JP2012207581A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】三元触媒の劣化を抑制するように運転し得るエンジンシステムを提供する。
【解決手段】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と、エンジン１からの排ガスＥが通流する排気路４に排ガスＥが通過自在に設けられた三元触媒１３とを備え、制御手段２０が、エンジン１にかかるエンジン負荷に応じて、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自在に構成されたエンジンシステムであって、制御手段２０が、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジン１を停止した後、燃焼モードをリーン燃焼モードに設定した状態でエンジン１を起動するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させて駆動力を出力するエンジンと、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、前記エンジンの作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記エンジンにかかるエンジン負荷に応じて、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率を前記ストイキ範囲よりも大きいリーン範囲内に設定するリーン燃焼モードとに前記エンジンの燃焼モードを切り換え自在に構成されたエンジンシステムに関する。

かかるエンジンシステムとして、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、エンジンの燃焼モードが、エンジン負荷に応じて、混合気の空気過剰率をストイキ範囲内（例えば１．０程度）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）内に設定するリーン燃焼モードとに切り換え自在に構成されている。
又、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ている（例えば、特許文献１参照。）。

つまり、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ので、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。

そして、燃焼室から排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）及びＨＣ（炭化水素）が含まれるが、ストイキ燃焼モードでは、燃焼室に吸気される混合気中に燃焼熱を奪う空気が少ないため、燃焼室での燃焼温度が高くなって排ガスの温度が高くなるので、排ガスにはＮＯｘ（窒素酸化物）が比較的多く含まれる。
一方、リーン燃焼モードでは、燃焼室に吸気される混合気中には燃焼熱を奪う空気が多くなるので、エンジンがストイキ燃焼モードで運転される場合に比べて、燃焼室での燃焼温度が低くなって排ガスの温度が低くなり、その結果、燃焼室から排出される排ガスに含まれるＮＯｘは少ない。
そして、エンジンがストイキ燃焼モードで運転されるときは、三元触媒において、排ガスに含まれる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、エンジンがリーン燃焼モードで運転されるときは、三元触媒において、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。

このようなエンジンシステムにおいて、従来、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジンを作動した状態で燃焼モードを切り換えるように構成されていた（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−２８６０６６号公報

ところで、このようなエンジンシステムにおいて、エンジンがストイキ燃焼モードで運転されている間は、排ガスの温度が高いので、三元触媒の温度も高くなっている。一方、エンジンの燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えられるときは、エンジン負荷の低下に応じて、燃焼室への混合気の吸気量が減少調整されると共に、空気過剰率をリーン範囲内に増大変更すべく燃料の供給量が減少調整されることになるが、このときに、混合気の吸気量の減少調整における減少率に比べて燃料の供給量の減少調整における減少率が相対的に小さくなると、排ガスの温度が高い状態で、排ガス中の酸化性成分と還元性成分との釣り合いが崩れて、還元性成分（ＣＯ及びＨＣ）が多くなる場合がある。
このように、エンジンの燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えられるときに、三元触媒の温度が高い状態で、排ガス中の酸化性成分と還元性成分との釣り合いが崩れて還元性成分が多くなると、ＣＯ及びＨＣが三元触媒で反応して三元触媒の温度が過度に上昇する虞があり、三元触媒が劣化する虞がある。

しかしながら、従来のエンジンシステムでは、エンジンの燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときに、三元触媒の温度が過度に上昇し易く、三元触媒の耐久性を向上する上で改善の余地があった。

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、三元触媒の劣化を抑制するように運転し得るエンジンシステムを提供することにある。

本発明のエンジンシステムは、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させて駆動力を出力するエンジンと、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、前記エンジンの作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記エンジンにかかるエンジン負荷に応じて、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率を前記ストイキ範囲よりも大きいリーン範囲内に設定するリーン燃焼モードとに前記エンジンの燃焼モードを切り換え自在に構成されたものであって、
第１特徴構成は、前記制御手段が、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードから前記リーン燃焼モードに切り換えるときは、前記エンジンを停止した後、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードに設定した状態で前記エンジンを起動するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段は、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジンを停止した後、燃焼モードをリーン燃焼モードに設定した状態でエンジンを起動する。

つまり、エンジンの停止は、エンジンの燃焼室への混合気の供給を停止することにより行うので、エンジンが停止されると、三元触媒には排ガスが殆ど通流しなくなり、三元触媒の温度が低下する。
そして、燃焼モードがリーン燃焼モードに設定された状態で、換言すれば、エンジンの燃焼室へ供給される混合気の空気過剰率がリーン範囲内に設定された状態で、エンジンが起動されるので、三元触媒には、排ガスが殆ど通流していなくて温度が低下した状態で、リーン範囲内の空気過剰率の混合気が燃焼した排ガスが通流することになる。
すると、エンジンの燃焼室に供給される混合気の空気過剰率がストイキ範囲内からリーン範囲内に変更調整される過渡状態がなくなり、しかも、三元触媒は排ガスが殆ど通流していなくて温度が低下しているので、三元触媒の温度が高い状態で排ガス中の酸化性成分と還元性成分との釣り合いが崩れて還元性成分が多くなるといった事態が現出するのを回避することが可能となり、三元触媒が過熱される程度にまで三元触媒の温度が上昇するのを回避することができる。
従って、三元触媒の劣化を抑制するように運転し得るエンジンシステムを提供することができるようになった。

第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記制御手段が、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードから前記ストイキ燃焼モードに切り換えるときは、前記エンジンを停止した後、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定した状態で前記エンジンを起動するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段は、燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えるときは、エンジンを停止した後、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定した状態でエンジンを起動する。

つまり、燃焼モードがリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えられるときは、一旦エンジンが停止された後、燃焼モードがストイキ燃焼モードに設定された状態で、換言すれば、エンジンの燃焼室へ供給される混合気の空気過剰率がストイキ範囲内に設定された状態で、エンジンが起動されるので、三元触媒には排ガスが殆ど通流していなくて温度が低下した状態で、ストイキ範囲内の空気過剰率の混合気が燃焼した排ガスが通流することになる。
すると、エンジンの燃焼室に供給される混合気の空気過剰率がリーン範囲内からストイキ範囲内に変更調整される過渡状態がなくなり、しかも、三元触媒は排ガスが殆ど通流していなくて温度が低下しているので、三元触媒の温度が高い状態で排ガス中の酸化性成分と還元性成分との釣り合いが崩れて還元性成分が多くなるといった事態が現出するのを回避することが可能となり、三元触媒が過熱される程度にまで三元触媒の温度が上昇するのを回避することができる。
従って、燃焼モードがリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えられるときにも、三元触媒の温度が過度に高くなるのを回避することができるので、三元触媒の劣化をより一層抑制することができる。

第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、
前記制御手段が、前記エンジン負荷が設定負荷以上のときは、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定し、且つ、前記エンジンの回転速度をストイキ側回転速度範囲内で前記エンジン負荷に応じて調整し、前記エンジン負荷が前記設定負荷よりも小さいときは、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードに設定し、且つ、前記エンジンの回転速度を前記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内で前記エンジン負荷に応じて調整するように構成され、並びに、
前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードから前記リーン燃焼モードに切り換えるときは、前記エンジンの回転速度を前記ストイキ側回転速度範囲の下限値又はその下限値に近い値に設定される切換用回転速度に調整した後、前記エンジンを停止し、続いて、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードに設定した状態で前記エンジンを起動し、且つ、前記エンジンの回転速度を前記リーン側回転速度範囲内における前記エンジン負荷に応じた回転速度に調整するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段は、エンジン負荷が設定負荷よりも小さくなって、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジンの回転速度をストイキ側回転速度範囲の下限値又はその下限値に近い値に設定される切換用回転速度に調整した後、エンジンを停止し、続いて、燃焼モードをリーン燃焼モードに設定した状態でエンジンを起動し、且つ、エンジンの回転速度をリーン側回転速度範囲内におけるエンジン負荷に応じた回転速度に調整する。

つまり、エンジンの回転速度が切換用回転速度に調整されることにより、エンジンの燃焼室への混合気の供給量が少なくなって排ガスの温度が低下するので、三元触媒の温度が低下する。
そして、そのように三元触媒の温度が低下した状態で、エンジンが一旦停止されて、三元触媒の温度が更に低下した状態で、燃焼モードがリーン燃焼モードに設定されてエンジンが起動されるので、三元触媒が過熱される程度にまで三元触媒の温度が上昇するのを的確に回避することができる。
従って、三元触媒の劣化をより一層抑制することができる。

第４特徴構成は、上記第１〜第３特徴構成のいずれか１つに加えて、
前記エンジンにて駆動される圧縮機を有する圧縮式ヒートポンプ回路が設けられ、
前記エンジンに、前記圧縮式ヒートポンプにかかる空調負荷に応じたエンジン負荷がかかるように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、エンジンを作動させると、そのエンジンにより圧縮機が駆動されて圧縮式ヒートポンプが作動し、冷房や暖房等の空調運転が行われる。
そして、空調負荷が低下するのに伴って、その空調負荷に応じたエンジン負荷が低下すると、エンジンの燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えられる。そのときは、エンジンが一旦停止された後、燃焼モードがリーン燃焼モードに設定された状態でエンジンが起動される手順で、燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えられるので、先に第１特徴構成について説明したのと同様に、三元触媒が過熱される程度にまで三元触媒の温度が上昇するのを的確に回避することができる。
ちなみに、エンジンの燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えられるときに、エンジンが一旦停止されるにしても、その停止時間は短時間であり、しかも、空調負荷が小さくなっているので、エンジンが停止されて圧縮式ヒートポンプが作動されない状態となっても、冷房や暖房等の空調運転に影響を与えることは殆どない。
従って、三元触媒の劣化を抑制するように運転し得るエンジン駆動式のヒートポンプシステムを提供することができる。

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ブロック図 制御動作のフローチャートを示す図 制御動作のフローチャートを示す図 制御動作のフローチャートを示す図

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、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手段としての制御装置２０等を備えて、エンジン駆動式のヒートポンプシステムとして構成されている。

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に入力されるように構成されている。

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。
排気路４には、排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１２、排ガスが通過自在な三元触媒１３、及び、その三元触媒１３を出た直後の排ガスＥの温度を三元触媒１３の温度として検出する触媒温度検出手段としての触媒温度センサ１４が夫々設けられている。
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、酸素濃度センサ１２の検出情報、及び、触媒温度センサ１４の検出情報は、夫々、制御装置２０に入力されるように構成されている。
尚、酸素濃度センサ１２は、排気路４において三元触媒１３の上流側の箇所に設けられ、触媒温度センサ１４は、排気路４において三元触媒１３の下流側の箇所に設けられている。
排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素濃度センサとして、排気路４における三元触媒１３の上流側に設けた酸素濃度センサ１２に加えて、排気路４における三元触媒１３の下流側の箇所に設けて、その酸素濃度センサの検出情報も制御装置２０に入力されるように構成しても良い。
又、触媒温度センサ１４は、三元触媒１３の内部に設けても良い。

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。尚、室内機３３及び膨張弁３４は、空調対象空間内に設置される室内ユニットＵｉに装備され、室内機３３及び膨張弁３４以外の部材、即ち、エンジン１、圧縮機３１、室外空気熱交換器３２及び四方弁３５等は、空調対象空間外に設置される室外ユニットＵｅに装備される。
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、図１に実線で示すように、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、図１に破線で示すように、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にかかる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。

又、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の空気過剰率をストイキ範囲（例えば、１．０程度）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、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自在に構成されている。
更に、制御装置２０は、触媒温度センサ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を停止するように構成されている。

説明を加えると、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に入力されるように構成され、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ように構成されている。

そして、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（即ち、エンジン負荷が設定負荷以上）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。

そして、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。

又、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。

つまり、制御装置２０は、空調負荷が所定負荷以上のときは、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定し、且つ、エンジン１の回転速度をストイキ側回転速度範囲内で空調負荷に応じて調整し、空調負荷が所定負荷よりも小さいときは、エンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードに設定し、且つ、エンジン１の回転速度を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内で空調負荷に応じて調整するように構成されていることになる。

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、触媒温度センサ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を非常停止するように、制御装置２０が構成されているのである。

そして、本発明は、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときに、三元触媒１３の温度が過度に高くなるのを回避するようにしたものである。
つまり、制御装置２０が、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジン１を予め設定された停止用設定時間の間停止した後、燃焼モードをリーン燃焼モードに設定した状態でエンジン１を起動するように構成されている。
この実施形態では、制御装置２０が、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジン１の回転速度をストイキ側回転速度範囲の下限値に設定される切換用回転速度に調整した後、エンジン１を停止用設定時間の間停止し、続いて、燃焼モードをリーン燃焼モードに設定した状態でエンジン１を起動し、且つ、エンジン１の回転速度をリーン側回転速度範囲内における空調負荷に応じた回転速度に調整するように構成されている。

更に、この実施形態では、制御装置２０が、エンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えるときは、エンジン１を停止用設定時間の間停止した後、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定した状態でエンジン１を起動するように構成されている。

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２に示すフローチャートに基づいて説明する。このフローチャートは、本願における燃焼モード選択と三元触媒１３の過熱防止を行うための基本的な制御である。

触媒温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上か否かを判定して、触媒温度センサ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、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＃１，２）。
ステップ＃２で空調負荷が部分負荷領域であると判定すると、ステップ＃３で現時点の燃焼モードがストイキ燃焼モードか否かを判定して、現時点の燃焼モードがストイキ燃焼モードでない、即ち、リーン燃焼モードのときは、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の開度を調整して、リターンする（ステップ＃４，５）。つまり、リーン燃焼モードが継続されると共に、エンジン１の回転速度が空調負荷に応じた回転速度になるように回転速度調整が行われることになる。
又、ステップ＃３で、現時点の燃焼モードがストイキ燃焼モードであると判定すると、後述するように、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるストイキ→リーン切換処理を実行する(ステップ＃６)。

ステップ＃２で空調負荷が定格負荷領域であると判定すると、ステップ＃７で現時点の燃焼モードがリーン燃焼モードか否かを判定して、現時点の燃焼モードがリーン燃焼モードでない、即ち、ストイキ燃焼モードのときは、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の開度を調整して、リターンする（ステップ＃８，９）。つまり、ストイキ燃焼モードが継続されると共に、エンジン１の回転速度が空調負荷に応じた回転速度になるように回転速度調整が行われることになる。
又、ステップ＃７で現時点の燃焼モードがリーン燃焼モードであると判定すると、後述するように、燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えるリーン→ストイキ切換処理を実行する(ステップ＃１０)。

ステップ＃１で、触媒温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上であって触媒過熱状態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、触媒温度センサ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を実行して、リターンする(ステップ＃１１〜１３)。
制御装置２０は、図２に示すフローチャートに基づく制御動作を、予め設定されたサイクル時間で繰り返し実行する。

ちなみに、ステップ＃１３のエンジン再起動処理では、混合気Ｍの空気過剰率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の開度を調整して、セルモータ８を作動させた状態で、点火プラグ（図示省略）を作動させ、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、点火プラグの作動を停止し、続いて、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。

次に、図３に示すフローチャートに基づいて、ストイキ→リーン切換処理における制御動作を説明する。このフローチャートは、本願において、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときに三元触媒１３の温度が過度に高くなるのを回避するための制御である。

先ず、制御装置２０は、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるタイミングになると、触媒温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上にならないかを監視しながら、酸素濃度センサ１２にて検出される排ガスＥの酸素濃度をストイキ側目標濃度に維持し、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Ｒが切換用回転速度Ｒａ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（ステップ＃２１〜２３）。ちなみに、ΔＲは微小な値に設定される。つまり、燃焼モードがストイキ燃焼モードに維持される状態で、エンジン１の回転速度が切換用回転速度Ｒａに調整される。

触媒温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上にならない状態で、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Ｒが切換用回転速度Ｒａ±ΔＲの範囲に入ると、スロットルバルブ１１を閉じてエンジン１を停止すると共に、エンジン停止用経過時間Ｈの計時を開始し、その停止用経過時間Ｈが停止用設定時間Ｈｓに達するまで、エンジン１を停止した状態で待機する（ステップ＃２４，２５）。

停止用経過時間Ｈが停止用設定時間Ｈｓに達すると、空調負荷に応じて目標回転速度Ｒｐをリーン側回転速度範囲内で定めて、混合気Ｍの空気過剰率がリーン範囲内の所定の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の開度を調整した状態で、セルモータ８を作動させて再起動処理を実行し、続いて、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Ｒが目標回転速度Ｒｐになるように、燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１の開度を調整して（ステップ＃２６〜２８）、リターンする。

ステップ＃２７のエンジン再起動処理では、セルモータ８を作動させると共に、点火プラグ（図示省略）を作動させ、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、点火プラグの作動を停止する。

ステップ＃２２で触媒温度センサ１４の検出温度Ｔが過熱防止用設定温度Ｔｓ以上になると、スロットルバルブ１１を閉じてエンジン１を停止し、そのエンジン１の停止後、触媒温度センサ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（ステップ＃２９，３０）、ステップ＃２６に進んで、エンジン１を再起動する。

次に、図４に示すフローチャートに基づいて、エンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えるリーン→ストイキ切換処理について、説明する。
先ず、制御装置２０は、燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えるタイミングになると、スロットルバルブ１１を閉じてエンジン１を停止すると共に、エンジン停止用経過時間Ｈの計時を開始し、その停止用経過時間Ｈが停止用設定時間Ｈｓに達するまで、エンジン１を停止した状態で待機する（ステップ＃４１，４２）。

停止用経過時間Ｈが停止用設定時間Ｈｓに達すると、空調負荷に応じて目標回転速度Ｒｐをストイキ側回転速度範囲内で定めて、混合気Ｍの空気過剰率がストイキ範囲内の所定の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の開度を調整した状態で、セルモータ８を作動させて再起動処理を実行し、続いて、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Ｒが目標回転速度Ｒｐになるように、燃料供給弁１０及びスロットルバルブ１１の開度を調整して（ステップ＃４３〜４５）、リターンする。尚、ステップ＃４４のエンジン再起動処理は、ステップ＃２７のエンジン再起動処理と同様であるので、説明を省略する。

エンジン１の燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えられるときは、上述のようにストイキ→リーン切換処理が実行されるので、エンジン１の燃焼モードがストイキ燃焼モードに維持された状態で、エンジン１の回転速度がストイキ側回転速度範囲の下限値の切換用回転速度に調整された後、エンジン１が停止用設定時間Ｈｓの間停止され、続いて、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た状態でエンジン１が起動されると共に、エンジン１の回転速度がリーン側回転速度範囲内における空調負荷に応じた回転速度に調整されて、リーン燃焼モードに切り換えられることになる。

つまり、エンジン１の回転速度が切換用回転速度に調整されることにより、エンジン１の燃焼室２への混合気Ｍの供給量が少なくなって排ガスＥの温度が低下して、三元触媒１３の温度が低下した後に、エンジン１が停止用設定時間Ｈｓの間停止されるので、三元触媒１３の温度が更に低下する。
そして、このように三元触媒１３の温度が効果的に低下した状態で、燃焼モードがリーン燃焼モードに設定されてエンジン１が再起動されるので、エンジン１の燃焼室２に供給される混合気Ｍの空気過剰率がストイキ範囲内からリーン範囲内に変更調整される過渡状態がなくなることになる。従って、三元触媒１３の温度が高い状態で排ガスＥ中の酸化性成分と還元性成分との釣り合いが崩れて還元性成分が多くなるといった事態が現出するのを回避することが可能となり、三元触媒１３の温度が過度に高くなるのを的確に回避することができる。

又、燃焼モードがリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えられるときも、エンジン１が停止用設定時間Ｈｓの間停止された後、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た状態でエンジン１が起動されると共に、エンジン１の回転速度がストイキ側回転速度範囲内における空調負荷に応じた回転速度に調整されることによって、ストイキ燃焼モードに切り換えられる。
つまり、エンジン１の停止により三元触媒１３の温度が低下した状態で、エンジン１が再起動され、しかも、エンジン１の燃焼室２に供給される混合気Ｍの空気過剰率がリーン範囲内からストイキ範囲内に変更調整される過渡状態がなくなるので、三元触媒１３の温度が過度に高くなるのを的確に回避することができる。
従って、エンジン１の燃焼モードがストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードの切り換えるとき、及び、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えられるときのいずれにおいても、三元触媒の温度が過度に高くなるのを回避することができるので、三元触媒の劣化を効果的に抑制することができる。

〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 上記の実施形態では、燃焼モードをリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードに切り換えるときにも、エンジン１を一旦停止する制御を実行するように構成したが、このような制御を省略しても良い。

（ロ） 上記の実施形態では、燃焼モードをストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードに切り換えるときは、エンジン１の回転速度をストイキ側回転速度範囲の下限値又はその下限値に近い値に設定される切換用回転速度に調整した後、エンジン１を停止するように構成したが、エンジン１の回転速度を切換用回転速度に調整する制御動作を省略しても良い。

（ハ） 上記の実施形態では、触媒温度センサ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。
このようにエンジン１の回転速度を低下させるときの低下目標回転速度は、エンジン１の安定運転が可能な条件で極力低速に設定して、排ガス量を極力少なくすることにより、三元触媒１３の温度が極力速く低下するようにする。
この場合、触媒温度センサ１４の検出温度が過熱防止用設定温度よりも低くなると、エンジン１の回転速度を低下前の回転速度に戻すことにより、エンジン１の出力を低下前の出力に上昇させるように構成することになる。

（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、三元触媒の劣化を抑制するように運転し得るエンジンシステムを提供することができる。

１ エンジン
２ 燃焼室
４ 排気路
１３ 三元触媒
２０ 制御装置（制御手段）
３０ 圧縮式ヒートポンプ回路
３１ 圧縮機
Ｅ 排ガス
Ｍ 混合気

Claims (4)

1. 混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させて駆動力を出力するエンジンと、
   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、
   前記エンジンの作動を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段が、前記エンジンにかかるエンジン負荷に応じて、前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードと前記燃焼室で燃焼する混合気の空気過剰率を前記ストイキ範囲よりも大きいリーン範囲内に設定するリーン燃焼モードとに前記エンジンの燃焼モードを切り換え自在に構成されたエンジンシステムであって、
   前記制御手段が、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードから前記リーン燃焼モードに切り換えるときは、前記エンジンを停止した後、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードに設定した状態で前記エンジンを起動するように構成されているエンジンシステム。
2. 前記制御手段が、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードから前記ストイキ燃焼モードに切り換えるときは、前記エンジンを停止した後、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定した状態で前記エンジンを起動するように構成されている請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記制御手段が、前記エンジン負荷が設定負荷以上のときは、前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定し、且つ、前記エンジンの回転速度をストイキ側回転速度範囲内で前記エンジン負荷に応じて調整し、前記エンジン負荷が前記設定負荷よりも小さいときは、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードに設定し、且つ、前記エンジンの回転速度を前記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内で前記エンジン負荷に応じて調整するように構成され、並びに、
   前記燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードから前記リーン燃焼モードに切り換えるときは、前記エンジンの回転速度を前記ストイキ側回転速度範囲の下限値又はその下限値に近い値に設定される切換用回転速度に調整した後、前記エンジンを停止し、続いて、前記燃焼モードを前記リーン燃焼モードに設定した状態で前記エンジンを起動し、且つ、前記エンジンの回転速度を前記リーン側回転速度範囲内における前記エンジン負荷に応じた回転速度に調整するように構成されている請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. 前記エンジンにて駆動される圧縮機を有する圧縮式ヒートポンプ回路が設けられ、
   前記エンジンに、前記圧縮式ヒートポンプにかかる空調負荷に応じたエンジン負荷がかかるように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンシステム。

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