweiligen offenen Enden der Auslassanschlüsse 27 versehen, sodass die Einlass- und Auslassventile 28, 29 in ihrer Längsrichtung hin und her (bidirektional) bewegbar sind.
  • Der Zylinderkopf 1a hat des Weiteren einen elektromagnetischen Antriebsmechanismus 30 für das Hin- und Herbewegen (bidirektionale Bewegung) der jeweiligen Einlassventile 28. Jeder elektromagnetische Antriebsmechanismus 30 (nachstehend bezeichnet als „Einlassventilantriebsmechanismus 30") ist geeignet, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, wenn seine Magnetspule mit elektrischem Strom erregt wird, der auf sie angewendet wird, wie nachstehend im Detail beschrieben ist. Jeder elektromagnetische Antriebsmechanismus 30 ist elektrisch mit einem Antriebsschaltkreis 30a (nachstehend als „Einlassventilantriebsschaltkreis 30a" bezeichnet) verbunden für ein Aufbringen eines elektrischen Stroms auf die entsprechende Spule.
  • Der Zylinderkopf 1a hat des Weiteren einen elektromagnetischen Antriebsmechanismus 31 für das Hin- und Herbewegen (bidirektionale Bewegung) der jeweiligen Auslassventile 29. Jeder elektromagnetische Antriebsmechanismus 31 (nachstehend als „Auslassventilantriebsmechanismus 31" bezeichnet) ist geeignet, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, wenn seine Magnetspule mit elektrischem Strom erregt wird, der auf diese angewendet wird, wie nachstehend im Detail beschrieben ist. Jeder elektromagnetische Antriebsmechanismus 31 ist elektrisch mit einem Antriebsschaltkreis 30a (nachstehend als „Auslassventilantriebsschaltkreis 31a" bezeichnet) verbunden für ein Aufbringen von Strom auf die entsprechende Spule.
  • Der Einlassventilantriebsmechanismus 30 und der Auslassventilantriebsmechanismus 31 wirken zusammen, um ein variables Ventilsteuersystem vorzusehen für ein Steuern der Öffnungs- und Schließzeitabstimmungen und der Hübe der Einlass- und Auslassventile 28, 29.
  • Der Einlassventilantriebsmechanismus 30 und der Auslassventilantriebsmechanismus 31 werden detaillierter beschrieben. Da diese Einlass- und Auslassventilantriebsmechanismen 30 und 31 einen identischen Aufbau haben, werden nur der Auslassventilantriebsmechanismus 31 beispielhaft beschrieben.
  • Nun wird Bezug genommen auf die Querschnittsansicht von 3, die den Auslassventilantriebsmechanismus 30 für eines der Auslassventile 29 zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, hat der Zylinderkopf 1a einen unteren Kopf 10, der an der oberen Fläche des Zylinderblocks 1b befestigt ist, und einen oberen Kopf 11, der auf den unteren Kopf 10 aufgesetzt ist.
  • Der untere Kopf 10 ist mit zwei Auslassanschlüssen 27 für jeden Zylinder 21 ausgebildet und jeder Auslassanschluss 27 hat einen Ventilsitz 12 bei seinem offenen Ende, der in der Verbrennungskammer 24 frei liegt. Das Auslassventil 29 hat einen Ventilkopf 29a, der bewegbar ist, um auf den Ventilsitz 12 gesetzt zu werden oder von diesem entfernt zu werden.
  • Der untere Kopf 10 hat des weiteren ein Durchgangsloch, das durch ihn hindurch ausgebildet ist, das sich von der Innenwand von jedem Auslassanschluss 27 zu der oberen Fläche des unteren Kopfs 10 erstreckt. Das Durchgangsloch hat einen kreisförmigen Querschnitt, und eine Ventilführung 13 in der Form einer Buchse ist teilweise in dieses Durchgangsloch eingepasst. Das Auslassventil 29 hat einen Stamm 29b, der sich durch die Ventilführung 13 so hindurch erstreckt, dass das Auslassventil 29 in seiner Längsrichtung hin und her (bidirektional) bewegbar ist.
  • Der obere Kopf 11 hat ein Kernmontageloch 14, das konzentrisch mit der Ventilführung 13 ist und das einen kreisförmigen Querschnitt hat. Ein erster Kern 301 und ein zweiter Kern 302 sind im Eingriff mit dem Kernmontageloch 14 gehalten. Das Kernmontageloch 14 hat einen unteren, großen Durchmesserabschnitt 14b, der einen relativ großen Durchmesser hat und der an der Seite des unteren Kopfs 10 gelegen ist, und einen oberen kleinen Durchmesserabschnitt 14a, der einen Durchmesser hat, der kleiner ist als der des großen Durchmesserabschnitts 14b und der an der Seite gelegen ist, die von dem unteren Kopf 10 entfernt ist.
  • Der erste und zweite Kern 301, 302 sind ringförmige Elemente, die aus einem weichen, magnetischen Material ausgebildet sind, und sind fast ganz in den oberen kleinen Durchmesserabschnitt 14a des Kernmontagelochs 14 eingepasst, sodass die zwei Kerne 301, 302 axial voneinander beabstandet sind mit einem Zwischenraum 303, der zwischen ihnen vorgesehen ist. Der erste Kern 301 hat einen Flansch 301a bei seinem oberen Ende, während der zweite Kern 302 einen Flansch 302a bei seinem unteren Ende hat. Der erste Kern 301 ist in das kleine Durchmesserloch 14a in der Abwärtsrichtung für einen Anstoßkontakt seines Flansches 301a mit der oberen Fläche des oberen Kopfs 11 eingesetzt, in dem der kleine Durchmesserabschnitt 14a offen ist, während der zweite Kern 302. in das kleine Durchmesserloch 14a in der Aufwärtsrichtung eingesetzt ist für einen Anstoßkontakt seines Flansches 302a mit einer Schulterfläche, die zwischen dem kleinen Durchmesserabschnitt und dem großem Durchmesserabschnitt 14a, 14b ausgebildet ist. Somit sind die zwei Kerne 301, 302 relativ zu dem oberen Kopf 11 positioniert, und der Zwischenraum 303 ist bei einer vorbestimmten axialen Position innerhalb des kleinen Durchmesserabschnitts 14a gelegen.
  • Eine obere Abdeckung 305 in der Form einer Buchse ist an dem oberen Kopf 11 und dem ersten Kern 301 angeordnet. Die obere Abdeckung 305 hat einen Flansch 305a an ihrem unteren Ende, durch den Schrauben 304 eingesetzt sind für ein Befestigen der oberen Abdeckung 305 an der oberen Fläche des oberen Kopfs 11. Dadurch dass die obere Abdeckung 305 auf diese Weise an dem oberen Kopf 11 fixiert ist, wird die ringförmige untere Endfläche der oberen Abdeckung 305 in einem Anstoßkontakt mit dem radialen Außenabschnitt der oberen Endfläche des ersten Kerns 301 gehalten, sodass der erste Kern 301 an dem oberen Kopf 11 befestigt ist.
  • An der unteren Seite des zweiten Kerns 302 ist eine ringförmige untere Abdeckung 307 angeordnet, die im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie der Durchmesser des großen Durchmesserabschnitts 14b des Kernmontagelochs 14 hat. Schrauben 308 sind durch die untere Abdeckung 307 hindurch eingesetzt für ein Befestigen der unteren Abdeckung 307 an der zuvor beschriebenen Schulterfläche des Lochs 14, die in eine Abwärtsrichtung zeigt. Die untere Abdeckung 307, die auf diese Weise an der Schulterfläche befestigt ist, wird in einem Anstoßkontakt mit dem radialen Außenabschnitt der unteren Endfläche des zweiten Kerns 302 gehalten, sodass der zweite Kern an dem oberen Kopf 11 befestigt ist.
  • Der erste Kern 301 hat eine ringförmige Nut, die in seiner unteren Fläche ausgebildet ist, während der zweite Kern 302 eine ringförmige Nut hat, die in seiner oberen Fläche ausgebildet ist. Eine erste Magnetspule 308 bzw. eine zweite Magnetspule 309 sind fest in diesen ringförmigen Nuten aufgenommen. Die erste und die zweite Magnetspule 308, 309 liegen einander gegenüber in der Axialrichtung mit dem Zwischenraum 303, der zwischen ihnen liegt. Die zwei Magnetspulen 308, 309 sind elektrisch mit dem Auslassventilantriebsschaltkreis 31a verbunden, der vorstehend beschrieben ist.
  • Ein ringförmiger Anker 311, der einen kleineren Außendurchmesser hat als der Durchmesser des Raums 303 und der aus einem weichen magnetischen Material ausgebildet ist, ist innerhalb des Raums 303 angeordnet. Der ringförmige Anker 311 hat ein zentrales Loch, durch das sich eine Ankerwelle 310 erstreckt, sodass der Anker 311 an dieser Ankerwelle 310 befestigt ist. Die Ankerwelle 310 hat einen oberen Abschnitt, der sich durch ein zentrales Loch in dem ersten Kern 301 hindurch erstreckt, sodass das obere Ende innerhalb der unteren Abdeckung 305 gelegen ist, und einen unteren Abschnitt, der sich durch ein zentrales Loch in dem zweiten Kern 302 hindurch erstreckt, sodass das untere Ende innerhalb dem großen Durchmesserabschnitt 14b des Kernmontagelochs 14 gelegen ist.
  • Somit ist die Ankerwelle 310 durch den ersten und zweiten Kern 301, 302 so abgestützt, dass die Ankerwelle 310 in ihrer Längsrichtung hin und her (bidirektional) bewegbar ist.
  • Ein oberes Rückhalteelement 312 in der Form einer runden Scheibe ist an dem oberen Ende der Ankerwelle 310 befestigt, das innerhalb der oberen Abdeckung 305 gelegen ist. Das obere offene Ende der oberen Abdeckung 305 ist durch einen Einstellschraubverschluss 313 verschlossen, der in sie eingeschraubt ist. Eine obere Feder 314 ist zwischen dem oberen Rückhalteelement 312 und dem Einstellschraubverschluss 313 so vorgesehen, dass ein Federsitz 315 zwischen dem Einstellschraubverschluss 313 und der oberen Feder 314 liegt. Durch diese obere Feder 314 werden die Ankerwelle 310 und der Anker 311 in eine Richtung zu dem großen Durchmesserabschnitt 14b des Kernmontagelochs 14 hin vorgespannt, d.h. in der Abwärtsrichtung, wenn man 2 und 3 ansieht.
  • Andererseits wird die Ankerwelle 310 bei ihrem unteren Ende, das innerhalb des großen Durchmesserabschnitts 14b gelegen ist, in einem Anstoßkontakt mit dem oberen Ende des Stamms 29b des Auslassventils 29 gehalten. Ein unteres Rückhalteelement 29c in der Form einer runden Scheibe ist an der Außenumfangsfläche des oberen Endabschnitts des Stamms 29b befestigt und eine untere Feder 316 ist zwischen der unteren Fläche des unteren Rückhalteelements 29c und der oberen Fläche des unteren Kopfs 10 angeordnet. Durch diese untere Feder 316 wird das Auslassventil in einer Richtung vorgespannt, die bewirkt, dass der Ventilkopf 29a auf den Ventilsitz 12 gesetzt wird, d.h. in der Aufwärtsrichtung, wenn man 2 und 3 ansieht. Durch diese Anordnung wird der Stamm 29b des Auslassventils 29 bei seinem oberen Ende in einem Anstoßkontakt mit dem unteren Ende der Ankerwelle 310 gehalten, wobei die Ankerwelle 310 und der Anker 311 in einer Richtung von dem großen Durchmesserabschnitt 14b hin zu dem kleinen Durchmesserabschnitt 14a vorgespannt werden, d.h. in der Aufwärtsrichtung, wenn man 3 ansieht.
  • Während die erste und die zweite Magnetspule 308, 309 des Auslassventilantriebsmechanismus 31, der wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, nicht mit elektrischem Strom erregt werden, der von dem Auslassventilantriebsschaltkreis 31a zugeführt wird, werden die Ankerwelle 310 und das Auslassventil 29 in ihren vorbestimmten Ruhepositionen von 3 gehalten, wobei die Ankerwelle 310 in einem Anstoßkontakt mit dem Stamm 29b gehalten wird, wobei eine Vorspannkraft von der oberen Feder 314 auf die Ankerwelle in der Abwärtsrichtung wirkt, und wobei eine Vorspannkraft der unteren Feder 316 auf das Auslassventil 29 in der Aufwärtsrichtung wirkt.
  • Die Vorspannkräfte der oberen Feder 314 und der unteren Feder 316 sind so bestimmt, dass der Anker bei einer axialen Zwischenposition des zylindrischen Zwischenraums 303 gelegen ist, oder bei einer Position die zwischen dem ersten und dem zweiten Kern 301, 302 liegt, wenn die Ankerwelle 310 bei ihrer Ruheposition angeordnet ist. Wenn die Ruheposition des Ankers 311 von der zuvor beschriebenen Zwischenposition abweicht aufgrund von anfänglichen Dimensionsfehlen oder Fehlern in der Position der zugehörigen Komponenten oder zeitlichen Änderungen der Positionen der Komponenten, kann die Ruheposition des Ankers 311 wieder hergestellt werden durch ein Drehen des Einstellschraubverschlusses 313 in der geeigneten Richtung.
  • Die Länge der Ankerwelle 310 und die Länge des Stamms 29b des Auslassventils 29 sind so bestimmt, dass der Ventilkopf 29a des Auslassventils 29 bei einer Position zwischen der vollständig geöffneten Position und der vollständig geschlossenen Position gelegen ist, und zwar bei seiner halbgeöffneten Position gelegen ist, wenn der Anker 311 bei seiner Ruheposition angeordnet ist.
  • Wenn die erste Magnetspule 308 mit elektrischem Strom erregt wird, der von dem Auslassventilantriebsschaltkreis 31a zugeführt wird, wird eine elektromagnetische Kraft erzeugt zwischen der ersten Spule 301 und der ersten Magnetspule 308 und dem Anker 311, sodass die elektromagnetische Kraft auf den Anker 311 in einer Richtung wirkt, die bewirkt, dass der Anker zu dem ersten Kern 301 hin angezogen wird. Wenn die zweite Magnetspule 309 mit elektrischem Strom erregt wird, wird eine elektromagnetische Kraft zwischen der zweiten Spule 302 und der zweiten Magnetspule 309 und dem Anker 311 erzeugt, sodass die elektromagnetische Kraft auf den Anker 322 in einer Richtung wirkt, die bewirkt, dass der Anker 311 zu dem zweiten Kern 302 hin angezogen wird. Somit kann, durch das abwechselnde Erregen der ersten und der zweiten Magnetspule 308, 309 durch den Auslassventilschaltkreis 31a, der Stamm 29b des Auslassventils 29 mit dem Anker 11 bewegt werden nach oben und nach unten, um den Ventilkopf 29a zwischen der vollständig geschlossenen und vollständig offenen Position zu bewegen.
  • Die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung des Auslassventils 29 kann durch geeignetes Steuern der Erregungszeitabstimmungen und des Umfangs von Erregungsstrom der ersten und zweiten Magnetspule 308, 309 gesteuert werden.
  • Der Auslassventilantriebsmechanismus 31 ist mit einem Ventilhubsensor 317 versehen für ein Erfassen einer Verschiebung des Auslassventils 29. Der Ventilhubsensor 317 hat ein Zielelement 317a in der Form einer runden Scheibe, das an der oberen Fläche des oberen Rückhalteelements 312 befestigt ist, und ein Spaltsensorelement 317b, das an dem Einstellschraubverschluss 313 so befestigt ist, dass ein Fühler bei einem Ende des Spaltsensorelements 371b gegenüber dem Zielelement 317a ist.
  • In dem so aufgebauten Ventilhubsensor 317 wird das Zielelement 317a mit dem Anker 311 des Auslassventilantriebsmechanismus 31 bewegt, und das Spaltsensorelement 317b erzeugt ein Ausgabesignal, das einen Abstand zwischen dem Spaltsensorelement 317b und dem Zielelement 317a anzeigt.
  • Wie nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben ist, ist eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20 für ein Steuern des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen. Die elektronische Steuereinheit 20 hat einen Nur-Lesespeicher (ROM) 402, der Daten speichert, die den Wert des Ausgabesignals des Spaltsensorelements 317b anzeigen, wenn der Anker 311 in der Ruheposition angeordnet ist. Der Verschiebungsumfang des Ankers 311 und des Ventilkopfs 29a des Auslassventils 29 kann auf Basis einer Differenz zwischen dem Wert des Ausgabesignals des Spaltsensorelements 317b, wenn der Anker in der Ruheposition angeordnet ist, und dem Wert des Ausgabesignals, wenn die erste oder zweite Magnetspule 308, 309 erregt ist, berechnet werden.
  • Zurückverweisend auf 1 und 2 sind vier Zweigrohre des Einlasskrümmers 33 mit dem Zylinderkopf 1a des Verbrennungsmotors 1 verbunden und jedes der Zweigrohre des Einlasskrümmers 33 steht mit den zwei Einlassanschlüssen 26 von jedem Zylinder 21 in Verbindung. Vier Kraftstoffeinspritzventile 32 sind an dem Zylinderkopf 1a befestigt, sodass ein Kraftstoffauslass von jedem Kraftstoffeinspritzventil 32 in die Verbrennungskammer 24 des entsprechenden Zylinders 21 öffnet, sodass der Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 32 direkt in die Verbrennungskammer 24 eingespritzt wird.
  • Der Einlasskrümmer 33 ist mit einem Ausgleichsbehälter 34 verbunden, der vorgesehen ist, um ein Pulsieren der Einlassluft zu verringern. Der Ausgleichsbehälter 34 ist mit einem Einlassrohr 35 verbunden, das wiederum mit einem Luftreinigungselement 36 verbunden ist, das vorgesehen ist, um Dreck und Staub zu entfernen, der in der Einlassluft enthalten ist.
  • Das Einlassrohr 35 ist mit einem Luftmengenmesser 44 versehen, der ein Ausgabesignal erzeugt, das eine Strömungsrate von der Einlassluft durch das Einlassrohr 35 hindurch anzeigt. Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Drosselventil 39 für ein Steuern der Strömungsrate der Einlassluft durch das Einlassrohr 35 hindurch in einem Abschnitt des Einlassrohrs 35 angeordnet, der stromabwärts von dem Luftmengenmesser 44 gelegen ist.
  • Das Drosselventil 39 ist mit einem Drosselbetätigungselement 40, einem Drosselpositionssensor 41 und einem Beschleunigungselementpositionssensor 43 versehen. Das Drosselbetätigungselement 40 hat einen Schrittmotor, der geeignet ist, um das Drosselventil 39 so zu betätigen, dass die Öffnung des Drosselventils 39 sich mit der Größe des elektrischen Energie ändert, die auf den Schrittmotor aufgebracht wird. Der Drosselpositionssensor 41 erzeugt ein Ausgabesignal, das den Öffnungswinkel des Drosselventils 39 anzeigt. Der Beschleunigungselementpositionssensor 43 ist mechanisch mit einem Gaspedal 42 verbunden und erzeugt ein Ausgabesignal, das den Betätigungsumfang des Gaspedals 42 anzeigt.
  • Des Weiteren ist ein Auslasskrümmer 45 mit der stromabwärtigen Seite des Zylinderkopfs 1a des Verbrennungsmotors 1 verbunden. Der Auslasskrümmer 45 hat vier Auslasszweigrohre, von denen jedes mit den zwei Auslassanschlüssen 27 von jedem Zylinder 21 in Verbindung steht.
  • Der Auslasskrümmer 45 ist mit einem Emissionsreinigungskatalysator in der Form eines NOx-Katalysators 46a verbunden, der wiederum mit einem Auslassrohr 47 verbunden ist, das mit einem stromabwärtig gelegenen Schalldämpfer (nicht dargestellt) verbunden ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist einer der zwei Einlasseinschlüsse 26 ein gerader Anschluss, der sich gerade zu der Verbrennungskammer 24 hin erstreckt, und der andere Einlassanschluss 26 ist ein Wirbelanschluss in der Form eines schraubenförmigen Anschlusses, der ausgebildet ist, um einen Wirbel der Einlassluft zu verursachen, die in die Verbrennungskammer 24 gezogen wird.
  • In jedem Zweigrohr des Einlasskrümmers 33, das mit jedem geraden Einlassanschluss 26 verbunden ist, ist ein Wirbelsteuerventil 17 vorgesehen für ein Steuern der Strömungsrate der Einlassluft durch dieses Zweigrohr hindurch. Das Wirbelsteuerventil 17 ist mit einem SCV-Betätigungselement 17a und einem SCV-Positionssensor versehen. Das SCV-Betätigungselement 17a hat einen Schrittmotor für ein Steuern des Winkels oder des Umfangs der Öffnung des Wirbelsteuerventils 17 gemäß einer Größe von elektrischen Strom, der auf den Schrittmotor aufgebracht wird. Der SCV-Positionssensor 17b erzeugt ein Ausgabesignal, das den Öffnungsumfang des Wirbelsteuerventils anzeigt.
  • Ein Gehäuse 46b, das mit dem Auslasskrümmer 45 verbunden ist, beherbergt einen NOx-Okklusionsreduktionskatalysator 46a. Der NOx-Katalysator 46a hat sowohl eine dreiwegekatalytische Funktion als auch eine Okklusions- und Reduktionsfunktion. Die dreiwegekatalytische Funktion ist eine Funktion des Reduzierens oder Entfernens von Kohlenwasserstoff (HC), Stickstoff (CO) und Stickoxiden (NOx), die in den Abgasen enthalten sind, die von dem Verbrennungsmotor 1 abgegeben werden, wenn die abgegebenen Abgase das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein Luft-Kraftstoffverhältnis nahe dem stöchiometrischen Wert haben. Die Okklusions- und Reduktionsfunktion ist eine Funktion des Okkludierens von Stickoxiden (NOx), die in den Abgasen enthalten sind, die kraftstoffmager sind, und zwar, die ein Luft-Kraftstoffverhältnis haben, das höher ist als der stöchiometrische Wert, und des Freisetzens der Stickoxide (NOx), die in dem NOx-Katalysator 46a okkludiert oder absorbiert werden, wenn die abgegebenen Abgase stöchiometrisch oder kraftstoffreich sind, und zwar, wenn sie das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein Luft-Kraftstoffverhältnis haben, das geringer ist als der stöchiometrische Wert. Die Okklusions- und Reduktionsfunktion hat des Weiterer eine Funktion des unmittelbarem Reduzierens der abgegebenen Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N2) durch Reaktion der Stickoxide mit unverbranntem Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO), die in den stöchiometrischen oder kraftstoffreichen Abgasen enthalten sind.
  • Der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator 46a hat zum Beispiel (a) ein Substrat, das zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al2O3) ausgebildet ist, und (b1) hat wenigstens ein Element, das an dem Substrat getragen wird und das von alkalischen Metallen wie Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li) und Cäsium (Cs), von alkalischen Erdmetallen wie Barium (Ba) und Calcium (Ca) und von seltenen Erdmetallen wie Lanthan (La) und Yttrium (Y) ausgewählt ist, und (b2) hat wenigstens ein Edelmetall wie Platin (Pt), das auch an dem Substrat getragen wird. In dieser Ausführungsform verwendet der NOx-Katalysator 46a Barium (Ba) und Platin (Pt), die an einem Substrat aus Aluminiumoxidgetragen werden.
  • Wenn der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator 46a kraftstoffmageren Abgasen ausgesetzt ist, die eine relativ hohe Sauerstoffkonzentration haben, wird Sauerstoff (O2) an der Oberfläche des Platins (Pt) in der Form von O2_ oder O2– abgelagert. Stickoxide (NO), die in den Abgasen enthalten sind, reagieren mit Sauerstoff (O2– oder O2–) an der Platinoberfläche (Pt) um Stickstoffdioxid auszubilden (NO2). Und zwar gilt: 2NO + O2 → 2NO2_.
  • Schrittweise wird Stickstoffdioxid (NO2), das an dem Platin (Pt) oxidiert wird, mit Bariumoxid (BaO) gebunden, um Salpetersäureionen auszubilden (NO3–); die wiederum okkludiert oder absorbiert werden in dem NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator 46a.
  • Diese Okklusion von NOx in dem NOx-Katalysator 46a wird weitergeführt, während die abgegebenen Abgase kraftstoffmager gehalten werden, bis die NOx-Okklusions- oder Absorptionsfähigkeit des NOx-Katalysators 46a gesättigt ist.
  • Wenn die Sauerstoffkonzentration der Abgase, denen der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator 46a ausgesetzt ist, vermindert wird, wird die Produktionsmenge von Stickstoffdioxid (NO2) verringert, sodass Salpetersäureionen (NO3_), die an Bariumoxid (Ba) gebunden sind, von dem NOx-Katalysator 46a in der Form von Stickstoffdioxid (NO2) und Stickstoffmonoxid (NO) freigesetzt werden.
  • Wenn die Abgase stöchiometrisch oder kraftstoffreich sind, d.h., wenn die Abgase eine vergleichsweise große Menge von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) enthalten, werden diese Komponenten (HC, CO) durch Reaktion mit Sauerstoff (O2– oder O2–) an dem Platin (Pt) des NOx-Katalysators 46a oxidiert, und Stickstoffdioxid (NO2) und Stickstoffmonoxid (NO), die von dem NOx-Katalysator 46a freigesetzt worden sind, werden zu Stickstoff (N2) reduziert durch Reaktion mit Reduziermitteln, die in den Abgasen enthalten sind, d.h. durch Reaktion mit Aktivierungskomponenten, wie Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO), die teilweise durch Reaktion mit Sauerstoff (O2– oder O2–) an dem Platin (Pt) des NOx-Katalysators 46a oxidiert worden sind.
  • Das heißt, Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO), die in den Abgasen enthalten sind, denen der NOx-Katalysator 46 ausgesetzt ist, werden zuerst durch die sofortige Reaktion mit Sauerstoff (O2– oder O2–) an dem Platin (Pt) reduziert. Nachdem der Sauerstoff (O2– oder O2–) an dem Platin (Pt) verbraucht worden ist, reagieren die verbleibenden Mengen von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) mit Stickstoffoxiden (NOx), und zwar mit Stickstoffdioxid (NO2) und Stickstoffmonoxid (NO), sodass diese Stickstoffoxide (NOx) zu Stickstoff (N2) reduziert werden.
  • Auf diese Weise okkludiert oder absorbiert der NOx-Okklusions-Reduktionskatalysator 46 Stickoxide (NOx), die in den Abgasen enthalten sind, während die Abgase kraftstoffmager sind, und setzt frei und entfernt die okkludierten Stickoxide (NOx), während die Abgase stöchiometrisch oder kraftstoffreich sind.
  • Deshalb kann der NOx-Katalysator 46a, der in der Auslasspassage des Verbrennungsmotors 1 angeordnet ist, HC, CO und NOx reduzieren oder entfernen, die in Abgasen enthalten sind, die von dem Verbrennungsmotor abgegeben werden, als eine Folge des Betriebs des Verbrennungsmotors mit einem kraftstoffmageren Luft-Kraftstoffgemisch, durch geeignetes Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses der abgegebenen Abgase. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Menge von NOx, die in dem NOx-Katalysator 46a okkludiert worden ist, auf Basis der Betriebshysterese oder des vergangenen Betriebszustands des Verbrennungsmotors 1 geschätzt, und die Abgase, denen der NOx-Katalysator 46a ausgesetzt ist, werden zeitweilig gesteuert, sodass sie in einem kraftstoffreichen Zustand sind, wenn die geschätzte Menge von NOx, das in dem NOx-Katalysator 46a okkludiert wird, sich auf ein vorbestimmtes oberes Limit erhöht hat, sodass das okkludierte NOx von dem NOx-Katalysator 46 freigesetzt wird und zu N2 reduziert wird. Die Art und Weise des Steuerns der abgegebenen Abgase, dass diese kraftstoffreich sind, in der vorliegenden Ausführungsform wird im Detail beschrieben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird das Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgase so interpretiert, dass ein Verhältnis einer Gesamtmenge von Luft, die in die Verbrennungskammer 24 durch die Einlasspassage eingeleitet wird, und von Luft, die in einen Abschnitt der Auslasspassage stromaufwärts des NOx-Katalysators 46a eingeleitet wird zu einer Gesamtmenge von einem Kraftstoff (Kohlenwasserstoff) gemeint ist, der in die Verbrennungskammer 24 eingespritzt wird und von einem Kraftstoff, der in den zuvor beschriebenen stromaufwärtigen Abschnitt der Auslasspassage eingeleitet wird. Wo kein Kraftstoff, Reduziermittel oder Luft in den stromaufwärtigen Abschnitt der Auslasspassage stromaufwärts des NOx-Katalysators 46a eingeleitet wird, ist das Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgase das selbe wie das Luft-Kraftstoffverhältnis eines Luft-Kraftstoffgemischs, das in die Verbrennungskammer 24 eingeleitet wird.
  • In der vorliegenden Erfindung ist das Auslassrohr 47 mit einem Abgastemperatursensor 50 für ein Erfassen der Temperatur der Abgase versehen. Diese Temperatur wird benutzt als die Temperatur bei dem Substrat des NOx-Katalysators 46a.
  • Der Auslasskrümmer 45 ist mit einem Luft-Kraftstoffverhältnissensor 48 versehen, der an diesem befestigt ist. Dieser Sensor 48 erzeugt ein Ausgabesignal, das das Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgase anzeigt, die durch den Auslasskrümmer 45 strömen, d.h.; das Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgase, denen der Okklusions-Reduktionskatalysator 46a ausgesetzt ist.
  • Der Verbrennungsmotor 1 ist des Weiteren mit einem Kurbelwellenpositionssensor 51 und einem Kühlmitteltemperatursensor 52 versehen. Der Kurbelwellenpositionssensor 51 hat einen Taktrotor 51a, der an dem Ende der Kurbelwelle 23 befestigt ist, und einen elektromagnetischen Aufnehmer 51b, der an einem Abschnitt des Zylinderblocks 1b befestigt ist, der nahe dem Taktrotor 51a gelegen ist. Der Kühlmitteltemperatursensor 52 ist an dem Zylinderblock 1b befestigt für ein Erfassen der Temperatur von einem Kühlmittel, das durch die Kühlmittelpassagen 1c hindurchfließt, die durch den Verbrennungsmotor 1 hindurch ausgebildet sind.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, wird der Betrieb des Verbrennungsmotors 1 durch die elektronische Steuereinheit 20 (nachstehend als „ECU 20" abgekürzt) gesteuert. Mit der ECU 20 sind durch elektrische Drähte verschiedene Sensoren verbunden, wie der zuvor beschriebene Drosselpositionssensor 41, Beschleunigungselementpositionssensor 43, Luftmengenmesser 44, Luft-Kraftstoffverhältnissensor 48, Abgastemperatursensor 50, Kurbelwellenpositionssensor 51, Kühlmitteltemperatursensor 52 und Ventilhubsensoren 317. Und zwar empfängt die ECU 20 die Ausgabesignale von diesen Sensoren.
  • Mit der ECU 20 sind durch elektrische Drähte auch der zuvor beschriebene Zünder 25a, Einlassventilantriebsschaltkreise 30a, Auslassventilantriebsschaltkreise 31a, Kraftstoffeinspritzventile 32 und Drosselbetätigungselement 40 verbunden, sodass die ECU 20 diese Komponenten 25a, 30a, 31a, 32, 40 gemäß den Ausgabesignalen der zuvor beschriebenen Sensoren steuern kann.
  • Die ECU 20 hat einen bidirektionalen Bus 400 und eine Zentralprozessoreinheit (CPU) 401, den zuvor beschriebenen Nur-Lesespeicher (ROM) 402, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 403, einen Sicherungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (Sicherungs-RAM) 404, einen Eingabeanschluss 405 und einen Ausgabeanschluss 406, die miteinander verbunden sind durch den bidirektionalen Bus 400. Die ECU 20 hat des Weiteren einen Analog/Digital-Umwandler (A/D-Umwandler) 407, der mit dem Eingabeanschluss 405 verbunden ist.
  • Der A/D-Umwandler 407 empfängt analoge Ausgabesignale von den Sensoren wie den SCV-Positionssensoren 17b, dem Drosselpositionssensor 41, Beschleunigungselementpositionssensor 43, Luftmengenmesser 44, Luft-Kraftstoffverhältnissensor 48, Abgastemperatursensor 50, Kühlmitteltemperatursensor 52 und den Ventilhubsensoren 317. Diese analogen Ausgabesignale werden durch den A/D-Umwandler 407 in jeweilige digitale Signale umgewandelt, die auf den Eingabeanschluss 405 angewendet werden. Der Eingabeanschluss 405 empfängt direkt ein digitales Ausgabesignal von dem Kurbelwellenpositionssensor 51.
  • Mit dem Ausgabeanschluss 406 der ECU 20 sind das SCV-Betätigungselement 16a, Zünder 25a, Einlassventilantriebsschaltkreise 30a, Auslassventilantriebsschaltkreise 31a, Kraftstoffeinspritzventile 32 und das Drosselbetätigungselement 40 elektrisch verbunden.
  • Der ROM 402 der ECU 20 speichert verschiedene Anwendungsprogramme, wie Programme für ein Ausführen einer Kraftstoffeinspritzmengensteuerungsroutine für ein Bestimmen der Menge von Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder 21, einer Kraftstoffeinspritzzeitabstimmungssteuerroutine für ein Bestimmen der Zeitabstimmung von Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder 21, einer Zündungszeitabstimmungssteuerroutine für ein Bestimmen der Zündungszeitabstimmung der Zünder 25a (Zündkerzen 25), einer Drosselventilöffnungssteuerroutine für ein Bestimmen der Öffnung des Drosselventils 39, und einer SCV-Öffnungssteuerungsroutine für ein Bestimmen des Umfangs der Öffnung des Wirbelsteuerventils 17 von jedem Zylinder 21. Der ROM 402 speichert des Weiteren Programme für ein Ausführen einer Einlassventilzeitabstimmungssteuerroutine für ein Bestimmen der Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Einlassventile 28, einer Auslassventilzeitabstimmungssteuerroutine für ein Bestimmen der Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Auslassventile 29, einer Einlassventilantriebsstromsteuerroutine für ein Bestimmen der Größe des elektrischen Stroms, der von den Einlassventilantriebsschaltkreisen 30a auf die Magnetspulen des elektromagnetischen Einlassventilantriebmechanismus 30 aufgebracht werden soll, und einer Auslassventilantriebsstromsteuerroutine für ein Bestimmen der Größe des elektrischen Stroms, der von den Auslassventilantriebsschaltkreisen 31a auf die Magnetspulen des elektromagnetischen Auslassventilantriebsmechanismus 31 angewendet werden soll.
  • Der ROM 402 der ECU 20 speichert des Weiteren verschiedene Datenkennfelder, zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Anwendungsprogrammen. Die gespeicherten Datenkennfelder haben: verschiedene Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfelder, die vorbestimmte Beziehungen zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Menge der Kraftstoffeinspritzung repräsentieren; ein Kraftstoffeinspritzzeitabstimmungssteuerdatenkennfeld, das eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Zeitabstimmung der Kraftstoffeinspritzung repräsentiert; ein Zündzeitabstimmungssteuerdatenkennfeld, das eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Zündzeitabstimmung von jeder Zündkerze 25 repräsentiert; ein Drosselventilöffnungssteuerdatenkennfeld, das eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Öffnung des Drosselventils 39 repräsentiert; ein SCV-Öffnungssteuerdatenkennfeld, das eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und dem Umfang der Öffnung des Wirbelsteuerventils 17 repräsentiert; ein Einlassventilzeitabstimmungsteuerdatenkennfeld, das eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Einlassventile 28 repräsentiert; ein Auslassventilzeitabstimmungssteuerdatenkennfeld, das eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Auslassventile 29 repräsentiert; und ein Ventilantriebsstromsteuerdatenkennfeld, das vorbestimmte Beziehungen zwischen dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 und der Größe des elektrischen Stroms repräsentiert, der auf den elektromagnetischen Einlass- und Auslassventilantriebsmechanismus 30, 31 angewendet werden soll.
  • Der RAM 403 ist vorgesehen, um die Ausgabesignale der verschiedenen Sensoren und Ergebnisse von arithmetischen Operationen, die durch die CPU 401 durchgeführt werden, wie die Betriebsgeschwindigkeit bzw. Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors 1, die auf Basis des Ausgabesignals des Kurbelwellenpositionssensors 51 berechnet wird, vorübergehend zu speichern. Die Signale und Daten, die in der RAM 403 gespeichert werden, werden jedes Mal dann aktualisiert, wenn die ECU 20 das Ausgabesignal des Kurbelwellenpositionssensors 51 empfängt.
  • Der Sicherungs-RAM 404 ist ein Permanentspeicher, der Daten behält, sogar nach dem der Betrieb des Motors 1 angehalten ist. Der Sicherungs-RAM 404 speichert verschiedene Daten, die durch einen Lernvorgang aktualisiert werden.
  • Die CPU 401 arbeitet gemäß den Anwendungsprogrammen, die in dem ROM 402 gespeichert sind, um verschiedene Steuerroutinen wie die Kraftstoffeinspritzsteuerroutine, Zündzeitabstimmungssteuerroutine, Drosselventilöffnungssteuerroutine, Wirbelsteuerroutine, Einlassventilzeitabstimmungssteuerroutine und Auslassventilzeitabstimmungssteuerroutine auszuführen.
  • Die CPU 401 bestimmt oder erfasst den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 auf Basis der Ausgabesignale des Kurbelwellenpositionssensors 51 und des Beschleunigungselementpositionssensors 43 oder des Luftmengenmessers 44 und steuert den Verbrennungsmotor 1 gemäß dem vorbestimmten Betriebszustand.
  • Der Graph von 5 zeigt eine Beziehung zwischen dem Betriebszustand (wie durch die Last und die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl repräsentiert ist) des Verbrennungsmotors 1 und dem Verbrennungszustand in den Verbrennungskammern 24. Die Verbrennung in den Verbrennungskammern 24 des Verbrennungsmotors 1 wird nachstehend durch Bezug auf 5 erklärt.
  • Wenn die CPU 401 bestimmt, dass der Verbrennungsmotor 1 in einem Niedriglastbetriebszustand ist, der durch Region A in 5 angezeigt wird, wird der Verbrennungsmotor 1 gesteuert, um eine Schichtladungsverbrennung in jeder Verbrennungskammer 24 zu bewirken. Dazu überträgt die CPU 401 ein Steuersignal zu dem SCV-Betätigungselement 17a, um den Winkel oder den Betrag bzw. Umfang des Wirbelsteuerventils 17 zu verringern, und überträgt ein Steuersignal zu dem Drosselbetätigungselement 40, um das Drosselventil 39 im Wesentlichen vollständig zu schließen. Die CPU 401 steuert des Weiteren das Kraftstoffeinspritzventil 32 in dem Kompressionshub von jedem Zylinder 21, um den Kraftstoff während des Kompressionshubs einzuspritzen.
  • In diesem Fall wird Luft eingeleitet in die Verbrennungskammer 24 von jedem Zylinder 24 hauptsächlich durch den spiralförmigen Einlassanschluss 26 hindurch während des Einlasshubs, sodass ein starker Luftwirbel in der Verbrennungskammer 24 produziert wird. In dem folgenden Kompressionshub wird der Kraftstoff, der von dem Kraftstoffeinspritzventil 32 in die Verbrennungskammer 24 eingespritzt wird, mit dem Luftwirbel zu der Zündkerze 25 hin bewegt und erreicht eine Position nahe der Zündkerze 25 bei einem festgelegten Zeitpunkt. Auf diese Weise wird ein brennbares Luft-Kraftstoffgemisch in der Nähe der Zündkerze 25 ausgebildet, und das ausgebildete Luft-Kraftstoffgemisch wird durch die Luft so umgeben, dass das brennbare Luft-Kraftstoffgemisch und die benachbarten Luftschichten zusammenwirken, um eine Schichtladung auszubilden, die als ein ganzes eine außerordentlich kraftstoffmagere Luftkraftstoffatmosphäre ist. Die CPU 401 steuert den Zünder 25a, um die Zündkerze 25 mit Energie zu versorgen für ein Zünden des Luft-Kraftstoffgemischs. Als eine Folge wird die Atmosphäre nahe der Zündkerze 25 (einschließlich des brennbaren Luft-Kraftstoffgemischs und der benachbarten Luftschichten) mit der Zündung des brennbaren Luft-Kraftstoffgemischs nahe der Zündkerze 25 verbrannt.
  • Die Menge des Kraftstoffs, der in die Verbrennungskammer 24 für die Schichtladungsverbrennung eingespitzt werden soll, die vorstehend beschrieben ist, wird auf Basis des Betätigungsumfangs des Gaspedals 42 und der Motorgeschwindigkeit bzw. Drehzahl bestimmt, Um die Menge der Kraftstoffeinspritzung (die Kraftstoffeinspritzzeit) zu bestimmen, benutzt die CPU 401 das erste Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfeld, das die vorbestimmte Beziehung zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und dem Verbrennungsmotorbetriebszustand repräsentiert, der durch den Betätigungsumfang des Gaspedals 42 (repräsentiert durch das Ausgabesignal des Beschleunigungspositionssensors 43) und die Motorgeschwindigkeit repräsentiert wird.
  • Das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemischs für die Schichtladungsverbrennung wird innerhalb einem Bereich von 25 bis 50 gewählt, und das erste Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfeld für die Schichtladungsverbrennung wird bestimmt, um diesem Bereich des Luft-Kraftstoffverhältnisses zu entsprechen.
  • Wenn die CPU 401 bestimmt, dass der Verbrennungsmotor 1 in einem mittleren Lastbetriebszustand ist, der durch Region C in 5 angezeigt ist, wird der Verbrennungsmotor 1 gesteuert, um eine gleichförmige, ladungsmagerverbrennende Verbrennung in jeder Verbrennungskammer 24 zu bewirken. Dazu steuert die CPU 401 das SCV-Betätigungselement 17a, um den Öffnungswinkel des Wirbelsteuerventils 17 zu verringern, und steuert das Kraftstoffeinspritzventil 32 in dem Einlasshub von jedem Zylinder 21, um den Kraftstoff während des Einlasshubs einzuspritzen. In diesem Fall wird ein kraftstoffmageres Luft-Kraftstoffgemisch, das aus Frischluft und einem Kraftstoff besteht, die gleichförmig zusammengemixt sind, über einen im Wesentlichen gesamten Raum in der Verbrennungskammer 24 von jedem Zylinder ausgebildet, und das kraftstoffmagere Luft-Kraftstoffgemisch wird gleichförmig in der Verbrennungskammer 24 verbrannt.
  • Die Kraftstoffeinspritzmenge und die Einlassluftmenge für die gleichförmige ladungsmagerverbrennende Verbrennung, die vorstehend beschrieben ist, werden auf Basis des Betätigungsumfangs des Gaspedals 42 und der Verbrennungsmotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl bestimmt. Um die Kraftstoffeinspritzmenge oder Kraftstoffeinspritzzeit zu bestimmen, verwendet die CPU 401 das zweite Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfeld, das die vorbestimmte Beziehung zwischen dem Ausgabesignalwert des Beschleunigungselementpositionssensors 43 (der Betätigungsumfang des Gaspedals 42), der Verbrennungsmotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge repräsentiert. Um die Einlassluftmenge zu bestimmen (die Öffnung des Drosselventils 39), benutzt die CPU 401 das Drosselventilöffnungssteuerdatenkennfeld, das die vorbestimmte Beziehung zwischen dem Ausgabesignalwert des Beschleunigungselementpositionssensors 43 (Betätigungsumfang des Gaspedals 42), der Verbrennungsmotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl und der Einlassluftmenge (die Öffnung des Drosselventils 38) repräsentiert.
  • Das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemischs für die gleichförmige ladungsmagerverbrennende Verbrennung wird innerhalb einem Bereich von 15 bis 23 gewählt, und das zweite Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfeld und das Drosselventilöffnungssteuerdatenkennfeld für die gleichförmige ladungsmagerverbrennende Verbrennung sind bestimmt, um diesen Bereich des Luft-Kraftstoffverhältnisses zu entsprechen.
  • Wenn die CPU 401 bestimmt, dass der Verbrennungsmotor 1 in einem Hochlastbetriebszustand ist, der durch Region D in 5 angezeigt ist, wird der Verbrennungsmotor 1 gesteuert, um eine stöchiometrische gleichförmige Ladungsverbrennung in jeder Verbrennungskammer 24 zu bewirken, mit einem Luft-Kraftstoffgemisch, das das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein Luft-Kraftstoffverhältnis hat, das nahe dem stöchiometrischen Wert ist. Dazu steuert die CPU 401 das SCV-Betätigungselement 17a, um das Wirbelsteuerventil 17 vollständig zu öffnen, und steuert das Drosselbetätigungselement 40 so, dass die Öffnung des Drosselventils 39 dem Betätigungsumfang des Gaspedals 42 (wie durch das Ausgabesignal des Beschleunigungselementpositionssensors 43 repräsentiert wird) entspricht. Des Weiteren steuert die CPU 401 das Kraftstoffeinspritzventil 32 in dem Einlasshub von jedem Zylinder 21, um den Kraftstoff während des Einlasshubs einzuspritzen. In diesem Fall wird ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffgemisch, das aus Frischluft und einem Kraftstoff besteht, die gleichförmig miteinander vermischt sind, und dessen Luft-Kraftstoffverhältnis gleich oder nahe dem stöchiometrischen Wert ist, über einen im Wesentlichen gesamten Bereich in der Verbrennungskammer 24 von jedem Zylinder ausgebildet, und das stöchiometrische Luft-Kraftstoffgemisch wird gleichförmig in der Verbrennungskammer 24 verbrannt.
  • Die Kraftstoffeinspritzmenge für die stöchiometrische gleichförmige Ladungsverbrennung, die vorstehend beschrieben ist, wird auf Basis des Betätigungsumfangs des Gaspedals 42 und der Verbrennungsmotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl bestimmt. Um die Kraftstoffeinspritzmenge oder Kraftstoffeinspritzzeit zu bestimmen, benutzt die CPU 401 das dritte Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfeld, das die vorbestimmte Beziehung zwischen dem Ausgabesignal des Beschleunigungselementpositionssensors 43 (der Betätigungsumfang des Gaspedals 42), der Verbrennungsmotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge repräsentiert.
  • Das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches für die stöchiometrische gleichförmige Ladungsverbrennung wird innerhalb einem Bereich von 12 bis 14,6 gewählt, und das dritte Kraftstoffeinspritzmengensteuerdatenkennfeld für die stöchiometrische Verbrennung wird bestimmt, um diesem Bereich des Luft-Kraftstoffverhältnisses zu entsprechen.
  • Wenn die CPU 401 bestimmt, dass der Verbrennungsmotor in einem Niedrig-/Mittellastzustand ist, wie durch Region B in 5 angezeigt ist, der zwischen dem Niedriglastbereich A und dem Mittellastbereich C liegt, wird der Verbrennungsmotor 1 gesteuert, um eine Halbschichtladungsverbrennung in jeder Verbrennungskammer 24 zu bewirken. Dazu steuert die CPU 401 das SCV-Betätigungselement 17a, um einen geeigneten Öffnungsbetrag bzw. -umfang des Wirbelsteuerventils 17 herzustellen, und steuert das Kraftstoffeinspritzventil 32 in den Kompressions- und Einlasshüben von jedem Zylinder 21, um den Kraftstoff in den Kompressions- und Einlasshüben einzuspritzen. In diesem Fall wird ein brennbares Luft-Kraftstoffgemisch nahe der Zündkerze 25 ausgebildet, und ein kraftstoffmageres Luft-Kraftstoffgemisch ist ausgebildet, um das brennbare Luft-Kraftstoffgemisch zu umgeben, sodass eine Halbschichtladung in der Verbrennungskammer 24 von jedem Zylinder ausgebildet wird. Die Halbschichtladungsverbrennung erlaubt einen weichen Übergang von der Schichtladungsverbrennung zu der magerverbrennenden gleichförmigen Ladungsverbrennungen oder umgekehrt, ohne einer Änderung des Ausgabedrehmoments des Verbrennungsmotors 1. Das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches für die Halbschichtladungsverbrennung wird innerhalb einem Bereich von 20 bis 30 gewählt.
  • Wenn der Verbrennungsmotor mit einem kraftstoffmageren Luft-Kraftstoffgemisch für die Schichtladungsverbrennung, Halbschichtladungsverbrennung oder magerverbrennende gleichförmige Ladungsverbrennung betrieben wird, sind die Abgase, die von dem Motor 1 abgegeben werden, in einem kraftstoffmageren Zustand, und Stickoxide (NOx), die in den abgegebenen Abgasen enthalten sind, werden okkludiert oder absorbiert in dem NOx-Katalysator 46A. Während eines langen Betriebs des Verbrennungsmotors 1 mit dem kraftstoffmageren Luft-Kraftstoffgemisch, wird die NOx-okkludierende Aufnahmefähigkeit des NOx-Katalysators 46a gesättigt, und die Stickoxide, die in den Abgasen enthalten sind, können in die Atmosphäre freigesetzt werden, ohne dass sie durch den NOx-Katalysator 46a reduziert oder entfernt werden.
  • Im Hinblick auf das vorstehend Beschriebene, schätzt die CPU 401 die Menge von NOx, die in dem NOx-Katalysator 46a absorbiert worden ist, auf Basis des vorangegangenen Betriebszustands des Verbrennungsmotors 1. Wenn die Menge des NOx, die in dem NOx-Katalysator 46a gespeichert wird, sich auf ein vorbestimmtes oberes Limit erhöht hat, steuert die CPU 401 den Verbrennungsmotor 1, um zu bewirken, dass die Abgase, denen der NOx-Katalysator 46a ausgesetzt ist, kraftstoffreich werden, und zwar um die sogenannte „fette Spitzensteuerung" zu bewirken, zum Zweck des Freisetzens des absorbierten NOx von dem NOx- Katalysator 46a und des Reduzierens des NOx zu Stickstoff (N2).
  • In der vorliegenden Ausführungsform werden die Auslassventile 28 von jedem Zylinder 21 geöffnet vor dem Zeitpunkt des Beginns des normalen Auslasshubs, um von der Verbrennungskammer einen Teil von Kraftstoffgas auszulassen, das unverbrannte Brennstoffe enthält, sodass der NOx-Katalysator 46a den kraftstoffreichen Abgasen ausgesetzt ist, die Kohlenwasserstoff (HC) enthalten.
  • Mit Bezugnahme auf 6 wird ein Steuervorgang beschrieben, der bewirkt, dass die abgegebenen Abgase kraftstoffreich sind, in dem der Verbrennungsmotor 1 in dem Schichtladungsverbrennungsmodus durch zweimaliges Öffnen der Auslassventile 29 betrieben wird.
  • Das Zeitablaufdiagramm von 6 zeigt die Zeitabstimmung, mit der die Einlass- und Auslassventile 28, 23 geöffnet und geschlossen werden während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 in dem Schichtladungsverbrennungsmodus. Genauer gesagt wird die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Einlassventile 28 bei (a) in 6 angezeigt, und die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Auslassventile 29 in dem normalen magerverbrennenden Betrieb des Verbrennungsmotors 1 (wobei das NOx in dem NOx-Katalysator 46a okkludiert wird) wird bei (b) angezeigt, während die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Auslassventile 29 in der „fetten Spitzensteuerung" (wobei das NOx von dem NOx-Katalysator 46a freigesetzt wird) bei (c) angezeigt wird.
  • In dem Schichtladungsverbrennungsmodus steuert die CPU 401 den elektromagnetischen Einlassventilantriebsmechanismus 30 so, dass jedes Einlassventil 28 bei einem Zeitpunkt geöffnet wird, unmittelbar vor dem Zeitpunkt der Beendigung des Auslasshubs des Kolbens 22, und dass es offengehalten wird bis zu einem Punkt unmittelbar nach dem Zeitpunkt der Beendigung des Einlasshubs (unmittelbar nach dem Zeitpunkt des Beginns des Kompressionshubs), wie bei (a) in 6 angezeigt ist, für ein Einleiten von Luft in jeden Zylinder 21. Des Weiteren steuert die CPU 401 jedes Kraftstoffeinspritzventil 32 für ein Einspritzen des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer 24, sodass das Kraftstoffeinspritzventil 32 geöffnet wird bei einem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Zeitpunkt der Beendigung des Kompressionshubs des Kolbens 22, wie auch bei (a) angezeigt ist. Die CPU 401 steuert des Weiteren den Zünder 25a für ein mit Energieversorgen der Zündkerze 25 bei einem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Zeitpunkt des Einspritzens von dem Kraftstoff. Des Weiteren steuert die CPU 401 den elektromagnetischen Auslassventilantriebsmechanismus 31 so, dass die Auslassventile 29 geöffnet werden bei einem Zeitpunkt, unmittelbar vor dem Zeitpunkt der Beendigung des Ausdehnungshubs, und dass sie offengehalten werden bis zu einem Punkt, unmittelbar nach dem Zeitpunkt der Beendigung des Auslasshubs (unmittelbar nach dem Zeitpunkt des Beginns des Einlasshubs), wie bei (b) in 6 angezeigt ist, sodass die Abgase, die als eine Folge der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches produziert werden, von der Verbrennungskammer 24 ausgelassen werden. In dem normalen Schichtladungsverbrennungsmodus werden die Auslassventile 29 von jedem Zylinder 29 nur einmal in jedem Betriebszyklus des Verbrennungsmotors 1 geöffnet und geschlossen.
  • Wenn die CPU 401 bestimmt, dass die „fette Spitzensteuerung" notwendig ist, weil die Menge von NOx, die in dem NOx-Katalysator 46a okkludiert worden ist während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 in dem Schichtladungsverbrennungsmodus, sich auf das vorbestimmte obere Limit erhöht hat, steuert die CPU den Auslassventilantriebsmechanismus 31 so, dass die Auslassventile 29 für eine sehr kurze Zeit offen sind, gerade nach dem Zeitpunkt der Einspritzung von dem Kraftstoff in die Verbrennungskammer 24 und unmittelbar vor dem Zeitpunkt der Beendigung des Kompressionshubs, und auch so, dass sie offen gehalten werden für die relativ lange Zeitspanne, wie vorstehend beschrieben, und wie bei (c) in 6 angezeigt ist.
  • Durch Öffnen der Auslassventile 29 gerade nach dem Zeitpunkt bei dem der Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 32 in die Verbrennungskammer 24 eingespritzt wird, wird ein Teil des Kraftstoffs, der in die Verbrennungskammer 24 eingespritzt wird, ausgelassen, vor der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches, von der Verbrennungskammer 24 in die Auslassanschlüsse 27 durch die Auslassventile 29 hindurch. Als eine Folge wird der NOx-Katalysator 46a kraftstoffreichen, unverbrannten Gasen ausgesetzt, die eine große Menge von Kohlenwasserstoff HC enthalten. Somit wird die „fette Spitzensteuerung" ausgeführt. Schließlich wird das NOx, das in dem NOx-Katalysator 46a okkludiert ist, freigesetzt und zu N2 reduziert.
  • Somit kann die „fette Spitzensteuerung" leicht ausgeführt werden, wenn es nötig ist, durch Öffnen der Auslassventile 29 bei zwei unterschiedlichen Zeitpunkten. Diese Anordnung ist effektiv, um die Verschlechterung der Kraftstoffsparsamkeit des Verbrennungsmotors 1 zu verringern und die Effizienz der Reduktion und des Entfernens des NOx zu verbessern, im Vergleich zu der herkömmlichen, schrittweisen Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Luft-Kraftstoffgemisches.
  • Zum Zweck des Aussetzens des NOx-Katalysators 46a unverbrannter Gase, werden die Auslassventile 29 vorzugsweise geöffnet vor der Zündung des Luft-Kraftstoffgemisches durch die Zündkerze 25.
  • Während die vorliegende Erfindung angeordnet ist, um die Auslassventile gerade nach dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung für ein Ausführen der „fetten Spitzensteuerung" zu öffnen, ist es möglich, die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung der Auslassventile 29 so zu steuern, dass der Öffnungsvorgang der Auslassventile 29 begonnen wird, gerade vor oder während der Kraftstoffeinspritzung, und so, dass die Auslassventile anschließend geschlossen werden während oder gerade nach der Kraftstoffeinspritzung, vorausgesetzt, dass ein Teil des Kraftstoffs, der in die Verbrennungskammer 24 eingespritzt wird, von der Verbrennungskammer 24 ausgelassen wird, bevor der Kraftstoff vollständig verbrannt wird, wünschenswerterweise bevor die Zündkerze 25 mit Energie versorgt wird, um das Luft-Kraftstoffgemisch zu zünden.
  • Die Zeitspanne während der die Auslassventile 29 offengehalten werden für die fette Spitzensteuerung kann verlängert werden mit einer Erhöhung der Verbrennungsmotorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl oder der -last.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung angeordnet ist, um alle die Auslassventile zweimal zu öffnen für ein Ausführen der fetten Spitzensteuerung, können die Auslassventile 29 von wenigstens einem ausgewählten Zylinder 21 zweimal geöffnet werden, während die verbleibenden Auslassventile 29 vom zweimaligen Öffnen abgehalten werden. Des Weiteren kann nur einer der zwei Auslassanschlüsse 27 von jedem von dem zumindest einem ausgewählten Zylinder 21 zweimal geöffnet werden durch die Öffnung des entsprechenden Auslassventils 29.
  • Während die „fette Spitzensteuerung", die vorstehend beschrieben ist, ausgeführt wird während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 1 in dem Schichtladungsverbrennungsmodus, kann wenigstens ein Auslassventil 29 in gleicher Weise zweimal geöffnet werden für die „fette Spitzensteuerung", während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 1 in dem Halbschichtladungsverbrennungsmodus oder dem gleichförmigen magerverbrennenden Verbrennungsmodus.

Claims (10)

  1. Gerät mit: einem Verbrennungsmotor (1) eines Magerverbrennungstyps, der ein sauerstoffreiches Luft-Kraftstoffgemisch verbrennen kann, wobei der Verbrennungsmotor ein Einlassventil (28) und ein Auslassventil (29) für jeden von einer Vielzahl von Zylindern (21) des Verbrennungsmotors (1), einen NOx Katalysator (46a), der in einer Auslasspassage (47) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist, und ein variables Ventilsteuersystem (31, 31a) hat, das die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung des Auslassventils (29) von jedem der Zylinder (21) ändern kann; und ein Steuerelement (20), das aufgebaut ist, um das variable Ventilsteuersystem (31, 31a) zu steuern, um das Auslassventil (29) von jedem von den Zylindern (21) während einem Auslasshub des entsprechenden Zylinders (21) in einer Öffnungsposition anzuordnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (20) aufgebaut ist, um das variable Ventilsteuersystem (31, 31a) zu steuern, um das Auslassventil (29) von wenigstens einem von den Zylindern (21) zweimal in einer Öffnungsposition anzuordnen, wenn gewünscht ist, dass ein Abgas, das von dem wenigstens einen von den Zylindern (21) abgegeben wird, eine Reduzierkomponente für Reduzieren von NOx enthält, wobei das Auslassventil (29) ein erstes Mal während eines Kompressionshubs des zugehörigen Zylinders (21) geöffnet wird, so dass das Auslassventil (29) für eine kurze Zeit offen ist nach einem Zeitpunkt des Einspritzens von einem Kraftstoff in den zugehörigen Zylinder (21) und bevor der eingespritzte Kraftstoff durch einen Zünder (25a) gezündet oder verbrannt wird, und wobei das Auslassventil (29) geschlossen wird, nachdem es das erste Mal geöffnet worden ist, und es ein zweites Mal geöffnet wird, um offen gehalten zu werden, während dem Auslasshub des zugehörigen Zylinders (21).
  2. Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (29) das erste Mal nach dem Zeitpunkt des Einspritzens von dem Kraftstoff in den zugehörigen Zylinder (21) geöffnet ist.
  3. Gerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (21) das erste Mal vor einem Zeitpunkt des Zündens eines Luft-Kraftstoffgemischs durch eine Zündkerze (25) in dem zugehörigen Zylinder (21) geöffnet ist.
  4. Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (29) das erste Mal vor einem Zeitpunkt des Einspritzens des Kraftstoffs in den zugehörigen Zylinder (21) geöffnet ist.
  5. Gerät gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (29) während des Einspritzens des Kraftstoffs geschlossen ist.
  6. Gerät gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (29) nach dem Einspritzen des Kraftstoffs geschlossen ist.
  7. Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (29) das erste Mal während des Einspritzens des Kraftstoffs in den zugehörigen Zylinder (21) geöffnet ist.
  8. Gerät gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (29) nach dem Einspritzen des Kraftstoffs geschlossen ist.
  9. Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das variable Ventilsteuersystem (31, 31a) einen elektromagnetischen Ventilantriebsmechanismus (31) hat, der für das Auslassventil (29) von jedem von den Zylindern (21) vorgesehen ist, wobei der elektromagnetische Ventilantriebsmechanismus (31) die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung des Auslassventils (29) durch eine elektromagnetische Kraft ändern kann.
  10. Verfahren des Steuerns eines Abgases, das von einem Verbrennungsmotor (1) eines Magerverbrennungstyps abgegeben wird, wobei der Verbrennungsmotor (1) ein Einlassventil (28) und ein Auslassventil (29) für jeden von einer Vielzahl von Zylindern (21) des Verbrennungsmotors (1), ein variables Ventilsteuersystem (31, 31a), das die Öffnungs- und Schließzeitabstimmung des Auslassventils (29) von jedem der Zylinder (21) ändern kann, und einen NOx Katalysator (46a) hat, der in einer Auslasspassage (47) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist, wobei das Verfahren einen Schritt des Steuerns des variablen Ventilsteuersystems (31, 31a) aufweist, um das Auslassventil (29) von jedem von den Zylindern (21) in einer Öffnungsposition während eines Auslasshubs des entsprechenden Zylinders (21) anzuordnen, wobei dass Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das variable Ventilssteuersystem (31, 31a) gesteuert wird, um das Auslassventil (29) von wenigstens einem von den Zylindern (21) zweimal in einer Öffnungsposition anzuordnen, wenn gewünscht ist, dass ein Abgas, das von dem wenigstens einen von den Zylindern (21) abgegeben wird, eine Reduzierkomponente für Reduzieren von NOx enthält, wobei das Auslassventil ein erstes Mal während eines Kompressionshubs des zugehörigen Zylinders (21) geöffnet wird, so dass das Auslassventil (29) für eine kurze Zeit offen ist nach einem Moment des Einspritzens eines Kraftstoffs in den zugehörigen Zylinder (21) und bevor der eingespritzte Kraftstoff durch einen Zünder (25a) gezündet oder verbrannt wird, und wobei das Auslassventil (29) geschlossen wird, nachdem es das erste Mal geöffnet worden ist, und ein zweites Mal geöffnet wird, um offen gehalten zu werden, während des Auslasshubs des zugehörigen Zylinders (21).
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