JP6315908B2 - 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て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の間で、前記エンジンの燃焼モードを切り替える制御手段とを備えたエンジンシステムに関する。

この種のエンジンシステムは、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の間で、切り替え自在に構成されている。
更に、このようなエンジンシステムとして、エンジンの軸動力を駆動源とする圧縮機を有する圧縮式のヒートポンプ回路を備え、空調負荷などのヒートポンプ回路の熱負荷に基づいてエンジンの回転速度を制御するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

このようなエンジンシステムにおいて、エンジン負荷が比較的大きい所定のストイキ領域では、エンジンの燃焼モードがストイキ燃焼モードとされて出力重視の運転が行われ、逆に、エンジン負荷が比較的小さい所定のリーン領域では、エンジンの燃焼モードがリーン燃焼モードとされて効率重視の運転が行われる。
即ち、制御手段は、エンジン負荷がストイキ領域からリーン領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、同エンジン負荷がリーン領域からストイキ領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。

特開２００８−２８６０６６号公報

ストイキ領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。よって、寿命等の面では、ストイキ燃焼モードの積算運転量ができるだけ短くなるように、上記燃焼モード切替負荷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量を短くしすぎないほうが良い場合があり、燃焼モード切替負荷値を一義的に決定するのは困難であった。
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。

また、エンジンへの要求負荷は、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量のバランスについても変化することになる。
特に、総積算運転量に対するストイキ燃焼モードでの積算運転量の割合であるストイキ燃焼運転割合が、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が生じる場合がある。更には、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。

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の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て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の間で、前記エンジンの燃焼モードを切り替える制御手段とを備えたエンジンシステムであって、その特徴構成は、
前記エンジンの軸動力を駆動源とする圧縮機を有する圧縮式のヒートポンプ回路を備え、
前記制御手段が、予め設定されたストイキ燃焼抑制期間において、前記エンジンの燃焼モードの前記ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制するストイキ燃焼抑制処理を実行するものであり、
前記ヒートポンプ回路の熱負荷としての要求負荷の実績データを記録する記録手段を備え、
前記実績データは、過去において１日のうちでストイキ燃焼モードでの運転が他の時間帯に比べて少ない特定時間帯を含むデータであり、
前記制御手段が、前記ヒートポンプ回路の熱負荷に応じて前記エンジン負荷を要求すると共に、前記記録手段に記録された要求負荷の前記実績データに基づいて、１日のうちの特定時間帯から前記ストイキ燃焼抑制期間を設定し、
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の割合をストイキ燃焼運転割合として計測し、当該計測したストイキ燃焼運転割合が大きいほど前記ストイキ燃焼抑制期間を拡大させる形態で、前記ストイキ燃焼抑制期間を前記ストイキ燃焼運転割合に応じて補正する点にある。

本特徴構成によれば、予め設定されたストイキ燃焼抑制期間において、ストイキ燃焼抑制処理が実行されて、燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えが抑制されるので、燃焼モードができるだけリーン燃焼モードに維持されることになる。
すると、ストイキ燃焼抑制期間が設定されていない場合と比較して、ストイキ燃焼モードでの積算運転量の増加が抑制される。よって、総積算運転量に対するストイキ燃焼モードでの積算運転量の割合であるストイキ燃焼運転割合が適正値を過度に上回ることが防止される。
従って、本発明により、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ことができる。
更に、本特徴構成によれば、要求負荷の実績データを記録手段に記録することで、その記録された実績データから、過去においてはストイキ燃焼モードでの運転の少ない期間で、ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制しても要求負荷に対する追従性があまり問題にならない期間をストイキ燃焼抑制期間とすることができる。これにより、過去の要求負荷の実績に合わせて、ストイキ燃焼運転割合が適正値を過度に上回ることを効率よく防止することができる。
更に、本特徴構成によれば、ストイキ燃焼運転割合が大きいほど、ストイキ燃焼抑制処理が実行されるストイキ燃焼抑制期間が拡大されて、長期間においてストイキ燃焼モードへの燃焼モードの切り替えが抑制されるので、ストイキ燃焼運転割合が適正値を過度に上回ることを一層防止することができる。

本発明に係るエンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記制御手段が、前記ヒートポンプ回路の熱負荷に応じて前記エンジンの目標回転速度を求め、前記目標回転速度を前記ヒートポンプ回路の熱負荷が大きいほど大きくなるように設定する点にある。

本特徴構成によれば、ヒートポンプ回路の熱負荷の増加に対応してエンジンの回転速度を増加させるにあたり、それに伴ってエンジン負荷をリーン燃焼モードに対応するリーン領域からストイキ燃焼モードに対応するストイキ領域へ増加すべき場合がある。このような場合であっても、その時点がストイキ燃焼抑制期間であれば、ヒートポンプ回路の熱負荷に対するエンジン負荷の追従性よりもストイキ燃焼モードでの積算運転量の増加の抑制を重視して、ストイキ燃焼抑制処理を実行し、燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制することができる。
よって、ヒートポンプ回路の熱負荷に対するエンジン負荷の追従性向上による快適性と、ストイキ燃焼運転割合の過度の増加抑制による性能及び寿命向上とのバランスを、適切なものに維持することができる。

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 エンジン負荷に対するストイキ領域及びリーン領域の割り当てを説明するグラフ図 ヒートポンプ回路の熱負荷及びエンジン負荷の変動状態を説明するグラフ図 第１のストイキ燃焼抑制処理の処理フローを示す図 第２のストイキ燃焼抑制処理の処理フローを示す図 切替負荷値補正処理の処理フローを示す図

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、要求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等を備える。
更に、本実施形態のエンジンシステムは、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が設けられて、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おり、制御装置２０が、ヒートポンプ回路３０の熱負荷を要求負荷として受け付け、その熱負荷に基づいてエンジン１の回転速度（出力軸７の回転速度）を制御する。

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、出力軸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、出力軸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）駆動により出力軸７を強制的に回転させるセルモータ８、及び、エンジン１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、室外熱交換器３２、室内熱交換器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熱交換器３２側と室内熱交換器３３側とに切り替える四方弁３５等が設けられている。尚、室内熱交換器３３及び膨張弁３４は、空調対象空間である室内に設置される室内ユニットＵｉに装備され、室内熱交換器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の出力軸７に固定されたエンジン側プーリ４１と、圧縮機３１の駆動軸に電磁クラッチ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により作動制御される。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、これによりエンジン１と圧縮機３１との伝動連結が断続されて、エンジン１の軸動力が圧縮機３１に伝達される状態と、同軸動力が圧縮機３１に伝達されない状態とに切り替えられる。

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の吐出側が室外熱交換器３２に接続され且つ圧縮機３１の流入側が室内熱交換器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熱交換器３２に流入し、その室外熱交換器３２が凝縮器として機能して、当該室外熱交換器３２において高温高圧の冷媒蒸気が外気との熱交換により放熱して凝縮する。また、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熱交換器３３に流入し、その室内熱交換器３３が蒸発器として機能して、当該室内熱交換器３３において低温低圧の冷媒液が室内空気との熱交換により吸熱して蒸発する。そして、その蒸発した冷媒蒸気が圧縮機３１に戻されるといった形態で、冷媒がヒートポンプ回路３０を循環することになる。
即ち、室内熱交換器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の吐出側が室内熱交換器３３に接続され且つ圧縮機３１の流入側が室外熱交換器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熱交換器３３に流入し、その室内熱交換器３３が凝縮器として機能して、当該室外熱交換器３２において高温高圧の冷媒蒸気が室内空気との熱交換により放熱して凝縮する。また、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熱交換器３２に流入し、その室外熱交換器３２が蒸発器として機能して、当該室外熱交換器３２において低温低圧の冷媒液が室内空気との熱交換により吸熱して蒸発する。そして、その蒸発した冷媒蒸気が圧縮機３１に戻されるといった形態で、冷媒がヒートポンプ回路３０を循環することになる。
即ち、室内熱交換器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。

エンジン１により圧縮機３１を駆動するための軸動力は、例えば冷房運転において、室外熱交換器３２における冷媒蒸気の放熱先である外気等の温度や、室内熱交換器３３における冷媒液の吸熱元である室内空気の温度や、冷媒の圧力状態や流量状態等から求められる熱負荷に応じたものとなる。言い換えれば、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における空調負荷（熱負荷）に応じたエンジン負荷が要求されることになる。
これに対し、制御装置２０は、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。このことにより、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。

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ヒートポンプ回路３０の熱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の目標回転速度をヒートポンプ回路３０の熱負荷が大きいほど大きくなるように設定し、エンジン１の回転速度がその設定した目標回転速度になるように、スロットルバルブ出力制御を実行して、スロットルバルブ１１の開度を調整する。

更に、図２も参照して、このスロットルバルブ出力制御によるエンジン１の回転速度の制御に伴って、エンジン負荷が変化するが、そのエンジン負荷が所定の燃焼モード切替負荷値Ｌ０以上となるストイキ領域ＳＡ（図２の右下がり斜線部）では、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、エンジン負荷が同燃焼モード切替負荷値Ｌ０未満となるリーン領域ＬＡ（図２のドット部）では、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、このストイキ領域ＳＡとリーン領域ＬＡ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負荷値Ｌ０に対応する。

例えば、図２に示すように、制御装置２０は、エンジン回転数とエンジン１の出力軸７に付加される回転トルクとの積に相当するエンジン負荷の領域において、エンジン負荷が比較的小さい側の領域として設定されたリーン領域ＬＡと、そのリーン領域よりもエンジン負荷が大きい側の領域として設定されたストイキ領域ＳＡとを規定したエンジン負荷マップを有する。
そして、図２の点Ｐ１，Ｐ２のように、エンジン負荷がリーン領域ＬＡにあるときは、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の開度を調整して、エンジン１の燃焼モードをリーン燃焼モードに設定する。
一方、図２の点Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５のように、エンジン負荷がストイキ領域ＳＡにあるときは、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の開度を調整して、エンジン１の燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定する。

つまり、エンジン１の回転速度や回転トルクの増加に伴って、エンジン負荷がリーン領域ＬＡから境界線ＢＬ１，ＢＬ２を跨いでストイキ領域ＳＡに入ったタイミングで、エンジン１の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替えられる。一方、エンジン１の回転速度又は回転トルクの減少に伴って、エンジン負荷がストイキ領域ＳＡから境界線ＢＬ１，ＢＬ２を跨いでリーン領域ＬＡに入ったタイミングで、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替えられる。
例えば、図２の実線矢印（点Ｐ１→点Ｐ２→点Ｐ３）に示すように、エンジン負荷が増加した場合には、そのエンジン負荷の増加の軌跡（点Ｐ２→点Ｐ３）と境界線ＢＬ２との交点に対応するエンジン負荷を、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負荷値Ｌ０（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）に設定し、エンジン１の回転速度がその燃焼モード切替負荷値Ｌ０以上となったタイミングで、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ことになる。

図１を参照して、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釣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。

制御装置２０は、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であるストイキ燃焼モード積算運転時間の割合であるストイキ燃焼運転割合を計測する計測手段２１、ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制すべきストイキ燃焼抑制期間を設定する設定手段２２として機能し、更には、過去におけるヒートポンプ回路３０の熱負荷の実績データを記録する不揮発性メモリー等からなる記録手段２３を有する。

具体的に、計測手段２１は、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時間として、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とを夫々計測し、その計測したリーン燃焼モード積算運転時間とストイキ燃焼モード積算運転時間との合計である総積算運転時間に対するストイキ燃焼モード積算運転時間の割合をストイキ燃焼運転割合として求める。

また、上記設定手段２２は、記録手段２３に記録された熱負荷の実績データに基づいて、過去においてはストイキ燃焼モードでの運転があまり行われていない期間などのように、ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制してもヒートポンプ回路３０の熱負荷に対する追従性があまり問題にならない期間を認識する。例えば、このような期間としては、春秋の中間期、土曜日、日曜日、祝日、１８時から翌朝９時の時間帯などが、ヒートポンプ回路３０の熱負荷が比較的低いために、ストイキ燃焼モードでの運転があまり行われることがない期間として認識することができる。
そして、設定手段２２は、このように認識した期間を、ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制すべきストイキ燃焼抑制期間として設定する。

制御装置２０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切り替えるにあたり、後述するストイキ燃焼抑制処理、切替負荷値補正処理を適宜実行するように構成されている。以下に、これら夫々の処理フローの詳細について説明する。

〔ストイキ燃焼抑制処理〕
ストイキ燃焼抑制処理は、効率やエミッションなどの性能面や寿命面において適切な状態で燃焼モードの切り替えを行うための処理であって、ヒートポンプ回路３０の熱負荷に対応するエンジン負荷がストイキ領域ＳＡにあったとしても、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制する処理として構成されている。
また、制御装置２０は、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制する抑制操作を複数種有する。以下に、これら複数種の抑制操作について、図３を参照して説明する。
図３の破線に示すように、ヒートポンプ回路３０の熱負荷がストイキ領域ＳＡとリーン領域ＬＡとの間で変動したと想定する。ここで、このヒートポンプ回路３０の熱負荷の変動は、例えば１日における一般的な熱負荷の変動例を示しており、熱負荷が起動時直後において一時的にストイキ領域ＳＡに突入し、その後の正午までの期間においてリーン領域ＬＡで推移し、正午から夕刻までの期間においてストイキ領域ＳＡで推移し、その後の停止時までの期間においてリーン領域ＬＡで推移する、というものとなっている。
そして、このように変動するヒートポンプ回路３０の熱負荷に対して、複数種の抑制操作でストイキ燃焼抑制処理を実行した場合のエンジン負荷の変動パターンを、図３の実線で示す。

先ず、第１の抑制操作としては、図３の矢印Ｘで示す部分のように、エンジン負荷の増加傾向を緩和させることで、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制するものとされている。
具体的に、この第１の抑制操作では、起動時などにおいて、ヒートポンプ回路３０の熱負荷が急激に増加し、その増加が一時的なものであった場合には、エンジン負荷の上昇傾向が緩慢なものに抑えられることで、エンジン負荷がストイキ領域ＳＡに一時的に入ることが防止され、結果、エンジン１の燃焼モードがリーン燃焼モードに維持されて、ストイキ燃焼運転割合の過度の増加が良好に防止される。

次に、第２の抑制操作としては、図３の矢印Ｙで示す部分のように、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを間欠的に禁止することで、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制するものとされている。
具体的に、この第２の抑制操作では、ヒートポンプ回路３０の熱負荷がストイキ領域ＳＡで推移した場合において、数十分〜１時間程度の一定時間間隔で、エンジン負荷を、その熱負荷とは関係なく強制的に、リーン領域ＬＡの上限付近に変移させて、エンジン１の燃焼モードを強制的にリーン燃焼モードに変更する。
この第２の抑制操作では、ストイキ燃焼モードへの切り替えを完全に禁止するのではないので、ヒートポンプ回路３０の熱負荷に対するエンジン負荷の追従性を適度に確保しながら、ストイキ燃焼モードでの積算運転量の増加が抑制され、ストイキ燃焼運転割合の過度の増加が良好に防止される。

次に、第３の抑制操作としては、図示は省略するが、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを連続的に禁止することで、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制するものとされている。
具体的に、この第３の抑制操作では、ストイキ燃焼モードへの切り替えを完全に禁止することで、ストイキ燃焼モードでの積算運転量の増加が一層抑制され、ストイキ燃焼運転割合の過度の増加が一層良好に防止される。

更に、制御装置２０は、ストイキ燃焼抑制処理を実行するにあたり、記録手段２３に記録されているヒートポンプ回路３０の熱負荷の実績データに基づいて、上記複数の抑制操作から実行対象の抑制操作を選択するように構成されている。
即ち、そのヒートポンプ回路３０の熱負荷の実績データから、現在のエンジン負荷が今後どのように推移するかを予測し、その予測したエンジン負荷の推移に対して、熱負荷に対するエンジン負荷の追従性やストイキ燃焼運転割合などのバランスが適切なものとなる抑制操作を、上記複数種の抑制操作から選択し採用する。
例えば、エンジン負荷が一時的にストイキ領域に突入し直ぐにリーン燃焼領域に戻ると予測できる場合には、上記第１の抑制操作が採用されて実行され、エンジン負荷の増加傾向が緩和される。
また、エンジン負荷が継続的にストイキ領域に推移すると予測した場合には、上記第２乃至第３の抑制操作が採用されて実行され、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えが連続的又は間欠的に禁止される。
更に、制御装置２０は、ストイキ燃焼抑制処理として、第１のストイキ燃焼抑制処理と第２のストイキ燃焼抑制処理とを実行するように構成されており、夫々のストイキ燃焼抑制処理の詳細について以下に説明する。

（第１のストイキ燃焼抑制処理）
第１のストイキ燃焼抑制処理は、予め設定されたストイキ燃焼抑制期間において、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制する処理として構成されている。
更に、制御装置２０は、春秋の中間期、土曜日、日曜日、祝日、１８時から翌朝９時の時間帯などのように、ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制してもヒートポンプ回路３０の熱負荷に対する追従性があまり問題にならない期間を、ストイキ燃焼抑制期間として予め設定する。
以下、この第１のストイキ燃焼抑制処理を、図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
第１ストイキ燃焼抑制処理では、現時点が予め設定されたストイキ燃焼抑制期間であると判定した場合においては（ステップ＃１１）、ヒートポンプ回路３０の熱負荷に対応するエンジン負荷が例えストイキ領域ＳＡにあったとしても、上述したように何れかの抑制操作を選択し実行する（ステップ＃１２）。このことにより、エンジン１の燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えが抑制され、ストイキ燃焼運転割合が適正値を過度に上回ることが防止される。

また、上記ステップ＃１１において、ストイキ燃焼抑制期間については、利用者が直接入力することで予め設定しても構わないが、制御装置２０は、記録手段２３に記録されたヒートポンプ回路３０の熱負荷の実績データに基づいて、ストイキ燃焼抑制期間を設定するように構成されている。
具体的に、制御装置２０は、過去の実績データを参照して、過去においてはストイキ燃焼モードでの運転があまり行われていない期間などのように、ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制してもヒートポンプ回路３０の熱負荷に対する追従性があまり問題にならない期間を認識し、この認識した期間を上記ストイキ燃焼抑制期間として設定する。このようにストイキ燃焼抑制期間を設定すれば、過去の熱負荷の実績に合わせて、ストイキ燃焼運転割合が適正値を過度に上回ることが効率よく防止される。

更に、制御装置２０は、この第１のストイキ燃焼抑制処理において。計測手段２１で計測したストイキ燃焼運転割合が大きいほど、上記のように予め設定したストイキ燃焼抑制期間を拡大させる形態で、ストイキ燃焼抑制期間をストイキ燃焼運転割合に応じて補正するように構成されている。
即ち、ストイキ燃焼運転割合が比較的大きくそれ以上増加することが性能面や寿命面などにおいて好ましくないと判断できる場合には、例えば春秋の中間期、土曜日、日曜日、祝日、１８時から翌朝９時の時間帯として設定されたストイキ燃焼抑制期間がその前後において拡大される。
例えば、１８時から翌朝９時までの時間帯をストイキ燃焼抑制期間として設定している場合には、その期間の前後を３時間ずつ拡大して、１５時から正午１２時までの時間帯をストイキ燃焼抑制期間とすることができる。

（第２のストイキ燃焼抑制処理）
次に、第２のストイキ燃焼抑制処理は、計測手段２１で計測したストイキ燃焼運転割合が所定の設定割合以上の場合には、エンジンの燃焼モードの前記ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制する処理として構成されている。
以下、この第２のストイキ燃焼抑制処理を、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
具体的に、第２のストイキ燃焼抑制処理では、計測手段２１により計測されたストイキ燃焼運転割合が、例えばエンジン１の寿命設計時において想定していたストイキ燃焼運転割合に相当する設定割合（例えば２５％程度）以上の場合には（ステップ＃２１）、ヒートポンプ回路３０の熱負荷に対応するエンジン負荷が例えストイキ領域ＳＡにあったとしても、上述したように何れかの抑制操作を選択し実行する（ステップ＃２２）。すると、ストイキ燃焼運転割合が設定割合未満の場合と比較して、ストイキ燃焼モードでの積算運転量の増加が抑制され、結果、ストイキ燃焼運転割合が適正値を過度に上回ることが防止されことになる。

〔切替負荷値補正処理〕
切替負荷値補正処理は、効率やエミッションなどの性能面や寿命面において適切な状態で燃焼モードの切り替えを行うための処理であって、予め設定されたストイキ燃焼抑制期間における燃焼モード切替負荷値を、ストイキ燃焼抑制期間以外の期間における燃焼モード切替負荷値よりも大きくする形態で、当該燃焼モード切替負荷値を補正する処理として構成されている。
以下、この切替負荷値補正処理を、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。

この切替負荷値補正処理では、現時点が予め設定されたストイキ燃焼抑制期間であるか否かが判定される（ステップ＃３１）。
そして、上記ステップ＃３１にて現時点がストイキ燃焼抑制期間であると判定された場合には、現在の燃焼モード切替負荷値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負荷値Ｌ０とする形態で、燃焼モード切替負荷値Ｌ０が増加される（ステップ＃３３）。このことで、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運転割合Ｒｓの更なる増加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＃３１にて現時点がストイキ燃焼抑制期間でないと判定された場合には、現在の燃焼モード切替負荷値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負荷値Ｌ０とする形態で、燃焼モード切替負荷値Ｌ０が減少される。このことで、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、ストイキ燃焼運転割合Ｒｓの更なる減少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＃３３において燃焼モード切替負荷値Ｌ０の設定範囲を所定の上限値Ｌ０ｍａｘ以下に制限するために、その前に、燃焼モード切替負荷値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＃３２）、維持されると判定した場合のみステップ＃３３で燃焼モード切替負荷値Ｌ０の増加が行われる。
尚、この上限値Ｌ０ｍａｘは、リーン燃焼モードで運転可能なエンジン負荷の最大値として設定されており、例えば、リーン燃焼モードにおいて、スロットルバルブ１１を全開状態としたときのエンジン負荷として決定することができる。

上記ステップ＃３５において燃焼モード切替負荷値Ｌ０の設定範囲を所定の下限値Ｌ０ｍｉｎ以上に制限するために、その前に、燃焼モード切替負荷値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＃３４）、維持されると判定した場合のみステップ＃３５で燃焼モード切替負荷値Ｌ０の減少が行われる。
尚、この下限値Ｌ０ｍｉｎは、ストイキ燃焼モードで運転可能なエンジン負荷の最小値として設定されており、例えば、ストイキ燃焼モードにおいて、スロットルバルブ１１の開度を最小にしたときのエンジン負荷として決定することができる。

〔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）上記実施形態では、制御装置２０により、ストイキ燃焼抑制処理とは別に、切替負荷値補正処理を実行するように構成したが、ストイキ燃焼抑制処理以外の処理については、適宜省略しても構わない。

（２）上記実施形態では、ストイキ燃焼抑制処理において、エンジンの燃焼モードのストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制する抑制操作を複数種有し、要求負荷であるヒートポンプ回路３０の熱負荷の実績データに基づいて、複数の抑制操作から実行対象の抑制操作を選択するように構成したが、このような抑制操作の選択をせずに、常に単一の抑制操作を実行するように構成しても構わない。

（３）上記実施形態では、エンジン１の軸動力を駆動源とする圧縮機３１を有する圧縮式のヒートポンプ回路３０を、エンジン１の回転負荷として設ける例を説明したが、圧縮式のヒートポンプ回路３０以外に、発電機などの別の回転負荷を設けるように構成しても構わない。

本発明は、混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させて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の間で、前記エンジンの燃焼モードを切り替える制御手段とを備えた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
７ ：出力軸
１３ ：三元触媒
２０ ：制御装置（制御手段）
２３ ：記録手段
３０ ：ヒートポンプ回路
３１ ：圧縮機
４２ ：電磁クラッチ
Ｅ ：排ガス
Ｌ０ ：燃焼モード切替負荷値
Ｒｓ ：ストイキ燃焼運転割合
ＳＡ ：ストイキ領域
ＬＡ ：リーン領域

Claims (2)

1. 混合気を燃焼室で圧縮して燃焼させて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の間で、前記エンジンの燃焼モードを切り替える制御手段とを備えたエンジンシステムであって、
   前記エンジンの軸動力を駆動源とする圧縮機を有する圧縮式のヒートポンプ回路を備え、
   前記制御手段が、予め設定されたストイキ燃焼抑制期間において、前記エンジンの燃焼モードの前記ストイキ燃焼モードへの切り替えを抑制するストイキ燃焼抑制処理を実行するものであり、
   前記ヒートポンプ回路の熱負荷としての要求負荷の実績データを記録する記録手段を備え、
   前記実績データは、過去において１日のうちでストイキ燃焼モードでの運転が他の時間帯に比べて少ない特定時間帯を含むデータであり、
   前記制御手段が、前記ヒートポンプ回路の熱負荷に応じて前記エンジン負荷を要求すると共に、前記記録手段に記録された要求負荷の前記実績データに基づいて、１日のうちの特定時間帯から前記ストイキ燃焼抑制期間を設定し、
   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の割合をストイキ燃焼運転割合として計測し、当該計測したストイキ燃焼運転割合が大きいほど前記ストイキ燃焼抑制期間を拡大させる形態で、前記ストイキ燃焼抑制期間を前記ストイキ燃焼運転割合に応じて補正するエンジンシステム。
2. 前記制御手段が、前記ヒートポンプ回路の熱負荷に応じて前記エンジンの目標回転速度を求め、前記目標回転速度を前記ヒートポンプ回路の熱負荷が大きいほど大きくなるように設定する請求項１に記載のエンジンシステム。

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