JP2007297967A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】混合気をストイキ燃焼させ、ストイキ燃焼時において燃焼室から排出された排ガスを三元触媒部に流通させて処理するように構成されたエンジンにおいて、高負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量を適切に低減しながら、最大限の高効率化を図ることができ、例えば、かかるエンジンをヒートポンプシステムの駆動源として利用した場合に成績係数を良好に向上することできる技術を提供する。
【解決手段】排ガスを三元触媒部をバイパスさせて排出可能な排ガスバイパス手段と、燃料供給量を定格負荷範囲内に設定する定格負荷域においてストイキ燃焼させると共に排ガスバイパス手段を非作動状態とする定格負荷運転を実行し、燃料供給量を部分負荷範囲内に設定する部分負荷域において混合気をリーン燃焼させると共に排ガスバイパス手段を作動状態とする第１部分負荷運転を実行する形態で負荷制御を行う制御手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室から排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部とを備え、
前記混合気をストイキ燃焼させ、当該ストイキ燃焼時において前記燃焼室から排出された排ガスを前記三元触媒部に流通させて処理するように構成されたエンジンに関する。

上記のように、吸気路、又は、吸気行程若しくは圧縮行程における燃焼室の吸気系に混合気を形成し、その混合気を燃焼室においてストイキ（即ち理論空燃比で）燃焼させるように構成されたエンジンでは、そのストイキ燃焼時において燃焼室から低酸素濃度の排ガス、即ち、空燃比が理論空燃比に維持された排ガスが排出される。
そして、このような空燃比が理論空燃比に維持された排ガスについては、三元触媒部に通過させて三元触媒方式により処理して、排ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）と共に、排ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）を除去することができる。
尚、この三元触媒法では、排ガスの空燃比を理論空燃比とすることで排ガスに含まれる酸化性成分と還元性成分とを釣り合わせた上で、白金やロジウムを含む触媒（三元触媒）にその排ガスを流通させて、排ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物の同時除去を図るものであり、還元性成分と酸化性成分とが釣り合わない状態の排ガス、例えば、空気過剰な高空燃比の排ガスについては、このような三元触媒法では処理できない。

また、このように三元触媒部を設けたエンジンは、排ガスの空燃比を理論空燃比に維持して、その排ガスを常に三元触媒部で処理するために、スロットルバルブの開度調整により負荷制御を行い、燃焼室に吸気される混合気の空燃比を常に理論空燃比に維持し、１サイクルあたりの燃焼室への燃料供給量を比較的高めの定格負荷範囲内に設定する定格負荷域においては勿論のこと、前記燃料供給量を前記定格供給量よりも低い部分負荷範囲内に設定する部分負荷域においても、ストイキ燃焼を行うように構成されている。しかし、このエンジンでは、部分負荷域において、スロットルバルブの開度を絞ることにより、ポンピングロスが増加し、効率が低下するという問題がある。

そこで、ポンピングロスの増加を抑制しながらＮＯｘの排出量を低減可能なエンジンとしては、燃料供給量を部分負荷範囲内に減少させる部分負荷域において、燃焼室へのＥＧＲ量を増加させてスロットルバルブの開度を絞ることなく燃焼室への空気供給量も減少させることで、燃焼室において大量の排ガスを含む混合気をストイキ燃焼させ、排出された理論空燃比の排ガスを三元触媒部に通過させ、排ガスに含まれるＮＯｘを常に良好に除去可能となるエンジンが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、ポンピングロスの増加を抑制しながらＮＯｘの排出量を低減可能な別のエンジンとしては、燃料供給量を部分負荷範囲内に減少させる部分負荷域において、スロットルバルブの開度を絞ることなく燃焼室への空気供給量を比較的高めに維持することで、燃焼室において混合気をリーン（即ち理論空燃比よりも燃料が希薄な高空燃比で）燃焼させると共に、膨張行程又は排気行程における燃焼室に燃料を供給することで、燃焼室から排出される排ガスの空燃比を理論空燃比に設定して、その理論空燃比の排ガスを三元触媒部に通過させて、排ガスに含まれるＮＯｘを常に良好に除去可能となるエンジンが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

また、上記のように部分負荷域においてリーン燃焼を行い、燃焼室から高空燃比の排ガスが排出される場合に、三元触媒部を利用することなく、点火時期の遅角化、ＥＧＲ量の増加などにより、ＮＯｘの排出量を低減する技術が知られている（例えば、特許文献３を参照。）。

特開２００４−１４４０５２号公報 特開平１１−２９４２２９号公報 特開２００５−２２６４９１号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載のエンジンのように、部分負荷域におけるポンピングロスの増加を抑制しながら、燃焼室から常に理論空燃比の排ガスを排出させ、その排ガスを三元触媒部に通過させて処理するように構成されたエンジンでは、三元触媒部により排ガスに含まれるＮＯｘを常に良好に除去可能であるが、特に部分負荷域において更なる効率向上が求められる場合がある。
特に、エンジンを、ヒートポンプシステムの駆動源として利用する場合には、エンジンの負荷が、ヒートポンプシステムの空調負荷の変動に応じて大きく変動することから、部分負荷域におけるエンジンの効率を向上して、ヒートポンプシステムの成績係数を向上することが望まれている。

また、このようなエンジン駆動式のヒートポンプシステムでは、負荷変動を想定した１２モードにおいて、ＮＯｘの平均排出量を規定量以下に抑えることが定められており、この規定を遵守する範囲内で、エンジンの効率を最大限に向上することが望まれる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、混合気をストイキ燃焼させ、当該ストイキ燃焼時において燃焼室から排出された排ガスを三元触媒部に流通させて処理するように構成されたエンジンにおいて、高負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量を適切に低減しながら、最大限の高効率化を図ることができ、例えば、かかるエンジンをヒートポンプシステムの駆動源として利用した場合に成績係数を良好に向上することできる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室から排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部とを備え、
前記混合気をストイキ燃焼させ、当該ストイキ燃焼時において前記燃焼室から排出された排ガスを前記三元触媒部に流通させて処理するように構成されたエンジンであって、その第１特徴構成は、前記燃焼室から排出された排ガスを、前記三元触媒部をバイパスさせて排出可能な排ガスバイパス手段と、
１サイクルあたりの燃料供給量を定格負荷範囲内に設定する定格負荷域において前記ストイキ燃焼させると共に前記排ガスバイパス手段を非作動状態とする定格負荷運転を実行し、前記燃料供給量を前記定格負荷範囲よりも低い部分負荷範囲内に設定する部分負荷域において前記混合気をリーン燃焼させると共に前記排ガスバイパス手段を作動状態とする第１部分負荷運転を実行する形態で負荷制御を行う制御手段を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記排ガスバイパス手段を設け、上記制御手段の上記負荷制御において、この排ガスバイパス手段の作動を制御することにより、定格負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量を例えば規定量以下に適切に低減しながら、部分負荷域における効率を向上することで、最大限の高効率化を図ることができ、例えば、かかるエンジンをヒートポンプシステムの駆動源として利用した場合に成績係数を良好に向上することできる。

即ち、上記制御手段の上記負荷制御において、上記定格負荷域では、上記定格負荷運転が実行されて、燃焼室において混合気がストイキ燃焼され、燃焼室からは理論空燃比の排ガスが排出される。そして、このようなストイキ燃焼においてはＮＯｘが生成されやすいことから、上記排ガスバイパス手段が非作動状態とされて、燃焼室から排出される理論空燃比の排ガスが上記三元触媒部に流通されるので、その排ガスに含まれるＮＯｘを良好に除去することができる。
一方、上記制御手段の上記負荷制御において、上記部分負荷域では、上記第１部分負荷運転が実行されて、燃焼室において混合気がリーン燃焼され、燃焼室からは酸素が多い高空燃比の排ガスが排出される。そして、このようなリーン燃焼においてはＮＯｘが生成され難いことから、上記排ガスバイパス手段が作動状態とされて、燃焼室から排出され三元触媒法では処理ができない高空燃比の排ガスが、上記三元触媒部をバイパスさせて排出するので、排ガスを排出する際の圧損を低減して、効率を向上することができる。

即ち、定格負荷域では、定格負荷運転により排ガスを三元触媒部で処理し、一方、部分負荷域では、第１部分負荷運転により混合気をリーン燃焼させることで、定格負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量を例えば規定量以下に低減することができる。
更に、部分負荷域では、第１部分負荷運転によりリーン燃焼を行って燃料供給量を低下させ、例えばスロットルバルブの開度を絞る必要がなく出力を低下させることができるので、ポンピングロスの増加を抑制することができ、更に、三元触媒部をバイパスさせて排ガスを排出することから、排ガスの排出時の圧損を低減することができ、結果、上記ＮＯｘの平均排出量を適切に低減しながら、最大限の効率の向上を図ることができる。

尚、上記リーン燃焼としては、燃焼室において点火プラグ近傍に存在する濃混合気を火花点火しその燃焼により周囲に存在する希薄混合気を燃焼させる所謂成層燃焼や、予混合気を高圧縮比で圧縮して自己着火燃焼させる予混合圧縮着火燃焼等の公知のリーン燃焼を採用することができる。
また、定格負荷運転において火花点火によりストイキ燃焼を行い、一方、第１部分負荷運転において予混合圧縮着火燃焼を行う場合には、定格負荷運転時の圧縮比を第１部分負荷運転時の圧縮比よりも小さくする必要があるが、かかる圧縮比を小さくする方法としては、例えば、吸気行程の吸気バルブの閉時期の下死点に対する進角量を増加させるなどの公知の方法を採用することができる。

本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記燃料供給量を前記部分負荷範囲内に設定した状態で、前記燃焼室から排出される排ガスの空燃比を理論空燃比に設定可能な排ガス空燃比設定手段を備え、
前記制御手段が、前記部分負荷域において、前記排ガス空燃比設定手段を非作動状態として前記第１部分負荷運転を行う状態と、前記排ガス空燃比設定手段を作動状態とすると共に前記排ガスバイパス手段を非作動状態とする第２部分負荷運転を行う状態とを切り換える部分負荷運転切換操作を行うように構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記制御手段が、上記部分負荷運転切換操作を行って、上記第１部分負荷運転とは別の上記第２部分負荷運転を実行することができる。そして、この第２部分負荷運転を実行することで、上記第１部分負荷運転と同様に燃料供給量が比較的低い部分負荷範囲内とされながら、上記排ガス空燃比設定手段が作動状態となって、燃焼室から排出された排ガスの空燃比が理論空燃比に設定されることになり、更に、上記排ガスバイパス手段が非作動状態とされて、その理論空燃比の排ガスが上記三元触媒部に流通されるので、その排ガスに含まれるＮＯｘが良好に除去されることになる。
よって、制御手段は、部分負荷域において、上記部分負荷切換操作を行うことにより、効率を向上できる第１部分負荷運転と、ＮＯｘを良好に除去できる第２部分負荷運転とを切り換えることができる。
上記定格負荷域において定格負荷運転を実行するのに加えて、上記部分負荷域において、上記定格負荷運転と同様に排ガスのＮＯｘを三元触媒部により良好に除去する第２部分負荷運転を実行するほど、定格負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量の一層の低減を図ることができる。
また、このようにＮＯｘの平均排出量の一層の低減を図ることができるので、排ガスバイパス手段を作動状態として三元触媒部をバイパスさせて排ガスを排出する第１部分負荷運転を実行するにあたり、点火時期の遅角化やＥＧＲ量の増加等のＮＯｘ排出量低減を図る場合には、ＮＯｘ排出量の低減目標を緩和することができ、結果、点火時期の遅角幅やＥＧＲ量の増加幅を極力小さくして、一層効率を向上することができる。

本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記排ガス空燃比設定手段が、ＥＧＲ量を増加させて前記燃焼室から排出される排ガスの空燃比を理論空燃比に設定するように構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記排ガス空燃比設定手段が、部分負荷域において、１サイクルあたりの燃焼室への燃料供給量を比較的低い部分負荷範囲内に低減させるのに伴って、ＥＧＲ量を増加させるという比較的簡単な構成により、１サイクルあたりの燃焼室への空気供給量を低減させ、燃焼室に大量の排ガスを含む理論空燃比の混合気を供給することができ、結果、燃焼室から理論空燃比の排ガスを排出させることができる。

本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第２乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記燃料供給量を前記部分負荷範囲内の高い側である中負荷範囲内に設定する中負荷域において前記第１部分負荷運転を実行し、前記燃料供給量を前記部分負荷範囲内の低い側である低負荷範囲内に設定する低負荷域において前記第２部分負荷運転を実行する形態で前記部分負荷運転切換操作を行うように構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記定格負荷域において、定格負荷運転を実行するのに加えて、上記部分負荷域において低い側の上記低負荷域において、上記定格負荷運転と同様に排ガスのＮＯｘを三元触媒部により良好に除去する第２部分負荷運転を実行することで、定格負荷域から低負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量を一層低減することができる。
また、このようにＮＯｘの平均排出量の一層の低減を図ることができるので、上記部分負荷域において上記低負荷域よりも高い側の上記中負荷域において、排ガスバイパス手段を作動状態として三元触媒部をバイパスさせて排ガスを排出する第１部分負荷運転を実行するにあたり、点火時期の遅角化やＥＧＲ量の増加等のＮＯｘ排出量低減を図る場合には、ＮＯｘ排出量の低減目標を緩和することができ、結果、点火時期の遅角幅やＥＧＲ量の増加幅を極力小さくして、一層効率を向上することができる。
また、一般的に、上記定格負荷域及び上記低負荷域における運転時間は上記中負荷域における運転時間よりも比較的短いものである。そこで、比較的運転時間が短い定格負荷域及び低負荷域においては、上記排ガスバイパス手段を非作動状態とする上記定格負荷運転及び上記第２部分負荷運転を実行して、理論空燃比の排ガスのＮＯｘを三元触媒部により良好に除去し、ＮＯｘの平均排出量を適切に低減しながら、比較的運転時間が長い中負荷域においては、排ガスバイパス手段を作動状態とする第１部分負荷運転を実行して、最大限の高効率化を図ることができる。

本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、上記第２乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、ＮＯｘの排出状態を判定するＮＯｘ排出状態判定手段を備え、
前記制御手段が、前記ＮＯｘ排出状態判定手段の判定結果に基づいて、前記部分負荷運転切換操作を行うように構成されている点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記ＮＯｘ排出状態判定手段により、ＮＯｘの排出状態として、例えば、定格負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量が適切に低減し得るか否かを判定することができる。そして、上記制御手段により、上記ＮＯｘの排出状態が、ＮＯｘの平均排出量を適切に低減し得る状態であると判定した場合には、前記第１部分負荷運転を実行して最大限の高効率化を図り、逆に、上記ＮＯｘの排出状態が、ＮＯｘの平均排出量を適切に低減し得ない状態であると判定した場合には、前記第２部分負荷運転を実行してＮＯｘの平均排出量の低減を図る形態で、上記部分負荷切換操作を行うことができる。

本発明に係るエンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１００は、混合気Ｍを圧縮して燃焼させる燃焼室１と、当該燃焼室１から排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部１０とを備え、燃焼室１において混合気Ｍをストイキ燃焼させ、当該ストイキ燃焼時において燃焼室１から排出された排ガスＥを三元触媒部１０に流通させて処理するように構成されており、その具体的な構成について以下に説明する。

エンジン１００は、ピストンをシリンダ内で往復運動させると共に、吸気バルブ２及び排気バルブ４を開閉動作させて、燃焼室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストンの往復動を連結棒によってクランク軸の回転運動として出力するように構成されており、かかる構成は通常の４ストロークエンジンと変わりはない。

燃焼室１に吸気バルブ２を介して接続された吸気路３には、当該吸気路３を縮径させたベンチュリ構造を有するミキサ１２が設けられており、このミキサ１２は、吸気路８を流通する空気Ａが上記ベンチュリ構造を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）である燃料Ｇを、吸気路３を流通する空気Ａに供給して、吸気路３に混合気Ｍを形成するように構成されている。

更に、このミキサ１２に通じる燃料供給路１４には、ミキサ１２への燃料供給量を調整可能な燃料制御弁１３が設けられている。

そして、コンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）３０が機能する制御手段３１は、クランク角に応じて燃料制御弁１３を制御することで、１回の吸気行程あたり、即ち１サイクルあたりの燃焼室１への燃料供給量を設定可能に構成されている。

燃焼室１に排気バルブ４を介して接続された排気路５には、燃焼室１から排出された排ガスＥを三元触媒法で処理する三元触媒部１０が設けられている。また、この三元触媒部１０は、理論空燃比の排ガスＥ、即ち含有する酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態である排ガスＥを、三元触媒に流通させて、その排ガスＥに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物を同時除去するように構成されており、上記三元触媒としては白金やロジウムなどを含む触媒などの公知の三元触媒を利用することができる。

更に、この排気路５には、三元触媒部１０の入口側と出口側とを連通させるバイパス路６と、排気路５において、燃焼室１から排出された排ガスＥの供給先を、三元触媒部１０側とバイパス路６側とに切り換える切換弁７とが設けられている。

そして、ＥＣＵ３０が機能する排ガスバイパス手段３２は、切換弁７の姿勢を排気バルブ４側と三元触媒部１０とを連通させる姿勢（図１において一点鎖線で記載の姿勢）として排ガスＥを三元触媒部１０に流通させて排出する状態から、切換弁７を排気バルブ４側とバイパス路６とを連通させる姿勢（図１において実線で記載の姿勢）として排ガスＥをバイパス路６に流通させて排出する状態に切り換える形態で、燃焼室１から排出された排ガスＥを、三元触媒部１０をバイパスさせて排出可能な手段として構成されている。

更に、エンジン１００には、排気路５の排気バルブ１と切換弁７との間の空間と、吸気路３のミキサ１２と吸気バルブ２との間の空間とを連通するＥＧＲ路２０が設けられており、排気路５に排出された排ガスＥの一部を、このＥＧＲ路２０及び吸気路３を通じて燃焼室１に供給する所謂ＥＧＲを行うことができる。更に、このＥＧＲ路２０にはＥＧＲ制御弁２１が設けられており、このＥＧＲ制御弁２１の開度調整により、燃焼室１への排ガスＥの供給量、即ちＥＧＲ量を調整することができる。

また、排気路５の排気バルブ４と切換弁７との間の空間には、燃焼室１から排出された排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素センサ２３が設けられている。

そして、ＥＣＵ３０が機能する排ガス空燃比設定手段３３は、ＥＧＲ制御弁２１の開度の縮小によりＥＧＲ量を低減させる状態から、酸素センサ２３で検出される排ガスＥの酸素濃度が略ゼロの低酸素濃度となるまでＥＧＲ制御弁２１の開度の拡大によりＥＧＲ量を増加させることで、燃焼室１に吸気される混合気Ｍの空燃比に拘わらず、即ち１サイクルあたりの燃料供給量を後述する比較的低めの部分負荷範囲内に設定した状態でも、排ガスＥの空燃比を理論空燃比に設定可能な手段として構成されている。

更に、制御手段３１は、燃料制御弁１３の開度調整により１サイクルあたりの燃料供給量を変更して出力を変更する形態で負荷制御を行うように構成されており、スロットルバルブの開度調整により燃焼室への吸気量を変更して出力を変更する形態で負荷制御を行うエンジンと比較して、部分負荷域におけるスロットルバルブの開度を絞ることによるポンピングロスの増加が抑制されている。

また、上記制御手段３１は、図２に示すように、定格負荷域においては燃焼室１において混合気Ｍをストイキ燃焼させる定格負荷運転を行い、部分負荷域においては燃焼室１において混合気Ｍをリーン燃焼させる第１部分負荷運転を行う形態で、運転状態を切り換えるように構成されている。

即ち、制御手段３１は、１サイクルあたりの燃料供給量を比較的高めの定格負荷範囲内に設定する定格負荷域において、上記定格負荷運転を行い、ミキサ１２において常に理論空燃比の混合気Ｍが形成され、その理論空燃比の混合気Ｍが燃焼室１に給気されるように、燃料制御弁１３を制御する。そして、ＥＧＲ量を略ゼロの低めに設定した状態で、燃焼室１において理論空燃比の混合気Ｍを圧縮し、点火プラグ１５により火花点火燃焼させる形態で上記ストイキ燃焼を行う。そして、この定格負荷運転時には、このようなストイキ燃焼を行うことにより、燃焼室１から排気路５に理論空燃比の排ガスＥ、即ち、酸素濃度が略ゼロの排ガスＥが排出されることになる。

そして、制御手段３１は、上記定格負荷運転時には、上述した排ガスバイパス手段３２を非作動状態として、理論空燃比の排ガスＥを三元触媒部１０に流通させて排出することで、当該排ガスＥに含まれるＮＯｘを三元触媒法により良好に除去するように構成されている。

一方、制御手段３１は、１サイクルあたりの燃料供給量を上記定格負荷範囲よりも低めの部分負荷範囲内に設定する部分負荷域において、上記第１部分負荷運転を行い、吸気行程において、初期には燃料が希薄な高空燃比の混合気Ｍが燃焼室１に吸気され、後期には略理論空燃比の混合気Ｍが燃焼室１に吸気されて、燃焼室１の上部に点火プラグ１５近傍に理論空燃比の混合気Ｍを存在させ、その周囲に高空燃比の混合気Ｍを存在させるように、ミキサ１２において形成される混合気Ｍの空燃比を変動させる。そして、ＥＧＲ量を略ゼロの低めに設定した状態で、燃焼室１において混合気Ｍを圧縮し、点火プラグ１５近傍の理論空燃比の混合気Ｍを点火プラグ１５により火花点火燃焼させ、その燃焼により周囲の高空燃比の混合気Ｍを燃焼させる形態で成層燃焼を行い、かかる成層燃焼は、燃焼室１全体での混合気Ｍの空燃比が高空燃比であることから、リーン燃焼であると言える。そして、この第１部分負荷運転時には、ＥＧＲ量を略ゼロの低めに設定した状態でこのようなリーン燃焼を行うことにより、燃焼室１から排気路５に高空燃比の排ガスＥ、即ち、酸素濃度が比較的高い排ガスＥが排出されることになる。

そして、制御手段３１は、上記第１部分負荷運転時には、上述した排ガスバイパス手段３２を作動状態として、高空燃比の排ガスＥを、三元触媒部１０をバイパスさせて排出することで、排ガスＥを排出する際の圧損を低減して、効率を向上するように構成されている。

尚、上記定格負荷運転及び上記第１部分負荷運転では、上述した排ガス空燃比設定手段３３は非作動状態とされ、燃焼室１へのＥＧＲ量はＥＧＲ量を略ゼロの低めに設定されている。

更に、制御手段３１は、上記部分負荷域において、図２に示すように、上述したように排ガスバイパス手段３２を作動状態として効率を向上させる第１部分負荷運転を行う状態と、排ガス空燃比設定手段３３を作動状態として燃焼室１から排気路５に理論空燃比の排ガスＥを排出させると共に排ガスバイパス手段３２を非作動状態としてその理論空燃比の排ガスＥを三元触媒部１０に通過させてＮＯｘを良好に除去する第２部分負荷運転を行う状態とを切り換える部分負荷運転切換操作を行うように構成されている。

具体的には、制御手段３１は、１サイクルあたりの燃料供給量を部分負荷範囲内の高い側である中負荷範囲内に設定する中負荷域においては、上記第１部分負荷運転を実行し、１サイクルあたりの燃料供給量を部分負荷範囲内の低い側である低負荷範囲内に設定する低負荷域においては、上記第２部分負荷運転を実行する形態で、上記部分負荷運転切換操作を行う。

即ち、低負荷域において、上記第２部分負荷運転を行って、上記第１部分負荷運転と同様に、燃焼室１において成層燃焼が行われる。しかし、この第２部分負荷運転では、排ガス空燃比設定手段３３が作動状態とされることで、１サイクルあたりの燃焼室１への空気供給量が低減されて、燃焼室１全体では大量の排ガスＥを含む理論空燃比の混合気１が燃焼することになり、結果、燃焼室１から理論空燃比の排ガスＥが排出することになる。

そして、制御手段３１は、上記第２部分負荷運転時には、上述した排ガスバイパス手段３２を非作動状態として、理論空燃比の排ガスＥを三元触媒部１０に流通させて排出することで、当該排ガスＥに含まれるＮＯｘを三元触媒法により良好に除去するように構成されている。

また、このように比較的運転時間が短い定格負荷域及び低負荷域において、理論空燃比の排ガスＥを三元触媒部１０に流通させて、その排ガスＥに含まれるＮＯｘを三元触媒法により良好に除去することで、負荷変動を想定した１３モードにおけるＮＯｘの平均排出量を低減することができる。

また、比較的運転時間が長い中負荷域において、排ガスバイパス手段３２を作動状態として三元触媒部１０をバイパスさせて排ガスＥを排出する第１部分負荷運転を実行するにあたり、点火プラグ１５による点火時期の遅角化や、ＥＧＲ制御弁２１によるＥＧＲ量の増加等のＮＯｘ排出量低減を図るように構成しても構わない。しかし、上記のように他の負荷域におけるＮＯｘの良好な除去により、この中負荷域におけるＮＯｘ排出量の低減目標を緩和することができるので、この点火時期の過剰な遅角やＥＧＲ量の過剰な増加による効率低下を抑制し、一層効率を向上することができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、第１部分負荷運転を行う状態と第２部分負荷運転を行う状態とを切り換える部分負荷運転切換操作を、部分負荷域において、中負荷域では第１部分負荷運転を行い、低負荷域では第２部分負荷運転を行う形態で実施したが、別の方法で実施しても構わない。
例えば、図１に示すように、ＥＣＵ３０が機能するＮＯｘ排出状態判定手段３４により、定格負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量が適切に低減し得るか否かなどのＮＯｘの排出状態を判定し、その判定結果に基づいて上記部分負荷運転切換操作を実施しても構わない。
この場合には、上記ＮＯｘ排出量判定手段３４により、ＮＯｘの平均排出量を適切に低減し得るＮＯｘの排出状態であると判定した場合には、上述した第１部分負荷運転を実行して、上記排ガスバイパス手段３２を作動状態として、三元触媒部１０をバイパスさせて排ガスＥを排出して、効率の向上を図り、逆に、上記ＮＯｘ排出量判定手段３４により、ＮＯｘの平均排出量を適切に低減し得ない上記ＮＯｘの排出状態であると判定した場合には、上述した第２部分負荷運転を実行して、上記排ガスバイパス手段３２を非作動状態として、排ガスＥを三元触媒部１０に通過させて、ＮＯｘの良好な除去を図ることができる。

また、上記ＮＯｘ排出状態判定手段３４は、実際のＮＯｘ排出量を計測し、その実際に計測したＮＯｘ排出量と当該ＮＯｘ排出量に対して規定された規定量とを比較して、上記ＮＯｘの排出状態を判定するように構成することができる。
また、上記ＮＯｘ排出状態判定手段３４の別の形態としては、実際のＮＯｘ排出量を計測することなく、部分負荷域において、排ガスバイパス手段３２を作動状態として三元触媒部１０をバイパスさせて排ガスＥを排出する第１部分負荷運転を実行する運転時間、及び、そのときに想定されるＮＯｘ排出量とから、ＮＯｘ排出量を推定することもできる。更に、この場合、第１部分負荷運転を実行する運転時間としては、実際に運転した時間を用いることができるが、別に、予測される負荷変動パターンや気象情報などから部分負荷域になると予測される時間に対して第１部分負荷運転を実行すると計画された時間を用いることもできる。

（２）上記実施の形態では、第２部分負荷運転を行うべく、燃料供給量を部分負荷範囲内（低負荷範囲内）に設定した状態で、燃焼室１から排出される排ガスＥの空燃比を理論空燃比に設定可能な排ガス空燃比設定手段３３を設けたが、この第２部分負荷運転を行わない場合には、この排ガス空燃比設定手段３３を省略しても構わない。

また、上記実施の形態では、この排ガス空燃比設定手段３３を、ＥＧＲ量を増加させて燃焼室１から排出される排ガスＥの空燃比を理論空燃比に設定するように構成したが、燃焼室において混合気Ｍをリーン燃焼させる場合に、膨張行程又は排気行程における燃焼室１に燃料を供給することで、燃焼室１から排出される排ガスＥの空燃比を理論空燃比に設定するなどのように、別の構成としても構わない。

本発明に係るエンジンは、混合気をストイキ燃焼させ、当該ストイキ燃焼時において燃焼室から排出された排ガスを三元触媒部に流通させて処理するように構成されたエンジンであって、高負荷域から部分負荷域に渡るＮＯｘの平均排出量を適切に低減しながら、最大限の高効率化を図ることができ、例えば、かかるヒートポンプシステムの駆動源として利用した場合に成績係数を良好に向上することできるエンジンとして有効に利用可能である。

エンジンの概略構成図 エンジンの運転状態を示す図

符号の説明

１：燃焼室
６：バイパス路
７：切換弁
１０：三元触媒部
２０：ＥＧＲ路
３０：エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３１：制御手段
３２：排ガスバイパス手段
３３：排ガス空燃比設定手段
１００：エンジン
Ａ：空気
Ｇ：燃料
Ｍ：混合気
Ｅ：排ガス

Claims (5)

1. 混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、当該燃焼室から排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部とを備え、
   前記混合気をストイキ燃焼させ、当該ストイキ燃焼時において前記燃焼室から排出された排ガスを前記三元触媒部に流通させて処理するように構成されたエンジンであって、
   前記燃焼室から排出された排ガスを、前記三元触媒部をバイパスさせて排出可能な排ガスバイパス手段と、
   １サイクルあたりの燃料供給量を定格負荷範囲内に設定する定格負荷域において前記ストイキ燃焼させると共に前記排ガスバイパス手段を非作動状態とする定格負荷運転を実行し、前記燃料供給量を前記定格負荷範囲よりも低い部分負荷範囲内に設定する部分負荷域において前記混合気をリーン燃焼させると共に前記排ガスバイパス手段を作動状態とする第１部分負荷運転を実行する形態で負荷制御を行う制御手段を備えたエンジン。
2. 前記燃料供給量を前記部分負荷範囲内に設定した状態で、前記燃焼室から排出される排ガスの空燃比を理論空燃比に設定可能な排ガス空燃比設定手段を備え、
   前記制御手段が、前記部分負荷域において、前記排ガス空燃比設定手段を非作動状態として前記第１部分負荷運転を行う状態と、前記排ガス空燃比設定手段を作動状態とすると共に前記排ガスバイパス手段を非作動状態とする第２部分負荷運転を行う状態とを切り換える部分負荷運転切換操作を行うように構成されている請求項１に記載のエンジン。
3. 前記排ガス空燃比設定手段が、ＥＧＲ量を増加させて前記燃焼室から排出される排ガスの空燃比を理論空燃比に設定するように構成されている請求項２に記載のエンジン。
4. 前記制御手段が、前記燃料供給量を前記部分負荷範囲内の高い側である中負荷範囲内に設定する中負荷域において前記第１部分負荷運転を実行し、前記燃料供給量を前記部分負荷範囲内の低い側である低負荷範囲内に設定する低負荷域において前記第２部分負荷運転を実行する形態で前記部分負荷運転切換操作を行うように構成されている請求項２又は３に記載のエンジン。
5. ＮＯｘの排出状態を判定するＮＯｘ排出状態判定手段を備え、
   前記制御手段が、前記ＮＯｘ排出状態判定手段の判定結果に基づいて、前記部分負荷運転切換操作を行うように構成されている請求項２又は３に記載のエンジン。

Images