JP5945412B2 - 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、
エンジン負荷に応じて前記エンジンの出力を制御する出力制御を実行する制御手段とが備えられ、
前記制御手段は、前記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燃比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燃比を前記ストイキ範囲よりも燃料が希薄な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替自在に構成されているエンジンシステムに関する。

この種のエンジンシステムとして、エンジンの燃焼モードが、エンジン負荷に応じて、混合気の空燃比をストイキ範囲内（例えば空気過剰率換算で１．０程度）に設定するストイキ燃焼モードと混合気の空燃比をストイキ範囲超のリーン範囲（例えば空気過剰率換算で１．４〜１．６）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たものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
かかるエンジンシステムは、例えば、圧縮機がエンジンにて駆動される空調用の圧縮式の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として構成される。

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高負荷域では、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低負荷域では、エンジンがリーン燃焼モードで運転される。
また、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は三元触媒が排ガスの通過が自在に設けられている。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、排ガス中のＮＯｘが還元除去されると共にＣＯ及びＨＣが酸化除去され、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、ＮＯｘを殆ど含まない排ガスに含まれているＣＯ及びＨＣが酸化除去される。

そして、このようなエンジンシステムでは、制御手段が、空調負荷等の大きさの変化によりエンジン負荷が高負荷域から低負荷域へ減少側に変化すると、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替え、逆に、空調負荷等の大きさの変化によりエンジン負荷が低負荷域から高負荷域へ増加側に変化すると、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替える。尚、この種の従来のエンジンシステムでは、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるときの前記エンジン負荷の閾値である燃焼モード切替値は、一定値に設定されていた。

特開２００８−２８６０６６号公報

高負荷域で設定されるストイキ燃焼モードでは、高出力を得るべくエンジンに投入する熱量が大きくなるがそれに対する混合気の熱容量は比較的小さいため、燃焼室における燃焼温度が比較的高くなる。よって、高温に晒される排気バルブなどの構成部品の耐熱性等が、エンジンシステムの寿命やメンテナンス頻度を決定する因子となる場合があるので、寿命等の面では、ストイキ燃焼モードの積算運転時間ができるだけ短くなるように、上記燃焼モード切替値をできるだけ高く設定することが望まれる。
しかしながら、エミッションの面では排ガス中のＮＯｘを三元触媒で完全に除去可能なストイキ燃焼モードが有利であるなど、他の面ではストイキ燃焼モードの積算運転時間を短くしすぎないほうが良い場合があり、燃焼モード切替値を一義的に決定するのは困難であった。

また、エンジンへの要求出力は、需要者側の需要状況や当該システムの用途などにより変化するため、上述のようにエンジン負荷に応じて燃焼モードを切り替える場合には、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの積算運転時間のバランスについても変化することになる。
特に、総積算運転時間に対するストイキ燃焼モードでの積算運転時間の割合であるストイキ燃焼モード運転割合が、設計時の適正値を過度に上回ることになると、高温に晒される排気バルブなどの構成部品が予測よりも早く熱損傷してしまいエンジン寿命等が予測を下回ってしまうなどの寿命面での問題や、リーン燃焼モードによる高効率化が十分に発揮できなくなって全体の効率が低下するなどの効率面での問題が生じる場合がある。逆に、同ストイキ燃焼モード運転割合が、設計時の適正値を過度に下回ることになると、三元触媒でのＮＯｘ除去が十分ではなくなるなどのエミッション面での問題が生じる場合がある。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、エンジン負荷に応じてストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとにエンジンの燃焼モードを切替自在に構成されたエンジンシステムにおいて、効率やエミッションなどの性能面や寿命面において想定どおりの仕様を実現するべく適切な状態で燃焼モードの切り替えを行うことができる技術を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る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軸動力を出力するエンジンと、
エンジン負荷に対応する目標回転数に応じて前記エンジンの出力を制御する出力制御を実行する制御手段とが備えられ、
前記制御手段は、前記エンジン負荷に対応する目標回転数に応じて、前記燃焼室で燃焼する混合気の空燃比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燃比を前記ストイキ範囲よりも燃料が希薄な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替自在に構成されているエンジンシステムであって、
その第１特徴構成は、
前記制御手段は、
総積算運転量に対する前記ストイキ燃焼モードでの積算運転量に関するストイキ燃焼モード積算運転量の割合であるストイキ燃焼モード運転割合を認識可能な運転状態を監視すると共に、
前記ストイキ燃焼モードと前記リーン燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるときの前記エンジン負荷に対応する目標回転数の閾値である燃焼モード切替値を前記ストイキ燃焼モード運転割合に応じて補正する切替値補正処理を実行し、
前記切替値補正処理として、前記ストイキ燃焼モード運転割合が所定の設定割合よりも高い場合に前記燃焼モード切替値を上昇させる切替値上昇処理を実行し、前記ストイキ燃焼モード運転割合が所定の設定割合よりも低い場合に前記燃焼モード切替値を低下させる切替値低下処理を実行する点にある。
尚、本願において積算運転量とは、夫々の燃焼モードにおいて蓄積されるエンジンへ負担に関連する量を示し、例えば積算運転時間や、そのエンジン負荷の運転時間での積分値（即ち仕事量）等を、積算運転量とすることができる。

本特徴構成によれば、制御手段が上記燃焼モード切替値を、総積算運転量に対するストイキ燃焼モード積算運転量の割合であるストイキ燃焼モード運転割合に応じて補正することで、ストイキ燃焼モード積算運転量とリーン燃焼モード積算運転量とのバランスを設計時での想定どおりの適切なものに近づけることができるので、効率やエミッションなどの性能面や寿命面において想定どおりの仕様を実現するべく適切な状態で燃焼モードの切り替えを行うことができる。
即ち、上記ストイキ燃焼モード運転割合が、設計時の適正値を過度に上回る場合には、上記燃焼モード切替値を高めに調整することで、エンジン負荷に対応する目標回転数が低下しているときにはストイキ燃焼モードからできるだけ早いタイミングでリーン燃焼モードに切り替わり、逆に、エンジン負荷に対応する目標回転数が上昇しているときにはリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへできるだけ遅いタイミングで切り替わる状態となって、リーン燃焼モードでの運転が積極的に行われることになる。よって、ストイキ燃焼モード運転割合が低下して適正な割合に近づき、寿命や効率の向上を図ることができる適正な状態に遷移することになる。
一方、上記ストイキ燃焼モード運転割合が、設計時の適正値を過度に下回る場合には、上記燃焼モード切替値を低めに調整することで、エンジン負荷に対応する目標回転数が低下しているときにはストイキ燃焼モードからできるだけ遅いタイミングでリーン燃焼モードに切り替わり、逆に、エンジン負荷に対応する目標回転数が上昇しているときにはリーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへできるだけ早いタイミングで切り替わる状態となって、ストイキ燃焼モードでの運転が積極的に行われることになる。よって、ストイキ燃焼モード運転割合が上昇して適正な割合に近づき、三元触媒等によるエミッションの改善を図ることができる適正な状態に遷移させることができる。
さらに、切替値補正処理において上記切替値上昇処理を実行すれば、ストイキ燃焼モード運転割合が設定割合よりも高い場合には燃焼モード切替値が上昇して、リーン燃焼モードでの運転が積極的に行われることになるので、結果、ストイキ燃焼モード運転割合の設定割合超における更なる上昇が抑制され、寿命や効率の向上を重視した状態に維持することができる。
一方、切替値補正処理において上記切替値低下処理を実行すれば、ストイキ燃焼モード運転割合が設定割合よりも低い場合には燃焼モード切替値が低下して、ストイキ燃焼モードでの運転が積極的に行われることになるので、結果、ストイキ燃焼モード運転割合の設定割合未満における更なる低下が抑制され、三元触媒等によるエミッションの改善を重視した状態に維持することができる。

本発明に係るエンジンシステムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加え、
前記制御手段が、前記切替値補正処理において前記切替値低下処理を実行する場合に、当該切替値低下処理において前記燃焼モード切替値の設定範囲を所定の下限値以上に制限する点にある。

エンジン負荷に対応する目標回転数が比較的低い場合に燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると、スロットルバルブの開度が極めて小さくなって燃焼室における燃焼温度が低くなるので、排ガス温度も低くなり、結果、三元触媒の排ガス処理能力が低下する場合がある。
そこで、本特徴構成によれば、切替値低下処理における燃焼モード切替値の下限値が設定されているので、エンジン負荷に対応する目標回転数が燃焼モード切替値の下限値未満である場合には、燃焼モードがストイキ燃焼モードに切り替わることがなくなる。よって、ストイキ燃焼モードでの運転時においては、排ガス温度を常に三元触媒での必要温度以上に保つことができ、また、エンジン負荷に対応する目標回転数がストイキ燃焼モードでは排ガス温度が同必要温度以下になる恐れがある下限値未満になる場合には、リーン燃焼モードに切り替えるなどして、他の手段によるエミッション改善を図ることができる。

本発明に係るエンジンシステムの第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加え、
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、当該三元触媒の温度を検出する触媒温度検出手段とを備え、
前記制御手段が、前記ストイキ燃焼モードにおいて、前記触媒温度検出手段の検出結果に基づき点火時期を制御して前記触媒温度検出手段で検出される前記三元触媒の温度を所定温度以上に維持する点火時期昇温制御を実行する点にある。

ストイキ燃焼モードにおいて点火時期を遅角化すると、効率低下に伴ってスロットルバルブの開度が増加するので、燃焼室の燃焼温度が高くなって、排ガス温度が高くなる。
そこで、本特徴構成によれば、ストイキ燃焼モードにおいて、点火時期昇温制御が実行されるため、エンジン負荷に対応する目標回転数の低下に伴い三元触媒の温度が排ガスの処理能力を保つために必要な温度よりも低くなる恐れがある場合には、点火時期が遅角化されることで排ガス温度の低下が抑制されるので、三元触媒の排ガス処理能力の低下が解消され、エミッション改善が図られることになる。
よって、燃焼モード切替値の下限値をできるだけ低い値に設定して、例えば三元触媒等によるエミッションの改善を重視し、ストイキ燃焼モードでの運転を積極的に行うような状態で、燃焼モードの切替を行うことができる。

本発明に係るエンジンシステムの第４特徴構成は、上記第１乃至上記第３特徴構成に加え、
前記制御手段が、前記切替値補正処理において前記切替値上昇処理を実行する場合に、当該切替値上昇処理において前記燃焼モード切替値の設定範囲を所定の上限値以下に制限する点にある。

エンジン負荷に対応する目標回転数が比較的高い場合に燃焼モードをリーン燃焼モードに設定すると、スロットルバルブの開度に限界があるため、必要な出力を得ることができない場合がある。
そこで、本特徴構成によれば、切替値上昇処理における燃焼モード切替値の上限値が設定されているので、エンジン負荷に対応する目標回転数が燃焼モード切替値の上限値以上である場合には、燃焼モードがリーン燃焼モードに切り替わることがなくなる。よって、リーン燃焼モードでの運転時においては、スロットルバルブの開度調整範囲内において適切な出力調整を行うことができ、また、エンジン負荷に対応する目標回転数がリーン燃焼モードでは必要な出力を得ることができない恐れがある上限値以上になる場合には、ストイキ燃焼モードに切り替えるなどして、他の手段による出力上昇を図ることができる。

本発明に係るエンジンシステムの第５特徴構成は、上記第４特徴構成に加え、
前記制御手段が、前記リーン燃焼モードにおける前記出力制御として、前記エンジン負荷に対応する目標回転数が所定値よりも低い場合にはスロットルバルブの開度調整により前記エンジンの出力を制御するスロットルバルブ出力制御を行い、前記エンジン負荷に対応する目標回転数が所定値以上の場合には前記混合気の空燃比調整により前記エンジンの出力を制御する空燃比出力制御を行う点にある。

リーン燃焼モードにおいて混合気の空燃比を効率面やエミッション面で可能な範囲内で低下させると、燃焼室への投入熱量が増加するので、出力が上昇する。
そこで、本特徴構成によれば、リーン燃焼モードにおいてエンジン負荷に対応する目標回転数が所定値以上と高い場合には、上記スロットルバルブ出力制御に代えて上記空燃比出力制御が実行されるため、スロットルバルブ出力制御ではエンジン負荷に対応する目標回転数の上昇に伴いスロットル開度が全開になってそれ以上の開度増加ができない場合でも、混合気の空燃比が低下されて出力上昇が行われるので、スロットルバルブの開度限界による出力不足が解消され、必要な出力を得ることができる。
よって、燃焼モード切替値の上限値をできるだけ高い値に設定して、例えば寿命や効率の向上を重視し、リーン燃焼モードでの運転を積極的に行うような状態で、燃焼モードの切替を行うことができる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示すブロック図 本発明の実施形態に係るエンジンシステムにおける基本制御動作を示すフロー図 本発明の実施形態に係るエンジンシステムにおける切替値補正処理を示すフロー図

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を有する圧縮式のヒートポンプ回路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の回転数、即ち、エンジン１の回転数を検出する回転数センサ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、回転数センサ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の空燃比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Ｅ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。

圧縮式のヒートポンプ回路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側とに切り替える四方弁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のオンオフが切り替えられ、その電磁クラッチ４２のオンオフの切り替えにより、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替えられるように構成されている。

圧縮式のヒートポンプ回路３０を冷房運転するときには、図１の四方弁３５の状態として実線で示すように、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が切り替えられる。このように四方弁３５が切り替えられると、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、圧縮式のヒートポンプ回路３０を暖房運転するときには、図１の四方弁３５の状態として破線で示すように、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が切り替えられる。このように四方弁３５が切り替えられると、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３３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、圧縮式のヒートポンプ回路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、空調負荷に応じて目標回転数を求めて、回転数センサ９にて検出されるエンジン１の回転数が目標回転数になるように、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の出力を制御する所謂スロットルバルブ出力制御を行う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の空燃比をストイキ範囲（例えば、空気過剰率換算で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の空燃比をストイキ範囲超のリーン範囲内（例えば、空気過剰率換算で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替え自在に構成されている。

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の目標回転数として、空調負荷が所定負荷以上（即ち、エンジン負荷が所定の燃焼モード切替値以上）の高負荷域に対応して、ストイキ側回転数範囲が設定され、空調負荷が所定負荷未満の低負荷域に対応して、ストイキ側回転数範囲未満のリーン側回転数範囲が設定されている。又、空調負荷が高負荷域のときは、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、空調負荷が低負荷域のときは、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。
即ち、このストイキ側回転数範囲とリーン側回転数範囲との間の閾値が、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で切り替えるときのエンジン負荷の閾値である燃焼モード切替値に対応する。

そして、制御装置２０は、空調負荷が高負荷域のときは、空調負荷に応じて目標回転数を燃焼モード切替値以上のストイキ側回転数範囲内で定めて、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燃比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、回転数センサ９にて検出されるエンジン１の回転数が空調負荷に応じた目標回転数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、空調負荷が低負荷域のときは、空調負荷に応じて目標回転数を燃焼モード切替値未満のリーン側回転数範囲内で定めて、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燃比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、回転数センサ９にて検出されるエンジン１の回転数が空調負荷に応じた目標回転数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、エンジン１の回転数を燃焼モード切替値以上に調整する場合には、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て、所定負荷以上の空調負荷に対応する出力を得、一方、エンジン１の回転数を燃焼モード切替値未満に調整する場合には、エンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードに設定して、所定負荷未満の空調負荷に対応する出力を得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中の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中の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。

更に、このエンジンシステムでは、制御装置２０が、総積算運転時間（総積算運転量の一例）に対するストイキ燃焼モードでの積算運転時間であるストイキ燃焼モード積算運転時間（ストイキ燃焼モード積算運転量の一例）の割合であるストイキ燃焼モード運転割合を認識可能な運転状態を監視すると共に、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるときのエンジン負荷の閾値である燃焼モード切替値をストイキ燃焼モード運転割合に応じて補正する切替値補正処理を実行するように構成されている。

以下に、このような制御装置２０での制御動作について、説明を加える。
〔基本制御動作〕
制御装置２０による基本的な制御動作について、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を行うための基本的な制御動作である。
先ず、後述する切替値補正処理（ステップ＃１）が実行された後に、空調負荷に応じて定めた目標回転数Ｌが所定の燃焼モード切替値Ｌ０以上であるか否かが判定される（ステップ＃２）。
そして、空調負荷が高負荷域でありそれに応じて目標回転数Ｌが燃焼モード切替値Ｌ０以上となる場合には、燃焼モードがストイキ燃焼モードに設定され（ステップ＃１１）、逆に、空調負荷が低負荷域でありそれに応じて目標回転数Ｌが燃焼モード切替値未満となる場合には、燃焼モードがリーン燃焼モードに設定され（ステップ＃２１）、後に上述したスロットルバルブ出力制御（ステップ＃１４）が実行される。

また、ステップ＃１１で燃焼モードがストイキ燃焼モードに設定された場合には、触媒温度センサ１４で検出される三元触媒１３の温度ｔ（以下、「触媒温度ｔ」と呼ぶ。）が所定温度ｔ０以下であるかが判定される（ステップ＃１２）。
そして、触媒温度ｔが所定温度ｔ０以下の場合のみ、スロットルバルブ出力制御（ステップ＃１４）が実行される前に、エンジン１の点火時期を所定分遅角化させる点火時期昇温制御（ステップ＃１３）が実行される。

このステップ＃１３の点火時期昇温制御では、制御装置２０は、触媒温度センサ１４の検出結果に基づき点火時期を制御して同触媒温度ｔを所定温度以上に維持する。
即ち、点火時期を遅角化させることで、エンジン１の効率は低下するが、それに伴って後のスロットルバルブ出力制御（ステップ＃１４）においてスロットルバルブ１１の開度が増加されるので、燃焼室２の燃焼温度が高くなって、排ガスＥの温度が高くなり、結果、触媒温度ｔは上記所定温度ｔ０よりも若干低い所定温度以上に維持されることになる。

一方、ステップ＃２１で燃焼モードがリーン燃焼モードに設定された場合には、目標回転数Ｌが燃焼モード切替値Ｌ０よりも小さい所定回転数Ｌ１以上であるかが判定される（ステップ＃２２）。
そして、目標回転数Ｌが所定回転数Ｌ１以上でなく低い場合には、スロットルバルブ出力制御（ステップ＃２３）が実行されるが、目標回転数Ｌが所定回転数Ｌ１以上であり高い場合には、スロットルバルブ１１が全開状態でありスロットルバルブ出力制御では出力上昇を見込めないとして、スロットルバルブ出力制御に代えて、混合気Ｍの空燃比を低下させる空燃比出力制御（ステップ＃２４）が実行される。
このステップ＃２４の空燃比出力制御では、制御装置２０は、目標回転数Ｌの増加に伴い、スロットルバルブ１１の開度を増加させることなく、混合気Ｍの空燃比を低下させることで、エンジン１の出力上昇を実現するため、スロットルバルブ１１の開度は全開状態又はそれ以下に維持されることになり、当該スロットルバルブ１１の開度限界による出力不足が解消され、必要な出力が得られることになる。
そして、以上のように、制御装置２０による基本制御動作では、上述したステップ＃１〜ステップ＃２４の各処理が適宜繰り返し実行されることになる。

〔切替値補正処理〕
次に、上記ステップ＃１で実行される切替値補正処理を、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。
この切替値補正処理では、先ず、ストイキ燃焼モード及びリーン燃焼モードの夫々における積算運転量として、リーン燃焼モードでの積算運転時間であるリーン燃焼モード積算運転時間Ｔｌとストイキ燃焼モードでの積算運転時間であるストイキ燃焼モード積算運転時間Ｔｓとが夫々計測され、リーン燃焼モード積算運転時間Ｔｌとストイキ燃焼モード積算運転時間Ｔｓとの合計である総積算運転時間Ｔｔに対するストイキ燃焼モード積算運転時間Ｔｓの割合がストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓとして求められる（ステップ＃３１）。
そして、このようにして求めたストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓが所定の設定割合Ｒ０以上であるかが判定される（ステップ＃３２）。
尚、ここで設定割合Ｒ０としては、エンジン１の寿命設計時において想定していたストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓの値（例えば５０％程度）が用いられる。

上記ステップ＃３２にてストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓが設定割合Ｒ０以上であると判定された場合には、基本的には、ステップ＃３４に示す切替値上昇処理が実行されて、現在の燃焼モード切替値Ｌ０に所定の設定調整幅ａを加えて新たな燃焼モード切替値Ｌ０とする形態で、燃焼モード切替値Ｌ０が上昇される。この切替値上昇処理が実行されることで、リーン燃焼モードでの運転が積極的に行われることになってストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓの設定割合Ｒ０超における更なる上昇が抑制されることになり、寿命や効率の向上が重視された状態となる。

一方、上記ステップ＃３２にてストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓが設定割合Ｒ０以上でないと判定された場合には、基本的には、ステップ＃３６に示す切替値低下処理が実行されて、現在の燃焼モード切替値Ｌ０から所定の設定調整幅ｂを差し引いて新たな燃焼モード切替値Ｌ０とする形態で、燃焼モード切替値Ｌ０が低下される。この切替値低下処理が実行されることで、ストイキ燃焼モードでの運転が積極的に行われることになってストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓの設定割合Ｒ０未満における更なる低下が抑制されることになり、三元触媒１３等によるエミッションの改善を重視した状態となる。

上記ステップ＃３４の切替値上昇処理において燃焼モード切替値Ｌ０の設定範囲を所定の上限値Ｌ０ｍａｘ以下に制限するために、その切替値上昇処理の前に、燃焼モード切替値Ｌ０に所定の設定調整幅ａを加えた値が上限値Ｌ０ｍａｘ以下に維持されるかが判定され（ステップ＃３３）、維持されると判定した場合のみ切替値上昇処理（ステップ＃３４）が行われる。
尚、この上限値Ｌ０ｍａｘは、リーン燃焼モードで対応可能な目標回転数Ｌの最大値に設定されており、例えば、スロットルバルブ１１を全開状態とし且つ図２に示す空燃比出力制御（ステップ＃２４）を実行して混合気Ｍの空燃比を運転が維持できる許容範囲内の最小値に設定した場合のエンジン回転数として決定することができる。

上記ステップ＃３６の切替値低下処理において燃焼モード切替値Ｌ０の設定範囲を所定の下限値Ｌ０ｍｉｎ以上に制限するために、その切替値低下処理の前に、燃焼モード切替値Ｌ０から所定の設定調整幅ｂを差し引いた値が下限値Ｌ０ｍｉｎ以上に維持されるかが判定され（ステップ＃３５）、維持されると判定した場合のみ切替値低下処理（ステップ＃３６）が行われる。
尚、この下限値Ｌ０ｍｉｎは、ストイキ燃焼モードで対応可能な目標回転数Ｌの最小値に設定されており、例えば、スロットルバルブ１１の開度を小さくしたときに三元触媒の温度を所定温度以上に維持するべく、図２に示す点火時期昇温制御（ステップ＃１３）を実行して点火時期を運転が維持できる許容範囲内の最遅時期に設定した場合のエンジン回転数として決定することができる。
そして、以上のように、切替値補正処理は、上述したステップ＃３１〜ステップ＃３６の各処理が適宜実行された後に終了して、図２に示す基本制御動作のステップ＃３２の判定処理が行われることになる。

〔参考例〕
（１）上記実施の形態では、制御装置２０での燃焼モードの切替操作において、エンジン負荷として当該エンジン負荷に応じて決定される目標回転数Ｌにより各種判定を行うように構成したが、参考例として、例えばスロットルバルブの開度やエンジンのトルクなどの別の指標をエンジン負荷として利用しても構わない。
スロットルバルブの開度により燃焼モードの切替判定を行う場合には、リーン燃焼モード設定時のスロットルバルブ出力制御において、スロットルバルブの開度が大きくなりすぎて所定のリーン燃焼モード用の燃焼モード切替値超になったときには、燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り替え、一方、ストイキ燃焼モード設定時のスロットルバルブ出力制御において、スロットルバルブの開度が小さくなりすぎて所定のストイキ燃焼モード用の燃焼モード切替値未満になったときには、燃焼モードをリーン燃焼モードに切り替えるように構成することができる。この場合、切替値補正処理では、ストイキ燃焼モード運転割合が設定割合以上であると判定された場合には、切替値上昇処理が実行されて、上記リーン燃焼モード用及び上記ストイキ燃焼モード用の燃焼モード切替値が上昇され、逆に、ストイキ燃焼モード運転割合が設定割合以上でないと判定された場合には、切替値低下処理が実行されて、上記リーン燃焼モード用及び上記ストイキ燃焼モード用の燃焼モード切替値が低下される。
また、スロットルバルブ出力制御において、エンジン負荷に応じて目標トルクを決定し、クランクシャフトで伝達されるトルクを計測するトルクセンサ等で検出されるトルクが目標トルクになるように、スロットルバルブの開度を調整して燃焼室への混合気の吸気量を調整することにより、エンジンの出力を制御するように構成した場合には、制御装置での燃焼モードの切替操作において、その目標トルクにより各種判定を行うように構成することもできる。

〔別実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施の形態では、本発明に係るエンジンシステムをエンジン駆動式のヒートポンプシステムの駆動源として設けた例を説明したが、本発明に係るエンジンシステムは、エンジン駆動式の熱電併給システムなどの別のシステムの駆動源としても利用可能である。

（２）上記実施の形態では、燃焼モードの切替操作における切替値補正処理（図３）において、切替値上昇処理（ステップ＃３４）と切替値低下処理（ステップ＃３６）との両方を実行するように構成したが、一方の処理のみを実行するように構成しても構わない。例えば、寿命や効率の向上のみを重視する場合には、切替値上昇処理のみを実行するように構成し、燃焼モード切替値の上昇のみを行うことで、リーン燃焼モードでの運転が積極的に行われるようにしても構わない。また、三元触媒等によるエミッションの改善のみを重視する場合には、切替値低下処理のみを実行するように構成し、燃焼モード切替値の低下のみを行うようにして、ストイキ燃焼モードでの運転が積極的に行われるようにしても構わない。

（３）上記実施の形態では、燃焼モードの切替操作において、燃焼モード切替値の下限値をできるだけ低い値に設定するための点火時期昇温制御や、燃焼モード切替値の上限値をできるだけ高い値に設定するための空燃比出力制御を実行するように構成したが、燃焼モード切替値の下限値又は上限値をスロットルバルブ出力制御によるエンジンの出力制御で賄える範囲内に設定して、これらの制御を適宜省略するように構成しても構わない。

（４）上記実施の形態では、切替値補正処理において、ストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓを識別可能な運転状態としてストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓそのものを監視するように構成したが、別に、総積算運転時間Ｔｔに対するリーン燃焼モード積算運転時間の割合であるリーン燃焼モード運転割合Ｒｌを上記運転状態として監視しても構わない。尚、このリーン燃焼モード運転割合Ｒｌは、１から上記ストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓを引いた数値となる値であることから、ストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓを認識可能なものと言える。
また、リーン燃焼モード運転割合Ｒｌを監視する場合には、当該リーン燃焼モード運転割合Ｒｌを直接用いて燃焼モード切替値を補正することができる。具体的には、リーン燃焼モード運転割合Ｒｌが設定割合以上であると判定された場合には、切替値低下処理が実行されることで、ストイキ燃焼モードでの運転が積極的に行われることになってストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓの設定割合Ｒ０未満における更なる低下が抑制されることになる。一方、リーン燃焼モード運転割合Ｒｌが設定割合以上であると判定された場合には、切替値上昇処理が実行されることで、リーン燃焼モードでの運転が積極的に行われることになってストイキ燃焼モード運転割合Ｒｓの設定割合Ｒ０超における更なる上昇が抑制されることになる。

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、エンジン負荷に対応する目標回転数に応じて前記エンジンの出力を制御する出力制御を実行する制御手段とが備えられ、前記制御手段は、前記エンジン負荷に対応する目標回転数に応じて、前記燃焼室で燃焼する混合気の空燃比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燃比を前記ストイキ範囲よりも燃料が希薄な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替自在に構成されているエンジンシステムであって、効率やエミッションなどの性能面や寿命面において想定どおりの仕様を実現するべく適切な状態で燃焼モードの切り替えを行うことができるエンジンシステムとして好適に利用可能である。

１ ：エンジン
２ ：燃焼室
９ ：回転数センサ
１１ ：スロットルバルブ
１３ ：三元触媒
１４ ：触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
２０ ：制御装置
３０ ：ヒートポンプ回路
Ａ ：空気
Ｅ ：排ガス
Ｇ ：燃料ガス
Ｍ ：混合気
Ｌ０ ：燃焼モード切替値
Ｌ０ｍａｘ：上限値
Ｌ０ｍｉｎ：下限値
Ｒｓ ：ストイキ燃焼モード運転割合
Ｔｔ ：総積算運転時間（総積算運転量）
Ｔｓ ：ストイキ燃焼モード積算運転時間（ストイキ燃焼モード積算運転量）
ｔ ：触媒温度

Claims (5)

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、
   エンジン負荷に対応する目標回転数に応じて前記エンジンの出力を制御する出力制御を実行する制御手段とが備えられ、
   前記制御手段は、前記エンジン負荷に対応する目標回転数に応じて、前記燃焼室で燃焼する混合気の空燃比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燃比を前記ストイキ範囲よりも燃料が希薄な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替自在に構成されているエンジンシステムであって、
   前記制御手段は、
   総積算運転量に対する前記ストイキ燃焼モードでの積算運転量に関するストイキ燃焼モード積算運転量の割合であるストイキ燃焼モード運転割合を認識可能な運転状態を監視すると共に、
   前記ストイキ燃焼モードと前記リーン燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるときの前記エンジン負荷に対応する目標回転数の閾値である燃焼モード切替値を前記ストイキ燃焼モード運転割合に応じて補正する切替値補正処理を実行し、
   前記切替値補正処理として、前記ストイキ燃焼モード運転割合が所定の設定割合よりも高い場合に前記燃焼モード切替値を上昇させる切替値上昇処理を実行し、前記ストイキ燃焼モード運転割合が所定の設定割合よりも低い場合に前記燃焼モード切替値を低下させる切替値低下処理を実行するエンジンシステム。
2. 前記制御手段が、前記切替値補正処理において前記切替値低下処理を実行する場合に、当該切替値低下処理において前記燃焼モード切替値の設定範囲を所定の下限値以上に制限する請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 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、当該三元触媒の温度を検出する触媒温度検出手段とを備え、
   前記制御手段が、前記ストイキ燃焼モードにおいて、前記触媒温度検出手段の検出結果に基づき点火時期を制御して前記触媒温度検出手段で検出される前記三元触媒の温度を所定温度以上に維持する点火時期昇温制御を実行する請求項２に記載のエンジンシステム。
4. 前記制御手段が、前記切替値補正処理において前記切替値上昇処理を実行する場合に、当該切替値上昇処理において前記燃焼モード切替値の設定範囲を所定の上限値以下に制限する請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンシステム。
5. 前記制御手段が、前記リーン燃焼モードにおける前記出力制御として、前記エンジン負荷に対応する目標回転数が所定値よりも低い場合にはスロットルバルブの開度調整により前記エンジンの出力を制御するスロットルバルブ出力制御を行い、前記エンジン負荷に対応する目標回転数が所定値以上の場合には前記混合気の空燃比調整により前記エンジンの出力を制御する空燃比出力制御を行う請求項４に記載のエンジンシステム。

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