JP2012207580A

JP2012207580A - エンジン燃焼制御システム

Info

Publication number: JP2012207580A
Application number: JP2011073454A
Authority: JP
Inventors: Norimichi Murai; 則通村井; Hiroaki Ishida; 裕明石田; Shunsaku Nakai; 俊作中井; Akira Yamada; 山田　　晃; Yoshimi Sakaguchi; 義美坂口
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】ストイキ燃焼モードにおけるウィンドウ外れによる不都合を回避するエンジン燃焼制御システムの提供。
【解決手段】三元触媒と、排気路に配置された酸素濃度センサと、酸素濃度センサからの検出信号に基づいて空気過剰率を推定する空気過剰率推定演算部と、ストイキ範囲内に前記燃焼室の空気過剰率を維持するストイキ燃焼モードと、空気過剰率をリーン範囲内に維持するリーン燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替える燃焼モード切替部と、ストイキ燃焼モードでの燃焼制御中に推定空気過剰率がストイキ範囲から外れたことをひとつの要因事象としてストイキ燃焼モードでの異常発生を決定する異常発生決定部、異常発生決定部が異常発生を決定した場合に、強制的にストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの変更を行う強制燃焼モード変更部とが備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に吸気される混合気の空気過剰率を調整する空燃比調整手段と、前記エンジンからの排ガスが通流する排気路に排ガスが通過自在に設けられた三元触媒と、前記三元触媒の上流側となる排気路に配置された酸素濃度センサと、前記燃焼室の空気過剰率をストイキ範囲内とするストイキ燃焼モードと前記空気過剰率をリーン範囲内とするリーン燃焼モードとを有する燃焼モード切替部とを備えたエンジン燃焼制御システムに関する。

例えば、圧縮機がエンジンにて駆動される圧縮式ヒートポンプ回路を備えたエンジン駆動式のヒートポンプシステムや、エンジンにて駆動される発電機を備えたエンジン駆動式の熱電併給システムが知られている。このようなエンジンシステムでは、エンジン負荷に応じて、エンジンの出力が調整され、並びに、エンジン負荷に応じて、エンジンの燃焼モードが、混合気の空気過剰率をストイキ範囲（空気過剰率λ＝１を中心とする範囲）内に設定するストイキ燃焼モードと混合気の空気過剰率をストイキ範囲よりも大きいリーン範囲（例えば１．４〜１．６を中心とする範囲）内に設定するリーン燃焼モードとに切り替え自在に構成されている。燃焼室から排出された排ガスが流通する排気路には、排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサが設けられており、酸素濃度センサで検出される排ガスの酸素濃度を監視しながら燃料供給弁の開度を制御することで、燃焼室に供給される混合気の空気過剰率が調整される。さらに、エンジンから排出される排ガス中の有害成分を浄化するために、エンジンからの排ガスが通流する排気路に三元触媒が排ガスの通過が自在に設けられ、又、三元触媒の温度を検出する触媒温度検出手段も設けられている（例えば、特許文献１参照。）。なお、ストイキ燃焼モードは、リーン燃焼モードに比べて高出力が得られ、リーン燃焼モードは、ストイキ燃焼モードに比べて高効率が得られる。従って、エンジン負荷が大きい領域では、エンジンがストイキ燃焼モードで運転され、逆に、エンジン負荷が小さい領域では、エンジンがリーン燃焼モードで運転される。

酸素濃度センサの出力に基づく空気過剰率の具体的な調整例の１つが特許文献２に記載されている。この空燃比（空気過剰率）制御方法では、三元触媒の上流側に配置された上流側酸素センサが現在の空燃比（空気過剰率に理論混合比を乗じた値）がリーンであると判定すると、空燃比がリッチ側へシフトするように空燃比アクチュエータの制御弁の開度が大きくなるようにＰＩ制御を行い、空燃比をほぼ目標電圧に近づける。しかし、実際には内燃機関の運転状況（機関負荷や機関回転数）や気候（気温，湿度等）の変動により空燃比アクチュエータの操作位置を一定に保っても、空燃比を一定に保つことは困難であることから、実際の空燃比を設定された目標空燃比に一定に保つことは不可能なので、目標空燃比を中心として許容範囲を設定し、その許容範囲内で空燃比が変動するように空燃比アクチュエータが制御される。その際、当該許容範囲は、浄化ウィンドウ（三元触媒による三種のガスの浄化率が良い領域）内に含まれるように設定されている。

理想混合比に対応している空気過剰率λ＝１のところを中心として酸素濃度センサの出力が急激な変化を示している領域において、三元触媒のガス浄化率が良好な領域（ウィンドウ）が設定される。ストイキ燃焼では、このウィンドウの幅内に酸素濃度センサの出力が入るようにすることで、高出力にもかかわらず、排気が浄化されたエンジン運転が実現する。しかしながら、このようなストイキ燃焼制御において、三元触媒の劣化等により酸素濃度センサの出力が外れるという事態が生じる。その際、特に、リッチ側に酸素濃度センサの出力が外れていくと、高濃度のＣＯが発生する可能性が考えられるので、エンジンを停止する必要が生じる。

三元触媒の異常を診断する装置として、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘのうちの少なくとも一つの成分濃度を増大させ、その際に触媒温度が実質的に上昇しないか、またはその上昇量が小さい場合、三元触媒が異常であると判定され、警告装置を通じて異常をユーザに警告するものが知られている。しかしながら、三元触媒の異常が検知されても通知されるだけなので、ユーザは結局エンジンを停止しなければならない。

特開２００８−２８６０６６号公報（段落番号〔００２１−００５２〕、図１，図２）特開２００２‐９７９８７号公報（段落番号〔０００２−００１０〕、図１２）特開２０１１‐１８３３号公報（段落番号〔００７４−０１０２〕、図６）

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、三元触媒と酸素濃度センサを備え、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとを切り替えながらのエンジン制御において、三元触媒の異常検知後にも、適切にエンジンを駆動させるエンジン制御技術を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明のエンジン燃焼制御システムは、エンジンの燃焼室に吸気される混合気の空気過剰率を調整する空燃比調整手段と、前記エンジンからの排ガスが通流する排気路に排ガスが通過自在に設けられた三元触媒と、前記排気路に配置された酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサからの検出信号に基づいて前記燃焼室における空気過剰率を推定する空気過剰率推定演算部と、ストイキ範囲内に前記燃焼室の空気過剰率を維持するストイキ燃焼モードと、前記空気過剰率をリーン範囲内に維持するリーン燃焼モードとの間で前記エンジンの燃焼モードを切り替える燃焼モード切替部と、前記ストイキ燃焼モードでの燃焼制御中に前記空気過剰率推定演算部によって推定された空気過剰率が前記ストイキ範囲から外れたことをひとつの要因事象としてストイキ燃焼モードでの異常発生を決定する異常発生決定部、前記異常発生決定部が異常発生を決定した場合に、強制的にストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの変更を行う強制燃焼モード変更部とが備えられている。なお、ストイキ範囲は、三元触媒が効果的に機能する空気過剰率λ＝１を中心とする範囲とすることが好適である。

この構成によると、ストイキ燃焼モードでエンジンを運転している際に、例えば、空気過剰率λ＝１を中心とするストイキ範囲から前記空気過剰率推定演算部によって推定された空気過剰率（以下単に推定空気過剰率と称する）が外れた場合には、強制的にリーン燃焼モードに変更される。これにより、ストイキ範囲から外れたままでのストイキ燃焼モードでの燃焼により起こり得る高濃度ＣＯの発生を抑制することができる。このようなストイキ燃焼モードにおけるストイキ範囲から推定空気過剰率が外れる現象は、三元触媒に不都合が生じている可能性が高い。従って、三元触媒による排ガス浄化が不完全であるとみなされる場合、とりあえずエンジン制御をストイキ燃焼に比べてＣＯ排出に関して有利なリーン燃焼に変更して、エンジン運転を続行することで、いきなりエンジンを停止させることで生じる不都合を回避する。

このような、強制燃焼モード変更部によるストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの、緊急避難的な変更からの戻りは、時折ストイキ燃焼モードに切り替えて推定空気過剰率がストイキ範囲に入っているかどうかの判定結果に基づいてもよい。再び推定空気過剰率がストイキ範囲に入っておれば、三元触媒の機能の回復あるいは酸素濃度センサなどセンサ機能の回復とみなして、ストイキ燃焼モードに戻すことが可能である。また、この緊急避難的なリーン燃焼モードでの燃焼は、予め実験的又は経験的に求められた所定時間の経過後、中止し、エンジンを停止させてもよい。

いずれにせよ、強制燃焼モード変更部によるストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの変更は、ストイキ燃焼モードでの異常発生を要因としているので、異常発生の事実、つまり三元触媒の不都合ないしは三元触媒を用いたエンジン制御が困難であることを報知することも好適である。

ストイキ燃焼モードでの異常発生を決定する際、推定空気過剰率がストイキ範囲から外れたという事象だけで判断するよりは、その他の情報も加味することが信頼性の向上から好ましい。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、三元触媒を出た排ガスの温度を検出する排ガス温度センサの出力と前記酸素濃度センサの出力とがストイキ燃焼モードでの異常発生を決定するための要因事象として追加される。つまり、排ガス温度センサの出力と前記酸素濃度センサの出力とを追加的な入力パラメータとし、実験的に求められた演算式等を用いて導出された評価値に基づいてストイキ燃焼モードでの異常発生が決定される。

本発明によるエンジン燃焼制御システムの基本的な制御原理の説明図である。エンジン駆動式のヒートポンプシステムの全体構成を示す模式図である。燃焼制御の概略を示すフローチャート図である。異常発生チェックルーチンを示すフローチャート図である。

本発明によるエンジン燃焼制御システムの具体的な実施形態を説明する前に、図１を用いてこのシステムの基本的な制御原理を説明する。図１は、三元触媒を用いたときのＨＣ（炭化水素）、ＣＯ、ＮＯxの三種のガスの浄化率を表す排出濃度と、このエンジン燃焼制御システムの入力パラメータの中核をなす酸素濃度センサの出力を示している。空気過剰率λ＝１のところを中心として酸素濃度センサの出力が急激な変化を示している領域において、上記三種のガスの浄化率が最も良い領域が確認できるが、一般にこの領域はウィンドウと呼ばれている。つまり、この幅の中で酸素センサの信号が気過剰率λ＝１より濃い側（リッチ側：λ＜１）と薄い側（リーン側：λ＞１）の間で揺らぐように目標空気過剰率を設定して制御することで，良好な浄化率が得られる。ここでは、空気過剰率：λ＝１を中心とした揺らぎ制御をストイキ燃焼モードと称し、その揺らぎ幅をストイキ範囲と称している。また、空気過剰率：λが１.４周辺を中心とした揺らぎ制御はリーン燃焼モードと称し、その揺らぎ幅をリーン範囲と称している。このリーン範囲での揺らぎ制御による燃焼は、よく知られているようにストイキ燃焼モードに比べて、混合気が希薄であることから、三元触媒に不具合が生じてもＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの発生は抑制されたものとなる。

従って、本発明では、ストイキ燃焼モードでのエンジン運転中に、推定空気過剰率がストイキ範囲を外れた場合、三元触媒の不都合など三元触媒制御系に何らかの障害が生じて、三元触媒を用いた高浄化率でのストイキ燃焼が不可能であることから、異常発生として、緊急避難的にエンジン制御をストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに移行させる。ストイキ燃焼において、空気過剰率が特にリッチ側にずれることは、ＨＣやＣＯの急激な増加を導くので、強制的にリーン燃焼モードへ移行することは効果的である。

推定空気過剰率が外乱等による誤差を含んでいるためにストイキ範囲を外れるという可能性を考慮する場合、推定空気過剰率がストイキ範囲を外れるという事象が複数回繰り返されることで初めて異常発生を決定するとよい。さらにより高い信頼性を得るために、種々の入力パラメータから異常発生を決定するようなアルゴリズムを採用してもよい。例えば、図１で示しているように、エンジン回転数：α1、上流側酸素濃度センサ出力：α2、排ガス温度センサ出力：α3、下流側酸素濃度センサ出力：α4、・・・などを入力パラメータとし、これらの入力パラメータα1，α2，α3，α4・・・から、異常発生評価値：Ｃを出力する関数ｆを採用してもよい。この場合、推定空気過剰率のストイキ範囲外れの事象が生じたときに異常発生評価値：Ｃの値から、異常発生を決定することになる。

いずれにしても、異常発生が決定されると、その旨を使用者に報知（例えば、外部コントローラへ「三元触媒不具合発生！」ないしは不具合内容をコード化してコードを表示）して、自動的に強制リーン燃焼モードに移行する。この強制リーン燃焼モードの終了は、タイマー制御でもよいし、オペレータによる手動操作でもよいが、その場合強制リーン燃焼モードの終了とともにエンジンを停止させるとよい。また、一旦強制リーン燃焼モードへの移行を行った後、一時的にストイキ燃焼モードに切り替えて推定空気過剰率がストイキ範囲に入っていれば、三元触媒の機能の回復あるいは酸素濃度センサなどセンサ機能の回復とみなして、緊急避難的な強制リーン燃焼モードから、ストイキ燃焼モードに戻すような構成も可能である。

上述した原理に基づく本発明のエンジン燃焼制御システムの実施形態の一つとして、エンジン駆動式ヒートポンプシステムに適用された例を取り上げている。図２で示すように、このエンジン駆動式ヒートポンプシステムは、混合気Ｍを燃焼室２で圧縮して燃焼させて駆動力を出力するエンジン１、そのエンジン１にて駆動される圧縮機３１を有する圧縮式ヒートポンプ回路３０、及び、エンジン負荷に応じてエンジン１の出力を制御する制御装置２０等を備えている。

エンジン１の燃焼室２には、混合気Ｍを吸引する吸気路３、及び、エンジン１から排出される排ガスＥが通流する排気路４が接続されている。吸気路３には、混合器５を介して、天然ガス系都市ガス等の燃料ガスＧを供給する燃料供給路６が接続されている。
そして、吸気路３の端部から吸気される空気Ａと燃料供給路６から供給される燃料ガスＧとが混合器５で混合されて、その混合気Ｍが吸気路３を通して燃焼室２に吸気され、燃焼室２において、その混合気Ｍが圧縮されると共に圧縮状態で点火プラグ（図示省略）にて点火されて燃焼・膨張することにより、クランクシャフト７が回転されて駆動力が出力され、燃焼により発生した排ガスＥが排気路４を通して排気される。つまり、このエンジン１は、通常の４サイクル式に構成されている。
更に、このエンジン１には、クランクシャフト７にギア連結されて、エンジン１の起動時にバッテリ（図示省略）駆動によりクランクシャフト７を強制的に回転させるセルモータ８、及び、クランクシャフト７の回転速度、即ち、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ９が設けられている。セルモータ８は、制御装置２０により制御され、回転速度センサ９の検出情報は、制御装置２０に入力される。

燃料供給路６には、燃料ガスＧの供給量を調整することにより混合気Ｍの空気過剰率を調整可能な燃料供給弁１０が設けられ、吸気路３には、燃焼室２に吸気される混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットルバルブ１１が設けられている。燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１は、制御装置２０により制御される。

排気路４には、排ガスが通過自在な三元触媒１３、排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１２として三元触媒１３の上流側に設けられた上流側酸素濃度センサ１２ａ及び三元触媒１３の下流側に設けられた下流側酸素濃度センサ１２ｂ、その三元触媒１３を出た排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段としての排ガス温度センサ１４が夫々設けられている。酸素濃度センサ１２の検出情報、及び、排ガス温度センサ１４の検出情報は、夫々、制御装置２０に入力される。なお、下流側酸素濃度センサ１２ｂは、必須ではないが三元触媒１３の浄化率や空気過剰率のより正確な評価のためには備えられることが好ましい。

圧縮式ヒートポンプ回路３０には、圧縮機３１に加えて、室外空気熱交換器３２、室内機３３及び膨張弁３４、並びに、圧縮機３１にて圧縮された冷媒の送出先を室外空気熱交換器３２側と室内機３３側とに切り換える四方弁３５等を備えて構成されている。圧縮機３１は、動力伝達機構４０によってエンジン１に伝動連結され、エンジン１の軸動力により圧縮機３１を駆動して冷媒を圧縮することにより、後述するように、冷房運転や暖房運転等の空調運転を行うように構成されている。動力伝達機構４０は、エンジン１のクランクシャフト７に固定されたエンジン側プーリ４１と、圧縮機３１の駆動軸３１ａにクラッチ手段としての電磁クラッチ４２を介して連結された圧縮機側プーリ４３と、それらエンジン側プーリ４１と圧縮機側プーリ４３とにわたって巻回されたベルト４４等を備えて構成されている。
電磁クラッチ４２は、制御装置２０により制御される。つまり、制御装置２０により電磁クラッチ４２のオンオフが切り換えられ、その電磁クラッチ４２のオンオフの切り換えにより、エンジン１と圧縮機３１との伝動連結が断続されて、エンジン１にエンジン負荷がかかる状態とエンジン負荷がかからない状態とに切り換えられるように構成されている。

圧縮式ヒートポンプ回路３０を冷房運転するときには、圧縮機３１の吐出側が室外空気熱交換器３２に接続され且つ圧縮機３１の流入側が室内機３３に接続されるように、四方弁３５が切り換えられる。このように四方弁３５が切り換えられると、圧縮機３１にて圧縮された高温高圧の冷媒蒸気が室外空気熱交換器３２にて放熱して凝縮し、その凝縮した冷媒液が膨張弁３４を通過して低温低圧化して室内機３３に流入して、その室内機３３にて吸熱蒸発し、その蒸発した冷媒蒸気が圧縮機３１に戻るといった形態で、冷媒がヒートポンプ回路３０を循環することになる。
そして、室内機３３において冷媒液が吸熱して蒸発する際に発生する冷熱を利用して、空調対象空間の冷房等を行うように構成される。

一方、圧縮式ヒートポンプ回路３０を暖房運転するときには、圧縮機３１の吐出側が室内機３３に接続され且つ圧縮機３１の流入側が室外空気熱交換器３２に接続されるように、四方弁３５が切り換えられる。このように四方弁３５が切り換えられると、圧縮機３１にて圧縮された高温高圧の冷媒蒸気が室内機３３にて放熱して凝縮し、その凝縮した冷媒液が膨張弁３４を通過して低温低圧化して室外空気熱交換器３２に流入して、その室外空気熱交換器３２にて吸熱蒸発し、その蒸発した冷媒蒸気が圧縮機３１に戻るといった形態で、冷媒がヒートポンプ回路３０を循環することになる。そして、室内機において冷媒蒸気が放熱して凝縮する際に発生する温熱を利用して、空調対象空間の暖房等を行うように構成される。

つまり、上述のように、圧縮機３１が動力伝達機構４０によってエンジン１に伝動連結されることで、エンジン１には、圧縮式ヒートポンプ回路３０の空調負荷に応じたエンジン負荷がかかることになる。そして、制御装置２０は、エンジン負荷に応じて、即ち、空調負荷に応じて目標回転速度を求めて、回転速度センサ９にて検出されるエンジン１の回転速度が目標回転速度になるように、スロットルバルブ１１の開度を調整して燃焼室２への混合気Ｍの吸気量を調整することにより、エンジン１の出力を制御するように構成されている。

制御装置２０は、酸素濃度センサ１２にて検出される酸素濃度を監視しながら、燃料供給弁１０の開度を調整することにより、燃焼室２で燃焼する混合気Ｍの空気過剰率をλ＝１．０を中心とするストイキ範囲（つまり、λ＝１．０を中心として−Δλ〜＋Δλ；Δλはエンジン１と三元触媒１３の特性値に基づいて設定する）内に設定するストイキ燃焼モードと、燃焼室２で燃焼する混合気Ｍの空気過剰率をストイキ範囲よりも大きいリーン範囲内（例えば、λ＝１．４〜１．６）に設定するリーン燃焼モードとにエンジン１の燃焼モードを切り換える機能を備えている。

更に、制御装置２０は、排ガス温度センサ１４の検出温度が三元触媒１３の過熱を防止するための過熱防止用設定温度以上になって触媒過熱状態であると判断すると、スロットルバルブ１１を閉じて燃焼室２への混合気Ｍの吸気を停止することにより、エンジン１を停止する機能も備えている。

図示を省略するが、このエンジン駆動式のヒートポンプシステムのリモートコントローラには、空調目標温度を設定する温度設定部が備えられ、又、空調対象空間の温度を検出する室温センサが設けられている。これら温度設定部の設定情報及び室温センサの検出情報が制御装置２０に入力されることで、制御装置２０は、温度設定部にて設定される空調目標温度と室温センサにて検出される空調対象空間の温度との偏差を空調負荷として求める。

エンジン１の目標回転速度として、空調負荷が所定負荷以上の定格負荷領域に対応して、ストイキ側回転速度範囲が設定され、空調負荷が所定負荷よりも小さい部分負荷領域に対応して、ストイキ側回転速度範囲よりも小さいリーン側回転速度範囲が設定されている。又、空調負荷が定格負荷領域のときは、エンジン１の燃焼モードがストイキ燃焼モードに設定され、空調負荷が部分負荷領域のときは、エンジン１の燃焼モードがリーン燃焼モードに設定される。

制御装置２０は、空調負荷が定格負荷領域のときは、空調負荷に応じて目標回転速度をストイキ側回転速度範囲内で定めて、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度がストイキ範囲内の空気過剰率に応じて設定されたストイキ側目標濃度（例えば、略ゼロ）になるように燃料ガスＧの供給量を調整すべく、燃料供給弁１０の開度を調整し、並びに、回転速度センサ９にて検出されるエンジン１の回転速度が空調負荷に応じた目標回転速度になるように混合気Ｍの吸気量を調整すべく、スロットルバルブ１１の開度を調整する。

制御装置２０は、空調負荷が部分負荷領域のときは、空調負荷に応じて目標回転速度をリーン側回転速度範囲内で定めて、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度がリーン範囲内の空気過剰率に応じて設定されたリーン側目標濃度になるように燃料ガスＧの供給量を調整すべく、燃料供給弁１０の開度を調整し、並びに、回転速度センサ９にて検出されるエンジン１の回転速度が空調負荷に応じた目標回転速度になるように混合気Ｍの吸気量を調整すべく、スロットルバルブ１１の開度を調整する。

三元触媒１３は、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持して構成され、酸化性成分と還元性成分とがつりあった状態の理論当量比の排ガスＥが通過することで、その排ガスＥに含まれるＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣの排出物を同時に除去するように構成されている。
つまり、エンジン１がストイキ燃焼モードで運転されるときは、排ガスＥが三元触媒１３を通過すると、その排ガスＥに含まれるＮＯｘが還元されると共に、ＣＯ及びＨＣが酸化されることになり、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣが同時に除去される。
一方、エンジン１がリーン燃焼モードで運転されるときは、排ガスＥが三元触媒１３を通過すると、主に、ＣＯ及びＨＣが酸化されて除去されることになり、又、排ガスＥには元々ＮＯｘが殆ど含まれていないので、ＮＯｘは排出量が規定値以下に抑えられることになる。

そして、三元触媒１３の温度が異常に上昇する場合があるので、その三元触媒１３の過熱による劣化を防止するために、上述のように、排ガス温度センサ１４の検出温度が過熱防止用設定温度以上になって触媒過熱状態であると判断すると、スロットルバルブ１１を閉じてエンジン１を停止するように、制御装置２０が構成されているのである。

本発明では、エンジン１がストイキ燃焼モードで燃焼制御されている時に、酸素濃度センサ１２の検出情報から演算される燃焼室２での推定空気過剰率がストイキ範囲に入っているかどうかがチェックされ、ストイキ範囲を外れた場合、このストイキ範囲外れを少なくとも１つの要件事象として三元触媒制御における異常発生を判定する。三元触媒制御における異常発生はＣＯやＨＣの急速な増加を導くので、このことを回避するため、燃焼制御モードは、ストイキ燃焼モードから強制的にリーン燃焼モードに変更される。なお、ここでのストイキ範囲は浄化ウィンドウとして知られている制御幅と実質的に同じ制御幅を設定している。この強制的に移行したリーン燃焼モードでの燃焼制御は、一般的には緊急避難的処置であることから、所定時間の経過後、リーン燃焼モードでのエンジン制御も終了して、エンジン１を停止させる。その後、エンジン１のメンテナンスを行う。但し、エンジン停止をできるだけ避けなければならない適用例の場合、エンジン停止の前に再度ストイキ燃焼モードでの燃焼制御を実行し、推定空気過剰率がストイキ範囲を外れていなければ、異常発生が解消されたとして、通常のエンジン制御に復帰する構成も可能である。

制御装置２０は、所定のコンピュータプログラムを実行することにより、上述した種々の機能を実現できるように構成されている。図２に示されているように、制御装置２０によって構築される機能部のうち特に本発明に特に関係するものとして、センサ信号処理部２１、空気過剰率推定演算部２２、燃焼モード切替部２３、異常発生決定部２４、強制燃焼モード変更部２５、空燃比調整部２６、触媒過熱防止制御部２７、報知部２８が挙げられる。

センサ信号処理部２１は、回転速度センサ９、酸素濃度センサ１２、排ガス温度センサ１４などの検出信号を処理して、制御装置２０の各機能部を与える。空気過剰率推定演算部２２は、よく知られているように、酸素濃度センサ１２からの検出信号を用いて空気過剰率λ＝１の検出を行うことで、特定の監視領域、例えば三元触媒１３の浄化率が最も良いウィンドウと呼ばれている領域に空気過剰率が入っていることなどを推定する。燃焼モード切替部２３は、上述したように、空気過剰率λ＝１を中心とするストイキ範囲内に燃焼室２の空気過剰率を維持するストイキ燃焼モードと、燃焼室２の空気過剰率をリーン範囲内に維持するリーン燃焼モードとの間で前記エンジンの燃焼モードを切り替える。異常発生決定部２４は、ストイキ燃焼モードでの燃焼制御中に空気過剰率推定演算部２２によって推定された空気過剰率がストイキ範囲から外れたことをひとつの要因事象としてストイキ燃焼モードでの異常発生を決定する。強制燃焼モード変更部２５は、異常発生決定部２４が異常発生を決定した場合に、強制的にストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの変更を行う。空燃比調整部２６は、燃料供給弁１０やスロットルバルブ１１からなる空燃比調整機構を制御して、燃焼室２の空気過剰率を選択している燃焼モードに応じてストイキ範囲又はリーン範囲に維持する。この空燃比調整部２６と空燃比調整機構とによって本発明の空燃比調整手段が構築されている。触媒過熱防止制御部２７も良く知られた機能部であり、排ガス温度センサ１４からの検出信号に基づいて三元触媒１３の過熱防止制御を行う。ここで取り入られている過熱防止制御は、三元触媒１３の所定異常上昇時のエンジン停止である。報知部２８は、異常発生決定部２４によってストイキ燃焼モードでの燃焼制御中に異常が発生したとみなされ、さらに、排ガス温度センサの出力と前記酸素濃度の出力とを参照して、この異常発生が三元触媒１３の不具合に起因するものと判定された場合、図示されていない外部コントローラ等への不具合コードの表示等を通じて三元触媒の不都合がシステムの使用者に対して報知する。

以下、制御装置２０の制御動作について、説明を加える。
先ず、エンジン１の出力制御及び燃焼モードの切換制御における全体の制御動作を、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。
排ガス温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上か否かを判定する（ステップ＃１）。排ガス温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓよりも低い場合は（ステップ＃１No分岐）、次に、後で説明する、三元触媒制御における異常をチェックする異常発生チェックルーチンで異常発生と判定された際に「１」にセットされる異常フラッグの内容をチェックする（ステップ＃２）。異常フラッグは初期設定で「０」にセットされている。異常フラッグの内容が「０」なら（ステップ＃２Yes分岐）、さらに空調負荷が定格負荷領域か部分負荷領域かを判定する（ステップ＃３）。

ステップ＃３で空調負荷が定格負荷領域であると判定されると、ストイキ燃焼モードの燃焼制御が実行される（ステップ＃４）。つまり、空調負荷に応じて目標回転速度をストイキ側回転速度範囲内で定めて、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度がストイキ側目標濃度になると共に、回転速度センサ９にて検出されるエンジン１の回転速度が目標回転速度になるように、燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１の開度が調整される（ステップ＃５）。次いで、図４に示す異常発生チェックルーチンが実行され（ステップ＃６）、その後リターンする。

異常発生チェックルーチンでは、空気過剰率推定演算部２２で演算された推定空気過剰率が取得され（ステップ＃６１）、この推定空気過剰率がストイキ範囲に入っているかどうかチェックする（ステップ＃６２）。推定空気過剰率がストイキ範囲に入っていれば（ステップ＃６２Yes分岐）、正常なストイキ燃焼モードでの燃焼制御が行われているとみなして、リターンする。推定空気過剰率がストイキ範囲から外れている場合には（ステップ＃６２No分岐）、正常なストイキ燃焼モードでの燃焼制御が行われていないとみなし、この実施形態では、この原因を三元触媒制御における異常の発生とし、ストイキ燃焼を中断して、強制リーン燃焼モードでの燃焼制御に移行する（ステップ＃６３）。強制リーン燃焼が開始すると、タイマーをスタートさせ（ステップ＃６４）、異常フラグに「１」をセットする（ステップ＃６５）。さらに、異常発生の事実を外部コントローラへの不具合コード表示などで報知することを要求して（ステップ＃６６）、その後リターンする。

ステップ＃３で空調負荷が部分負荷領域であると判定すると、リーン燃焼モードの燃焼制御が実行される(ステップ＃７)。つまり、空調負荷に応じて目標回転速度をリーン側回転速度範囲内で定めて、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度がリーン側目標濃度になると共に、回転速度センサ９にて検出されるエンジン１の回転速度が目標回転速度になるように、燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１の開度が調整され（ステップ＃８）、その後リターンする。

ステップ＃１で、排ガス温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上であると判定すると、スロットルバルブ１１を閉じてエンジン１を停止し、その後、排ガス温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓよりも低くなると、セルモータ８を作動させて再起動処理が実行される (ステップ＃９〜１１)。次いで、図４に示す異常発生チェックルーチンが実行され（ステップ＃６）、その後リターンする。

なお、ステップ＃１１のエンジン再起動処理では、セルモータ８を作動させた状態で、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度が触媒過熱状態であると判断した時に設定されていた燃焼モードに応じた値になり、且つ、混合気Ｍの吸気量が所定の起動用吸気量になるように、燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１の開度を調整し、セルモータ８を停止させても回転速度センサ９にてエンジン１の回転が検出されて、エンジン１の起動が確認されると、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度が触媒過熱状態であると判断した時に設定されていた燃焼モードに応じた値になり、且つ、回転速度センサ９にて検出されるエンジン１の回転速度が目標回転速度になるように、燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１の開度を調整する。

さらに、ステップ＃６の異常発生チェックルーチンで異常発生が決定されると、異常フラグに「１」がセットされるので、ステップ＃２でＮｏ分岐する。まず、異常発生に基づく強制リーン燃焼の開始時にスタートしたタイマーが所定時間経過（タイムアップ）したかどうかチェックする(ステップ＃１２)。このタイマーの所定時間は、三元触媒制御の不都合時に緊急避難的にリーン燃焼を行っても差し支えない時間に設定されているので、まだタイムアップしていなければ(ステップ＃１２No分岐)、強制リーン燃焼モードでの燃焼制御を続行して(ステップ＃１３)、リターンする。タイマーがタイムアップしていれば(ステップ＃１２Yes分岐)、スロットルバルブ１１を閉じてエンジン１を停止し(ステップ＃１４)、緊急避難的なリーン燃焼を終了したこと及び点検の要請を報知して(ステップ＃１５)、このエンジン制御を終了する。

〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ）上述した実施形態の説明では、異常発生の決定を行うために空気過剰率推定演算部２２で演算された推定空気過剰率が予め設定されたストイキ範囲から外れるかどうかだけがチェックされていた。ストイキ範囲外れに基づく異常発生の決定をより高い信頼性で行うため、推定空気過剰率のストイキ範囲からの外れチェック結果に加えて、回転速度センサ９、酸素濃度センサ１２、排ガス温度センサ１４などの検出値を入力パラメータとして異常発生の判定結果を導出するアルゴリズムを採用してもよい。

（ロ）上記の実施形態では、排ガス温度センサ１４の検出温度が過熱防止用設定温度以上になって触媒過熱状態であると判断すると、エンジン１を停止するように構成したが、エンジン１の回転速度を低下させてエンジン１の出力を低下させるように構成しても良い。

（ハ）上記実施形態の説明では、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードの切り替えは、空調負荷が定格負荷領域か部分負荷領域かで決定されるとした。これ以外の判定アルゴリズムでストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードの切り替えを行っても良い。例えば、エンジン回転数（回転速度）とエンジントルクを入力パラメータとして、回転速度が速くかつトルクが大きい場合にストイキ燃焼モードを選択し、回転速度が低くかつトルクが低い場合にリーン燃焼モードを選択するような出力を導出するアルゴリズム（マップや演算式などで構築することができる）を用いてもよい。

（ニ）本発明を適用可能なエンジンシステムの具体例は、上記の実施形態の如きエンジン駆動式のヒートポンプシステムに限定されるものではなく、種々の構成のエンジンシステムに適用可能である。例えば、エンジン１にて駆動される発電機を有するエンジン駆動式の熱電併給システムに適用することができる。

以上説明したように、エンジンをストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードで運転制御する全てのエンジン制御に適用することができる。

１エンジン
２燃焼室
４排気路
９回転速度センサ
１０燃料供給弁（空燃比調整機構）
１１スロットルバルブ（空燃比調整機構）
１２酸素濃度センサ
１２ａ上流側酸素濃度センサ
１２ｂ下流側酸素濃度センサ
１３三元触媒
１４排ガス温度センサ
２０制御装置
２２空気過剰率推定演算部
２３燃焼モード切替部
２４異常発生決定部
２５強制燃焼モード変更部
２６空燃比調整部
２７触媒過熱防止制御部
２８報知部

Claims

エンジンの燃焼室に吸気される混合気の空気過剰率を調整する空燃比調整手段と、前記エンジンからの排ガスが通流する排気路に排ガスが通過自在に設けられた三元触媒と、前記排気路に配置された酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサからの検出信号に基づいて前記燃焼室における空気過剰率を推定する空気過剰率推定演算部と、ストイキ範囲内に前記燃焼室の空気過剰率を維持するストイキ燃焼モードと、前記空気過剰率をリーン範囲内に維持するリーン燃焼モードとの間で前記エンジンの燃焼モードを切り替える燃焼モード切替部と、前記ストイキ燃焼モードでの燃焼制御中に前記空気過剰率推定演算部によって推定された空気過剰率が前記ストイキ範囲から外れたことをひとつの要因事象としてストイキ燃焼モードでの異常発生を決定する異常発生決定部、前記異常発生決定部が異常発生を決定した場合に、強制的にストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの変更を行う強制燃焼モード変更部とが備えられているエンジン燃焼制御システム。
前記三元触媒を出た排ガスの温度を検出する排ガス温度センサが備えられ、前記排ガス温度センサの出力と前記酸素濃度センサの出力とが前記ストイキ燃焼モードでの異常発生を決定するための要因事象として追加される請求項１に記載のエンジン燃焼制御システム。
前記異常発生を前記三元触媒の不具合とみなし、前記三元触媒の不都合を報知する報知部が備えられている請求項１または２に記載のエンジン燃焼制御システム。