JP2002242711A - 触媒を備えた４サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブタイミング可変装置を利用して、ＮＯ
ｘ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高温状態を解消する。 【解決手段】 ＮＯｘ触媒を排気通路３２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、吸気弁９及び排気弁１０に
対してバルブタイミング可変装置１１，１２と、ＮＯｘ
触媒の温度を検出する触媒温度検出手段４２と、バルブ
タイミング制御手段４３とを備える。バルブタイミング
制御手段４３は、ＮＯｘ触媒３２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
死点より前とするとともに、吸気弁開時期を吸気上死点
以後とするように上記バルブタイミング可変装置を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ＮＯ
ｘ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Ｎ
Ｏｘ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３
２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３
２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４
１、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２
５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３
０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ＮＯ
ｘ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Ｅｘ
Ｃ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ＮＯ
ｘ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ＴＤ
Ｃ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ＢＴＤ
Ｃ３０〜４０°に設定されるとともに、吸気弁開時期Ｉ
ｎＯが吸気上死点ＴＤＣより後、好ましくはＡＴＤＣ３
５〜４５°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ＢＴ
ＤＣ１０〜１５°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ＢＴ
ＤＣ２０〜３０°、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Ａ
ＴＤＣ１０°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ＡＴ
ＤＣ１０〜２０°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ＮＯ
ｘ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Ｔ
ＤＣ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Ｓ１
１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Ｓ１
４）。それからステップＳ１０に移行し、ステップＳ１
４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１３，１
４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ＴＤ
Ｃ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Ｔ
ＤＣ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Ｎ
Ｏｘ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５
１の下流に設けられたインタークーラである。また、５
６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ＴＤ
Ｃ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Ｉｎ
Ｏ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、Ｎ
Ｏｘ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 23/00 Ｆ０２Ｄ 23/00 Ｅ Ｋ 41/04 ３３０ 41/04 ３３０Ｍ 41/10 ３２０ 41/10 ３２０ 41/12 ３２０ 41/12 ３２０ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｚ ３０１Ｅ 45/00 ３１２ 45/00 ３１２Ｒ Ｆターム(参考） 3G084 AA04 BA08 BA09 BA13 BA15 BA23 CA04 CA05 CA06 CA09 DA01 DA25 EA11 EC02 FA07 FA10 FA20 FA29 FA33 FA38 3G091 AA10 AA12 AA17 AA24 AB06 BA07 CB02 CB07 EA01 EA03 EA05 EA07 EA16 EA18 EA34 FA09 FA14 FB03 FC08 HA36 HB06 3G092 AA01 AA09 AA11 AA18 AB02 BA05 BA06 BB01 BB06 DA01 DA02 DA10 DA12 DB03 EA03 EA04 EA06 EA07 EA08 FA20 FA37 FA38 GA06 GA12 GA13 GA18 GB08 HA01Z HA06Z HA08Z HA11Z HA13X HA15X HB01X HD02X HD02Z HD05X HE03Z HE08Z 3G301 HA01 HA02 HA04 HA11 HA16 HA19 JA01 JA33 KA08 KA09 KA12 KA16 KA21 KA25 KA26 KB04 LA07 LB04 MA01 MA11 MA19 NA08 NB02 NE11 NE12 NE14 NE15 PA01Z PA11Z PD03A PD12Z PE01Z PE03Z PE08Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。
5. 【請求項５】 上記バルブタイミング制御手段は、ＮＯ
   ｘ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。
6. 【請求項６】 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。
7. 【請求項７】 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。
8. 【請求項８】 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。