JP4337226B2

JP4337226B2 - Internal combustion engine with variable valve mechanism

Info

Publication number: JP4337226B2
Application number: JP2000107101A
Authority: JP
Inventors: 正司勝間田; 清中西; 義博岩下; 和彦白谷; 啓二四重田; 誠人小木曽; 秀之西田; 智海山田; 孝充浅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP2001289077A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関に関し、特に、排気弁の開閉タイミングを変更可能にする可変動弁機構を備えた内燃機関に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなど希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置として、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのリーンＮＯx触媒を利用したものがある。
【０００３】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを浄化するためには適量のＨＣ成分が必要とされる。この選択還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中のＨＣ成分の量は極めて少ないので、通常運転時にＮＯxを浄化するためには、選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分を供給する必要がある。このＨＣ成分の供給方法の一つに、理論空燃比またはそれよりもリッチな空燃比（以下、理論空燃比よりもリッチな空燃比をリッチ空燃比といい、理論空燃比よりもリーンな空燃比をリーン空燃比という）の排気ガスを供給する方法がある。
【０００４】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する触媒である。
【０００５】
この吸蔵還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関では通常運転時の排気ガスの空燃比がリーンであるため、排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒に吸収されることとなる。しかしながら、リーン空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に供給し続けると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和に達し、それ以上、ＮＯxを吸収できなくなり、ＮＯxをリークさせることとなる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで流入排気ガスの空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を極度に低下させるとともに還元剤としてのＨＣを増大させ、ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxを放出してＮ₂に還元し、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させる必要がある。
【０００６】
このようにリーンＮＯx触媒を利用した排気浄化装置では、ＮＯxを浄化するためには還元剤としてのＨＣの供給が不可欠であり、そのために排気ガスの空燃比を間欠的に理論空燃比またはリッチ空燃比にする必要がある。ここで、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にするための一手法に、特開平６−１１７２２５号公報に開示されるような燃料の副噴射がある。
【０００７】
燃料の副噴射とは、機関トルクを得るための燃料を気筒内に噴射した後に、排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはリッチ空燃比にするための燃料を、膨張行程または排気行程において該気筒内に噴射することをいう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように排気ガスの空燃比を制御するために燃料を副噴射すると、運転状態によっては副噴射された燃料が燃焼して機関トルクの一部となり、僅かながらトルクアップが生じ、トルクショックによるドライバビリティの悪化があるなどの不具合があった。そのため、副噴射に代わる排気ガスの空燃比制御方法（あるいはＨＣ供給方法）の開発が切望されている。
【０００９】
また、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にするための別の手法として、燃焼室での燃焼にかかわる空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にする方法もある。この方法を採用する場合には、リーン空燃比での燃焼から瞬時にして理論空燃比またはリッチ空燃比での燃焼に切り替えると、混合気形成の遅れのため失火するなどの問題が生じるため、燃焼室内の空燃比をリーン空燃比から徐々に理論空燃比またはリッチ空燃比に切り替えていく必要がある。
【００１０】
しかしながら、このように空燃比を徐々に切り替えていった場合には、リーンＮＯx触媒に理論空燃比またはリッチ空燃比の排気ガスを供給するまでに長い時間がかかり、その間は、選択還元型ＮＯx触媒の場合にはＮＯx浄化が行われにくくなり、特に吸蔵還元型ＮＯx触媒の場合にはＮＯxの放出・還元が行われにくくなり、いずれの場合にもＮＯx浄化能力が低下するという問題があった。また、その間の燃費悪化が大きくなり不利であった。
【００１１】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、従来方法に代わる排気ガスの空燃比制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明は、排気系にリーンＮＯx触媒が設けられ、排気弁の開閉時期を変更可能にする可変動弁機構を備えた内燃機関において、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を必要とするときに燃料噴射から排気行程開始までの間で前記排気弁を開弁するように前記可変動弁機構を制御することを特徴とする。
【００１３】
燃料噴射から排気行程開始までの間で前記排気弁を開弁すると、燃焼室に噴射された燃料の一部を燃焼室で燃焼される前にリーンＮＯx触媒に導入することができる。
【００１４】
本発明に係る可変動弁機構を備えた内燃機関においては、前記排気弁は燃料噴射から点火前までの間で開弁するのが好ましい。
ただし、排気弁の開弁開始タイミングは燃料噴射の前からであってもよいし、排気弁の開弁終了タイミング（即ち、閉弁タイミング）は燃料噴射中であってもよい。また、排気弁の前記開弁制御の実行回数は１サイクル中に１回でもよいし、複数回実行してもよい。
【００１５】
本発明に係る可変動弁機構を備えた内燃機関が多気筒内燃機関である場合、前述の如き排気弁の開弁制御の実行は、全気筒について実行してもよいし、あるいは一部の気筒について実行してもよい。また、１気筒に対して複数の排気弁を有する内燃機関である場合には、総ての排気弁に対して前述の如く開閉制御を実行してもよいし、一部の排気弁に対してだけ前述の如く開閉制御を実行し、残る排気弁に対しては前述の如き開閉制御を実行しないようにすることも可能である。
【００１６】
本発明に係る可変動弁機構を備えた内燃機関において、排気弁の開閉時期を変更可能にする可変動弁機構は、励磁電流を印加したときに発生する電磁力を利用して排気弁を進退動して開閉せしめる電磁駆動機構で構成することができ、あるいは、油圧を利用して排気弁を進退動せしめる油圧駆動機構を例示することができる。
【００１７】
本発明において、リーンＮＯx触媒は、吸蔵還元型ＮＯx触媒や選択還元型ＮＯx触媒を例示することができる。
吸蔵還元型ＮＯx触媒とは、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し還元する触媒であり、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなるものを例示することができる。
【００１８】
選択還元型ＮＯx触媒とは、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒をいい、例えば、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００１９】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関、例えば、ディーゼルエンジンや、リーンバーンガソリンエンジンに適用可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る可変動弁機構を備えた内燃機関の一実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を内燃機関としての車両駆動用ガソリンエンジンに適用した態様である。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関は、希薄燃焼可能な筒内直接噴射式の水冷式４気筒４サイクルガソリンエンジン１である。
【００２２】
エンジン１は、４つの気筒２１及び冷却水路１ｃが形成されたシリンダブロック１ｂと、このシリンダブロック１ｂの上部に固定されたシリンダヘッド１ａとを備えている。
【００２３】
前記シリンダブロック１ｂには、機関出力軸であるクランクシャフト２３が回転自在に支持され、このクランクシャフト２３は、コネクティングロッド１９を介して、各気筒２１内に摺動自在に取り付けられたピストン２２に連結されている。
【００２４】
各気筒２１のピストン２２の上方には、ピストン２２の頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれた燃焼室２４が形成されている。前記シリンダヘッド１ａには、各気筒２１の燃焼室２４に臨ませて点火栓２５が取り付けられ、この点火栓２５には、該点火栓２５に駆動電流を印加するためのイグナイタ２５ａが電気的に接続されている。
【００２５】
また、シリンダヘッド１ａには、燃料噴射弁３２がその噴孔を燃焼室２４内に臨ませて取り付けられており、このエンジン１では、燃料噴射弁３２から燃料が燃焼室２４内に直接噴射される。
【００２６】
前記シリンダヘッド１ａにおいて各気筒２１の燃焼室２４に臨む部位には、吸気ポート２６の開口端が２つ形成されるとともに、排気ポート２７の開口端が２つ形成されている。２つの吸気ポートのうちの一方の吸気ポート２６は燃焼室２４に対して吸気通路を直線的に延ばして形成されたストレートポートで構成され、他方の吸気ポート２６はシリンダ内に導入される吸気にスワール流を生じせしめるべく形成されたヘリカルポートで構成されている。
【００２７】
前記シリンダヘッド１ａには、前記吸気ポート２６の各開口端を開閉する吸気弁２８と、前記排気ポート２７の各開口端を開閉する排気弁２９とが進退動自在に取り付けられている。
【００２８】
前記シリンダヘッド１ａには、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して前記吸気弁２８を進退駆動する電磁駆動機構３０（以下、吸気側電磁駆動機構３０という）が吸気弁２８と同数設けられている。各吸気側電磁駆動機構３０には、該吸気側電磁駆動３０に励磁電流を印加するための駆動回路３０ａ（以下、吸気側駆動回路３０ａという）が電気的に接続されている。
【００２９】
また、前記シリンダヘッド１ａには、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して前記排気弁２９を進退駆動する電磁駆動機構３１（以下、排気側電磁駆動機構３１という）が排気弁２９と同数設けられている。各排気側電磁駆動機構３１には、該排気側電磁駆動機構３１に励磁電流を印加するための駆動回路３１ａ（以下、排気側電磁駆動機構３１という）が電気的に接続されている。
【００３０】
排気側電磁駆動機構３１は、この実施の形態において可変動弁機構を構成する。
吸気側電磁駆動機構３０および排気側電磁駆動機構３１の構成については後で詳細に説明する。
【００３１】
エンジン１のシリンダヘッド１ａには、４つの枝管を有する吸気マニホールド３３が接続され、各気筒２１の吸気ポート２６が吸気マニホールド３３の前記各枝管に接続されている。
【００３２】
ストレートポートの吸気ポート２６に連通する吸気マニホールド３３の枝管には、その枝管内を流通する吸気の流量を調節するスワールコントロールバルブが１７が設けられている。このスワールコントロールバルブには、ステップモータ等からなり印加電流の大きさに応じてスワールコントロールバルブ１７を開閉駆動するＳＣＶアクチュエータ１７ａと、スワールコントロールバルブ１７の開度に対応した電気信号を出力するＳＣＶポジションセンサ１７ｂが取り付けられている。
【００３３】
吸気マニホールド３３は、吸気の脈動を抑制するためのサージタンク３４に接続されている。前記サージタンク３４は、吸気管３５を介して、吸気中の塵や埃等を取り除くためのエアクリーナボックス３６に接続されている。
【００３４】
吸気管３５には、吸気管３５内を流れる空気の質量（吸入空気質量）に対応した電気信号を出力するエアフローメータ４４が取り付けられている。吸気管３５において前記エアフローメータ４４より下流には、吸気管３５内を流れる吸気の流量を調整するスロットル弁３９が設けられている。
【００３５】
スロットル弁３９には、ステッパモータ等からなり印加電力の大きさに応じてスロットル弁３９を開閉駆動するスロットル用アクチュエータ４０と、スロットル弁３９の開度に対応した電気信号を出力するスロットルポジションセンサ４１と、アクセルペダル４２に機械的に接続されアクセルペダル４２の操作量に対応した電気信号を出力するアクセルポジションセンサ４３が取り付けられている。
【００３６】
一方、エンジン１のシリンダヘッド１ａには、４本の枝管を有する排気マニホールド４５が接続されており、その排気マニホールド４５の各枝管は各気筒２１の排気ポート２７に接続されている。
【００３７】
排気マニホールド４５は、吸蔵還元型ＮＯx触媒（リーンＮＯx触媒）４６ａを収容したケーシング４６に接続されており、ケーシング４６は、排気管４７を介して図示しないマフラーに接続されている。
【００３８】
吸蔵還元型ＮＯx触媒４６ａ（以下、ＮＯx触媒４６ａと略す場合もある）は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００３９】
ＮＯx触媒４６ａは、このＮＯx触媒４６ａに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の所定の空燃比であるときに排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを同時に浄化する三元活性機能と、ＮＯx触媒４６ａに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比もしくはそれよりもリッチであるときに吸蔵していたＮＯxを放出し、放出したＮＯxを直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応させてＮ₂に還元するＮＯx吸放出還元機能と、を備えている。
【００４０】
したがって、希薄燃焼可能なエンジン１の排気通路にＮＯx触媒４６ａを設けた場合、排気ガスの空燃比を適宜に制御すれば排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することができることになる。この実施の形態では、エンジン１の運転状態の履歴からＮＯx触媒４６ａに吸収されたＮＯx量を推定し、その推定ＮＯx量が予め設定した所定値に達したときに、一時的に排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にしてこの排気ガスをＮＯx触媒４６ａに流し、ＮＯx触媒４６ａに吸収されたＮＯxを放出させ、Ｎ₂に還元するようにしている。排気ガスの空燃比のリッチ化方法については後で詳述する。
【００４１】
尚、排気ガスの空燃比とは、ここではＮＯx触媒４６ａの上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯx触媒４６ａよりも上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気ガスの空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００４２】
排気マニホールド４５の前記集合管には、排気マニホールド４５内を流れる排気ガスの空燃比、言い換えれば、ＮＯx触媒４６ａに流入する排気ガスの空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ４８が取り付けられている。
【００４３】
排気管４７においてＮＯx触媒４６ａの直ぐ下流に位置する部位には、ＮＯx触媒４６ａから流出した排気ガスの温度に対応した電気信号を出力する排気温センサ４９が取り付けられている。尚、この実施の形態では、排気温センサ４９で検出された排気ガス温度はＮＯx触媒４６ａの触媒床温として代用される。
【００４４】
また、エンジン１は、クランクシャフト２３の端部に取り付けられたタイミングロータ５１ａとタイミングロータ５１ａ近傍のシリンダブロック１ｂに取り付けられた電磁ピックアップ５１ｂとからなるクランクポジションセンサ５１と、エンジン１の内部に形成された冷却水路１ｃを流れる冷却水の温度を検出すべくシリンダブロック１ｂに取り付けられた水温センサ５２とを備えている。
【００４５】
ここで、前述した吸気側電磁駆動機構３０および排気側電磁駆動機構３１について説明する。尚、吸気側電磁駆動機構３０と排気側電磁駆動機構３１は同じ構成であるので、排気側電磁駆動機構３１を例に挙げて説明し、吸気側電磁駆動機構３０についての説明は省略する。
【００４６】
図２は、排気側電磁駆動機構３１の構成を示す断面図である。図２においてエンジン１のシリンダヘッド１ａは、シリンダブロック１ｂの上面に固定されるロアヘッド１０と、このロアヘッド１０の上部に設けられたアッパヘッド１１とを備えている。
【００４７】
前記ロアヘッド１０には、各気筒２１毎に前述した２つの排気ポート２７が形成され、各排気ポート２７の燃焼室２４側の開口端には、前述した排気弁２９の弁体２９ａが着座するための弁座１２が設けられている。
【００４８】
ロアヘッド１０には、各排気ポート２７の内壁面から該ロアヘッド１０の上面に貫通する断面円形の貫通孔が形成され、その貫通孔には筒状のバルブガイド１３が挿入固定されている。バルブガイド１３には、排気弁２９の弁軸２９ｂが軸方向に進退動自在に貫通している。
【００４９】
アッパヘッド１１には断面円形のコア取付孔１４がバルブガイド１３と同心上に設けられている。コア取付孔１４は、ロアヘッド１０に対向する部分が孔径の大きい大径部１４ｂになっていて、この大径部１４ｂの上部に孔径が大径部１４ｂよりも小径の小径部１４ａが連なって構成されている。
【００５０】
前記小径部１４ａには、軟磁性体からなる環状の第１コア３０１と第２コア３０２とが所定の間隙３０３を介して軸方向に直列に嵌挿されている。これらの第１コア３０１の上端と第２コア３０２の下端には、フランジ３０１ａあるいはフランジ３０２ａが形成されており、第１コア３０１は上方から、また第２コア３０２は下方からそれぞれコア取付孔１４に嵌挿され、フランジ３０１ａとフランジ３０２ａが小径部１４ａの上縁部あるいは下縁部に当接することにより第１コア３０１と第２コア３０２の位置決めがされて、前記間隙３０３が所定の距離に保持されるようになっている。
【００５１】
第１コア３０１の上方には、筒状のアッパキャップ３０５が取り付けられている。このアッパキャップ３０５は、その下端に形成されたフランジ部３０５ａにボルト３０４を貫通させてアッパヘッド１１の上面に固定されている。ここで、フランジ部３０５ａを含むアッパキャップ３０５の下端は第１コア３０１の上面周縁部に当接した状態で固定されており、これにより、第１コア３０１はアッパヘッド１１に固定されている。
【００５２】
一方、第２コア３０２の下部には、コア取付孔１４の大径部１４ｂと略同径の外径を有する環状体からなるロアキャップ３０７が取り付けられている。このロアキャップ３０７は小径部１４ａと大径部１４ｂとの境に形成された段差面にボルト３０６によって固定されている。ここで、ロアキャップ３０７は第２コア３０２の下面周縁部に当接した状態で固定されており、これにより、第２コア３０２はアッパヘッド１１に固定されている。
【００５３】
第１コア３０１において間隙３０３側の端面に形成された溝部には、第１の電磁コイル３０８が装着されており、第２コア３０２において間隙３０３側の端面に形成された溝部には第２の電磁コイル３０９が装着されている。第１の電磁コイル３０８と第２の電磁コイル３０９は間隙３０３を挟んで互いに対向して配置されており、第１及び第２の電磁コイル３０８、３０９はそれぞれ前述した排気側駆動回路３１ａに電気的に接続されている。
【００５４】
間隙３０３には、該間隙３０３の内径より小径な外径を有する円盤状の軟磁性体からなるアーマチャ３１１が配置されている。このアーマチャ３１１の中央にはアーマチャシャフト３１０が貫通固定されている。このアーマチャシャフト３１０は、その上半が第１コア３０１の中空部を貫通してその上端部をアッパキャップ３０５内に突出させ、下半が第２コア３０２の中空部を貫通してその下端部を大径部１４ｂ内に突出させており、第１コア３０１及び第２コア３０２によって軸方向へ進退動自在に保持されている。
【００５５】
アッパキャップ３０５内に突き出たアーマチャシャフト３１０の上端部には、円板状のアッパリテーナ３１２が固定されており、アッパキャップ３０５の上部開口部にはアジャストボルト３１３が螺着されている。これらアッパリテーナ３１２とアジャストボルト３１３との間には、アジャストボルト３１３側にスプリングシート３１５を介在させてアッパスプリング３１４が挟装されており、このアッパスプリング３１４によりアマチャシャフト３１０及びアマチャ３１１はコア取付孔１４の大径部１４ｂに接近する方向（即ち、図２において下方）へ付勢されている。
【００５６】
一方、前記大径部１４ｂ内に突き出たアーマチャシャフト３１０の下端部には、排気弁２９の弁軸２９ｂの上端部が突き当たっている。前記弁軸２９ｂの上端部には、円盤状のロアリテーナ２９ｃが固定され、このロアリテーナ２９ｃとロアヘッド１０との間にロアスプリング３１６が挟装されていて、このロアスプリング３１６により排気弁２９は閉弁方向（即ち、図２において上方）へ付勢されている。この結果、排気弁２９の弁軸２９ｂの上端がアマチャシャフト３１０の下端に突き当たり、アマチャシャフト３１０およびアマチャ３１１をコア取付孔１４の大径部１４ｂから離反する方向（即ち、図２において上方）へ付勢する。
【００５７】
このように構成された排気側電磁駆動機構３１では、排気側駆動回路３１ａから第１の電磁コイル３０８及び第２の電磁コイル３０９に対して励磁電流が印加されていないときは、アマチャ３１１には、アッパスプリング３１４がアマチャ３１１を下方（すなわち、排気弁２９を開弁させる方向）へ付勢する力と、ロアスプリング３１６がアマチャ３１１を上方（すなわち、排気弁２９を閉弁させる方向）へ付勢する力が作用し、これら付勢力が平衡する位置でアマチャ３１１は弾性支持されて、中立状態に保持されることになる。
【００５８】
尚、アッパスプリング３１４とロアスプリング３１６の付勢力は、アーマチャ３１１の中立位置が間隙３０３において第１コア３０１と第２コア３０２との中間の位置に一致するよう設定されており、構成部品の初期公差や経年変化等によってアーマチャ３１１の中立位置が前記した中間位置からずれた場合には、アーマチャ３１１の中立位置が前記した中間位置に一致するようアジャストボルト３１３によって調整することが可能になっている。
【００５９】
また、アーマチャシャフト３１０及び弁軸２９ｂの軸方向の長さは、アーマチャ３１１が間隙３０３の中間位置に位置するときに、弁体２９ａが全開側変位端と全閉側変位端との中間の位置（以下、中開位置と称する）となるように設定されている。
【００６０】
このように構成された排気側電磁駆動機構３１では、排気側駆動回路３１ａから第１の電磁コイル３０８に対して励磁電流が印加されると、第１コア３０１と第１の電磁コイル３０８とアーマチャ３１１との間に、アーマチャ３１１を第１コア３０１側へ変位させる方向の電磁力が発生し、排気側駆動回路３１ａから第２の電磁コイル３０９に対して励磁電流が印加されると、第２コア３０２と第２の電磁コイル３０９とアーマチャ３１１との間にアーマチャ３１１を前記第２コア３０２側へ変位させる方向の電磁力が発生する。
【００６１】
したがって、この排気側電磁駆動機構３１では、排気側駆動回路３１ａからの励磁電流を第１の電磁コイル３０８と第２の電磁コイル３０９とに交互に印加することにより、アーマチャ３１１及びアマチャシャフト３１０が進退動作し、それに同期して弁軸２９ｂが進退駆動されて、その結果、弁体２９ａが開閉駆動されることになる。
【００６２】
その際、第１の電磁コイル３０８及び第２の電磁コイル３０９に対する励磁電流の印加タイミングと励磁電流の大きさを変更することにより、排気弁２９の開閉タイミングを制御することが可能となる。
【００６３】
また、この排気側電磁駆動機構３１には、排気弁２９の変位を検出するバルブリフトセンサ３１７が取り付けられている。このバルブリフトセンサ３１７は、アッパリテーナ３１２の上面に取り付けられた円盤状のターゲット３１７ａと、アジャストボルト３１３における前記アッパリテーナ３１２と対向する部位に取り付けられたギャップセンサ３１７ｂとから構成されている。
【００６４】
このように構成されたバルブリフトセンサ３１７では、ターゲット３１７ａがアーマチャ３１１と一体的に変位し、ギャップセンサ３１７ｂが該ギャップセンサ３１７ｂとターゲット３１７ａとの距離に対応した電気信号を出力する。
【００６５】
その際、アーマチャ３１１が中立状態にあるときのギャップセンサ３１７ｂの出力信号値を予め記憶しておき、その出力信号値と現時点におけるギャップセンサ３１７ｂの出力信号値との偏差を算出することにより、アーマチャ３１１及び排気弁２９の変位を特定することが可能になる。
【００６６】
このエンジン１には、エンジン１の運転状態を制御するための電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）２０が併設されている。
ＥＣＵ２０はデジタルコンピュータからなり、図３に示すように、双方向バス４００によって相互に接続されたＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）４０１、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）４０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４０３、入力ポート４０５、出力ポート４０６を備えるとともに、入力ポート４０５に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）４０７を備えている。
【００６７】
ＥＣＵ２０の入力ポート４０５には、ＳＣＶポジションセンサ１７ｂ、スロットルポジションセンサ４１、アックセルポジションセンサ４３、エアフロメータ４４、空燃比センサ４８、排気温センサ４９、水温センサ５２、バルブリフトセンサ３１７等から出力されるアナログ信号がＡ／Ｄ変換器４０７によってデジタル信号に変換されて入力されるようになっている。また、ＥＣＵ２０の入力ポート４０５には、クランクポジションセンサ５１から出力されるデジタル信号が直接入力される。
【００６８】
ＥＣＵ２０の出力ポート４０６は、ＳＣＶアクチュエータ１７ａ、イグナイタ２５ａ、吸気側駆動回路３０ａ、排気側駆動回路３１ａ、燃料噴射弁３２、スロットル用アクチュエータ４０等に電気的に接続されている。
【００６９】
ＥＣＵ２０のＲＯＭ４０２は、燃料噴射量を決定するための燃料噴射量制御ルーチン、燃料噴射時期を決定するための燃料噴射時期制御ルーチン、各気筒２１の点火栓２５の点火時期を決定するための点火時期制御ルーチン、スロットル弁３９の開度を決定するためのスロットル開度制御ルーチン、スワールコントロールバルブ１７の開度を決定するためのＳＣＶ開度制御ルーチン、吸気弁２８の開閉タイミングを決定するための吸気弁開閉タイミング制御ルーチン、排気弁２９の開閉タイミングを決定するための排気弁開閉タイミング制御ルーチン、吸気側電磁駆動機構３０に印加すべき励磁電流量を決定するための吸気側励磁電流制御ルーチン、排気側電磁駆動機構３１に印加すべき励磁電流量を決定するための排気側励磁電流量制御ルーチン等のアプリケーションプログラムなどを記憶している。
【００７０】
また、ＥＣＵ２０のＲＯＭ４０２は、前記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。例えば、エンジン１の運転状態と燃料噴射量との関係を示す燃料噴射量制御マップ、エンジン１の運転状態と燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、エンジン１の運転状態と各点火栓２５の点火時期との関係を示す点火時期制御マップ、エンジン１の運転状態とスロットル弁３９の開度との関係を示すスロットル開度制御マップ、エンジン１の運転状態とスワールコントロールバルブ１７の開度との関係を示すＳＣＶ開度制御マップ、エンジン１の運転状態と吸気弁２８の開閉タイミングとの関係を示す吸気弁開閉タイミング制御マップ、エンジン１の運転状態と排気弁２９の開閉タイミングとの関係を示す排気弁開閉タイミング制御マップ、エンジン１の運転状態と吸気側電磁駆動機構３０及び排気側電磁駆動機構３１に印加すべき励磁電流量との関係を示す励磁電流量制御マップ等である。
【００７１】
ＲＡＭ４０３は、各センサの出力信号やＣＰＵ４０１の演算結果等を記憶する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ５１の出力信号に基づいて算出される機関回転数等である。ＲＡＭ４０３に記憶される各種のデータは、クランクポジションセンサ５１が信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。
【００７２】
バックアップＲＡＭ４５は、エンジン１の運転停止後もデータを保持する不揮発性のメモリであり、各種制御に係る学習値等を記憶する。
ＣＰＵ４０１は、ＲＯＭ４０２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料噴射制御、点火制御、スロットル制御、スワール制御、吸・排気弁開閉制御等を実行する。
【００７３】
その際、ＣＰＵ４０１は、クランクポジションセンサ５１、アクセルポジションセンサ４３、あるいはエアフローメータ４４等の出力信号値をパラメータとしてエンジン１の運転状態を判別し、判別された運転状態に応じてエンジン１における燃焼を制御する。
【００７４】
図４は、このエンジン１の運転状態（機関負荷とエンジン回転数）と燃焼状態との関係を示す図であり、この図を参照してエンジン１における燃焼について説明する。
【００７５】
ＣＰＵ４０１は、エンジン１の運転状態が低負荷運転領域（図４においてＡ領域）にあると判定した場合には、エンジン１における燃焼が成層燃焼となるように制御する。この成層燃焼を実現すべく、ＣＰＵ４０１は、ＳＣＶアクチュエータ１７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ１７の開度を小さくするとともに、アクチュエータ４０へ制御信号を送信してスロットル弁３９を実質的に全開状態とし、さらに各気筒の圧縮行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して圧縮行程噴射を行う。
【００７６】
この場合、各気筒の燃焼室２４には、吸気行程時に主としてヘリカルポートの吸気ポート２６から新気が導入され、強い旋回流（スワール流）が発生する。続く圧縮行程では、燃料噴射弁３２から噴射された燃料がスワール流に従って燃焼室２４内を旋回し、所定の時期に点火栓２５近傍へ移動する。このとき、燃焼室２４内は、点火栓２５の近傍に可燃混合気層が形成され、その周囲の領域に空気層が形成された、いわゆる成層状態になり、全体として極めて希薄な混合気となる。そして、ＣＰＵ４０１は、前記所定の時期に点火栓２５を点火する。この結果、燃焼室２４内の混合気（可燃混合気層と空気層とを含む）は、点火栓２５近傍の可燃混合気層を着火源として燃焼する。
【００７７】
尚、成層燃焼運転時における燃料噴射量は、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして決定される。すなわち、ＣＰＵ４０１は、アクセルポジションセンサ４３の出力信号値（アクセル開度）とエンジン回転数と燃料噴射量との関係を示す成層燃焼時燃料噴射制御マップを用いて燃料噴射量（燃料噴射時間）を決定する。
【００７８】
ここで、成層燃焼運転時における空燃比は２５〜５０に設定されており、これに対応して成層燃焼時噴射制御マップの燃料噴射量（燃料噴射時間）が設定されている。
【００７９】
また、ＣＰＵ４０１は、エンジン１の運転状態が中負荷運転領域（図４においてＣ領域）にあると判定した場合は、エンジン１における燃焼が均質リーン燃焼となるように制御する。この均質リーン燃焼を実現すべく、ＣＰＵ４０１は、ＳＣＶアクチュエータ１７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ１７の開度を小さくし、さらに各気筒の吸気行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して吸気行程噴射を行う。この場合、各気筒の燃焼室２４内の略全域にわたって、新気と燃料とが均質に混じり合ったリーン混合気が形成され、均質リーン燃焼が実現される。
【００８０】
尚、均質リーン燃焼運転時における燃料噴射量および吸入空気量は、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして決定される。すなわち、ＣＰＵ４０１は、アクセルポジションセンサ４３の出力信号値（アクセル開度）とエンジン回転数と燃料噴射量との関係を示す均質リーン燃焼時燃料噴射制御マップを用いて燃料噴射量（燃料噴射時間）を決定し、アクセルポジションセンサ４３の出力信号値（アクセル開度）とエンジン回転数とスロットル開度（吸入空気量）との関係を示す均質リーン燃焼時スロットル制御マップを用いてスロットル開度（吸入空気量）を決定する。
【００８１】
ここで、均質リーン燃焼運転時の空燃比は１５〜２３に設定されており、これに対応して均質リーン燃焼時燃料噴射制御マップの燃料噴射量（燃料噴射時間）と、均質リーン燃焼時スロットル制御マップのスロットル開度（吸入空気量）が設定されている。
【００８２】
また、ＣＰＵ４０１は、エンジン１の運転状態が高負荷運転領域（図４においてＤ領域）にあると判定した場合には、エンジン１における燃焼が理論空燃比近傍の混合気による均質燃焼（以下、これを均質ストイキ燃焼と称す）となるように制御する。この均質ストイキ燃焼を実現すべく、ＣＰＵ４０１は、ＳＣＶアクチュエータ１７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ１７を全開状態とし、スロットル弁３９がアクセルペダル４２の踏み込み量（アクセルポジションセンサ４３の出力信号値）に対応した開度となるようアクチュエータ４０へ制御信号を送信し、さらに各気筒の吸気行程時に燃料噴射弁３２に駆動電流を印加して吸気行程噴射を行う。この場合、各気筒の燃焼室２４内の略全域にわたって、新気と燃料とが均質に混じり合った理論空燃比近傍の混合気が形成され、均質ストイキ燃焼が実現される。
【００８３】
尚、均質ストイキ燃焼運転時における燃料噴射量は、アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとして決定される。すなわち、ＣＰＵ４０１は、アクセルポジションセンサ４３の出力信号値（アクセル開度）とエンジン回転数と燃料噴射量との関係を示す均質ストイキ燃焼時燃料噴射制御マップを用いて燃料噴射量（燃料噴射時間）を決定する。
【００８４】
ここで、均質ストイキ燃焼運転時における空燃比は１２〜１４．６に設定されており、これに対応して均質ストイキ燃焼時噴射制御マップの燃料噴射量（燃料噴射時間）が設定されている。
【００８５】
また、ＣＰＵ４０１は、エンジン１の運転状態が低負荷運転領域と中負荷運転領域の間の領域（図４においてＢ領域）にあると判定した場合には、エンジン１における燃焼が弱成層燃焼となるように制御する。この弱成層燃焼を実現すべく、ＣＰＵ４０１は、ＳＣＶアクチュエータ１７ａへ制御信号を送信してスワールコントロールバルブ１７を所定開度で開き、各気筒の圧縮行程時と吸気行程時との二回に分けて燃料噴射弁３２に駆動電流を印加する。この場合、各気筒の燃焼室２４内には、点火栓２５の近傍に可燃混合気層が形成されるとともに、その周囲の領域にリーン混合気層が形成され、いわゆる弱成層燃焼が実現される。この弱成層燃焼により、成層燃焼制御から均質燃焼制御へ移行する際、あるいは均質燃焼制御から成層燃焼制御へ移行する際の、エンジン１のトルク変動が防止される。尚、この弱成層燃焼運転時における空燃比は２０〜３０に設定されている。
【００８６】
ところで、エンジン１が希薄燃焼運転されているとき、すなわち、エンジン１における燃焼制御が前述した成層燃焼制御あるいは弱成層燃焼制御あるいは均質リーン燃焼制御であるときには、排気ガスの空燃比がリーン空燃比となるため、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）がＮＯx触媒４６ａに吸蔵されることになるが、エンジン１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯx触媒４６ａのＮＯx吸蔵能力が飽和し、排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒４６ａで除去もしくは浄化されずに大気中に放出される虞れがある。
【００８７】
そこで、ＣＰＵ４０１は、エンジン１の運転状態の履歴からＮＯx触媒４６ａに吸収されたＮＯx量を推定し、その推定ＮＯx量が予め設定した所定値に達したときに、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯx触媒４６ａに流し（これをリッチスパイクと称す）、ＮＯx触媒４６ａに吸蔵されたＮＯxを放出させ、Ｎ₂に還元する。
【００８８】
そして、この実施の形態では、排気ガスの空燃比をリッチ化しＮＯx触媒４６ａにＨＣを供給する手法として、通常の排気行程に入る前に排気弁２９を一度開いて、燃焼前の燃料ガスを燃焼室から排出する方法を採用する。
【００８９】
以下に、排気弁２９の二度開きによる排気空燃比リッチ化処理について、成層燃焼運転時を例にして、図５を参照しながら説明する。
図５は成層燃運転時における吸気弁２８と排気弁２９の開閉時期を示すタイミングチャートであり、図５（ａ）は吸気弁２８の開閉時期を示し、図５（ｂ）は通常時（ＮＯx吸蔵時）における排気弁２９の開閉時期を示し、図５（ｃ）はＮＯx放出時（リッチスパイク時）における排気弁２９の開閉時期を示している。
【００９０】
図５（ｂ）に示すように、成層燃焼時には、通常、ＣＰＵ４０１は、吸気弁２８が排気行程上死点近傍から吸気行程下死点近傍に亘って開かれるように吸気側電磁駆動機構３０制御して吸気を行い、圧縮行程上死点近傍で燃料噴射弁３２が開かれるように制御して燃料を燃焼室２４内に噴射し、その後、圧縮行程上死点近傍で点火栓２５が点火せしめられるように制御して燃焼室２４内で燃料を燃焼し、排気弁２９が膨張行程下死点前で開かれ排気行程上死点近傍で閉ざされるように排気側電磁駆動機構３１を制御して、燃焼により生成された排気ガスを燃焼室２４から排出している。このように、通常、成層燃焼時には排気弁２９は１サイクルにおいて１回開閉されるだけである。
【００９１】
しかしながら、エンジン１の運転状態が成層燃焼領域であっても、前述したように、ＣＰＵ４０１が、ＮＯx触媒４６ａに吸収されたＮＯx量が予め設定した所定値に達したためリッチスパイクを実行すべきであると判断したときには、ＣＰＵ４０１は、排気弁２９が、前述した排気のための開閉に加えて、図５（ｃ）に示すように、燃料噴射直後であって圧縮行程上死点前に極めて短時間だけ開かれるように、排気側電磁駆動機構３１を制御する。
【００９２】
このように燃料噴射直後に排気弁２９を開くと、燃料噴射弁３２から燃焼室２４内に噴射された燃料の一部が、燃焼前に燃焼室２４から排気弁２９を通って排気ポート２７に流出するようになり、その結果、燃焼前のＨＣを多量に含むリッチ空燃比の生ガスをＮＯx触媒４６ａに流すことができるようになり、即ち、リッチスパイクを実行することとなる。これにより、ＮＯx触媒４６ａに吸蔵されていたＮＯxが放出されＮ₂に還元される。
【００９３】
このように排気弁２９の二度開きによりリッチスパイクを実行すると、必要なときに直ちにリッチスパイクを実行することができるので、従来のように徐々に空燃比を変えていく場合に比較して、燃費悪化を低く抑えることができるとともに、ＮＯx浄化率が向上する。
【００９４】
尚、上述のように燃焼前の生ガスをＮＯx触媒４６ａに導入するという目的からすると、燃料噴射直後の排気弁２９の開弁は、点火栓２５による点火前に終了させるようにするのが好ましい。
【００９５】
ただし、この実施の形態では、リッチスパイクのための排気弁２９の開弁を、燃料噴射直後に行うようにしたが、燃料噴射前あるいは燃料噴射の途中で排気弁２９を開き始め、その後の燃料噴射の途中あるいは燃料噴射後に排気弁２９を閉じるように制御することも可能である。つまり、燃焼室２４に噴射された燃料の一部が、完全に燃焼する前に、好ましくは点火栓２５の点火前に、燃焼室２４から排出されるように排気弁２９の開閉タイミングを制御すればよい。
【００９６】
また、リッチスパイク時の排気弁２９の開弁期間を、エンジン回転数あるいは機関負荷が大きいほど、大きくするように制御することもできる。
【００９７】
尚、この実施の形態では、全気筒の全排気弁２９に対して上述の如く二度開き制御を実行するようにしたが、一部の気筒の排気弁２９に対してだけ二度開き制御を実行し、残る気筒に対しては排気弁２９の二度開き制御を行わないようにすることも可能である。また、一つの気筒に二つある排気弁２９のうちの一方の排気弁２９だけに対してだけ二度開き制御を実行することも可能である。
【００９８】
また、前述の説明では成層燃焼運転時においてリッチスパイクを実行する場合を例に挙げて説明したが、弱成層燃焼運転時あるいは均質リーン運転時の場合も、同様なタイミングで排気弁２９を二度開くように制御してリッチスパイクを実行することが可能である。
【００９９】
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、排気系にリーンＮＯx触媒が設けられ、排気弁の開閉時期を変更可能にする可変動弁機構を備えた内燃機関において、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を必要とするときに燃料噴射から排気行程開始までの間で前記排気弁を開弁するように前記可変動弁機構を制御するようにしたことにより、燃焼室に噴射された燃焼前の燃料の一部をリーンＮＯx触媒に導入することができるという優れた効果が奏される。しかも、前記リーンＮＯx触媒に還元剤が必要とするときに直ちに実行することができるので、リーンＮＯx触媒の浄化率が向上するとともに、燃費悪化を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変動弁機構を有する内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】排気側電磁駆動機構の内部構成を示す図である。
【図３】ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図４】前記内燃機関のエンジン回転数と機関負荷と燃焼状態との関係を示す図である。
【図５】吸・排気弁の開閉時期を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１エンジン（内燃機関）
２０ＥＣＵ
２９排気弁
３１排気側電磁駆動機構（可変動弁機構）
３１ａ排気側駆動回路
４６ケーシング（排気系）
４６ａ吸蔵還元型ＮＯx触媒（リーンＮＯx触媒）
４７排気管（排気系）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine mounted on an automobile or the like, and particularly relates to an internal combustion engine provided with a variable valve mechanism that makes it possible to change the opening / closing timing of an exhaust valve.
[0002]
[Prior art]
Some exhaust gas purification devices that purify exhaust gas emitted from lean burnable internal combustion engines such as diesel engines and lean burn gasoline engines use lean NOx catalysts such as selective reduction NOx catalysts and NOx storage reduction catalysts .
[0003]
The selective reduction type NOx catalyst is a catalyst that reduces or decomposes NOx in the presence of hydrocarbons (HC) in an oxygen-excess atmosphere. In order to purify NOx with this selective reduction type NOx catalyst, an appropriate amount of HC component is required. Needed. When this selective reduction type NOx catalyst is used for exhaust purification of the internal combustion engine, the amount of HC components in the exhaust during normal operation of the internal combustion engine is extremely small. Therefore, in order to purify NOx during normal operation, selective reduction It is necessary to supply the HC component to the type NOx catalyst. One of the methods for supplying this HC component is a stoichiometric air-fuel ratio or an air-fuel ratio richer than that (hereinafter, an air-fuel ratio richer than the stoichiometric air-fuel ratio is called a rich air-fuel ratio, and an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Is called a lean air-fuel ratio).
[0004]
On the other hand, the NOx storage reduction catalyst absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas decreases, and N ₂ It is a catalyst that reduces to
[0005]
When this NOx storage reduction catalyst is used for exhaust purification of the internal combustion engine, since the air-fuel ratio of the exhaust gas during normal operation is lean in the internal combustion engine, NOx in the exhaust gas is absorbed by the NOx catalyst. Become. However, if the exhaust gas having a lean air-fuel ratio is continuously supplied to the NOx catalyst, the NOx absorption capacity of the NOx catalyst reaches saturation, and no more NOx can be absorbed, causing NOx to leak. Therefore, in the NOx storage reduction catalyst, the oxygen concentration is extremely lowered and the HC as a reducing agent is increased by making the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas rich at a predetermined timing before the NOx absorption capacity is saturated, NOx absorbed in the NOx catalyst is released and N ₂ To reduce the NOx absorption capacity of the NOx catalyst.
[0006]
As described above, in the exhaust gas purification apparatus using the lean NOx catalyst, it is indispensable to supply HC as a reducing agent in order to purify NOx. For this reason, the air-fuel ratio of the exhaust gas is intermittently changed to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio. It is necessary to make the fuel ratio. Here, as one method for changing the air-fuel ratio of the exhaust gas to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio, there is a sub-injection of fuel as disclosed in JP-A-6-117225.
[0007]
The sub-injection of fuel means that after fuel for obtaining engine torque is injected into a cylinder, the fuel for changing the air-fuel ratio of exhaust gas to the stoichiometric air-fuel ratio or rich air-fuel ratio in the expansion stroke or exhaust stroke. Injecting into the inside.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, if fuel is sub-injected to control the air-fuel ratio of the exhaust gas in this way, depending on the operating condition, the sub-injected fuel will burn and become part of the engine torque, resulting in a slight torque increase and torque shock. There was a problem such as deterioration of drivability due to. Therefore, development of an exhaust gas air-fuel ratio control method (or HC supply method) that replaces the sub-injection is eagerly desired.
[0009]
As another method for setting the air-fuel ratio of the exhaust gas to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio, there is also a method of setting the air-fuel ratio related to combustion in the combustion chamber to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio. If this method is adopted, switching from combustion at a lean air-fuel ratio to combustion at a stoichiometric or rich air-fuel ratio instantaneously will cause problems such as misfiring due to a delay in the formation of the air-fuel mixture. It is necessary to gradually switch the indoor air-fuel ratio from the lean air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio or the rich air-fuel ratio.
[0010]
However, when the air-fuel ratio is gradually switched in this way, it takes a long time to supply the stoichiometric or rich air-fuel ratio exhaust gas to the lean NOx catalyst, and during that time, the selective reduction type NOx catalyst In this case, NOx purification is difficult to be performed, and particularly in the case of a storage reduction type NOx catalyst, it is difficult to release and reduce NOx, and in any case, the NOx purification ability is lowered. In addition, the fuel consumption deteriorated during that time, which was disadvantageous.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas air-fuel ratio control method that replaces the conventional method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The present invention provides an internal combustion engine having a variable valve mechanism that is provided with a lean NOx catalyst in an exhaust system and that can change the opening / closing timing of an exhaust valve. When a reducing agent is required for the lean NOx catalyst, fuel injection is performed. The variable valve mechanism is controlled so as to open the exhaust valve from the start of the exhaust stroke to the start of the exhaust stroke.
[0013]
If the exhaust valve is opened between fuel injection and the start of the exhaust stroke, part of the fuel injected into the combustion chamber can be introduced into the lean NOx catalyst before being combusted in the combustion chamber.
[0014]
In the internal combustion engine including the variable valve mechanism according to the present invention, it is preferable that the exhaust valve is opened between fuel injection and before ignition.
However, the valve opening start timing of the exhaust valve may be before fuel injection, and the valve opening end timing (that is, valve closing timing) of the exhaust valve may be during fuel injection. Further, the number of executions of the valve opening control of the exhaust valve may be executed once in one cycle, or may be executed a plurality of times.
[0015]
When the internal combustion engine provided with the variable valve mechanism according to the present invention is a multi-cylinder internal combustion engine, the execution of the exhaust valve opening control as described above may be executed for all cylinders or a part of cylinders. May be performed. In the case of an internal combustion engine having a plurality of exhaust valves for one cylinder, the opening / closing control may be executed for all the exhaust valves as described above, or for some exhaust valves. It is also possible to execute the opening / closing control as described above and not to execute the opening / closing control as described above for the remaining exhaust valves.
[0016]
In an internal combustion engine equipped with a variable valve mechanism according to the present invention, a variable valve mechanism that can change the opening / closing timing of an exhaust valve is a mechanism that uses an electromagnetic force generated when an excitation current is applied to move the exhaust valve back and forth. An electromagnetic drive mechanism that moves and opens and closes can be configured, or a hydraulic drive mechanism that moves the exhaust valve back and forth using hydraulic pressure can be exemplified.
[0017]
In the present invention, the lean NOx catalyst can be exemplified by a storage reduction type NOx catalyst and a selective reduction type NOx catalyst.
The NOx storage reduction catalyst is a catalyst that absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and releases and reduces the absorbed NOx when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases. The carrier was selected from, for example, alkali metal such as potassium K, sodium Na, lithium Li, and cesium Cs, alkaline earth such as barium Ba and calcium Ca, and rare earth such as lanthanum La and yttrium Y. An example is one in which at least one and a noble metal such as platinum Pt are supported.
[0018]
The selective reduction type NOx catalyst refers to a catalyst that reduces or decomposes NOx in the presence of hydrocarbons in an oxygen-excess atmosphere. For example, a catalyst in which a transition metal such as Cu is ion-exchanged on a zeolite, zeolite, or alumina Includes a catalyst carrying a noble metal.
[0019]
The present invention is applicable to an internal combustion engine capable of lean combustion, such as a diesel engine or a lean burn gasoline engine.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an internal combustion engine provided with a variable valve mechanism according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS. In the following embodiments, the present invention is applied to a gasoline engine for driving a vehicle as an internal combustion engine.
[0021]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine and its intake / exhaust system according to the present embodiment. The internal combustion engine shown in FIG. 1 is a direct-injection, water-cooled, four-cylinder, four-cycle gasoline engine 1 capable of lean combustion.
[0022]
The engine 1 includes a cylinder block 1b in which four cylinders 21 and a cooling water channel 1c are formed, and a cylinder head 1a fixed to the upper portion of the cylinder block 1b.
[0023]
A crankshaft 23, which is an engine output shaft, is rotatably supported on the cylinder block 1b. The crankshaft 23 is connected to pistons 22 slidably mounted in the respective cylinders 21 via connecting rods 19. It is connected.
[0024]
A combustion chamber 24 surrounded by the top surface of the piston 22 and the wall surface of the cylinder head 1 a is formed above the piston 22 of each cylinder 21. A spark plug 25 is attached to the cylinder head 1 a so as to face the combustion chamber 24 of each cylinder 21. An igniter 25 a for applying a drive current to the spark plug 25 is electrically connected to the spark plug 25. It is connected.
[0025]
A fuel injection valve 32 is attached to the cylinder head 1a with its injection hole facing the combustion chamber 24. In the engine 1, fuel is directly injected into the combustion chamber 24 from the fuel injection valve 32. The
[0026]
Two open ends of the intake port 26 and two open ends of the exhaust port 27 are formed at a portion of the cylinder head 1a facing the combustion chamber 24 of each cylinder 21. One intake port 26 of the two intake ports is constituted by a straight port formed by linearly extending the intake passage with respect to the combustion chamber 24, and the other intake port 26 is used for intake air introduced into the cylinder. It consists of a helical port formed to generate a swirl flow.
[0027]
An intake valve 28 that opens and closes each open end of the intake port 26 and an exhaust valve 29 that opens and closes each open end of the exhaust port 27 are attached to the cylinder head 1a so as to be movable back and forth.
[0028]
In the cylinder head 1 a, an electromagnetic drive mechanism 30 (hereinafter referred to as an intake side electromagnetic drive mechanism 30) that drives the intake valve 28 forward and backward using electromagnetic force generated when an excitation current is applied is provided. The same number is provided. Each intake side electromagnetic drive mechanism 30 is electrically connected to a drive circuit 30a (hereinafter referred to as an intake side drive circuit 30a) for applying an excitation current to the intake side electromagnetic drive 30.
[0029]
The cylinder head 1a has an electromagnetic drive mechanism 31 (hereinafter referred to as an exhaust side electromagnetic drive mechanism 31) that drives the exhaust valve 29 forward and backward using electromagnetic force generated when an excitation current is applied. The same number as the valve 29 is provided. Each exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 is electrically connected to a drive circuit 31 a (hereinafter referred to as an exhaust side electromagnetic drive mechanism 31) for applying an excitation current to the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31.
[0030]
The exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 constitutes a variable valve mechanism in this embodiment.
The configurations of the intake side electromagnetic drive mechanism 30 and the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 will be described in detail later.
[0031]
An intake manifold 33 having four branch pipes is connected to the cylinder head 1 a of the engine 1, and an intake port 26 of each cylinder 21 is connected to each branch pipe of the intake manifold 33.
[0032]
A branch pipe of the intake manifold 33 communicating with the intake port 26 of the straight port is provided with a swirl control valve 17 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the branch pipe. The swirl control valve is composed of a step motor or the like, and an SCV actuator 17a that opens and closes the swirl control valve 17 according to the magnitude of the applied current, and an SCV position that outputs an electric signal corresponding to the opening degree of the swirl control valve 17. A sensor 17b is attached.
[0033]
The intake manifold 33 is connected to a surge tank 34 for suppressing intake air pulsation. The surge tank 34 is connected via an intake pipe 35 to an air cleaner box 36 for removing dust and dirt in the intake air.
[0034]
An air flow meter 44 that outputs an electrical signal corresponding to the mass of air flowing through the intake pipe 35 (intake air mass) is attached to the intake pipe 35. A throttle valve 39 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 35 is provided downstream of the air flow meter 44 in the intake pipe 35.
[0035]
The throttle valve 39 is composed of a stepper motor or the like, and a throttle actuator 40 that opens and closes the throttle valve 39 according to the magnitude of applied power, and a throttle position sensor 41 that outputs an electrical signal corresponding to the opening of the throttle valve 39. An accelerator position sensor 43 that is mechanically connected to the accelerator pedal 42 and outputs an electric signal corresponding to the operation amount of the accelerator pedal 42 is attached.
[0036]
On the other hand, an exhaust manifold 45 having four branch pipes is connected to the cylinder head 1 a of the engine 1, and each branch pipe of the exhaust manifold 45 is connected to an exhaust port 27 of each cylinder 21.
[0037]
The exhaust manifold 45 is connected to a casing 46 that houses an NOx storage reduction catalyst (lean NOx catalyst) 46a. The casing 46 is connected to a muffler (not shown) via an exhaust pipe 47.
[0038]
The NOx storage reduction catalyst 46a (hereinafter sometimes abbreviated as NOx catalyst 46a) is made of, for example, alumina (Al ₂ O _Three ) On the support, and selected from alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li and cesium Cs, alkaline earths such as barium Ba and calcium Ca, and rare earths such as lanthanum La and yttrium Y. At least one of these and a noble metal such as platinum Pt are supported.
[0039]
The NOx catalyst 46a is a three-way active function that simultaneously purifies HC, CO, and NOx contained in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst 46a is a predetermined air-fuel ratio in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio. And the NOx contained in the exhaust gas is occluded when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst 46a is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is richer than the stoichiometric air-fuel ratio. NOx stored at that time is released, and the released NOx is immediately reacted with unburned HC or CO in the exhaust gas to produce N ₂ And a NOx absorption / reduction function for reducing to NOx.
[0040]
Therefore, when the NOx catalyst 46a is provided in the exhaust passage of the engine 1 capable of lean combustion, HC, CO, and NOx in the exhaust gas can be purified by appropriately controlling the air-fuel ratio of the exhaust gas. In this embodiment, the amount of NOx absorbed by the NOx catalyst 46a is estimated from the history of the operating state of the engine 1, and when the estimated NOx amount reaches a predetermined value set in advance, the exhaust gas is temporarily emptied. The exhaust gas is caused to flow through the NOx catalyst 46a with a rich air-fuel ratio and the NOx absorbed by the NOx catalyst 46a is released. ₂ I'm trying to reduce it. A method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas will be described in detail later.
[0041]
Here, the air-fuel ratio of the exhaust gas means the ratio of the total amount of air supplied to the exhaust passage, engine combustion chamber, intake passage, etc. upstream of the NOx catalyst 46a and the total amount of fuel (hydrocarbon). Shall mean. Therefore, when fuel, reducing agent, or air is not supplied into the exhaust passage upstream of the NOx catalyst 46a, the air-fuel ratio of the exhaust gas matches the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the engine combustion chamber.
[0042]
An air-fuel ratio sensor 48 that outputs an electric signal corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the exhaust manifold 45, in other words, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx catalyst 46a is attached to the collecting pipe of the exhaust manifold 45. It has been.
[0043]
An exhaust temperature sensor 49 that outputs an electrical signal corresponding to the temperature of the exhaust gas flowing out from the NOx catalyst 46a is attached to a portion of the exhaust pipe 47 that is located immediately downstream of the NOx catalyst 46a. In this embodiment, the exhaust gas temperature detected by the exhaust temperature sensor 49 is used as the catalyst bed temperature of the NOx catalyst 46a.
[0044]
The engine 1 is formed inside the engine 1 and a crank position sensor 51 including a timing rotor 51a attached to an end of the crankshaft 23 and an electromagnetic pickup 51b attached to a cylinder block 1b in the vicinity of the timing rotor 51a. And a water temperature sensor 52 attached to the cylinder block 1b for detecting the temperature of the cooling water flowing through the cooling water channel 1c.
[0045]
Here, the intake-side electromagnetic drive mechanism 30 and the exhaust-side electromagnetic drive mechanism 31 described above will be described. Since the intake side electromagnetic drive mechanism 30 and the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 have the same configuration, the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 will be described as an example, and description of the intake side electromagnetic drive mechanism 30 will be omitted.
[0046]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the exhaust-side electromagnetic drive mechanism 31. In FIG. 2, the cylinder head 1 a of the engine 1 includes a lower head 10 fixed to the upper surface of the cylinder block 1 b and an upper head 11 provided on the upper portion of the lower head 10.
[0047]
The lower head 10 is formed with the two exhaust ports 27 described above for each cylinder 21, and the valve body 29 a of the exhaust valve 29 is seated at the opening end of each exhaust port 27 on the combustion chamber 24 side. The valve seat 12 is provided.
[0048]
The lower head 10 is formed with a through hole having a circular cross section that penetrates from the inner wall surface of each exhaust port 27 to the upper surface of the lower head 10. A cylindrical valve guide 13 is inserted and fixed in the through hole. A valve shaft 29b of the exhaust valve 29 passes through the valve guide 13 so as to be movable back and forth in the axial direction.
[0049]
The upper head 11 is provided with a core mounting hole 14 having a circular cross section concentrically with the valve guide 13. The core mounting hole 14 is configured such that a portion facing the lower head 10 is a large diameter portion 14b having a large hole diameter, and a small diameter portion 14a having a smaller diameter than the large diameter portion 14b is connected to the upper portion of the large diameter portion 14b. Has been.
[0050]
An annular first core 301 and second core 302 made of a soft magnetic material are fitted in the small-diameter portion 14a in series in the axial direction with a predetermined gap 303 interposed therebetween. A flange 301a or a flange 302a is formed at the upper end of the first core 301 and the lower end of the second core 302, and the first core 301 is from above and the second core 302 is from below the core mounting hole 14 respectively. The flange 301a and the flange 302a are in contact with the upper edge or the lower edge of the small diameter portion 14a so that the first core 301 and the second core 302 are positioned, and the gap 303 is set at a predetermined distance. It is supposed to be retained.
[0051]
A cylindrical upper cap 305 is attached above the first core 301. The upper cap 305 is fixed to the upper surface of the upper head 11 by passing a bolt 304 through a flange portion 305 a formed at the lower end thereof. Here, the lower end of the upper cap 305 including the flange portion 305 a is fixed in contact with the peripheral edge of the upper surface of the first core 301, whereby the first core 301 is fixed to the upper head 11.
[0052]
On the other hand, a lower cap 307 made of an annular body having an outer diameter substantially the same diameter as the large diameter portion 14 b of the core attachment hole 14 is attached to the lower portion of the second core 302. The lower cap 307 is fixed by a bolt 306 to a step surface formed at the boundary between the small diameter portion 14a and the large diameter portion 14b. Here, the lower cap 307 is fixed in contact with the peripheral edge of the lower surface of the second core 302, whereby the second core 302 is fixed to the upper head 11.
[0053]
A first electromagnetic coil 308 is attached to the groove formed on the end surface on the gap 303 side of the first core 301, and the second core 302 has a second groove on the end surface on the gap 303 side. An electromagnetic coil 309 is attached. The first electromagnetic coil 308 and the second electromagnetic coil 309 are disposed to face each other with a gap 303 therebetween, and the first and second electromagnetic coils 308 and 309 are electrically connected to the exhaust-side drive circuit 31a. Connected.
[0054]
Arranged in the gap 303 is an armature 311 made of a disk-shaped soft magnetic material having an outer diameter smaller than the inner diameter of the gap 303. In the center of the armature 311, an armature shaft 310 is fixed in a penetrating manner. The armature shaft 310 has an upper half passing through the hollow portion of the first core 301 and projecting an upper end thereof into the upper cap 305, and a lower half penetrating the hollow portion of the second core 302 and lower end thereof. Is protruded into the large-diameter portion 14b and is held by the first core 301 and the second core 302 so as to be movable back and forth in the axial direction.
[0055]
A disk-shaped upper retainer 312 is fixed to an upper end portion of the armature shaft 310 protruding into the upper cap 305, and an adjustment bolt 313 is screwed into an upper opening portion of the upper cap 305. An upper spring 314 is interposed between the upper retainer 312 and the adjustment bolt 313 with a spring seat 315 interposed on the adjustment bolt 313 side. The armature shaft 310 and the armature 311 are attached to the core by the upper spring 314. The hole 14 is biased in a direction approaching the large diameter portion 14b (that is, downward in FIG. 2).
[0056]
On the other hand, the upper end portion of the valve shaft 29b of the exhaust valve 29 is in contact with the lower end portion of the armature shaft 310 protruding into the large diameter portion 14b. A disc-shaped lower retainer 29c is fixed to the upper end portion of the valve shaft 29b, and a lower spring 316 is sandwiched between the lower retainer 29c and the lower head 10, and the exhaust valve 29 is closed by the lower spring 316. It is biased in the direction (ie, upward in FIG. 2). As a result, the upper end of the valve shaft 29b of the exhaust valve 29 comes into contact with the lower end of the armature shaft 310, and the armature shaft 310 and the armature 311 are separated from the large diameter portion 14b of the core mounting hole 14 (ie, upward in FIG. 2). Energize.
[0057]
In the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 configured as described above, when no excitation current is applied from the exhaust side drive circuit 31a to the first electromagnetic coil 308 and the second electromagnetic coil 309, the armature 311 has The upper spring 314 urges the armature 311 downward (ie, the direction in which the exhaust valve 29 is opened), and the lower spring 316 applies the armature 311 upward (ie, in the direction in which the exhaust valve 29 is closed). The armature 311 is elastically supported and held in a neutral state at a position where the energizing force acts and these energizing forces are balanced.
[0058]
The urging force of the upper spring 314 and the lower spring 316 is set so that the neutral position of the armature 311 coincides with the intermediate position between the first core 301 and the second core 302 in the gap 303. When the neutral position of the armature 311 deviates from the above-described intermediate position due to tolerance, aging, etc., the adjustment bolt 313 can be adjusted so that the neutral position of the armature 311 matches the above-described intermediate position. .
[0059]
The axial lengths of the armature shaft 310 and the valve shaft 29b are such that when the armature 311 is positioned at the intermediate position of the gap 303, the valve body 29a is positioned between the fully open side displacement end and the fully closed side displacement end. (Hereinafter, referred to as a middle open position).
[0060]
In the exhaust-side electromagnetic drive mechanism 31 configured as described above, when an excitation current is applied to the first electromagnetic coil 308 from the exhaust-side drive circuit 31a, the first core 301, the first electromagnetic coil 308, and the armature. When an electromagnetic force in the direction of displacing the armature 311 toward the first core 301 is generated between the second armature 311 and the excitation current is applied to the second electromagnetic coil 309 from the exhaust side drive circuit 31a, the second An electromagnetic force is generated between the core 302, the second electromagnetic coil 309, and the armature 311 in a direction that displaces the armature 311 toward the second core 302.
[0061]
Therefore, in the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31, the armature 311 and the armature shaft 310 are applied by alternately applying the excitation current from the exhaust side drive circuit 31a to the first electromagnetic coil 308 and the second electromagnetic coil 309. The valve shaft 29b is driven to advance and retract in synchronization with the advance and retreat operation. As a result, the valve element 29a is driven to open and close.
[0062]
At that time, the opening / closing timing of the exhaust valve 29 can be controlled by changing the excitation current application timing and the excitation current magnitude for the first electromagnetic coil 308 and the second electromagnetic coil 309.
[0063]
Further, a valve lift sensor 317 for detecting the displacement of the exhaust valve 29 is attached to the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31. The valve lift sensor 317 includes a disk-shaped target 317 a attached to the upper surface of the apparator 312 and a gap sensor 317 b attached to a portion of the adjustment bolt 313 facing the apparator 312.
[0064]
In the valve lift sensor 317 configured as described above, the target 317a is displaced integrally with the armature 311 and the gap sensor 317b outputs an electrical signal corresponding to the distance between the gap sensor 317b and the target 317a.
[0065]
At this time, the output signal value of the gap sensor 317b when the armature 311 is in the neutral state is stored in advance, and the difference between the output signal value and the output signal value of the gap sensor 317b at the present time is calculated, thereby obtaining the armature. 311 and the displacement of the exhaust valve 29 can be specified.
[0066]
The engine 1 is provided with an electronic control unit (ECU) 20 for controlling the operating state of the engine 1.
The ECU 20 comprises a digital computer, and as shown in FIG. 3, a CPU (Central Processor Unit) 401, a ROM (Read Only Memory) 402, a RAM (Random Access Memory) 403, and an input port connected to each other via a bidirectional bus 400. 405 and an output port 406, and an A / D converter (A / D) 407 connected to the input port 405.
[0067]
The output port 405 of the ECU 20 is output from the SCV position sensor 17b, the throttle position sensor 41, the accelerator cell position sensor 43, the air flow meter 44, the air-fuel ratio sensor 48, the exhaust gas temperature sensor 49, the water temperature sensor 52, the valve lift sensor 317, and the like. The analog signal is converted into a digital signal by the A / D converter 407 and input. A digital signal output from the crank position sensor 51 is directly input to the input port 405 of the ECU 20.
[0068]
The output port 406 of the ECU 20 is electrically connected to the SCV actuator 17a, the igniter 25a, the intake side drive circuit 30a, the exhaust side drive circuit 31a, the fuel injection valve 32, the throttle actuator 40, and the like.
[0069]
The ROM 402 of the ECU 20 has a fuel injection amount control routine for determining the fuel injection amount, a fuel injection timing control routine for determining the fuel injection timing, and an ignition timing for determining the ignition timing of the spark plug 25 of each cylinder 21. Control routine, throttle opening control routine for determining the opening of the throttle valve 39, SCV opening control routine for determining the opening of the swirl control valve 17, intake air for determining the opening / closing timing of the intake valve 28 Valve opening / closing timing control routine, exhaust valve opening / closing timing control routine for determining the opening / closing timing of the exhaust valve 29, intake side excitation current control routine for determining the amount of excitation current to be applied to the intake side electromagnetic drive mechanism 30, exhaust Exhaust side excitation current amount control level for determining the amount of excitation current to be applied to the side electromagnetic drive mechanism 31 Stores such as Chin such as an application program.
[0070]
Further, the ROM 402 of the ECU 20 stores various control maps in addition to the application programs described above. For example, a fuel injection amount control map showing the relationship between the operating state of the engine 1 and the fuel injection amount, a fuel injection timing control map showing the relationship between the operating state of the engine 1 and the fuel injection timing, the operating state of the engine 1 and each ignition An ignition timing control map showing the relationship between the ignition timing of the plug 25, a throttle opening control map showing the relationship between the operating state of the engine 1 and the opening of the throttle valve 39, the operating state of the engine 1 and the opening of the swirl control valve 17 SCV opening control map showing the relationship between the engine 1 and the intake valve opening / closing timing control map showing the relationship between the operating state of the engine 1 and the opening / closing timing of the intake valve 28, and the operating state of the engine 1 and the opening / closing timing of the exhaust valve 29 Exhaust valve opening / closing timing control map showing the relationship, the operating state of the engine 1 and the intake side electromagnetic drive mechanism 30 and the exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 A magnetizing current amount control map or the like showing the relationship between should do magnetizing current amount.
[0071]
The RAM 403 stores output signals of the sensors, calculation results of the CPU 401, and the like. The calculation result is, for example, the engine speed calculated based on the output signal of the crank position sensor 51. Various data stored in the RAM 403 is rewritten to the latest data every time the crank position sensor 51 outputs a signal.
[0072]
The backup RAM 45 is a non-volatile memory that retains data even after the operation of the engine 1 is stopped, and stores learning values related to various controls.
The CPU 401 operates in accordance with an application program stored in the ROM 402, and executes fuel injection control, ignition control, throttle control, swirl control, intake / exhaust valve opening / closing control, and the like.
[0073]
At that time, the CPU 401 determines the operating state of the engine 1 using output signal values of the crank position sensor 51, the accelerator position sensor 43, the air flow meter 44, and the like as parameters, and performs combustion in the engine 1 according to the determined operating state. Control.
[0074]
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the operating state (engine load and engine speed) of the engine 1 and the combustion state. Combustion in the engine 1 will be described with reference to this figure.
[0075]
When the CPU 401 determines that the operation state of the engine 1 is in the low load operation region (A region in FIG. 4), the CPU 401 controls the combustion in the engine 1 to be stratified combustion. In order to realize this stratified combustion, the CPU 401 transmits a control signal to the SCV actuator 17a to reduce the opening of the swirl control valve 17, and transmits a control signal to the actuator 40 to substantially fully open the throttle valve 39. Further, the compression stroke injection is performed by applying a drive current to the fuel injection valve 32 during the compression stroke of each cylinder.
[0076]
In this case, fresh air is introduced into the combustion chamber 24 of each cylinder mainly from the intake port 26 of the helical port during the intake stroke, and a strong swirl flow (swirl flow) is generated. In the subsequent compression stroke, the fuel injected from the fuel injection valve 32 turns in the combustion chamber 24 in accordance with the swirl flow and moves to the vicinity of the spark plug 25 at a predetermined timing. At this time, the combustion chamber 24 is in a so-called stratified state in which a combustible air-fuel mixture layer is formed in the vicinity of the spark plug 25 and an air layer is formed in the surrounding region, and as a whole, a very lean air-fuel mixture is formed. . Then, the CPU 401 ignites the spark plug 25 at the predetermined time. As a result, the air-fuel mixture (including the combustible air-fuel mixture layer and the air layer) in the combustion chamber 24 burns using the combustible air-fuel mixture layer near the spark plug 25 as an ignition source.
[0077]
The fuel injection amount during the stratified combustion operation is determined using the accelerator opening and the engine speed as parameters. That is, the CPU 401 calculates the fuel injection amount (fuel injection time) using the stratified combustion fuel injection control map showing the relationship between the output signal value (accelerator opening) of the accelerator position sensor 43, the engine speed, and the fuel injection amount. decide.
[0078]
Here, the air-fuel ratio during the stratified combustion operation is set to 25 to 50, and the fuel injection amount (fuel injection time) of the stratified combustion injection control map is set correspondingly.
[0079]
Further, when the CPU 401 determines that the operating state of the engine 1 is in the medium load operating region (C region in FIG. 4), the CPU 401 controls the combustion in the engine 1 to be homogeneous lean combustion. In order to realize this homogeneous lean combustion, the CPU 401 transmits a control signal to the SCV actuator 17a to reduce the opening of the swirl control valve 17, and further applies a drive current to the fuel injection valve 32 during the intake stroke of each cylinder. Intake stroke injection. In this case, a lean air-fuel mixture in which fresh air and fuel are homogeneously mixed is formed over substantially the entire area in the combustion chamber 24 of each cylinder, and homogeneous lean combustion is realized.
[0080]
The fuel injection amount and the intake air amount during the homogeneous lean combustion operation are determined using the accelerator opening and the engine speed as parameters. That is, the CPU 401 uses the homogeneous lean combustion fuel injection control map showing the relationship between the output signal value of the accelerator position sensor 43 (accelerator opening), the engine speed, and the fuel injection amount, and the fuel injection amount (fuel injection time). And the throttle opening (intake) using a throttle control map during homogeneous lean combustion showing the relationship between the output signal value (accelerator opening) of the accelerator position sensor 43, the engine speed and the throttle opening (intake air amount). Determine the air volume.
[0081]
Here, the air-fuel ratio at the time of the homogeneous lean combustion operation is set to 15 to 23. Correspondingly, the fuel injection amount (fuel injection time) of the fuel injection control map at the time of homogeneous lean combustion, and the throttle at the time of homogeneous lean combustion. The throttle opening (intake air amount) in the control map is set.
[0082]
When the CPU 401 determines that the operating state of the engine 1 is in the high load operating region (D region in FIG. 4), the combustion in the engine 1 is homogeneously combusted by the air-fuel mixture near the stoichiometric air-fuel ratio (hereinafter referred to as this). Is referred to as homogeneous stoichiometric combustion). In order to realize this homogeneous stoichiometric combustion, the CPU 401 transmits a control signal to the SCV actuator 17a to fully open the swirl control valve 17, and the throttle valve 39 depresses the accelerator pedal 42 (the output signal value of the accelerator position sensor 43). The control signal is transmitted to the actuator 40 so that the opening degree corresponds to), and a drive current is applied to the fuel injection valve 32 during the intake stroke of each cylinder to perform the intake stroke injection. In this case, an air-fuel mixture in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio in which fresh air and fuel are homogeneously mixed is formed over substantially the entire area in the combustion chamber 24 of each cylinder, and homogeneous stoichiometric combustion is realized.
[0083]
The fuel injection amount during the homogeneous stoichiometric combustion operation is determined using the accelerator opening and the engine speed as parameters. In other words, the CPU 401 uses the homogeneous stoichiometric combustion fuel injection control map showing the relationship between the output signal value of the accelerator position sensor 43 (accelerator opening), the engine speed, and the fuel injection amount, and the fuel injection amount (fuel injection time). To decide.
[0084]
Here, the air-fuel ratio during the homogeneous stoichiometric combustion operation is set to 12 to 14.6, and the fuel injection amount (fuel injection time) in the homogeneous stoichiometric combustion control control map is set correspondingly.
[0085]
Further, when the CPU 401 determines that the operation state of the engine 1 is in a region between the low load operation region and the medium load operation region (B region in FIG. 4), the combustion in the engine 1 is weakly stratified combustion. To control. In order to realize this weakly stratified combustion, the CPU 401 sends a control signal to the SCV actuator 17a to open the swirl control valve 17 at a predetermined opening, and is divided into two times, the compression stroke and the intake stroke of each cylinder. A drive current is applied to the fuel injection valve 32. In this case, in the combustion chamber 24 of each cylinder, a combustible air-fuel mixture layer is formed in the vicinity of the spark plug 25, and a lean air-fuel mixture layer is formed in the surrounding region, thereby realizing so-called weak stratified combustion. . This weak stratified combustion prevents torque fluctuations in the engine 1 when shifting from stratified combustion control to homogeneous combustion control or when shifting from homogeneous combustion control to stratified combustion control. The air-fuel ratio during this weak stratified combustion operation is set to 20-30.
[0086]
By the way, when the engine 1 is in a lean combustion operation, that is, when the combustion control in the engine 1 is the stratified combustion control, weak stratified combustion control or homogeneous lean combustion control described above, the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the lean air-fuel ratio. Therefore, nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas is occluded in the NOx catalyst 46a. However, when the lean combustion operation of the engine 1 is continued for a long time, the NOx occlusion capacity of the NOx catalyst 46a is increased. There is a possibility that NOx in the exhaust gas is saturated and released into the atmosphere without being removed or purified by the NOx catalyst 46a.
[0087]
Therefore, the CPU 401 estimates the NOx amount absorbed by the NOx catalyst 46a from the history of the operating state of the engine 1, and when the estimated NOx amount reaches a predetermined value set in advance, the rich air-fuel ratio exhaust gas is converted into NOx. The NOx occluded in the NOx catalyst 46a is released by flowing into the catalyst 46a (this is referred to as a rich spike), and N ₂ To reduce.
[0088]
In this embodiment, as a method for enriching the air-fuel ratio of the exhaust gas and supplying HC to the NOx catalyst 46a, the exhaust valve 29 is opened once before entering the normal exhaust stroke to burn the fuel gas before combustion. A method of discharging from the room is adopted.
[0089]
Hereinafter, the exhaust air-fuel ratio enrichment process by opening the exhaust valve 29 twice will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a timing chart showing the opening / closing timing of the intake valve 28 and the exhaust valve 29 during the stratified fuel operation, FIG. 5 (a) shows the opening / closing timing of the intake valve 28, and FIG. 5 (b) shows the normal time (NOx). FIG. 5C shows the opening / closing timing of the exhaust valve 29 when NOx is released (rich spike).
[0090]
As shown in FIG. 5B, during stratified combustion, the CPU 401 normally controls the intake-side electromagnetic drive mechanism 30 so that the intake valve 28 is opened from the vicinity of the exhaust stroke top dead center to the vicinity of the intake stroke bottom dead center. Then, intake is performed, fuel is injected into the combustion chamber 24 by controlling the fuel injection valve 32 to be opened near the compression stroke top dead center, and then the ignition plug 25 is ignited near the compression stroke top dead center. The exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 is controlled so that the exhaust valve 29 is opened before the bottom dead center of the expansion stroke and closed near the top dead center of the exhaust stroke. The exhaust gas generated by the combustion is discharged from the combustion chamber 24. Thus, normally, at the time of stratified combustion, the exhaust valve 29 is only opened and closed once in one cycle.
[0091]
However, even if the operating state of the engine 1 is the stratified combustion region, as described above, the CPU 401 should execute the rich spike because the amount of NOx absorbed by the NOx catalyst 46a has reached a predetermined value set in advance. When the determination is made, the CPU 401, in addition to the above-described opening / closing for exhaust, as shown in FIG. 5C, immediately after fuel injection and before the top dead center of the compression stroke, The exhaust side electromagnetic drive mechanism 31 is controlled so as to be opened only.
[0092]
Thus, when the exhaust valve 29 is opened immediately after fuel injection, a part of the fuel injected from the fuel injection valve 32 into the combustion chamber 24 passes from the combustion chamber 24 through the exhaust valve 29 to the exhaust port 27 before combustion. As a result, the rich air-fuel ratio raw gas containing a large amount of HC before combustion can flow to the NOx catalyst 46a, that is, the rich spike is executed. As a result, the NOx stored in the NOx catalyst 46a is released and N ₂ Reduced to
[0093]
As described above, when the rich spike is executed by opening the exhaust valve 29 twice, the rich spike can be executed immediately when necessary. Compared to the case where the air-fuel ratio is gradually changed as in the prior art, The deterioration of fuel consumption can be kept low, and the NOx purification rate is improved.
[0094]
For the purpose of introducing the raw gas before combustion into the NOx catalyst 46a as described above, the opening of the exhaust valve 29 immediately after fuel injection is preferably terminated before ignition by the spark plug 25. .
[0095]
However, in this embodiment, the exhaust valve 29 for the rich spike is opened immediately after fuel injection. However, before the fuel injection or during the fuel injection, the exhaust valve 29 starts to open and the fuel thereafter It is also possible to control to close the exhaust valve 29 during the injection or after the fuel injection. That is, the opening / closing timing of the exhaust valve 29 is controlled so that a part of the fuel injected into the combustion chamber 24 is discharged from the combustion chamber 24 before it completely burns, preferably before ignition of the spark plug 25. That's fine.
[0096]
Further, the opening period of the exhaust valve 29 during the rich spike can be controlled to increase as the engine speed or the engine load increases.
[0097]
In this embodiment, the double opening control is executed for all the exhaust valves 29 of all cylinders as described above. However, the double opening control is performed only for the exhaust valves 29 of some cylinders. It is also possible to perform the opening control so that the exhaust valve 29 is not opened twice for the remaining cylinders. It is also possible to execute the double opening control only for one of the two exhaust valves 29 in one cylinder.
[0098]
In the above description, the case where the rich spike is executed during the stratified combustion operation has been described as an example. However, the exhaust valve 29 is set twice at the same timing in the weak stratified combustion operation or the homogeneous lean operation. It is possible to execute rich spike by controlling to open.
[0099]
【The invention's effect】
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, in the internal combustion engine having a variable valve mechanism that is provided with a lean NOx catalyst in the exhaust system and that can change the opening / closing timing of the exhaust valve, the lean NOx catalyst By controlling the variable valve mechanism so that the exhaust valve is opened between the time of fuel injection and the start of the exhaust stroke when a reducing agent is required, the pre-combustion injected into the combustion chamber is controlled. An excellent effect that a part of the fuel can be introduced into the lean NOx catalyst is exhibited. Moreover, since the lean NOx catalyst can be immediately executed when a reducing agent is required, the purification rate of the lean NOx catalyst can be improved and the deterioration of fuel consumption can be suppressed to a low level.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine having a variable valve mechanism according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an internal configuration of an exhaust-side electromagnetic drive mechanism.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of an ECU.
FIG. 4 is a view showing a relationship among an engine speed, an engine load, and a combustion state of the internal combustion engine.
FIG. 5 is a timing chart showing opening / closing timings of intake / exhaust valves.
[Explanation of symbols]
1 engine (internal combustion engine)
20 ECU
29 Exhaust valve
31 Exhaust side electromagnetic drive mechanism (variable valve mechanism)
31a Exhaust side drive circuit
46 Casing (exhaust system)
46a NOx storage reduction catalyst (lean NOx catalyst)
47 Exhaust pipe (exhaust system)

Claims

In an internal combustion engine provided with a variable valve mechanism that is provided with a lean NOx catalyst in the exhaust system and can change the opening and closing timing of the exhaust valve,
When a reducing agent is required for the lean NOx catalyst , fuel is supplied into the cylinder in addition to the main opening / closing operation that opens and closes the exhaust valve in the period from the vicinity of the expansion stroke bottom dead center to the vicinity of the intake stroke top dead center. The variable valve mechanism is controlled so that a sub-opening / closing operation for opening / closing the exhaust valve is performed during a period from when the main opening / closing operation is started until the main opening / closing operation is started. organ.

The opening period of the auxiliary switching operation definitive the exhaust valve, an internal combustion engine equipped with a variable valve mechanism according to claim 1, characterized in that it is longer as the engine speed or engine load increases.

The closing timing of the exhaust valves definitive in auxiliary switching operation, an internal combustion engine equipped with a variable valve mechanism according to claim 1 or 2, characterized in that it is set before ignition.

The internal combustion engine having the variable valve mechanism according to any one of claims 1 to 3, wherein the variable valve mechanism is an electromagnetic drive mechanism that opens and closes an exhaust valve using electromagnetic force. .