JP2001289075A

JP2001289075A - 可変動弁機構を備えた内燃機関

Info

Publication number: JP2001289075A
Application number: JP2000107100A
Authority: JP
Inventors: Keiji Yotsueda; 啓二四重田; Kiyoshi Nakanishi; 清中西; Yoshihiro Iwashita; 義博岩下; Kazuhiko Shiratani; 和彦白谷; Masaji Katsumata; 正司勝間田; Masato Ogiso; 誠人小木曽; Hideyuki Nishida; 秀之西田; Tomoumi Yamada; 智海山田; Takamitsu Asanuma; 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: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】排気弁の開弁時期を遅角制御することにより
排気ガス温度を昇温する。【解決手段】排気弁を電磁駆動機構で駆動する内燃機
関において、排気ガス温度を上昇させたいときには、排
気弁の開弁時期をピストン下死点よりも遅角させるよう
に制御する。すると、排気弁が開弁するまでの間に燃焼
室内の排気ガスがピストンによって圧縮されるので、そ
の時に生じる圧縮熱によって排気ガスが昇温する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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】内燃機関から排出される排気ガス中の有
害成分の大気への排出量を低減するための一手段とし
て、触媒の酸化作用あるいは還元作用を利用して有害成
分を浄化するシステムがある。

【０００３】一般に、この種の触媒には活性温度範囲が
あり、触媒床温がこの活性温度範囲よりも低いときには
排気ガス中の有害成分を浄化する能力が低い。したがっ
て、内燃機関の始動時などにおいて触媒床温が活性温度
に達していないときには、何らかの手段を用いて触媒を
早期に昇温する必要がある。

【０００４】一方、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれ
ており、燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼して
ＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄酸化物（ＳＯx）が発生し、こ
れも排気ガス成分となる。このＳＯxを含む排気ガスが
前記触媒に流れると、ＳＯxは触媒に吸収されて硫酸塩
などになり易く、この硫酸塩は安定しているため、分
解、放出されにくく、触媒内に蓄積し易い傾向がある。
触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、触媒が排気ガス中
の他の有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯx）を浄化する能力
を低下させる。これがいわゆる硫黄被毒（Ｓ被毒あるい
はＳＯx被毒ということもある）である。

【０００５】触媒の排気浄化能力を長期に亘って高く維
持するためには、触媒に蓄積されているＳＯxを該触媒
から分解、放出させてＳ被毒から回復させる必要があ
る。触媒をＳ被毒から回復させるには、触媒床温をＳＯ
x放出可能な所定温度（以下、これをＳＯx放出温度とい
う）以上の高温にする必要がある。逆に、内燃機関が比
較的に軽負荷で連続運転されると、排気ガス温度が低い
ために触媒が前記ＳＯx放出温度以上にならず、そのた
め、触媒にＳＯxが蓄積され易い。

【０００６】したがって、触媒に対してＳ被毒回復処理
を実行するときに該触媒の触媒床温が前記ＳＯx放出温
度以上でないときには、何らかの手段を用いて触媒を昇
温する必要がある。さらに、内燃機関においては、上述
した場合以外にも種々の目的から排気ガス温度を上げた
い場合がある。

【０００７】ところで、内燃機関の排気通路に設置され
た触媒の床温はそこを流れる排気ガスの温度に大きく依
存するため、触媒の昇温方法として、排気ガスの温度が
上昇するように内燃機関を運転し、この排気ガスを触媒
に流すことにより該触媒を所望の温度まで昇温する方法
がある。

【０００８】例えば、特開平５−５９９３６号公報に
は、吸気弁あるいは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おける排気ガス
温度の昇温制御方法が開示されている。

【０００９】この公報によれば、内燃機関の始動時に触
媒を暖機したい場合には、可変動弁機構の作動により排
気弁の閉弁時期を遅くして吸気弁と排気弁の両方が同時
に開いている期間（いわゆるバルブオーバーラップ）を
大きくし、これにより燃焼速度を遅くし排気行程直前あ
るいは排気行程初期まで燃焼を続けさせて（いわゆる
「後燃え」させて）排気ガス温度を高くし、この排気ガ
スを触媒に流すことにより触媒の暖機を促進している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たようにバルブオーバーラップの期間を長くして後燃え
により排気ガス温度を上昇させる場合、後燃えは非常に
不安定で制御が難しく、排気ガス温度を所望温度に精密
制御することが困難で、制御性に難があった。

【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、排気弁の開弁直前に燃焼室内の燃焼ガスを圧縮
して排気ガス温度の上昇を図ることにある。

【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、排気ガス温度を上昇すべきときに、前記
排気弁の開弁時期をピストン下死点よりも遅角させるよ
うに前記可変動弁機構を制御することを特徴とする。

【００１３】排気弁の開弁時期をピストン下死点よりも
遅角させると、排気弁が開弁するまでの間に燃焼室内の
排気ガスがピストンによって圧縮されるので、その時に
生じる圧縮熱によって排気ガスが昇温する。

【００１４】本発明において、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せしめる電磁
駆動機構で構成することができ、あるいは、排気カムと
クランクシャフトの位相をずらすことにより排気弁の開
閉時期を変更するカム機構で構成することもできる。

【００１５】本発明において、前記内燃機関の排気系に
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を放出し還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒を設
けることができる。吸蔵還元型ＮＯx触媒は活性温度が
あり、内燃機関を冷間始動するときなど活性温度に達し
ていない場合に、本発明によって排気ガス温度を早期昇
温することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒を早期に活性
化することができる。

【００１６】吸蔵還元型ＮＯx触媒は、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。

【００１７】また、本発明において、前記排気ガス温度
を上昇すべきときは、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒からＳ
Ｏxを放出させるＳＯx被毒回復時とすることができる。
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、燃料に含まれる硫黄分が燃焼
して生成される硫黄酸化物によってＳＯx被毒するが、
このＳＯx被毒から回復するには吸蔵還元型ＮＯx触媒を
所定の高温にしなければならない。そこで、ＳＯx被毒
回復処理を行う時点で吸蔵還元型ＮＯx触媒が前記所定
の高温に達していない場合に、本発明により排気ガス温
度を昇温し、この排気ガスを吸蔵還元型ＮＯx触媒に流
すと、吸蔵還元型ＮＯx触媒を早期に所定温度まで昇温
することができる。

【００１８】

【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。

【００１９】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、希薄燃焼可能な水冷式４気筒４サイクルガソリ
ンエンジン１である。

【００２０】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１
ａとを備えている。

【００２１】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１
９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。

【００２２】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２
５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。

【００２３】前記シリンダヘッド１ａにおいて各気筒２
１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。そして、前記シリンダヘッド１
ａ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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。シリンダヘッド１ａにおい
て吸気マニホールド３３との接続部位の近傍には、燃料
噴射弁３２がその噴孔を吸気ポート２６内に臨ませて取
り付けられている。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】排気マニホールド４５は、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒（以下、ＮＯx触媒と略す場合もある）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４
６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。

【００３３】吸蔵還元型ＮＯx触媒４６ａ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Ｃ
ｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣ
ａ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。

【００３４】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４６
ａ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。

【００３５】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，Ｎ
Ｏx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４
６ａ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、一時的にエンジン
１をリッチ空燃比で運転してリッチ空燃比の排気ガスを
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。

【００３６】尚、排気ガスの空燃比とは、ここではＮＯ
x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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】また、エンジン１は、クランクシャフト２
３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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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２
９の弁体２９ａが着座するための弁座１２が設けられて
いる。

【００４３】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。

【００４４】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１４
ｂの上部に孔径が大径部１４ｂよりも小径の小径部１４
ａが連なって構成されている。

【００４５】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３０
２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。

【００４６】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３０５
ａ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。

【００４７】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３０
２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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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３
１３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。

【００５１】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３１
１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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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３０
３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。

【００５５】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３０
１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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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 Con
trol Unit：ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２
０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。

【００６２】ＥＣＵ２０の入力ポート４０５には、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４
０７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。

【００６３】ＥＣＵ２０の出力ポート４０６は、イグナ
イタ２５ａ、吸気側駆動回路３０ａ、排気側駆動回路３
１ａ、燃料噴射弁３２、スロットル用アクチュエータ４
０等に電気的に接続されている。

【００６４】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、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のほか、この
実施の形態では、ＮＯx触媒４６ａに吸蔵されたＳＯxを
放出・還元するためのＳＯx被毒回復制御ルーチンを記
憶している。

【００６５】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２
５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。

【００６６】ＲＡＭ４０３は、各センサの出力信号やＣ
ＰＵ４０１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。

【００６７】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、ＳＯx被毒回復制御等を実行する。

【００６８】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
状態に応じて各種の制御を実行する。

【００６９】例えば、ＣＰＵ４０１は、エンジン１の運
転状態が低中負荷運転領域にあると判定した場合は、酸
素過剰状態の混合気（リーン空燃比の混合気）による希
薄燃焼運転を実現すべく、スロットル開度、燃料噴射
量、吸気弁２８の開閉タイミング、排気弁２９の開閉タ
イミング、点火時期を制御する。

【００７０】また、エンジン１の運転状態が高負荷運転
領域にあると判定した場合は、ＣＰＵ４０１は、理論空
燃比の混合気（ストイキ混合気）によるストイキ運転を
実現すべく、スロットル開度、燃料噴射量、吸気弁２８
の開閉タイミング、排気弁２９の開閉タイミング、点火
時期を制御する。

【００７１】また、エンジン１が希薄燃焼運転されてい
るときは、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。

【００７２】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、一時的にエンジン１をリッチ空燃比で運転
してリッチ空燃比の排気ガスをＮＯx触媒４６ａに流
し、ＮＯx触媒４６ａに吸収されたＮＯxを放出させ、Ｎ
₂に還元する。

【００７３】また、ＮＯx触媒４６ａは、燃料に含まれ
る硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物によってＳＯ
x被毒することは前述したとおりであり、これに対処す
べく、この実施の形態においては所定の時期にＮＯx触
媒４６ａに対してＳＯx被毒回復処理を実行してＳＯx被
毒から回復させる。

【００７４】ここで、ＳＯx被毒回復処理とは、ＮＯx触
媒４６ａの触媒床温がＳＯx放出温度以下のときにはま
ず昇温処理を実行してＳＯx放出温度以上にし、ＮＯx触
媒４６ａの触媒床温がＳＯx放出温度以上の条件下にお
いて、ＮＯx触媒４６ａに流入する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排気空燃比リッチ
制御を実行し、ＮＯx触媒４６ａからＳＯxを放出し、還
元する一連の処理をいう。

【００７５】そして、この実施の形態では、ＳＯx被毒
回復処理における昇温処理は、図４において実線で示す
ように、排気弁２９の開弁時期をピストン下死点（膨張
行程下死点）よりも十分に遅角させる遅角制御により実
行する。一般に、排気弁２９は、燃焼室２４から排気ガ
スを速やかに排出させるために、図４において破線で示
す如くピストン下死点（図４において２７０゜ＣＡ）よ
りも進角した時期（すなわち、該ピストン下死点に至る
前の時期）を開弁時期としている。しかしながら、ＳＯ
x被毒回復処理を実行するに際してＮＯx触媒４６ａに対
し昇温処理を実行する必要があるときには、排気弁２９
の開弁時期を膨張行程下死点よりも十分に遅角させるこ
とにより、燃焼室２４内で排気ガスを圧縮し、その時に
生じる圧縮熱によって排気ガスを昇温する。

【００７６】これにより、エンジン１の運転状態が同一
条件であっても、排気弁２９の開弁時期を図４において
実線で示すように遅角制御したときには、図４において
破線で示す通常の開弁時期のときよりも、燃焼室２４か
ら排出される排気ガスの温度が高くなる。この排気ガス
をＮＯx触媒４６ａに流すことにより、ＮＯx触媒４６ａ
を速やかにＳＯx放出温度以上に昇温させることができ
る。

【００７７】そして、ＮＯx触媒４６ａの触媒床温がＳ
Ｏx放出温度以上であるという条件を満足したときに、
ＣＰＵ４０１は、前記排気空燃比リッチ制御を実行す
る。

【００７８】次に、この実施の形態におけるＳＯx被毒
回復制御について説明する。ＳＯx被毒回復制御では、
ＣＰＵ４０１は、図５に示すＳＯx被毒回復制御ルーチ
ンを実行する。このＳＯx被毒回復制御ルーチンは、予
めＲＯＭ４０２に記憶されているルーチンであり、ＣＰ
Ｕ４０１によって所定時間毎（例えば、１６ｍｓｅｃ
毎）に繰り返し実行されるルーチンである。

【００７９】＜ステップ１０１＞まず、ＣＰＵ４０１
は、ステップ１０１において、ＮＯx触媒４６ａが被毒
増加状態か否か判定する。ＮＯx触媒４６ａは、流入す
る排気ガスの空燃比がリーンのとき、および排気ガスの
空燃比がリッチであっても排気ガス温度が所定温度より
も低いときにはＳＯxを吸収し、流入する排気ガスの空
燃比がリッチであって排気ガス温度が前記所定温度より
も高いときには吸収されていたＳＯxを放出する。した
がって、エンジン１の運転状態から、ＮＯx触媒４６ａ
がＳＯxを吸収している状態（即ち、被毒増加状態）か
ＮＯx触媒４６ａがＳＯxを放出している状態（即ち、被
毒減少状態）かを判定することができる。この実施の形
態では、予め実験的にエンジン運転状態をパラメータと
して被毒増加領域および被毒減少領域の関係を示す領域
マップを求め、この領域マップをＥＣＵ２０のＲＯＭ４
０２に記憶しておく。そして、ステップ１０１では、前
記領域マップを参照して、エンジン運転状態からＮＯx
触媒４６ａが被毒増加状態か否か判定する。

【００８０】＜ステップ１０２＞ステップ１０２におい
て肯定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１
０２に進み、ＳＯx吸収量マップを参照してエンジン運
転状態に応じた被毒増加量を推定し、この被毒増加量を
加算してＳＯx蓄積量を演算する。ＳＯx吸収量マップ
は、予め実験的に、エンジン運転状態をパラメータとし
てＳＯx吸収量との関係を求めてマップ化したものであ
り、このＳＯx吸収量マップを予めＥＣＵ２０のＲＯＭ
４０２に記憶しておく。

【００８１】＜ステップ１０３＞一方、ステップ１０１
において否定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステ
ップ１０３に進み、前記領域マップを参照して、エンジ
ンの運転状態からＮＯx触媒４６ａが被毒減少状態か否
か判定する。

【００８２】＜ステップ１０４＞ステップ１０３におい
て肯定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１
０４に進み、ＳＯx放出量マップを参照してエンジン運
転状態に応じた被毒減少量を推定し、この被毒減少量を
減算してＳＯx蓄積量を演算する。ＳＯx放出量マップ
は、予め実験的に、エンジン運転状態をパラメータとし
てＳＯx放出量との関係を求めてマップ化したものであ
り、このＳＯx放出量マップを予めＥＣＵ２０のＲＯＭ
４０２に記憶しておく。

【００８３】＜ステップ１０５＞ステップ１０２，１０
４の処理を実行した後、あるいは、ステップ１０３にお
いて否定判定された場合には、ＣＰＵ４０１は、ステッ
プ１０５に進み、ＳＯx蓄積量が予め設定した上限値以
上か否か判定する。この上限値はＳＯx被毒回復処理の
開始点を決定する閾値を意味する。

【００８４】＜ステップ１０６＞ステップ１０５におい
て肯定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１
０６に進み、被毒回復処理許可フラグＦが「０」か否か
判定する。被毒回復処理許可フラグＦは、イニシャルル
ーチンおよび被毒回復処理終了時に「０」とされるもの
であり、被毒回復処理中は「１」に保持されるものであ
る。

【００８５】＜ステップ１０７＞ステップ１０６におい
て肯定判定した場合、即ち、被毒回復処理許可フラグＦ
が「０」であると判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、
ステップ１０７に進み、被毒回復処理許可フラグＦを
「１」とする。

【００８６】＜ステップ１０８＞ステップ１０７の処理
を実行した後、あるいは、ステップ１０６において否定
判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１０８に
進み、被毒回復処理許可フラグＦが「１」か否か判定す
る。

【００８７】＜ステップ１０９＞ステップ１０８におい
て肯定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１
０９以降のＳＯx被毒回復処理を実行する。即ち、ステ
ップ１０８において肯定判定した場合には、ＣＰＵ４０
１は、ステップ１０９に進み、ＮＯx触媒４６ａの触媒
床温がＳＯx放出温度（例えば、６００゜Ｃ）以下か否
か判定する。なお、この実施の形態では、ＮＯx触媒４
６ａの下流に設けた排気温センサ４９で検出される排気
ガス温度を、ＮＯx触媒４６ａの触媒床温として代用す
る。

【００８８】＜ステップ１１０＞ステップ１０９で肯定
判定した場合には、すなわちＮＯx触媒４６ａの触媒床
温がＳＯx放出温度に達していない場合には、ＣＰＵ４
０１は、ステップ１１０に進み、ＮＯx触媒４６ａに対
して昇温処理を行う。この昇温処理は、前述したよう
に、排気弁２９の開弁時期を膨張行程下死点よりも遅角
させる遅角制御によって実現する。排気弁２９の開弁時
期を遅角制御すると、膨張行程の後半において燃焼室２
４内で排気ガスが圧縮され、その時に生じる圧縮熱によ
り排気ガス温度が上昇する。この排気ガスがＮＯx触媒
４６ａに流れることにより、ＮＯx触媒４６ａを昇温す
ることができる。

【００８９】なお、排気弁２９の開弁時期の遅角制御を
実行するに際して、開弁時期の遅角量は、予めエンジン
運転状態に応じて設定した所定の一定量としてもよい
し、あるいは、ＮＯx触媒４６ａの触媒床温とＳＯx放出
温度との温度差に応じて可変としてもよい。いずれの場
合も、予め実験的に求めた遅角量を遅角量マップとして
ＲＯＭ４０２に記憶しておく。

【００９０】＜ステップ１１１＞ステップ１０９で否定
判定した場合には、すなわちＮＯx触媒４６ａの触媒床
温がＳＯx放出温度以上である場合には、ＣＰＵ４０１
は、ステップ１１１に進み、排気空燃比リッチ制御を実
行する。この排気空燃比リッチ制御における排気ガスの
目標空燃比は、ＮＯx触媒４６ａに吸収されているＳＯx
を放出しＳＯ₂に還元するのに最適な空燃比であり、理
論空燃比よりも若干リッチが好適である。なお、この実
施の形態においては、燃料噴射弁２５から燃焼室２４に
噴射される燃料量を、エンジン運転状態に応じた通常時
の燃料噴射量よりも増量することにより、排気ガスの空
燃比をリッチ空燃比にする。

【００９１】＜ステップ１１２＞一方、ステップ１０５
において否定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステ
ップ１１２に進み、ＳＯx蓄積量が予め設定した下限値
以下か否か判定する。この下限値はＳＯx被毒回復処理
の終了点を決定する閾値を意味する。

【００９２】＜ステップ１１３＞ステップ１１２におい
て肯定判定した場合には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１
１３に進み、被毒回復処理許可フラグＦを「０」にし
て、ステップ１０８に進む。この場合には、ＣＰＵ４０
１は、ステップ１０８において否定判定して、本ルーチ
ンの実行を一旦終了する。即ち、被毒回復処理を終了す
る。

【００９３】ステップ１１２において否定判定した場合
には、ＣＰＵ４０１は、ステップ１０８に進む。これ
は、被毒回復処理を開始してから被毒回復処理終了まで
の間に、ステップ１１２で否定判定しステップ１０８に
進んだときには、ＣＰＵ４０１は、ステップ１０８にお
いて肯定判定して、ステップ１０９以降のＳＯx放出処
理を継続することを意味する。

【００９４】〔他の実施の形態〕なお、排気空燃比リッ
チ制御は、ＮＯx触媒４６ａよりも上流の排気系に燃料
を添加可能な燃料添加手段を備えている場合には、燃焼
室２４から排気弁２９を通って排出された排気ガス中に
燃料を添加して排気ガスの空燃比をリッチにすることも
できるし、また、燃料噴射弁から直接に燃焼室に燃料を
噴射可能なエンジン、いわゆる筒内直接噴射式エンジン
の場合には、機関出力を得るための燃料噴射とは別に膨
張行程あるいは排気行程において燃料噴射弁から燃焼室
に燃料を副次的に噴射（いわゆる副噴射）して、排気ガ
スの空燃比をリッチ空燃比にすることもできる。

【００９５】

【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、排気ガス温度を上昇す
べきときに、前記排気弁の開弁時期をピストン下死点よ
りも遅角させ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、排気弁が開弁するまでの間に燃焼室
内の排気ガスが圧縮されるので、その時に生じる圧縮熱
によって排気ガスを昇温させることができるという優れ
た効果が奏される。

【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】吸・排気弁の開閉時期を示すタイミングチャ
ートである。

【図５】ＳＯx被毒回復制御ルーチンを示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１エンジン（内燃機関）２０ＥＣＵ２２ピストン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４７排気管（排気系）

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）Ｆ０１Ｌ 9/04 Ｆ０１Ｎ 3/08 Ａ 13/00 ３０１ 3/20 ＥＦ０１Ｎ 3/08 3/24 Ｒ 3/20 3/28 ３０１Ｃ 3/24 Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢ 3/28 ３０１１０１Ａ１０１Ｂ (72)発明者岩下義博愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者白谷和彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者勝間田正司愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小木曽誠人愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者西田秀之愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者山田智海愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者浅沼孝充愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G018 AB09 AB16 BA38 CA16 DA34 EA02 EA11 EA16 EA17 EA22 EA24 EA26 EA35 FA01 FA08 GA07 GA09 GA27 3G091 AA02 AA12 AA13 AA17 AA24 AA28 AB06 BA04 BA11 BA14 BA15 BA19 BA33 CB02 CB03 CB05 CB07 CB08 DB06 DB10 DC02 EA00 EA01 EA05 EA07 EA16 EA17 EA34 FA06 FB02 FB10 FB11 FB12 FC02 FC04 FC05 FC07 FC08 GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB10X GB16X HA36 HA37 3G092 AA01 AA11 AB02 BA02 BA04 DA02 DA07 DC15 DG09 EA04 EC03 FA17 FA18 FA20 GA01 GA02 HA01Z HA06X HA06Z HA10X HA10Z HA13X HA13Z HB02X HC09X HD02Z HD06Z HE04Z HE08Z HF08Z 4D048 AA06 AB02 BC01 DA01 DA02 DA03 DA06 DA08 DA13 DA20 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、排気ガス温度を上昇すべきときに、前記排気弁の開弁時
期をピストン下死点よりも遅角させ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可変動弁機構を備え
た内燃機関。
【請求項２】前記内燃機関の排気系には、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
放出し還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構を備え
た内燃機関。
【請求項３】前記排気ガス温度を上昇すべきときは、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒からＳＯxを放出させるＳＯx
被毒回復時であることを特徴とする請求項２に記載の可
変動弁機構を備えた内燃機関。