JP5232072B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、燃焼室から排出される排ガスが通過する排気路に配置され、排ガスを浄化する三元触媒と、を備えたエンジンシステムに関する。また、そのようなエンジンシステムにおけるエンジン制御方法に関する。

上記のようなエンジンシステムとして、エンジン駆動式のヒートポンプシステムや、エンジン駆動式の熱電併給システム（コージェネレーションシステム）等が知られている。例えばヒートポンプシステムでは、エンジンの軸動力を利用して圧縮機が駆動され、ヒートポンプ回路により冷暖房運転が行なわれる。また、熱電併給システムでは、エンジンの排熱が排熱回収手段により回収されて熱負荷への供給のために利用されると共に、エンジンの軸動力を利用して発電手段により発電が行われ、発生した電力が電力負荷へ供給される。これらのエンジンシステムでは、環境負荷を低く抑えるべく、排ガスが通過する排気路に、当該排ガス中に含まれる有害成分を浄化する目的で三元触媒が設けられている場合が多い（例えば、特許文献１を参照）。三元触媒を、酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の排ガスが通過することで、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元除去と、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、及び臭気成分等の酸化除去と、を同時に行なうことができる。

ところで三元触媒は、過熱に弱いという性質を有する。つまり、三元触媒は、過熱により異常高温に晒されると容易に性能劣化を引き起こしてしまう。そのため、三元触媒の触媒活性を良好に維持させるためには、三元触媒が異常高温に晒されることがないように適切にシステムの運転状態を制御する必要があると言える。この点に関して、特許文献１に記載されたエンジンシステムでは、排ガス中の酸素濃度が略ゼロとなるストイキ燃焼モードと排ガス中の酸素濃度が比較的高くなるリーン燃焼モードとを切換可能に備え、エンジンに要求される出力の大きさから見てリーン燃焼モードを選択すべき状況であっても、三元触媒の温度が所定温度以上である場合にはストイキ燃焼モードを実現するように制御する。これにより、高酸素濃度の排ガスが三元触媒を通過するのを抑制し、三元触媒上で生じる発熱反応により、当該三元触媒が異常高温に晒されて性能劣化を引き起こしてしまうのを回避している。

特開２００８−２８６０６６号公報

しかし、特許文献１に記載されたエンジンシステムでは、システムが定常運転される場合における三元触媒の劣化防止が考慮されているだけであり、断続的に運転される場合における、システムの一旦停止後の三元触媒の劣化防止に関しては、何ら考慮がなされていなかった。そのため、システムが再起動する際に三元触媒が性能劣化を引き起こしてしまう可能性があった。例えば、システムの運転中に三元触媒が触媒活性温度を保ち、比較的高温となっていた状態でシステムが停止され、その後比較的短時間のうちにシステムが再起動される場合には、エンジンの始動時に排ガス中に比較的高濃度で含まれる未燃ガスや酸素が、未だ高温状態のままの三元触媒を通過することになり、三元触媒上で未燃ガスと酸素とが発熱反応を起こして、三元触媒が過熱により異常高温に晒される結果、性能劣化を引き起こしてしまう可能性があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、システムの再起動の際における三元触媒の性能劣化を抑制し、三元触媒の触媒活性を良好に維持させることができるエンジンシステム及びエンジン制御方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するための、本発明に係る混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、前記燃焼室から排出される排ガスが通過する排気路に配置され、前記排ガスを浄化する三元触媒と、を備えたエンジンシステムの特徴構成は、前記三元触媒の温度である触媒温度を取得する触媒温度取得手段と、システムに対する停止要求を受け取った際の前記触媒温度が所定の停止許可温度以上である場合に、システムを構成する複数のシステム要素のうちの排ガス冷却に関与するシステム要素である冷却関連要素を稼働させたままで前記触媒温度を低下させる停止前制御を行なうと共に、前記触媒温度が前記停止許可温度未満となった際に前記冷却関連要素を稼動停止させてシステムを完全に停止させる実停止制御を行なう制御手段と、を備え、
前記冷却関連要素が前記エンジンであり、前記停止前制御では、前記エンジンが部分負荷状態とされ、
前記エンジンの軸動力を駆動源とする圧縮機を有するヒートポンプ回路と、
前記ヒートポンプ回路において所定範囲内で設定される空調負荷設定値の大きさに応じて、前記エンジンの軸動力を制御するエンジン制御手段と、を備え、
前記停止前制御では、前記エンジン制御手段は、前記エンジンの軸動力が前記空調負荷設定値の最小値に対応する出力となるように前記エンジンを制御し、
前記エンジンの軸動力のうち前記圧縮機を駆動してなお余剰する余剰軸動力により駆動されて発電し、当該発電された電力を電力負荷へ供給する発電手段を備え、
前記停止前制御では、前記余剰軸動力が、システムに備えられる内部機器による消費電力に対応する出力である自立運転出力に略等しくなるように設定されると共に、前記エンジン制御手段は、前記エンジンの軸動力が前記自立運転出力を更に加算した出力となるように前記エンジンを制御する点にある。

上記の特徴構成によれば、システムに対する停止要求を受け取った際の触媒温度が停止許可温度以上である場合には、複数のシステム要素の一つである冷却関連要素を稼働させたままで停止前制御を行なうことにより、触媒温度を低下させることができる。そして、当該停止前制御の結果、触媒温度が停止許可温度より低下した際に、実停止制御によりシステムを完全に停止させるので、次回のシステム及びそれに伴うエンジンの再始動時における三元触媒の温度を、確実に十分に低下した状態とさせることができる。よって、システムの再起動の際に、エンジンの始動時に排ガス中に比較的高濃度で含まれる未燃ガスや酸素が、三元触媒上で発熱反応を起こしたとしても、当該三元触媒が過熱により異常高温に晒されるのを抑制することができる。従って、システムの再起動の際における三元触媒の性能劣化を抑制し、三元触媒の触媒活性を良好に維持させることができるエンジンシステムを提供することができる。

又、上記の特徴構成によれば、停止前制御では、エンジンが、その軸出力が低く抑えられた状態となる部分負荷状態とされるので、排ガスの温度を低下させることができる。よって、それに応じて、停止前制御時に触媒温度を適切に低下させることができる。

又、上記の特徴構成によれば、エンジンの軸動力を駆動源として利用するヒートポンプ回路により冷房及び暖房の一方又は双方の空調運転を行うエンジンシステムを構成することができる。また、当該エンジンシステムにおいて、停止前制御では、エンジンの軸動力が空調負荷設定値の最小値に対応する出力となるように、エンジンが部分負荷状態に制御されるので、低出力の空調運転を行なったままで触媒温度を早期に低下させることができる。

又、上記の特徴構成によれば、エンジンの軸動力のうちの余剰軸動力を利用して、発電手段により発電を行い、発電した電力を電力負荷へ供給することができる。この際、停止前制御では、余剰軸動力が自立運転出力に略等しくなるように設定されると共に、エンジンの軸動力が、空調負荷設定値の最小値に対応する出力に自立運転出力を更に加算した出力となるように、エンジンが部分負荷状態に制御されるので、不要な発電を行うことなく、また、システム外部からの電力を消費することなく、エンジンシステムを自立運転させることができる。また、その状態で、低出力の空調運転を行なったままで触媒温度を早期に低下させることができる。

また、電動ポンプを駆動力源とし、前記エンジンを冷却するためのエンジン冷却水を循環させる冷却回路を、前記エンジン冷却水が前記三元触媒との間で熱交換可能な状態で備え、前記冷却関連要素が前記電動ポンプであり、前記停止前制御では、前記制御手段は、前記電動ポンプを駆動状態に維持させる構成とすると好適である。

この構成によれば、停止前制御中は電動ポンプが駆動状態に維持されるので、冷却回路中を循環するエンジン冷却水と三元触媒との間の熱交換により、触媒温度を早期に低下させることができる。よって、システムの一旦停止から再起動までの時間が比較的短い場合にも、システムの再起動の際における三元触媒の温度を、十分に低下した状態とさせることができる。よって、そのような場合にも三元触媒が過熱により異常高温に晒されるのを抑制することができるので、三元触媒の性能劣化を抑制し、触媒活性を良好に維持させることができる。

第一の実施形態に係るエンジン駆動式ヒートポンプシステムの概略構成図である。 第一の実施形態に係る停止制御処理の処理手順を示すフローチャートである。 第二の実施形態に係る熱電併給システムの概略構成図である。 第二の実施形態に係る停止制御処理の処理手順を示すフローチャートである。

〔第一の実施形態〕
本発明に係るエンジンシステムの第一の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態においては、本発明に係るエンジンシステムを、定置型エンジンシステムの一種であるエンジン駆動式ヒートポンプシステム１００（以下、ヒートポンプシステム１００とする）に適用した場合を例として説明する。図１は、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００の概略構成図である。図１に示すように、ヒートポンプシステム１００は、混合気Ｍを燃焼室２で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジン１と、燃焼室２から排出される排ガスＥが通過する排気路４に配置され、排ガスＥを浄化する三元触媒７と、エンジン１の軸動力を駆動源とする圧縮機１３を有するヒートポンプ回路１１と、を主要なシステム要素として備えている。本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、システムに対する停止要求を受け取った際の三元触媒７の温度が所定の停止許可温度Ｔｐ以上である場合に、複数のシステム要素のうちの排ガスＥの冷却に関与するシステム要素の一つであるエンジン１を稼働させたままで三元触媒７の温度を低下させる停止前制御を行なうと共に、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満となった際にエンジン１を稼動停止させて、システムを完全に停止させる実停止制御を行なうように構成されている点に特徴を有する。これにより、システムの再起動の際における三元触媒７の性能劣化を抑制し、三元触媒７の触媒活性を良好に維持させることができる。以下、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００の各部の詳細について説明する。

１．ヒートポンプシステムの全体構成
まず、ヒートポンプシステム１００の全体構成について説明する。エンジン１は、燃料の燃焼により駆動される内燃機関である。エンジン１は燃焼室２を備えており、当該燃焼室２には吸気路３及び排気路４が接続されている。エンジン１は、燃料供給弁６を介して供給される燃料ガスＧと空気Ａとの混合気Ｍを吸気路３を介して燃焼室２内に吸気し、吸気された混合気Ｍを燃焼室２内で圧縮する。その後、圧縮された混合気Ｍに火花点火して、当該混合気Ｍを燃焼・膨張させてクランク軸等のエンジン出力軸を回転させることにより軸動力を出力する。なお、燃料ガスＧとしては、例えば天然ガス系都市ガス等を用いることができる。

燃焼室２内で燃焼した後の混合気Ｍは、排ガスＥとして燃焼室２から排気路４へ排出され、排気路４を流通して外気に排出される。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Ｓｅ１が設けられている。そして、エンジン１の運転を制御する制御ユニット５１は、酸素濃度センサＳｅ１で検出される排ガスＥ中の酸素濃度を監視しながら燃料供給弁６の開度を制御することで、吸気路３に形成される混合気Ｍの当量比（理論空燃比に対する混合気Ｍの空燃比の割合）を任意に設定することができるように構成されている。本実施形態においては、混合気Ｍの当量比をストイキ当量比とリーン当量比との間で切り替えることができるように構成されている。詳細については後述する。

また、排気路４には、燃焼室２から排出される排ガスＥを浄化するための三元触媒７が配置されている。三元触媒７は、アルミナ等の無機担体に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属成分を担持してなる触媒である。三元触媒７は、排ガスＥ中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去すると共に、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、及び臭気成分等を酸化除去する。また、排気路４において三元触媒７が配置された位置には、触媒温度センサＳｅ３が設けられている。触媒温度センサＳｅ３は、三元触媒７を通過する排ガスＥの温度を三元触媒７の温度として検出して取得する。本実施形態においては、触媒温度センサＳｅ３が本発明における「触媒温度取得手段」に相当する。触媒温度センサＳｅ３により取得される三元触媒７の温度の情報は、制御ユニット５１へ出力される。

本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、エンジン１を冷却するための冷却回路３１を備えている。この冷却回路３１には、エンジン１を冷却するためのジャケット水ＪＷが循環している。冷却回路３１には、電動ポンプ３２とラジエータ３４とが設けられている。電動ポンプ３２は、ジャケット水ＪＷの吸入と吐出とを繰り返すことで、冷却回路３１にジャケット水ＪＷを循環させるための駆動力源として機能する。ジャケット水ＪＷはエンジン１のジャケットを通過する際にエンジン１の排熱を奪って自身は高温となり、ラジエータ３４で外気に対して放熱して冷却される。その後、ジャケット水ＪＷは再度電動ポンプ３２に戻される。以上の動作を繰り返すことにより、ジャケット水ＪＷはエンジン１が所定の定常温度を維持するようにエンジン２を冷却する。

ヒートポンプ回路１１は、圧縮機１３、室外機１４、膨張弁１５、及び室内機１６を備えている。ここで、圧縮機１３は、動力伝達機構１２を介してエンジン出力軸に接続されており、圧縮機１３にはエンジン１の軸動力が動力伝達機構１２を介して伝達される。本実施形態においては、動力伝達機構１２はベルトとプーリとからなるベルト伝動部により構成されている。そして、圧縮機１３は、駆動源としてエンジン１の軸動力を利用して、ヒートポンプ回路１１を流通する冷媒蒸気を圧縮する流体ポンプとして作動するように構成されている。また、ヒートポンプ回路１１は、圧縮機１３からの冷媒送出方向を室外機１４と室内機１６との間で切り換えるための四方切換弁１７を備えている。ヒートポンプシステム１００は、四方切換弁１７の状態を切り換えることで、冷房運転と暖房運転とを切り換えることができる。

冷房運転を行なう場合は、圧縮機１３からの冷媒搬送方向を室外機１４に向けるように四方切換弁１７の状態を切り換える。つまり、圧縮機１３の吐出側を室外機１４に接続させると共に、流入側を室内機１６に接続させる。この状態では、冷媒蒸気が圧縮機１３により圧縮されて高温高圧状態となる。次に、その高温高圧状態の冷媒蒸気は、室外機１４において放熱して凝縮する。次に、その凝縮した冷媒液が、膨張弁１５により膨張して低温低圧状態となる。次に、その低温低圧状態の冷媒液が、室内機１６において吸熱して蒸発し、その蒸発した冷媒蒸気が再度圧縮機１３に供給される。このとき、室内機１６において冷媒液が吸熱して蒸発する際の潜熱（ここでは、蒸発熱）を利用して、室内空気を冷却することができる。以上の動作を繰り返して冷房運転を行なう。

一方、暖房運転を行なう場合は、圧縮機１３からの冷媒搬送方向を室内機１６に向けるように四方切換弁１７の状態を切り換える。つまり、圧縮機１３の吐出側を室内機１６に接続させると共に、流入側を室外機１４に接続させる。この状態では、冷媒蒸気が圧縮機１３により圧縮されて高温高圧状態となる。次に、その高温高圧状態の冷媒蒸気は、室内機１６において放熱して凝縮する。次に、その凝縮した冷媒液が、膨張弁１５により膨張して低温低圧状態となる。次に、その低温低圧状態の冷媒液が、室外機１４において吸熱して蒸発し、その蒸発した冷媒蒸気が再度圧縮機１３に供給される。このとき、室内機１６において冷媒蒸気が放熱して凝縮する際の潜熱（ここでは、凝縮熱）を利用して、室内空気を加熱することができる。以上の動作を繰り返して暖房運転を行なう。

以上のような冷房運転又は暖房運転を行なう際には、ユーザーの手動又は自動制御により、ヒートポンプ回路１１における空調負荷設定値が設定される。ここで、空調負荷設定値は、ヒートポンプ回路１１が有する室内機１６における冷房能力又は暖房能力を指定するための設定値である。このような空調負荷設定値は、例えば、所定範囲内で予め段階的に設定されて備える複数の候補値の中から一つの値を選択することにより設定される構成とすることができる。本例では、一例として、空調負荷設定値が三段階で設定される候補値の中から択一的に設定される構成となっている。以下の説明では、この空調負荷設定値を、小さいほうから順に「弱」、「中」、「強」として表すものとする。なお、空調負荷設定値の情報は、制御ユニット５１へ出力される。

発電機２１は、エンジン１の軸動力により駆動されて発電し、当該発電された電力を電力負荷２３へ供給するための装置である。発電機２１は、エンジン１のエンジン出力軸に駆動連結されたロータと、ロータの径方向外側に当該ロータと同軸状に配置されたステータと、を備えて構成されている。ロータ及びステータのうちの一方が電機子、他方が界磁とされ、エンジン１の駆動に伴ってロータがエンジン出力軸と一体的に回転する際に交流電力を発生させる。ここで、発電機２１は、エンジン１の軸動力のうちヒートポンプ回路１１の圧縮機１３を駆動してなお余剰する分の軸動力である余剰軸動力により駆動されて発電する構成となっている。つまり、エンジン１が出力する軸動力の総量をＰｔ、圧縮機１３を駆動するために利用される軸動力の大きさをＰｃとすると、発電機２１は（Ｐｔ−Ｐｃ）で規定される余剰軸動力Ｐｓにより駆動されて発電を行う。発電機２１により発電された電力は、インバータ装置及び変圧器（不図示）を介して所定の周波数及び電圧に変換され、商用電力系統２２と連系して電気機器等の電力負荷２３に供給されるように構成されている。なお、発電機２１により発電された電力は、ヒートポンプシステム１００が備える各種機器（内部機器）にも供給されるように構成されている。このように、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、発電機能付きのヒートポンプシステムとなっている。

２．制御ユニットの構成
次に、制御ユニット５１の構成について説明する。ヒートポンプシステム１００が備える制御ユニット５１は、図１に示すように、ヒートポンプシステム１００の各部の動作制御を行う中核部材としての機能を果たしており、エンジン制御部５２、燃焼モード決定部５３、停止前制御部５４、及び実停止制御部５５の各機能部を備えて構成されている。また、制御ユニット５１は、ＣＰＵ等の演算処理装置を中核部材として備えるとともに、当該演算処理装置からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）や、演算処理装置からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）等の記憶装置等を有して構成されている（不図示）。そして、ＲＯＭ等に記憶されたソフトウェア（プログラム）又は別途設けられた演算回路等のハードウェア、或いはそれらの両方により、制御ユニット５１の各機能部５２〜５５が構成される。各機能部５２〜５５は、互いに情報の受け渡しを行うことができるように構成されている。なお、本実施形態においては、各機能部５２〜５５が協働して本発明における「制御手段」を構成している。

また、このヒートポンプシステム１００は、システム内の各部に設けられた複数のセンサ、具体的には、酸素濃度センサＳｅ１、エンジン回転速度センサＳｅ２、及び触媒温度センサＳｅ３を備えている。ここで、酸素濃度センサＳｅ１は、排ガスＥ中に含まれる酸素ガスの濃度を検出するセンサである。エンジン回転速度センサＳｅ２は、エンジン１のエンジン出力軸の回転速度を検出するセンサである。触媒温度センサＳｅ３は、三元触媒７の温度を検出するセンサである。これらの各センサＳｅ１〜Ｓｅ３による検出結果を示す情報は、制御ユニット５１へ出力される。以下では、制御ユニット５１の各機能部５２〜５５の詳細について説明する。

エンジン制御部５２は、吸気路３に設けられたスロットルバルブ（不図示）の開度を調整する等の形態で、エンジン１の軸動力Ｐｔを制御する機能部であり、エンジン制御手段として機能する。本実施形態においては、エンジン制御部５２は、ヒートポンプ回路１１における空調負荷設定値（本例では、「弱」、「中」、「強」のいずれかに対応する設定値）の大きさに応じて、スロットルバルブの開度を調整することによりエンジン１の軸動力Ｐｔを制御する。より具体的には、エンジン回転速度センサＳｅ２で検出されるエンジン１の回転速度を監視しながらスロットルバルブの開度を制御することで、空調負荷設定値に応じた軸動力Ｐｔとなるように、エンジン１の回転速度を制御する。なお、エンジン制御部５２は、次に述べる燃焼モード決定部５３により決定される燃焼モードを実現するように、燃料供給弁６の開度を調整して混合気Ｍの当量比を調整する制御も行なう。

燃焼モード決定部５３は、エンジン１の燃焼モードを、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で択一的に選択して決定する機能部であり、燃焼モード決定手段として機能する。ストイキ燃焼モードは、燃焼室２で燃焼する混合気Ｍの当量比（理論空燃比に対する混合気Ｍの空燃比の割合）を、酸素濃度センサＳｅ１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ようなストイキ当量比（当量比が１．０程度）に設定するモードである。ストイキ燃焼モードでは、燃焼室２に吸気されて燃焼する混合気Ｍ中の燃料ガスＧが濃く、しかも燃焼熱を奪う空気Ａが少ないことから、当該燃焼熱による温度上昇が顕著になる。よって、燃焼室２から排出される排ガスＥは、比較的高温となる。また、それに応じて三元触媒７も比較的高温となる。

リーン燃焼モードは、燃焼室２で燃焼する混合気Ｍの当量比を、上述したストイキ当量比よりも小さいリーン当量比（当量比が、例えば０．６７程度）に設定するモードである。リーン燃焼モードでは、燃焼室２に吸気されて燃焼する混合気Ｍ中の燃料ガスＧが薄く、しかも燃焼熱を奪う空気Ａが多いことから、当該燃焼熱による温度上昇が緩慢かつ抑制されたものになる。よって、燃焼室２から排出される排ガスＥは、比較的低温となる。また、それに応じて三元触媒７も比較的低温となる。なお、ストイキ燃焼モードでは、排ガスＥ中に含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣ等の成分は、排気路４に配置された三元触媒７により除去される。リーン燃焼モードにおいても、排ガスＥ中に含まれるＣＯや臭気成分等はストイキ燃焼モードと同様に除去される。

ところで、三元触媒７の性能を良好な状態に維持するためには、三元触媒７の温度と当該三元触媒７を通過する排ガスＥ中に含まれる成分との関係を、適切な関係に維持させる必要がある。言い換えれば、三元触媒７の温度と当該三元触媒７を通過する排ガスＥ中に含まれる成分との関係を不適切なものとしたままでシステムを稼働させると、三元触媒７の性能を劣化させてしまう可能性がある。例えば、ストイキ燃焼モードでエンジン１を駆動することにより排ガスＥ、ひいては三元触媒７が高温となり、触媒活性温度（例えば、５００〜５５０℃）となっていた状態で、一旦エンジン２を含むシステムが停止されたとする。その後、比較的短時間のうちにシステムが再始動される場合には、三元触媒７が比較的高温を維持したままの状態で、エンジン１が始動する際に排ガスＥ中に高濃度に含まれることになる未燃焼の燃料ガスＧや酸素が、当該高温状態の三元触媒７を通過することになる。そのような場合には、三元触媒７上で未燃焼の燃料ガスＧと酸素とが発熱反応を起こして、三元触媒７が過熱して異常高温に晒される結果、性能劣化を引き起こしてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、上記のような不都合を解消するべく、システムに対する停止要求があった場合に、システムが当該停止要求を受け取った際の三元触媒７の温度が所定の停止許可温度Ｔｐ以上である場合に、複数のシステム要素のうちの排ガスＥの冷却に関与するシステム要素の一つであるエンジン１を稼働させたままで三元触媒７の温度を低下させる停止前制御を行なうと共に、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満となった際にエンジン１を稼動停止させて、システムを完全に停止させる実停止制御を行なうように構成されている。本実施形態においては、エンジン１が本発明における「冷却関連要素」に相当する。なお、所定の停止許可温度Ｔｐは、酸素又は混合気Ｍ中の未燃焼の燃料ガスＧを含む排ガスＥが三元触媒７を通過する場合であっても、当該三元触媒７をほとんど性能劣化させないような温度の上限値に設定されている。ここで、停止許可温度Ｔｐは、実測に基づいて経験的に取得され、例えば３５０〜４００℃に設定することができる。このような停止許可温度Ｔｐを設定することにより、三元触媒７の性能劣化を回避するための停止前制御を実行するか否かの判定を適切に行なうことができる。

停止前制御部５４は、エンジン制御部５２と協調して上記の停止前制御を行なうための機能部であり、停止前制御手段として機能する。停止前制御部５４は、停止前制御時には、エンジン１を部分負荷状態とすることにより、三元触媒７の温度を低下させる。より具体的には、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介して、エンジン１の軸動力Ｐｔを、システムに対する停止要求を受け取った時点における空調負荷設定値に応じた軸動力Ｐｔよりも低下させて部分負荷状態とするべく、エンジン１の回転速度を低下させるように制御する。これにより、排ガスＥの温度を低下させ、それに応じて三元触媒７の温度を低下させる。

本実施形態においては、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介して、エンジン１の軸動力Ｐｔが、空調負荷設定値の最小値に対応する軸動力Ｐｃとなるようにエンジン１の回転速度を制御する。本例では、上記のとおり空調負荷設定値が「弱」、「中」、「強」のいずれかに設定される構成とされているので、停止前制御部５４は、この中での最小出力となる「弱」に対応する軸動力Ｐｃとなるようにエンジン１の回転速度を制御する。このように、エンジン１を稼働させたままで、当該エンジン１の回転速度を空調負荷設定値の最小値に対応する軸動力Ｐｃとなるように制御することで、三元触媒７の温度を比較的早期に低下させることができる。なお、エンジン１自体は稼働したままの状態なので、仮に三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満となる前にシステムの再始動の要求があった場合にも、迅速に応答することができる。また、その際、未燃焼の燃料ガスＧや空気Ａ中の酸素が三元触媒７を通過することもない。

更に、本実施形態においては、停止前制御部５４は、システムに備えられる内部機器による消費電力（内部消費電力）の総量を取得する構成となっており、取得された内部消費電力に対応する出力（自立運転出力）に略等しくなるように余剰軸動力Ｐｓを設定する。ここで、システムに備えられる内部機器には、例えば、ヒートポンプ回路１１を構成する室外機１４のファンを回転させるためのモータ（不図示）、制御ユニット５１が備えるＣＰＵ等の演算処理装置、等が含まれる。そして、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介して、エンジン１の軸動力Ｐｔが、空調負荷設定値の最小値に対応する軸動力Ｐｃに、上記自立運転出力に略等しい値に設定された余剰軸動力Ｐｓを更に加算した値となるように、エンジン１の回転速度を制御する。これにより、不要な発電を行うことなく、また、商用電力系統２２からの電力を消費することなく、ヒートポンプシステム１００を自立運転させることができる。また、その状態で、三元触媒７の温度を比較的早期に低下させることができる。

実停止制御部５５は、エンジン制御部５２と協調して上記の実停止制御を行なうための機能部であり、実停止制御手段として機能する。実停止制御部５５は、停止前制御部５４による停止前制御中は常に三元触媒７の温度を監視しておき、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満となると、エンジン制御部５２を介してエンジン１を停止させ、システムを完全に停止させる。すなわち、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００では、システムに対する停止要求を受け取った際には、無条件に直ちに当該システムを完全停止させるのではなく、停止前制御により三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満の状態となって初めてエンジン１及びシステムを完全停止させる。従って、その後エンジン１が再始動した場合に、排ガスＥ中に高濃度に含まれることになる未燃焼の燃料ガスＧや空気Ａ中の酸素が、排気路４に配置された三元触媒７を通過したとしても、当該三元触媒７が異常高温に晒されるのを効果的に抑制し、性能劣化を効果的に抑制することができる。

３．停止制御処理の手順
次に、本実施形態に係る制御ユニット５１による停止制御処理（エンジン制御方法）の内容について説明する。本実施形態に係る停止制御処理は、停止前制御処理と、当該停止前制御処理に引き続いて実行される実停止制御処理とを備えている。図２は、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００における停止制御処理の処理手順を示すフローチャートである。以下に説明する停止制御処理の手順は、制御ユニット５１の各機能部５２〜５５により実行される。制御ユニット５１の各機能部５２〜５がプログラムにより構成される場合には、制御ユニット５１が備える演算処理装置は、上記各機能部５２〜５５を構成するプログラムを実行するコンピュータとして動作する。

本実施形態に係る停止制御処理においては、システムに対する停止要求があった場合には（ステップ＃０１：Ｙｅｓ）、まず停止前制御部５４は、触媒温度センサＳｅ３により検出される三元触媒７の温度の情報を取得する（ステップ＃０２）。本実施形態においては、このステップ＃０２の処理が、本発明における「触媒温度取得ステップ」に相当する。次に、停止前制御部５４は、取得された三元触媒７の温度が、所定の停止許可温度Ｔｐ未満であるか否かを判定する（ステップ＃０３）。三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ以上であると判定された場合には（ステップ＃０３：Ｎｏ）、停止前制御部５４は、空調負荷設定値の最小値（本例では「弱」）に対応する軸動力Ｐｃを演算により取得する（ステップ＃０４）。また、停止前制御部５４は、内部消費電力に対応する余剰軸動力Ｐｓを演算により取得する（ステップ＃０５）。

次に、取得された空調負荷設定値の最小値に対応する軸動力Ｐｃと内部消費電力に対応する余剰軸動力Ｐｓとに基づいて、エンジン制御部５２は、エンジン１の軸動力Ｐｔが軸動力Ｐｃと余剰軸動力Ｐｓとの和となるように、エンジン１の回転速度を制御する（ステップ＃０６）。その後、ステップ＃０２からステップ＃０６までの処理を逐次繰り返して行う。本実施形態においては、このステップ＃０２からステップ＃０６までの処理が、本発明における「停止前冷媒冷却ステップ」に相当する。そして、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満であると判定されると（ステップ＃０３：Ｙｅｓ）、エンジン制御部５２はエンジン１を停止させ、システムを完全に停止させる（ステップ＃０７）。本実施形態においては、このステップ＃０７の処理が、本発明における「実停止ステップ」に相当する。以上で、停止制御処理を終了する。

〔第二の実施形態〕
本発明に係るエンジンシステムの参考の実施形態である第二の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態においては、本発明に係るエンジンシステムを、定置型エンジンシステムの一種である、熱及び電力の双方を発生させる熱電併給システム（コージェネレーションシステム）２００に適用した場合を例として説明する。図３は、本実施形態に係る熱電併給システム２００の概略構成図である。図３に示すように、本実施形態に係る熱電併給システム２００は、上記第一の実施形態において説明したヒートポンプシステム１００に、更に冷却回路３１に接続された排熱回収機構４１を、主要なシステム要素の一つとして追加して備えた構成となっている。つまり、本実施形態に係る熱電併給システム２００は、ヒートポンプ回路１１を備えた熱電併給システムとなっている。

本実施形態においては、停止前制御が実行される際に稼働したままとされるシステム要素が、排ガスＥの冷却に関与するシステム要素の一つである冷却回路３１とされている点で、第一の実施形態に係るヒートポンプシステム１００と相違している。また、それに伴い、制御ユニット５１が備える停止前制御部５４及び実停止制御部５５の機能や、停止制御処理の処理内容及び処理手順も、第一の実施形態に係るヒートポンプシステム１００と相違している。それ以外の構成に関しては、基本的には第一の実施形態に係るヒートポンプシステム１００と同様である。以下では、本実施形態に係る熱電併給システム２００について、第一の実施形態に係るヒートポンプシステム１００との相違点を中心に説明する。

排熱回収機構４１は、エンジン１の排熱を回収し、当該回収された熱を熱負荷４５へ供給するための機構である。本実施形態においては、排熱回収機構４１は、エンジン１を冷却した後のジャケット水ＪＷと燃焼室２から排出された排ガスＥとの両方から排熱を回収するように構成されている。そのため、本実施形態に係る排熱回収機構４１は、ジャケット水ＪＷによりエンジン２を冷却するための冷却回路３１と、冷却回路３１内を流通して循環するジャケット水ＪＷとの間の熱交換により排熱を回収するための排熱回収熱交換器４２と、を備えている。冷却回路３１には、電動ポンプ３２とラジエータ３４とが設けられている。電動ポンプ３２は、ジャケット水ＪＷの吸入と吐出とを繰り返すことで、冷却回路３１にジャケット水ＪＷを循環させるための駆動力源として機能する。電動ポンプ３２を作動させることにより、冷却回路３１内を循環するジャケット水ＪＷは、エンジン１を冷却して昇温した後に排気路４に設けられた伝熱管３３を通過することで排ガスＥの熱を回収して一層加熱される。なお、本実施形態においては、伝熱管３３は排気路４において三元触媒７に埋設されており、その内部を流通するジャケット水ＪＷが三元触媒７との間で熱交換可能な状態で配置されている。伝熱管３３を通過した後の高温のジャケット水ＪＷは、排熱回収熱交換器４２で湯水ＨＷとの間で熱交換を行う。すなわち、エンジン２の排熱を回収して高温となったジャケット水ＪＷは、当該回収した熱を湯水ＨＷに伝達することで、湯水ＨＷを加熱する。なお、本実施形態においては、ジャケット水ＪＷが本発明における「エンジン冷却水」に相当する。

排熱回収熱交換器４２で加熱された湯水ＨＷは、貯湯タンク４３に貯えられる。貯湯タンク４３は、上部に高温の湯水ＨＷが滞留する高温層を形成すると共に、その高温層の下部に低温の湯水ＨＷが滞留する形態で湯水ＨＷを貯留する、所謂温度成層型に構成されている。すなわち、ポンプ４４を作動することにより、貯湯タンク４３の下端部にある比較的低温の湯水を排熱回収熱交換器４２に供給して適切な目標貯湯温度（例えば７５℃）以上に加熱した後に、貯湯タンク４３の上端部に戻す。すると、貯湯タンク４３は温度成層を形成して湯水ＨＷを貯留することになる。更に、貯湯タンク４３の上端部から高温の湯水ＨＷを取り出し、当該高温の湯水ＨＷを給湯器や暖房機器等の熱負荷４５へ供給することができるように構成されている。なお、高温の湯水ＨＷが熱負荷４５に供給されると、それと同時に、消費された分の湯水ＨＷに相当する給水Ｗが貯湯タンク４３の下端部に補充される。

本実施形態においては、システムに対する停止要求があった場合に、システムが当該停止要求を受け取った際の三元触媒７の温度が所定の停止許可温度Ｔｐ以上である場合には、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介してエンジン１を停止させると共に、商用電力系統２２から電力を得て電動ポンプ３２を稼働状態に維持させることにより、冷却回路３１をジャケット水ＪＷが循環する状態を維持させる。本実施形態においては、電動ポンプ３２が本発明における「冷却関連要素」に相当する。このように、三元触媒７と、当該三元触媒７よりも低温となるジャケット水ＪＷとの間で熱交換を行わせることにより、エンジン１の停止後においても冷却回路３１内を流通するジャケット水ＪＷにより三元触媒７を積極的に冷却する。本実施形態においては、更にその間、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介してエンジン１の再始動を禁止するように制御する。例えば、燃料供給弁６の開度をゼロに維持したり、エンジン１が火花点火式のエンジンである場合には火花点火を禁止したりすることにより、エンジン１の再始動を禁止する。

実停止制御部５５は、停止前制御中は常に三元触媒７の温度を監視しておき、三元触媒７の温度が所定の停止許可温度Ｔｐ未満となると、電動ポンプ３２を稼働停止させ、システムを完全に停止させる。また、本実施形態においては、実停止制御部５５は、エンジン１の再始動の禁止を解除するように制御する。すなわち、本実施形態に係る熱電併給システム２００では、システムに対する停止要求を受け取った際には、無条件に直ちに当該システムを完全停止させるのではなく、停止前制御により三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満の状態となって初めて冷却回路３１を駆動するための電動ポンプ３２及びシステムを完全停止させる。また、一旦エンジン１は停止させるものの再始動を禁止し、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満の状態となって初めてエンジン１の再始動を許可する。そのため、本実施形態においても、その後エンジン１が再始動した場合に、排ガスＥ中に高濃度に含まれることになる未燃焼の燃料ガスＧや酸素が排気路４に配置された三元触媒７を通過したとしても、当該三元触媒７が異常高温に晒されるのを効果的に抑制し、性能劣化を効果的に抑制することができる。その際、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満となるまでは電動ポンプ３２を駆動して、ジャケット水ＪＷが冷却回路３１中を流通する状態に維持されるので、伝熱管３３を介したジャケット水ＪＷと三元触媒７との間での熱交換により、三元触媒７を停止許可温度Ｔｐ未満となるまで早期に冷却させることができる。

図４は、本実施形態に係る熱電併給システム２００における停止制御処理（エンジン制御方法）の処理手順を示すフローチャートである。以下に説明する停止制御処理（停止前制御処理及び実停止制御処理を含む）の手順は、制御ユニット５１の各機能部５２〜５５により実行される。本実施形態に係る停止制御処理においては、システムに対する停止要求があった場合には（ステップ＃２１：Ｙｅｓ）、まず停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介してエンジン１を停止させると共に、電動ポンプ３２を駆動状態に維持させる（ステップ＃２２）。また、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介してエンジン１の再始動を禁止する（ステップ＃２３）。

次に、停止前制御部５４は、触媒温度センサＳｅ３により検出される三元触媒７の温度の情報を取得し（ステップ＃２４）、取得された三元触媒７の温度が、所定の停止許可温度Ｔｐ未満であるか否かを判定する（ステップ＃２５）。三元触媒７の温度が所定の停止許可温度Ｔｐ以上であると判定される間は（ステップ＃２５：Ｎｏ）、このステップ＃２４及びステップ＃２５の処理が逐次繰り返して行われる。そして、三元触媒７の温度が停止許可温度Ｔｐ未満であると判定されると（ステップ＃２５：Ｙｅｓ）、実停止制御部５５は電動ポンプ３２を停止させ、システムを完全に停止させる（ステップ＃２６）。また、実停止制御部５５はエンジン１の再始動を許可する（ステップ＃２７）。以上で、停止制御処理を終了する。なお、本実施形態においては、ステップ＃２２からステップ＃２５までの処理が本発明における「停止前冷媒冷却ステップ」に相当し、ステップ＃２４の処理が本発明における「触媒温度取得ステップ」に相当する。また、ステップ＃２６及びステップ＃２７の処理が本発明における「実停止ステップ」に相当する。

〔その他の実施形態〕

（１）上記第一の実施形態においては、ヒートポンプ回路１１における空調負荷設定値が所定範囲内で予め段階的に設定されて備える複数の候補値（具体的には「弱」、「中」、「強」の三段階）の中から一つの値を選択することにより設定される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、上記の例はあくまで一例であり、これ以外の形態を採用することも当然に可能である。例えば、二段階又は四段階以上の候補値の中から択一的に設定される構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。或いは、空調負荷設定値が所定範囲内で無段階に設定される構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。

（２）上記第二の実施形態においては、システムに対する停止要求があった場合に、システムが当該停止要求を受け取った際の三元触媒７の温度が所定の停止許可温度Ｔｐ以上である場合には、停止前制御部５４は、エンジン制御部５２を介してエンジン１を停止させると共に、電動ポンプ３２を稼働状態に維持させる場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、例えば電動ポンプ３２を稼働状態に維持させると共に、上記第一の実施形態の場合と同様に、停止前制御部５４がエンジン制御部５２を介して、エンジン１の軸動力Ｐｔが、空調負荷設定値の最小値に対応する軸動力Ｐｃに自立運転出力に略等しい値に設定された余剰軸動力Ｐｓを更に加算した値となるようにエンジン１の回転速度を制御する構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。このようにすれば、不要な発電を行うことなく、また、商用電力系統２２からの電力を消費することなく、ヒートポンプ回路１１を備えた熱電併給システム２００を自立運転させることができる。また、その状態で、三元触媒７の温度をより一層早期に低下させることができる。
なお、この場合、システムに備えられる内部機器には更に電動ポンプ３２が含まれるものとして内部機器電力及びこれに対応する自立運転出力が取得され、それに応じた余剰軸動力Ｐｓが設定される構成とすると好適である。

（３）上記の各実施形態においては、触媒温度取得手段としての触媒温度センサＳｅ３が、三元触媒７を通過する排ガスＥの温度を三元触媒７の温度として直接的に検出して取得する場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、例えば排気路４において三元触媒７とは異なる位置（例えば、三元触媒７の上流側）に設けられた排ガス温度センサ等の検出結果から、三元触媒７の温度を間接的に推定して取得する構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。

本発明は、例えばエンジン駆動式ヒートポンプシステムや熱電併給システム等、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、燃焼室から排出される排ガスが通過する排気路に配置され、排ガスを浄化する三元触媒と、を備えたエンジンシステムに好適に利用することができる。

１ エンジン
２ 燃焼室
４ 排気路
７ 三元触媒
１１ ヒートポンプ回路
１３ 圧縮機
２１ 発電機（発電手段）
２３ 電力負荷
３１ 冷却回路
３２ 電動ポンプ
５１ 制御ユニット（制御手段）
５２ エンジン制御部
１００ エンジン駆動式ヒートポンプシステム（エンジンシステム）
２００ 熱電併給システム（エンジンシステム）
Ｍ 混合気
Ｅ 排ガス
Ｓｅ３ 触媒温度センサ（触媒温度取得手段）

Claims (2)

1. 混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させ軸動力を出力するエンジンと、前記燃焼室から排出される排ガスが通過する排気路に配置され、前記排ガスを浄化する三元触媒と、を備えたエンジンシステムであって、
   前記三元触媒の温度である触媒温度を取得する触媒温度取得手段と、
   システムに対する停止要求を受け取った際の前記触媒温度が所定の停止許可温度以上である場合に、システムを構成する複数のシステム要素のうちの排ガス冷却に関与するシステム要素である冷却関連要素を稼働させたままで前記触媒温度を低下させる停止前制御を行なうと共に、前記触媒温度が前記停止許可温度未満となった際に前記冷却関連要素を稼動停止させてシステムを完全に停止させる実停止制御を行なう制御手段と、を備え、
   前記冷却関連要素が前記エンジンであり、前記停止前制御では、前記エンジンが部分負荷状態とされ、
   前記エンジンの軸動力を駆動源とする圧縮機を有するヒートポンプ回路と、
   前記ヒートポンプ回路において所定範囲内で設定される空調負荷設定値の大きさに応じて、前記エンジンの軸動力を制御するエンジン制御手段と、を備え、
   前記停止前制御では、前記エンジン制御手段は、前記エンジンの軸動力が前記空調負荷設定値の最小値に対応する出力となるように前記エンジンを制御し、
   前記エンジンの軸動力のうち前記圧縮機を駆動してなお余剰する余剰軸動力により駆動されて発電し、当該発電された電力を電力負荷へ供給する発電手段を備え、
   前記停止前制御では、前記余剰軸動力が、システムに備えられる内部機器による消費電力に対応する出力である自立運転出力に略等しくなるように設定されると共に、前記エンジン制御手段は、前記エンジンの軸動力が前記自立運転出力を更に加算した出力となるように前記エンジンを制御するエンジンシステム。
2. 電動ポンプを駆動力源とし、前記エンジンを冷却するためのエンジン冷却水を循環させる冷却回路を、前記エンジン冷却水が前記三元触媒との間で熱交換可能な状態で備え、
   前記冷却関連要素が前記電動ポンプであり、前記停止前制御では、前記制御手段は、前記電動ポンプを駆動状態に維持させる請求項１に記載のエンジンシステム。

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