エンジン
【課題】制御手段が、スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、空燃比調整弁の開度を制御して、混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンにおいて、ＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受するための技術を提供する。
【解決手段】ＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備え、制御手段が、低出力域において、吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを希薄燃焼モードに設定すると共にＥＧＲ調整弁によりＥＧＲ率を低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行い、低出力域よりも高い第１高出力域において、吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると共にＥＧＲ調整弁によりＥＧＲ率を低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う。
【解決手段】ＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備え、制御手段が、低出力域において、吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを希薄燃焼モードに設定すると共にＥＧＲ調整弁によりＥＧＲ率を低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行い、低出力域よりも高い第１高出力域において、吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると共にＥＧＲ調整弁によりＥＧＲ率を低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空燃比調整弁の開度制御により、燃焼室において混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、燃焼室において混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で、燃焼モードを切り替え可能なエンジンが知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照。）。
この種のエンジンは、高出力域で運転を行う場合には、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定することで、エンジンの小型化を図るべく排気量をできるだけ小さく維持しつつ高出力での運転を実現することができる。一方、低出力域で運転を行う場合には、燃焼モードを希薄燃焼モードに設定することで、高効率及び低エミッションを図るべくスロットル弁の開度をできるだけ大きく維持してポンプ損失を低減しつつ正味平均有効圧の上昇による熱効率向上を実現することができる。
【０００３】
上記特許文献１に記載のエンジンは、低出力域における希薄燃焼モード設定時に排気路に排出される排ガスについて、ＮＯｘの含有量が少なく三元触媒で処理が困難な高空燃比（即ち、還元性成分に対して酸化性成分が過剰の状態）であるために、排ガスにかかる圧損低減を優先して三元触媒部をバイパスさせて排出することで、効率向上を図るように構成されている。
更に、このエンジンは、燃焼室に吸気される新気に排ガスを還流する所謂ＥＧＲを実行可能に構成すると共に、その新気に対する排ガス還流量の割合であるＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備える。そして、希薄燃焼モード設定時においてＥＧＲを実行し、燃焼室から排出される排ガスの空燃比が理論空燃比（還元性成分と酸化性成分が釣り合った状態）となるようにＥＧＲ率を制御することで、その排ガスを三元触媒で処理することも可能とされている。即ち、このＥＧＲ調整弁は、排ガスの空燃比が高くなる低出力域での希薄燃焼モード設定時のみ開弁され、排ガスの空燃比が理論空燃比となる高出力域のストイキ燃焼モード設定時には開弁されないものとなる。
【０００４】
上記特許文献２に記載のエンジンは、希薄燃焼モードで運転を行う出力域よりも更に低い出力域では、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定して安定した運転を実現している。更に、その低出力域でのストイキ燃焼モード設定時においてＥＧＲを実行し、スロットル弁の開度が過小になってポンプ損失が増加することを防止するように構成されている。即ち、このＥＧＲ調整弁は、スロットル弁の開度が小さくなる低出力域でのストイキ燃焼モード設定時のみ開弁され、スロットル弁の開度が比較的大きく保たれる希薄燃焼モード設定時及び高出力域でのストイキ燃焼モード設定時には開弁されないものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９７９６７号公報
【特許文献２】特開２００４−０６０５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エンジンにおいて、ＥＧＲ（排ガス再循環）を適用すれば、スロットル弁の開度を増加させてポンプ損失による効率低下を抑制でき、更には、燃焼室へ吸気される混合気の比熱比が増加し燃焼室における燃焼温度の上昇が抑制されるために、ＮＯｘ生成の抑制、熱効率の向上、耐久性の向上等を実現することができる。
しかしながら、上述したように出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードの切り替えを行う従来のエンジンでは、全出力域においてＥＧＲを実行するものではなかったため、その効果を十分に享受し得るものではなかった。
【０００７】
例えば、上記特許文献１のエンジンでは、希薄燃焼モード設定時の排ガスの空燃比を理論空燃比に調整してその排ガスの三元触媒による処理を可能とする目的で、高空燃比の排ガスが排出される低出力域での希薄燃焼モード設定時のみＥＧＲが実行されるため、その低出力域では希薄燃焼とＥＧＲとの相乗効果によりスロットル弁の開度が非常に大きく設定されることになる。よって、スロットル弁の開度が全開状態となる低出力域の最大出力が比較的低いものに制限されることになるので、ＥＧＲ更には希薄燃焼の効果は非常に狭い低出力域のみでしか享受できないという問題があった。
【０００８】
また、上記特許文献２のエンジンでは、スロットル弁の開度が過小になることを回避してポンプ損失増加を防止する目的で、低出力域でのストイキ燃焼運転モード設定時のみＥＧＲが実行されスロットル弁の開度が確保されるため、それよりも出力が高くスロットル弁の開度が比較的大きくなる希薄燃焼運転モード設定時及び高出力域でのストイキ燃焼モード設定時では、ＥＧＲの効果を享受できないという問題があった。
【０００９】
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、出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるにあたりＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受することができるエンジンを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するための本発明に係るエンジンは、
燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンであって、
その第１特徴構成は、
前記燃焼室へのＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備え、
前記制御手段が、
低出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記希薄燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行い、
前記低出力域よりも高い第１高出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を前記低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う点にある。
【００１１】
本発明に係るエンジンの上記第１特徴構成によれば、制御手段は、低出力域で希薄燃焼モードに設定する低出力運転時には、ＥＧＲ調整弁の開度を制御して、ＥＧＲ率を比較的低い低ＥＧＲ率に設定する。一方、制御手段は、その低出力域よりも高い第１高出力域でストイキ燃焼モードに設定する第１高出力運転時には、ＥＧＲ調整弁の開度を制御して、ＥＧＲ率を低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する。これにより、ＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を広い出力域において十分に享受することができる。
【００１２】
即ち、低出力運転時には、燃焼室における混合気の空燃比が比較的高め（燃料希薄側）に設定される希薄燃焼モードで運転を行うため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁の開度は比較的大きいものとなる。そこで、この低出力運転時には、ＥＧＲ率が比較的小さい低ＥＧＲ率に設定されるので、スロットル弁の開度増加が抑制される。よって、その低出力運転を行う低出力域の最大出力はできるだけ高いものとなるので、希薄燃焼の効果、即ち高効率及び低エミッションが比較的低い低出力域において十分に実現されることになる。
【００１３】
一方、第１高出力運転時には、燃焼室における混合気の空燃比が比較的低めの理論空燃比に設定されるストイキ燃焼モードで運転を行うため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁の開度は、上述した希薄燃焼モード設定時よりも縮小される傾向となり、増加側に余裕ができる。そこで、この第１高出力運転時には、スロットル弁の開度の増加を伴うが、ＥＧＲ率が上記低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率（例えばＥＧＲ調整弁を略全開としたときのＥＧＲ率）に増加されるので、ＥＧＲの実行による効果、即ち、熱効率の向上、耐久性の向上等が比較的高い第１高出力域においても十分に実現されることになる。尚、第１高出力運転時には、ストイキ燃焼モードで運転を行うので、排気路には酸素濃度が略ゼロで酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論空燃比の排ガスが排出されるので、この排ガスを三元触媒部に通過させれば、排ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物を同時除去することができる。
従って、出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるにあたりＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受することができるエンジンを提供することができた。
【００１４】
本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
排気路に排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部を備え、
前記制御手段が、前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記第１高出力域よりも高い第２高出力域において、前記ＥＧＲ出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記スロットル弁の開度を最大に設定する第２高出力運転を行う点にある。
【００１５】
本発明に係るエンジンの上記第２特徴構成によれば、制御手段は、ＥＧＲ率を減少させることに伴って燃焼室へ供給される混合気の量が増加し出力が増加することを利用して、ＥＧＲ調整弁の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行することができる。
そして、第１高出力域よりも高い出力を要求された場合には、当該第１高出力運転に代えて第２高出力運転を行って、上述した吸気量出力制御に代えてＥＧＲ出力制御を実行する。すると、スロットル弁の開度が最大に維持されながら、予め第１高出力運転において略全開に設定されていたＥＧＲ調整弁の開度が徐々に縮小されて、燃焼室への混合気の供給量が増加するので、運転を維持したまま出力が一層上昇される。また、この第２高出力運転時には、スロットル弁の開度が最大に維持されるため、ポンプ損失を極めて小さくでき高効率を維持することができる。
更に、この第２高出力運転時において、排気路に三元触媒部を設けることで、そのＮＯｘの除去処理を行うことができる。
【００１６】
本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、
前記低出力域が、前記低出力運転時において前記スロットル弁の開度を最小に設定するときの出力から前記スロットル弁の開度を最大に設定するときの出力までの出力域である点にある。
【００１７】
本発明に係るエンジンの上記第３特徴構成によれば、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う低出力域の最大出力を、上記のごとく低出力運転時においてスロットル弁の開度を最大に設定した際の出力とすることで、できるだけ広い出力域で希薄燃焼モードを維持することができ、高効率及び低エミッション等の希薄燃焼による効果を十分に享受することができる。
【００１８】
本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第１乃至第３の何れかの特徴構成に加えて、
前記第１高出力域が、前記低出力域における最大出力から前記第１高出力運転時において前記スロットル弁の開度を最大に設定する出力までの出力域である点にある。
【００１９】
本発明に係るエンジンの上記第４特徴構成によれば、ＥＧＲ率を比較的高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う第１高出力域の最大出力を、上記のごとく第１高出力運転時においてスロットル弁の開度を最大に設定した際の出力とすることで、できるだけ広い出力域で高ＥＧＲ率を維持することができ、ポンプ損失による効率低下の抑制、熱効率の向上、耐久性の向上等のＥＧＲによる効果を十分に享受することができる。
【００２０】
本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、上記第１乃至第４の何れかの特徴構成に加えて、
前記燃焼室から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記低出力運転時において、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御するＮＯｘ制御を実行する点にある。
【００２１】
希薄燃焼モードにおいてＥＧＲ率が高い場合には、燃料希薄な混合気に対する点火ミスにより失火が発生する場合がある。一方、希薄燃焼モードにおいては、燃焼温度が比較的低いため基本的にはＮＯｘの生成量は少ないが、規格等で規定されている許容値を確実に下回る必要がある。
そこで、本発明に係るエンジンの上記第５特徴構成によれば、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う際には、上記ＮＯｘ制御を行うことで、ＥＧＲ率を、失火を防止し得る範囲内でＮＯｘ濃度を常に許容値以下とすることができる適切なものに維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態におけるエンジンの概略構成図
【図２】第１実施形態におけるエンジンの運転状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
〔第１実施形態〕
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１００は、混合気Ｍを圧縮して燃焼させる燃焼室１と、燃焼室１への吸気量を調整可能なスロットル弁６と、混合気Ｍの空燃比を調整可能な空燃比調整弁１３と、運転を制御するコンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）３０（制御手段の一例）とを備える。
また、ＥＣＵ３０は、スロットル弁６の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、更に、空燃比調整弁１３の開度を制御して、燃焼室１において混合気Ｍを燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、燃焼室１において混合気Ｍをストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されている。
以下、エンジン１００の詳細構成について説明する。
【００２４】
エンジン１００は、ピストン８をシリンダ９内で往復運動させると共に、吸気弁２及び排気弁４を開閉動作させて、燃焼室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン８の往復動を連結棒によってクランク軸１０の回転運動として出力するように構成されており、かかる構成は通常の４ストロークエンジンと変わりはない。また、このクランク軸１０の回転動力は圧縮式ヒートポンプ４０の駆動力として利用される。即ち、この実施形態のエンジン１００は、ガスヒートポンプの駆動源として設置されている。
【００２５】
クランク軸１０の回転数、即ちエンジン回転数を検出する回転数センサ３１が設けられており、この回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数がＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は、この回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数が、圧縮式ヒートポンプ４０側の負荷に基づいて要求される設定回転数になるように、エンジン１００の出力（以下単に「出力」と呼ぶ）を制御するように構成されている。
【００２６】
燃焼室１に吸気弁２を介して接続された吸気路３には、スロットル弁６が設けられており、このスロットル弁６の開度調整により、後述するミキサ１２で形成された混合気Ｍが燃焼室１へ吸気される量、即ち吸気量を調整することができる。
そして、ＥＣＵ３０は、スロットル弁６の開度を制御して、回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数が設定回転数になるように出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成されている。
【００２７】
吸気路３におけるスロットル弁６の上流側には、当該吸気路３を縮径させたベンチュリ構造を有するミキサ１２が設けられている。
このミキサ１２は、吸気路３を流通する空気Ａが上記ベンチュリ構造を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）である燃料Ｇを、吸気路３を流通する空気Ａに供給して、吸気路３に混合気Ｍを形成するように構成されている。
更に、このミキサ１２に通じる燃料供給路１４には、ミキサ１２への燃料供給量を調整してミキサ１２で形成される混合気Ｍの空燃比を調整可能な空燃比調整弁１３が設けられている。
【００２８】
そして、ＥＣＵ３０は、空燃比調整弁１３の開度を制御して、希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されている。
尚、希薄燃焼モードは、燃焼室１に吸気される混合気Ｍの全体的な空燃比を理論空燃比よりも高い燃料希薄側に設定して、当該燃焼室１において混合気Ｍを燃焼希薄状態で燃焼させる燃焼モードである。
一方、ストイキ燃焼モードは、燃焼室１に吸気される混合気Ｍの全体的な空燃比を理論空燃比に設定して、当該燃焼室１において混合気Ｍをストイキ状態で燃焼させる燃焼モードである。
【００２９】
即ち、ＥＣＵ３０は、希薄燃焼モードに燃焼モードを設定するに、吸気行程において、空燃比調整弁１３の開度を制御して、燃料Ｇが希薄な高空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させる。
そして、燃焼室１において高空燃比の混合気Ｍを圧縮し、当該混合気Ｍを点火プラグ１５により火花点火燃焼させ、その燃焼により周囲の混合気Ｍを燃焼させるという形態で、希薄燃焼が行われる。
【００３０】
この希薄燃焼モード設定時においては、燃焼室１において酸化性成分が還元性成分に対して過多の高空燃比の混合気Ｍが燃焼するので、排気行程において燃焼室１から排気路５には同じく酸化性成分が還元性成分に対して過多の酸素濃度が比較的高い高空燃比の排ガスＥが排出されることになる。
【００３１】
また、排気路５には、燃焼室１から排出された排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素センサ２３が設けられている。
一方、ＥＣＵ３０は、ストイキ燃焼モードに燃焼モードを設定するに、ミキサ１２において常に理論空燃比の混合気Ｍが形成され、酸素センサ２３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に、酸素センサ２４の検出結果に基づいて空燃比調整弁１３及びスロットル弁６の開度を制御する。
すると、圧縮行程において、燃焼室１全体に理論空燃比の混合気Ｍが存在することになる。
そして、燃焼室１においてこの理論空燃比の混合気Ｍを圧縮し、点火プラグ１５により火花点火燃焼させる形態で、ストイキ燃焼が行われる。
尚、上記酸素センサ２３に代えて、公知の空燃比センサを設け、その検出結果に基づき空燃比調整弁１３及びスロットル弁６の開度制御を行っても構わない。
【００３２】
このストイキ燃焼モード設定時においては、燃焼室１において酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論空燃比の混合気Ｍが燃焼するので、排気行程において燃焼室１から排気路５には、酸素濃度が略ゼロで酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論空燃比の排ガスＥが排出されることになる。
【００３３】
燃焼室１に排気弁４を介して接続された排気路５の酸素センサ２３の下流側には、燃焼室１から排出された排ガスＥを三元触媒法で処理する三元触媒部２２が設けられている。この三元触媒部２２は、上記ストイキ燃焼モード設定時に排出される理論空燃比の排ガスＥ、即ち含有する酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の排ガスＥを、三元触媒に流通させて、その排ガスＥに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物を同時除去するように構成されており、上記三元触媒としては白金やロジウムなどを含む触媒などの公知の三元触媒が利用されている。
【００３４】
更に、エンジン１００には、排気路５の排気弁４と三元触媒部２２との間の空間と、吸気路３のミキサ１２と吸気弁２との間の空間とを連通するＥＧＲ路２０が設けられており、排気路５に排出された排ガスＥの一部を、このＥＧＲ路２０及び吸気路３を通じて燃焼室１に還流供給する所謂ＥＧＲを行うことができる。このＥＧＲ路２０にはＥＧＲ調整弁２１が設けられており、このＥＧＲ調整弁２１の開度調整により、燃焼室１への吸気量に対する排ガスＥの還流量の割合、即ちＥＧＲ率が調整される。
【００３５】
また、排気路５の三元触媒部２２の下流側には、燃焼室１から排出された排ガスＥのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２３（ＮＯｘ濃度検出手段の一例）が設けられており、このＮＯｘセンサ２３で検出されたＮＯｘ濃度がＥＣＵ３０に入力される。
【００３６】
以上のように構成されたエンジン１００は、出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えることで、ＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受するための構成を採用している。
即ち、ＥＣＵ３０は、出力が低い側の出力範囲である低出力域では低出力運転を行い、その低出力域よりも出力が大きい側の出力範囲である第１高出力域では第２高出力運転を行い、更に、その第１高出力域よりも出力が大きい側の出力範囲である第２高出力域では第２高出力運転を行うという形態で、区画した複数の出力域の夫々において燃焼モードや各種制御方法を変更した夫々の運転を行うように構成されている。
以下、その夫々の運転パターンの詳細について、図２も参照して以下に説明する。
【００３７】
〔低出力運転〕
低出力域において、ＥＣＵ３０は、上述したスロットル弁６の開度制御による吸気量出力制御を実行しながら、燃焼モードを希薄燃焼モードに設定すると共に、ＥＧＲ調整弁２１の開度制御により、ＥＧＲ率を例えば５％程度の低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行う。
即ち、この低出力運転時には、燃焼モードが希薄燃焼モードに設定されることで、燃焼室１における混合気Ｍの空燃比が比較的高め（燃料希薄側）に設定されるため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁６の開度は比較的大きいものに設定される。
そこで、低出力運転時には、ＥＧＲ調整弁２１により調整されるＥＧＲ率は低ＥＧＲ率に設定されることで、スロットル弁６の開度増加が抑制されているので、その低出力運転を行う低出力域の最大出力はできるだけ高いものになっている。よって、この低出力運転はできるだけ広い出力域で実行されることになるので、希薄燃焼による効果、即ち、高効率及び低エミッション等が十分に実現されることになる。
【００３８】
更に、この低出力域は、低出力運転時においてスロットル弁６の開度を最小の略全閉（開度０％）にするときの出力から、同スロットル弁６の開度を最大の略全開（開度１００％）とするときの出力までの出力域として設定されている。
これにより、低出力域が可能な範囲で最大幅の出力域として設定されることになり、希薄燃焼による効果がより一層広い出力域にて享受できるものとなる。
尚、本実施形態では、この低出力域は、エンジン１００の最高出力に対して、０％〜６０％の範囲内の出力域として設定されることになる。
【００３９】
また、この低出力運転時において、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２３の検出結果に基づいてＥＧＲ調整弁２１の開度を制御するＮＯｘ制御を実行するように構成されている。
即ち、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う際の排ガスＥの空燃比は、上述したように、酸化性成分が還元性成分に対して過多の酸素濃度が比較的高い状態となっており、この高空燃比の排ガスＥは、三元触媒部２２を通過させてもＮＯｘの除去処理はできない。
そこで、上記のように、ＥＣＵ３０は、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う際に、ＮＯｘセンサ２３で検出されるＮＯｘ濃度が許容値を超える恐れがある増加傾向にある場合には、ＥＧＲ率を増加させてＮＯｘ低減を図る形態で、上記ＮＯｘ制御を実行することで、排ガスＥのＮＯｘ濃度が常に許容値（１００ｐｐｍ）以下に維持されている。
【００４０】
〔第１高出力運転〕
上記低出力域よりも高い出力範囲の第１高出力域において、ＥＣＵ３０は、上述したスロットル弁６の開度制御による吸気量出力制御を実行しながら、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると共に、ＥＧＲ調整弁２１の開度制御により、ＥＧＲ率を例えばＥＧＲ調整弁２１を全開としたときのＥＧＲ率に相当する１５％程度の高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う。
即ち、この第１高出力運転時には、燃焼モードがストイキ燃焼モードに設定されることで、燃焼室１における混合気Ｍの空燃比が比較的低めの理論空燃比に設定されるため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁６の開度は上述した希薄燃焼モード設定時よりも減少傾向となり、スロットル弁６の開度について増加側に余裕ができる。
そこで、この第１高出力運転時には、ストイキ燃焼によるスロットル弁６の開度の縮小により得られた増加側の余裕の一部をＥＧＲ率の増加で利用する形態で、ＥＧＲ率が希薄燃焼モード設定時の低ＥＧＲ率よりも高ＥＧＲ率に設定されることで、ＥＧＲによる効果、即ち、ポンプ損失による効率低下の抑制、ＮＯｘ生成の抑制、熱効率の向上、耐久性の向上等が比較的高い第１高出力域において十分に実現されることになる。
【００４１】
この第１高出力域は、上述した低出力域における最大出力から第１高出力運転時においてスロットル弁６の開度を最大の略全開（開度１００％）にするときの出力までの出力域として設定されている。
これにより、第１高出力域ができるだけ広い出力域として設定されることになり、その広い第１高出力域で高ＥＧＲを維持することができるので、ＥＧＲによる効果をより広い出力域にて享受できるものとなる。
この第１高出力域の最低出力時のスロットル弁６の開度は、低出力運転時の最大出力時において第１高出力運転に切り替えてＥＧＲ率を高ＥＧＲ率（例えば１５％）に設定したときに縮小した場合のスロットル弁の開度に相当し、例えば本実施形態では５０％程度に設定されている。
尚、本実施形態では、この第１高出力域は、エンジン１００の最高出力（定格出力）に対して、６０％〜９０％の範囲内の出力域として設定されることになる。
【００４２】
〔第２高出力運転〕
ＥＣＵ３０は、上述したスロットル弁６の開度制御による吸気量出力制御に代えて、ＥＧＲ調整弁２１の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行可能に構成されている。
即ち、このＥＧＲ出力制御では、ＥＧＲ率の減少に伴うスロットル弁６の開度の増加による出力増加を利用して、ＥＧＲ調整弁２１の開度が制御され、回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数が設定回転数になるように出力が調整される。
【００４３】
そして、上記第１高出力域よりも高い出力範囲の第２高出力域において、ＥＣＵ３０は、吸気量出力制御に代えて上記ＥＧＲ出力制御を実行しながら、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると共に、スロットル弁６の開度を最大の全開状態に設定する第２高出力運転を行うように構成されている。
即ち、この第２高出力運転時には、スロットル弁６の開度が全開状態に維持されながら、予め略全開となっていたＥＧＲ調整弁２１の開度が徐々に縮小されることで、燃焼室１への混合気Ｍの供給量が増加し、出力が一層増加される。
そして、この第２高出力運転時には、スロットル弁６の開度が略全開（１００％）に維持されるため、ポンプ損失が極めて小さくなり高効率が維持される。
尚、本実施形態では、この第２高出力域は、エンジン１００の最高出力（定格出力）に対して、９０％〜１００％の範囲内の出力域として設定されることになる。
【００４４】
また、この第２高出力運転時において、このＮＯｘは排気路５に設けられた三元触媒部２２により好適に除去処理されることになる。
【００４５】
〔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、夫々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、最も高い第２高出力域において第２高出力運転を実行するように構成したが、この第２高出力運転を省略し、低出力運転と第１高出力運転とで全出力域をカバーするように構成しても構わない。
【００４６】
（２）上記実施形態では、排気路５に排ガスＥ中のＮＯｘを除去処理するための三元触媒部２２を設けたが、別に、他の方法等でＮＯｘを除去するように構成しても構わず、また、燃焼室１から排出される排ガスのＮＯｘ濃度が希薄燃焼やＥＧＲによるＮＯｘ低減効果により許容値以下に保たれる場合には、かかるＮＯｘ除去処理用の構成を省略しても構わない。
【００４７】
（３）上記実施形態では、低出力域、第１高出力域、及び、第２高出力域の夫々の出力範囲について、スロットル弁６が全開状態となる出力等を基準にしたものとして例示したが、別に、夫々の出力範囲について適宜変更しても構わない。
【００４８】
（４）上記実施形態では、低出力運転時においてＮＯｘセンサ２３の検出結果に基づいてＥＧＲ調整弁２１の開度を制御するＮＯｘ制御を実行するように構成したが、別に、低出力運転時において希薄燃焼を行うことで、排ガス中のＮＯｘ濃度が十分に低い場合には、このＮＯｘ制御を省略しても構わない。
【００４９】
（５）上記実施形態では、希薄燃焼モードにおいて、燃料Ｇが希薄な高空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させて、その混合気を火花点火燃焼させる形態で、希薄燃焼を行うように構成したが、別に、燃焼室１において混合気Ｍを成層化した状態で火花点火燃焼させる形態で、希薄燃焼を行うように構成しても構わない。
即ち、ＥＣＵ３０は、希薄燃焼モードに燃焼モードを設定するに、吸気行程において、初期には燃料Ｇが希薄な高空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させ、後期には略理論空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させるように、空燃比調整弁１３の開度を制御してミキサ１２において形成される混合気Ｍの空燃比を変動させる。
すると、吸気行程後の圧縮行程において、燃焼室１の上部の点火プラグ１５近傍には理論空燃比の混合気Ｍが存在し、その周囲に高空燃比の混合気Ｍが存在する状態、即ち成層化された状態となる。
そして、燃焼室１においてこの成層化された状態の混合気Ｍを圧縮し、点火プラグ１５近傍の理論空燃比の混合気Ｍを点火プラグ１５により火花点火燃焼させ、その燃焼により周囲の高空燃比の混合気Ｍを燃焼させるという形態で、成層燃焼が行われる。尚、この成層燃焼は、燃焼室１全体での混合気Ｍの空燃比が高空燃比であることから、希薄燃焼であると言える。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、
燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンとして適応可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ ：燃焼室
６ ：スロットル弁
１３ ：空燃比調整弁
２１ ：ＥＧＲ調整弁
２２ ：三元触媒部
２３ ：ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
３０ ：ＥＣＵ（制御手段）
１００ ：エンジン
Ａ ：空気
Ｅ ：排ガス
Ｇ ：燃料
Ｍ ：混合気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空燃比調整弁の開度制御により、燃焼室において混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、燃焼室において混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で、燃焼モードを切り替え可能なエンジンが知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照。）。
この種のエンジンは、高出力域で運転を行う場合には、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定することで、エンジンの小型化を図るべく排気量をできるだけ小さく維持しつつ高出力での運転を実現することができる。一方、低出力域で運転を行う場合には、燃焼モードを希薄燃焼モードに設定することで、高効率及び低エミッションを図るべくスロットル弁の開度をできるだけ大きく維持してポンプ損失を低減しつつ正味平均有効圧の上昇による熱効率向上を実現することができる。
【０００３】
上記特許文献１に記載のエンジンは、低出力域における希薄燃焼モード設定時に排気路に排出される排ガスについて、ＮＯｘの含有量が少なく三元触媒で処理が困難な高空燃比（即ち、還元性成分に対して酸化性成分が過剰の状態）であるために、排ガスにかかる圧損低減を優先して三元触媒部をバイパスさせて排出することで、効率向上を図るように構成されている。
更に、このエンジンは、燃焼室に吸気される新気に排ガスを還流する所謂ＥＧＲを実行可能に構成すると共に、その新気に対する排ガス還流量の割合であるＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備える。そして、希薄燃焼モード設定時においてＥＧＲを実行し、燃焼室から排出される排ガスの空燃比が理論空燃比（還元性成分と酸化性成分が釣り合った状態）となるようにＥＧＲ率を制御することで、その排ガスを三元触媒で処理することも可能とされている。即ち、このＥＧＲ調整弁は、排ガスの空燃比が高くなる低出力域での希薄燃焼モード設定時のみ開弁され、排ガスの空燃比が理論空燃比となる高出力域のストイキ燃焼モード設定時には開弁されないものとなる。
【０００４】
上記特許文献２に記載のエンジンは、希薄燃焼モードで運転を行う出力域よりも更に低い出力域では、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定して安定した運転を実現している。更に、その低出力域でのストイキ燃焼モード設定時においてＥＧＲを実行し、スロットル弁の開度が過小になってポンプ損失が増加することを防止するように構成されている。即ち、このＥＧＲ調整弁は、スロットル弁の開度が小さくなる低出力域でのストイキ燃焼モード設定時のみ開弁され、スロットル弁の開度が比較的大きく保たれる希薄燃焼モード設定時及び高出力域でのストイキ燃焼モード設定時には開弁されないものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９７９６７号公報
【特許文献２】特開２００４−０６０５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エンジンにおいて、ＥＧＲ（排ガス再循環）を適用すれば、スロットル弁の開度を増加させてポンプ損失による効率低下を抑制でき、更には、燃焼室へ吸気される混合気の比熱比が増加し燃焼室における燃焼温度の上昇が抑制されるために、ＮＯｘ生成の抑制、熱効率の向上、耐久性の向上等を実現することができる。
しかしながら、上述したように出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードの切り替えを行う従来のエンジンでは、全出力域においてＥＧＲを実行するものではなかったため、その効果を十分に享受し得るものではなかった。
【０００７】
例えば、上記特許文献１のエンジンでは、希薄燃焼モード設定時の排ガスの空燃比を理論空燃比に調整してその排ガスの三元触媒による処理を可能とする目的で、高空燃比の排ガスが排出される低出力域での希薄燃焼モード設定時のみＥＧＲが実行されるため、その低出力域では希薄燃焼とＥＧＲとの相乗効果によりスロットル弁の開度が非常に大きく設定されることになる。よって、スロットル弁の開度が全開状態となる低出力域の最大出力が比較的低いものに制限されることになるので、ＥＧＲ更には希薄燃焼の効果は非常に狭い低出力域のみでしか享受できないという問題があった。
【０００８】
また、上記特許文献２のエンジンでは、スロットル弁の開度が過小になることを回避してポンプ損失増加を防止する目的で、低出力域でのストイキ燃焼運転モード設定時のみＥＧＲが実行されスロットル弁の開度が確保されるため、それよりも出力が高くスロットル弁の開度が比較的大きくなる希薄燃焼運転モード設定時及び高出力域でのストイキ燃焼モード設定時では、ＥＧＲの効果を享受できないという問題があった。
【０００９】
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、出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるにあたりＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受することができるエンジンを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するための本発明に係るエンジンは、
燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンであって、
その第１特徴構成は、
前記燃焼室へのＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備え、
前記制御手段が、
低出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記希薄燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行い、
前記低出力域よりも高い第１高出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を前記低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う点にある。
【００１１】
本発明に係るエンジンの上記第１特徴構成によれば、制御手段は、低出力域で希薄燃焼モードに設定する低出力運転時には、ＥＧＲ調整弁の開度を制御して、ＥＧＲ率を比較的低い低ＥＧＲ率に設定する。一方、制御手段は、その低出力域よりも高い第１高出力域でストイキ燃焼モードに設定する第１高出力運転時には、ＥＧＲ調整弁の開度を制御して、ＥＧＲ率を低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する。これにより、ＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を広い出力域において十分に享受することができる。
【００１２】
即ち、低出力運転時には、燃焼室における混合気の空燃比が比較的高め（燃料希薄側）に設定される希薄燃焼モードで運転を行うため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁の開度は比較的大きいものとなる。そこで、この低出力運転時には、ＥＧＲ率が比較的小さい低ＥＧＲ率に設定されるので、スロットル弁の開度増加が抑制される。よって、その低出力運転を行う低出力域の最大出力はできるだけ高いものとなるので、希薄燃焼の効果、即ち高効率及び低エミッションが比較的低い低出力域において十分に実現されることになる。
【００１３】
一方、第１高出力運転時には、燃焼室における混合気の空燃比が比較的低めの理論空燃比に設定されるストイキ燃焼モードで運転を行うため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁の開度は、上述した希薄燃焼モード設定時よりも縮小される傾向となり、増加側に余裕ができる。そこで、この第１高出力運転時には、スロットル弁の開度の増加を伴うが、ＥＧＲ率が上記低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率（例えばＥＧＲ調整弁を略全開としたときのＥＧＲ率）に増加されるので、ＥＧＲの実行による効果、即ち、熱効率の向上、耐久性の向上等が比較的高い第１高出力域においても十分に実現されることになる。尚、第１高出力運転時には、ストイキ燃焼モードで運転を行うので、排気路には酸素濃度が略ゼロで酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論空燃比の排ガスが排出されるので、この排ガスを三元触媒部に通過させれば、排ガスに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物を同時除去することができる。
従って、出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えるにあたりＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受することができるエンジンを提供することができた。
【００１４】
本発明に係るエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
排気路に排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部を備え、
前記制御手段が、前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記第１高出力域よりも高い第２高出力域において、前記ＥＧＲ出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記スロットル弁の開度を最大に設定する第２高出力運転を行う点にある。
【００１５】
本発明に係るエンジンの上記第２特徴構成によれば、制御手段は、ＥＧＲ率を減少させることに伴って燃焼室へ供給される混合気の量が増加し出力が増加することを利用して、ＥＧＲ調整弁の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行することができる。
そして、第１高出力域よりも高い出力を要求された場合には、当該第１高出力運転に代えて第２高出力運転を行って、上述した吸気量出力制御に代えてＥＧＲ出力制御を実行する。すると、スロットル弁の開度が最大に維持されながら、予め第１高出力運転において略全開に設定されていたＥＧＲ調整弁の開度が徐々に縮小されて、燃焼室への混合気の供給量が増加するので、運転を維持したまま出力が一層上昇される。また、この第２高出力運転時には、スロットル弁の開度が最大に維持されるため、ポンプ損失を極めて小さくでき高効率を維持することができる。
更に、この第２高出力運転時において、排気路に三元触媒部を設けることで、そのＮＯｘの除去処理を行うことができる。
【００１６】
本発明に係るエンジンの第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、
前記低出力域が、前記低出力運転時において前記スロットル弁の開度を最小に設定するときの出力から前記スロットル弁の開度を最大に設定するときの出力までの出力域である点にある。
【００１７】
本発明に係るエンジンの上記第３特徴構成によれば、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う低出力域の最大出力を、上記のごとく低出力運転時においてスロットル弁の開度を最大に設定した際の出力とすることで、できるだけ広い出力域で希薄燃焼モードを維持することができ、高効率及び低エミッション等の希薄燃焼による効果を十分に享受することができる。
【００１８】
本発明に係るエンジンの第４特徴構成は、上記第１乃至第３の何れかの特徴構成に加えて、
前記第１高出力域が、前記低出力域における最大出力から前記第１高出力運転時において前記スロットル弁の開度を最大に設定する出力までの出力域である点にある。
【００１９】
本発明に係るエンジンの上記第４特徴構成によれば、ＥＧＲ率を比較的高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う第１高出力域の最大出力を、上記のごとく第１高出力運転時においてスロットル弁の開度を最大に設定した際の出力とすることで、できるだけ広い出力域で高ＥＧＲ率を維持することができ、ポンプ損失による効率低下の抑制、熱効率の向上、耐久性の向上等のＥＧＲによる効果を十分に享受することができる。
【００２０】
本発明に係るエンジンの第５特徴構成は、上記第１乃至第４の何れかの特徴構成に加えて、
前記燃焼室から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記低出力運転時において、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御するＮＯｘ制御を実行する点にある。
【００２１】
希薄燃焼モードにおいてＥＧＲ率が高い場合には、燃料希薄な混合気に対する点火ミスにより失火が発生する場合がある。一方、希薄燃焼モードにおいては、燃焼温度が比較的低いため基本的にはＮＯｘの生成量は少ないが、規格等で規定されている許容値を確実に下回る必要がある。
そこで、本発明に係るエンジンの上記第５特徴構成によれば、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う際には、上記ＮＯｘ制御を行うことで、ＥＧＲ率を、失火を防止し得る範囲内でＮＯｘ濃度を常に許容値以下とすることができる適切なものに維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態におけるエンジンの概略構成図
【図２】第１実施形態におけるエンジンの運転状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
〔第１実施形態〕
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すエンジン１００は、混合気Ｍを圧縮して燃焼させる燃焼室１と、燃焼室１への吸気量を調整可能なスロットル弁６と、混合気Ｍの空燃比を調整可能な空燃比調整弁１３と、運転を制御するコンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）３０（制御手段の一例）とを備える。
また、ＥＣＵ３０は、スロットル弁６の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、更に、空燃比調整弁１３の開度を制御して、燃焼室１において混合気Ｍを燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、燃焼室１において混合気Ｍをストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されている。
以下、エンジン１００の詳細構成について説明する。
【００２４】
エンジン１００は、ピストン８をシリンダ９内で往復運動させると共に、吸気弁２及び排気弁４を開閉動作させて、燃焼室１において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン８の往復動を連結棒によってクランク軸１０の回転運動として出力するように構成されており、かかる構成は通常の４ストロークエンジンと変わりはない。また、このクランク軸１０の回転動力は圧縮式ヒートポンプ４０の駆動力として利用される。即ち、この実施形態のエンジン１００は、ガスヒートポンプの駆動源として設置されている。
【００２５】
クランク軸１０の回転数、即ちエンジン回転数を検出する回転数センサ３１が設けられており、この回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数がＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は、この回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数が、圧縮式ヒートポンプ４０側の負荷に基づいて要求される設定回転数になるように、エンジン１００の出力（以下単に「出力」と呼ぶ）を制御するように構成されている。
【００２６】
燃焼室１に吸気弁２を介して接続された吸気路３には、スロットル弁６が設けられており、このスロットル弁６の開度調整により、後述するミキサ１２で形成された混合気Ｍが燃焼室１へ吸気される量、即ち吸気量を調整することができる。
そして、ＥＣＵ３０は、スロットル弁６の開度を制御して、回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数が設定回転数になるように出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成されている。
【００２７】
吸気路３におけるスロットル弁６の上流側には、当該吸気路３を縮径させたベンチュリ構造を有するミキサ１２が設けられている。
このミキサ１２は、吸気路３を流通する空気Ａが上記ベンチュリ構造を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）である燃料Ｇを、吸気路３を流通する空気Ａに供給して、吸気路３に混合気Ｍを形成するように構成されている。
更に、このミキサ１２に通じる燃料供給路１４には、ミキサ１２への燃料供給量を調整してミキサ１２で形成される混合気Ｍの空燃比を調整可能な空燃比調整弁１３が設けられている。
【００２８】
そして、ＥＣＵ３０は、空燃比調整弁１３の開度を制御して、希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されている。
尚、希薄燃焼モードは、燃焼室１に吸気される混合気Ｍの全体的な空燃比を理論空燃比よりも高い燃料希薄側に設定して、当該燃焼室１において混合気Ｍを燃焼希薄状態で燃焼させる燃焼モードである。
一方、ストイキ燃焼モードは、燃焼室１に吸気される混合気Ｍの全体的な空燃比を理論空燃比に設定して、当該燃焼室１において混合気Ｍをストイキ状態で燃焼させる燃焼モードである。
【００２９】
即ち、ＥＣＵ３０は、希薄燃焼モードに燃焼モードを設定するに、吸気行程において、空燃比調整弁１３の開度を制御して、燃料Ｇが希薄な高空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させる。
そして、燃焼室１において高空燃比の混合気Ｍを圧縮し、当該混合気Ｍを点火プラグ１５により火花点火燃焼させ、その燃焼により周囲の混合気Ｍを燃焼させるという形態で、希薄燃焼が行われる。
【００３０】
この希薄燃焼モード設定時においては、燃焼室１において酸化性成分が還元性成分に対して過多の高空燃比の混合気Ｍが燃焼するので、排気行程において燃焼室１から排気路５には同じく酸化性成分が還元性成分に対して過多の酸素濃度が比較的高い高空燃比の排ガスＥが排出されることになる。
【００３１】
また、排気路５には、燃焼室１から排出された排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素センサ２３が設けられている。
一方、ＥＣＵ３０は、ストイキ燃焼モードに燃焼モードを設定するに、ミキサ１２において常に理論空燃比の混合気Ｍが形成され、酸素センサ２３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に、酸素センサ２４の検出結果に基づいて空燃比調整弁１３及びスロットル弁６の開度を制御する。
すると、圧縮行程において、燃焼室１全体に理論空燃比の混合気Ｍが存在することになる。
そして、燃焼室１においてこの理論空燃比の混合気Ｍを圧縮し、点火プラグ１５により火花点火燃焼させる形態で、ストイキ燃焼が行われる。
尚、上記酸素センサ２３に代えて、公知の空燃比センサを設け、その検出結果に基づき空燃比調整弁１３及びスロットル弁６の開度制御を行っても構わない。
【００３２】
このストイキ燃焼モード設定時においては、燃焼室１において酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論空燃比の混合気Ｍが燃焼するので、排気行程において燃焼室１から排気路５には、酸素濃度が略ゼロで酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の理論空燃比の排ガスＥが排出されることになる。
【００３３】
燃焼室１に排気弁４を介して接続された排気路５の酸素センサ２３の下流側には、燃焼室１から排出された排ガスＥを三元触媒法で処理する三元触媒部２２が設けられている。この三元触媒部２２は、上記ストイキ燃焼モード設定時に排出される理論空燃比の排ガスＥ、即ち含有する酸化性成分と還元性成分とが釣り合った状態の排ガスＥを、三元触媒に流通させて、その排ガスＥに含まれるＮＯｘ、ＣＯ、及びＨＣの排出物を同時除去するように構成されており、上記三元触媒としては白金やロジウムなどを含む触媒などの公知の三元触媒が利用されている。
【００３４】
更に、エンジン１００には、排気路５の排気弁４と三元触媒部２２との間の空間と、吸気路３のミキサ１２と吸気弁２との間の空間とを連通するＥＧＲ路２０が設けられており、排気路５に排出された排ガスＥの一部を、このＥＧＲ路２０及び吸気路３を通じて燃焼室１に還流供給する所謂ＥＧＲを行うことができる。このＥＧＲ路２０にはＥＧＲ調整弁２１が設けられており、このＥＧＲ調整弁２１の開度調整により、燃焼室１への吸気量に対する排ガスＥの還流量の割合、即ちＥＧＲ率が調整される。
【００３５】
また、排気路５の三元触媒部２２の下流側には、燃焼室１から排出された排ガスＥのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２３（ＮＯｘ濃度検出手段の一例）が設けられており、このＮＯｘセンサ２３で検出されたＮＯｘ濃度がＥＣＵ３０に入力される。
【００３６】
以上のように構成されたエンジン１００は、出力に応じて希薄燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替えることで、ＥＧＲの効果更には燃焼モードの切り替えによる効果を十分に享受するための構成を採用している。
即ち、ＥＣＵ３０は、出力が低い側の出力範囲である低出力域では低出力運転を行い、その低出力域よりも出力が大きい側の出力範囲である第１高出力域では第２高出力運転を行い、更に、その第１高出力域よりも出力が大きい側の出力範囲である第２高出力域では第２高出力運転を行うという形態で、区画した複数の出力域の夫々において燃焼モードや各種制御方法を変更した夫々の運転を行うように構成されている。
以下、その夫々の運転パターンの詳細について、図２も参照して以下に説明する。
【００３７】
〔低出力運転〕
低出力域において、ＥＣＵ３０は、上述したスロットル弁６の開度制御による吸気量出力制御を実行しながら、燃焼モードを希薄燃焼モードに設定すると共に、ＥＧＲ調整弁２１の開度制御により、ＥＧＲ率を例えば５％程度の低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行う。
即ち、この低出力運転時には、燃焼モードが希薄燃焼モードに設定されることで、燃焼室１における混合気Ｍの空燃比が比較的高め（燃料希薄側）に設定されるため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁６の開度は比較的大きいものに設定される。
そこで、低出力運転時には、ＥＧＲ調整弁２１により調整されるＥＧＲ率は低ＥＧＲ率に設定されることで、スロットル弁６の開度増加が抑制されているので、その低出力運転を行う低出力域の最大出力はできるだけ高いものになっている。よって、この低出力運転はできるだけ広い出力域で実行されることになるので、希薄燃焼による効果、即ち、高効率及び低エミッション等が十分に実現されることになる。
【００３８】
更に、この低出力域は、低出力運転時においてスロットル弁６の開度を最小の略全閉（開度０％）にするときの出力から、同スロットル弁６の開度を最大の略全開（開度１００％）とするときの出力までの出力域として設定されている。
これにより、低出力域が可能な範囲で最大幅の出力域として設定されることになり、希薄燃焼による効果がより一層広い出力域にて享受できるものとなる。
尚、本実施形態では、この低出力域は、エンジン１００の最高出力に対して、０％〜６０％の範囲内の出力域として設定されることになる。
【００３９】
また、この低出力運転時において、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２３の検出結果に基づいてＥＧＲ調整弁２１の開度を制御するＮＯｘ制御を実行するように構成されている。
即ち、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う際の排ガスＥの空燃比は、上述したように、酸化性成分が還元性成分に対して過多の酸素濃度が比較的高い状態となっており、この高空燃比の排ガスＥは、三元触媒部２２を通過させてもＮＯｘの除去処理はできない。
そこで、上記のように、ＥＣＵ３０は、希薄燃焼モードにて低出力運転を行う際に、ＮＯｘセンサ２３で検出されるＮＯｘ濃度が許容値を超える恐れがある増加傾向にある場合には、ＥＧＲ率を増加させてＮＯｘ低減を図る形態で、上記ＮＯｘ制御を実行することで、排ガスＥのＮＯｘ濃度が常に許容値（１００ｐｐｍ）以下に維持されている。
【００４０】
〔第１高出力運転〕
上記低出力域よりも高い出力範囲の第１高出力域において、ＥＣＵ３０は、上述したスロットル弁６の開度制御による吸気量出力制御を実行しながら、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると共に、ＥＧＲ調整弁２１の開度制御により、ＥＧＲ率を例えばＥＧＲ調整弁２１を全開としたときのＥＧＲ率に相当する１５％程度の高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行う。
即ち、この第１高出力運転時には、燃焼モードがストイキ燃焼モードに設定されることで、燃焼室１における混合気Ｍの空燃比が比較的低めの理論空燃比に設定されるため、吸気量出力制御により制御されるスロットル弁６の開度は上述した希薄燃焼モード設定時よりも減少傾向となり、スロットル弁６の開度について増加側に余裕ができる。
そこで、この第１高出力運転時には、ストイキ燃焼によるスロットル弁６の開度の縮小により得られた増加側の余裕の一部をＥＧＲ率の増加で利用する形態で、ＥＧＲ率が希薄燃焼モード設定時の低ＥＧＲ率よりも高ＥＧＲ率に設定されることで、ＥＧＲによる効果、即ち、ポンプ損失による効率低下の抑制、ＮＯｘ生成の抑制、熱効率の向上、耐久性の向上等が比較的高い第１高出力域において十分に実現されることになる。
【００４１】
この第１高出力域は、上述した低出力域における最大出力から第１高出力運転時においてスロットル弁６の開度を最大の略全開（開度１００％）にするときの出力までの出力域として設定されている。
これにより、第１高出力域ができるだけ広い出力域として設定されることになり、その広い第１高出力域で高ＥＧＲを維持することができるので、ＥＧＲによる効果をより広い出力域にて享受できるものとなる。
この第１高出力域の最低出力時のスロットル弁６の開度は、低出力運転時の最大出力時において第１高出力運転に切り替えてＥＧＲ率を高ＥＧＲ率（例えば１５％）に設定したときに縮小した場合のスロットル弁の開度に相当し、例えば本実施形態では５０％程度に設定されている。
尚、本実施形態では、この第１高出力域は、エンジン１００の最高出力（定格出力）に対して、６０％〜９０％の範囲内の出力域として設定されることになる。
【００４２】
〔第２高出力運転〕
ＥＣＵ３０は、上述したスロットル弁６の開度制御による吸気量出力制御に代えて、ＥＧＲ調整弁２１の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行可能に構成されている。
即ち、このＥＧＲ出力制御では、ＥＧＲ率の減少に伴うスロットル弁６の開度の増加による出力増加を利用して、ＥＧＲ調整弁２１の開度が制御され、回転数センサ３１で検出されたエンジン回転数が設定回転数になるように出力が調整される。
【００４３】
そして、上記第１高出力域よりも高い出力範囲の第２高出力域において、ＥＣＵ３０は、吸気量出力制御に代えて上記ＥＧＲ出力制御を実行しながら、燃焼モードをストイキ燃焼モードに設定すると共に、スロットル弁６の開度を最大の全開状態に設定する第２高出力運転を行うように構成されている。
即ち、この第２高出力運転時には、スロットル弁６の開度が全開状態に維持されながら、予め略全開となっていたＥＧＲ調整弁２１の開度が徐々に縮小されることで、燃焼室１への混合気Ｍの供給量が増加し、出力が一層増加される。
そして、この第２高出力運転時には、スロットル弁６の開度が略全開（１００％）に維持されるため、ポンプ損失が極めて小さくなり高効率が維持される。
尚、本実施形態では、この第２高出力域は、エンジン１００の最高出力（定格出力）に対して、９０％〜１００％の範囲内の出力域として設定されることになる。
【００４４】
また、この第２高出力運転時において、このＮＯｘは排気路５に設けられた三元触媒部２２により好適に除去処理されることになる。
【００４５】
〔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、夫々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、最も高い第２高出力域において第２高出力運転を実行するように構成したが、この第２高出力運転を省略し、低出力運転と第１高出力運転とで全出力域をカバーするように構成しても構わない。
【００４６】
（２）上記実施形態では、排気路５に排ガスＥ中のＮＯｘを除去処理するための三元触媒部２２を設けたが、別に、他の方法等でＮＯｘを除去するように構成しても構わず、また、燃焼室１から排出される排ガスのＮＯｘ濃度が希薄燃焼やＥＧＲによるＮＯｘ低減効果により許容値以下に保たれる場合には、かかるＮＯｘ除去処理用の構成を省略しても構わない。
【００４７】
（３）上記実施形態では、低出力域、第１高出力域、及び、第２高出力域の夫々の出力範囲について、スロットル弁６が全開状態となる出力等を基準にしたものとして例示したが、別に、夫々の出力範囲について適宜変更しても構わない。
【００４８】
（４）上記実施形態では、低出力運転時においてＮＯｘセンサ２３の検出結果に基づいてＥＧＲ調整弁２１の開度を制御するＮＯｘ制御を実行するように構成したが、別に、低出力運転時において希薄燃焼を行うことで、排ガス中のＮＯｘ濃度が十分に低い場合には、このＮＯｘ制御を省略しても構わない。
【００４９】
（５）上記実施形態では、希薄燃焼モードにおいて、燃料Ｇが希薄な高空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させて、その混合気を火花点火燃焼させる形態で、希薄燃焼を行うように構成したが、別に、燃焼室１において混合気Ｍを成層化した状態で火花点火燃焼させる形態で、希薄燃焼を行うように構成しても構わない。
即ち、ＥＣＵ３０は、希薄燃焼モードに燃焼モードを設定するに、吸気行程において、初期には燃料Ｇが希薄な高空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させ、後期には略理論空燃比の混合気Ｍを燃焼室１に吸気させるように、空燃比調整弁１３の開度を制御してミキサ１２において形成される混合気Ｍの空燃比を変動させる。
すると、吸気行程後の圧縮行程において、燃焼室１の上部の点火プラグ１５近傍には理論空燃比の混合気Ｍが存在し、その周囲に高空燃比の混合気Ｍが存在する状態、即ち成層化された状態となる。
そして、燃焼室１においてこの成層化された状態の混合気Ｍを圧縮し、点火プラグ１５近傍の理論空燃比の混合気Ｍを点火プラグ１５により火花点火燃焼させ、その燃焼により周囲の高空燃比の混合気Ｍを燃焼させるという形態で、成層燃焼が行われる。尚、この成層燃焼は、燃焼室１全体での混合気Ｍの空燃比が高空燃比であることから、希薄燃焼であると言える。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、
燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンとして適応可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ ：燃焼室
６ ：スロットル弁
１３ ：空燃比調整弁
２１ ：ＥＧＲ調整弁
２２ ：三元触媒部
２３ ：ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ濃度検出手段）
３０ ：ＥＣＵ（制御手段）
１００ ：エンジン
Ａ ：空気
Ｅ ：排ガス
Ｇ ：燃料
Ｍ ：混合気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンであって、
前記燃焼室へのＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備え、
前記制御手段が、
低出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記希薄燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行い、
前記低出力域よりも高い第１高出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を前記低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行うエンジン。
【請求項２】
排気路に排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部を備え、
前記制御手段が、前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記第１高出力域よりも高い第２高出力域において、前記ＥＧＲ出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記スロットル弁の開度を最大に設定する第２高出力運転を行う請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記低出力域が、前記低出力運転時において前記スロットル弁の開度を最小に設定するときの出力から前記スロットル弁の開度を最大に設定するときの出力までの出力域である請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記第１高出力域が、前記低出力域における最大出力から前記第１高出力運転時において前記スロットル弁の開度を最大に設定する出力までの出力域である請求項１から３の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記燃焼室から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記低出力運転時において、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御するＮＯｘ制御を実行する請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項１】
燃料と空気との混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室への吸気量を調整可能なスロットル弁と、
前記混合気の空燃比を調整可能な空燃比調整弁と、
運転を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記スロットル弁の開度を制御して出力を調整する吸気量出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記空燃比調整弁の開度を制御して、前記燃焼室において前記混合気を燃料希薄状態で燃焼させる希薄燃焼モードと、前記燃焼室において前記混合気をストイキ状態で燃焼させるストイキ燃焼モードとの間で燃焼モードを切り替え可能に構成されたエンジンであって、
前記燃焼室へのＥＧＲ率を調整可能なＥＧＲ調整弁を備え、
前記制御手段が、
低出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記希薄燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を低ＥＧＲ率に設定する低出力運転を行い、
前記低出力域よりも高い第１高出力域において、前記吸気量出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記ＥＧＲ調整弁により前記ＥＧＲ率を前記低ＥＧＲ率よりも高い高ＥＧＲ率に設定する第１高出力運転を行うエンジン。
【請求項２】
排気路に排出された排ガスを三元触媒方式で処理する三元触媒部を備え、
前記制御手段が、前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御して出力を調整するＥＧＲ出力制御を実行可能に構成され、且つ、前記第１高出力域よりも高い第２高出力域において、前記ＥＧＲ出力制御を実行しながら燃焼モードを前記ストイキ燃焼モードに設定すると共に前記スロットル弁の開度を最大に設定する第２高出力運転を行う請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記低出力域が、前記低出力運転時において前記スロットル弁の開度を最小に設定するときの出力から前記スロットル弁の開度を最大に設定するときの出力までの出力域である請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記第１高出力域が、前記低出力域における最大出力から前記第１高出力運転時において前記スロットル弁の開度を最大に設定する出力までの出力域である請求項１から３の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記燃焼室から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を備え、
前記制御手段が、前記低出力運転時において、前記ＮＯｘ濃度検出手段の検出結果に基づいて前記ＥＧＲ調整弁の開度を制御するＮＯｘ制御を実行する請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジン。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１１３１５２（Ｐ２０１３−１１３１５２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８０１０（Ｐ２０１１−２５８０１０）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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