(57)【要約】【課題】エネルギー効率の向上とエミションの低減とを両立させる。【解決手段】プライマリーエンジン１の空燃比はリーンとなるように制御される。このため、排気ガスにはＮＯｘが含まれるが効率は向上する。一方、セカンダリーエンジン２は、エンジンシステム全体の空燃比が理論空燃比と一致するようにそこでの燃焼が制御される。従って、セカンダリーエンジン２の排気ガスは理論空燃比となる。三元触媒７は理論空燃比付近でＮＯｘ並びにＨＣ及びＣＯ等を浄化するから、このエンジンシステムによれば、エネルギー効率の向上とエミションの低減と同時に実現できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１エンジン及びその下流に配設される第２エンジンを有し、燃料を燃焼するエンジンシステムにおいて、
システム全体の燃焼の目標値となる目標空燃比に対してずれた空燃比となるように前記第１エンジンにおける燃焼を制御する第１制御手段と、
前記第１エンジンの空燃比と前記目標空燃比とのずれを補償してシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御する第２制御手段と、
を備えたエンジンシステム。
【請求項２】
前記第１制御手段は、前記第１エンジンの空燃比が前記理論空燃比に対してリーンとなるように前記第１エンジンにおける燃焼を制御し、
前記第２制御手段は、システム全体の空燃比が前記理論空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記第２エンジンの下流に配設される三元触媒を備えた請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記第２エンジンの下流に配設され、酸素量に対応する第１検出信号を出力する第１検出手段を備え、
前記第２制御手段は、前記第１検出信号に基づいてシステム全体の空燃比が前記理論空燃比となるように前記第２エンジンに対する燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記第１エンジンと前記第２エンジンとの間に配設され、酸素量に対応する第２検出信号を出力する第２検出手段を備え、
前記第２制御手段は、前記第２検出信号に基づいてシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンに対する燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記第２エンジンの上流に設けられた吸入空気供給手段と、
前記第１エンジンの吸入空気量と前記第２エンジンの吸入空気量とを合わせた吸入空気量に対応する第３検出信号を出力する第３検出手段とを備え、
前記第２制御手段は、前記第３検出信号に基づいてシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
前記第１エンジンを始動させた後、前記第２エンジンを始動させる始動制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項８】
前記第２エンジンを停止させた後、前記第１エンジンを停止させる停止制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項９】
前記第２制御手段は、所定の運転状態において、前記第１エンジンの空燃比と前記目標空燃比とのずれを補償してシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御し、前記第１エンジンの空燃比が前記理論空燃比に対してリッチである運転状態において、前記第２エンジンへの燃料供給を停止させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項１０】
前記第２エンジンの下流に配設され排気ガスに含まれるエミションを浄化する触媒を備え、
前記第２制御手段は、前記触媒の暖機時において、前記目標空燃比を理論空燃比に対してリーンとなるように設定して、前記第２エンジンにおける燃焼を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項１１】
前記第２エンジンの下流に配設され排気ガスに含まれるエミションを浄化する触媒を備え、
前記第１制御手段は、前記触媒の暖機時において、前記第１エンジンへの燃料供給を停止させ、
前記第２制御手段は、前記触媒の暖機時において、前記第２エンジンを運転させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項１２】
前記第２エンジンから出力されるエネルギーを回収するエネルギー回収手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項１３】
前記第２エンジンの下流に配設され排気ガスに含まれるエミションを浄化する触媒と、
前記触媒の暖機時における前記エネルギー回収手段のエネルギー回収量を前記触媒の非暖機時と比較して少なくなるように制御する回収量制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１２に記載のエンジンシステム。
【請求項１４】
前記第１エンジンが故障した場合、前記第１エンジン及び前記第２エンジンにおける燃焼を停止させる故障時制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項１５】
前記第２エンジンが故障した場合、前記第２エンジンにおける燃焼を停止させ、且つ、前記第１エンジンを運転させる故障時制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項１６】
前記第１制御手段は、前記第２エンジンが故障した場合、前記第１エンジンの空燃比が理論空燃比となるように前記第１エンジンの燃焼を制御することを特徴とする請求項１５に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のエンジンを有し、燃料を燃焼するエンジンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンで燃料を燃焼すると排気ガスが出る。この排気ガスは熱エネルギーを含んでいる。熱エネルギーを回収できればエネルギー効率を向上させることができる。そこで、ディーゼルエンジンの排気通路に追加燃料を供給して混合気を作り、これをボイラーで燃焼させて蒸気タービンを駆動する技術が知られている。蒸気タービンの駆動力は動力伝達機構を介してディーゼルエンジンの駆動機構に伝達される。これにより、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるエネルギーを回収することが可能となる（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭５７−１８８９０２号公報（第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディーゼルエンジンやボイラーで燃料を燃焼させると、ＮＯｘや、ＨＣあるいはＣＯ等が発生する。しかしながら、従来の技術では、ディーゼルエンジン及びボイラーにおける空燃比に関して制御が行われていないため、エミションが悪化することがあるといった問題があった。
また、ボイラーの下流にはエミションを浄化するための触媒が設けられておらず、触媒とディーゼルエンジン及びボイラーの燃焼との関係については開示がない。さらに、システムの始動時におけるエミションの低減及び効率向上について開示がない。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、エミションの低減等が可能なエンジンシステムを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエンジンシステムは、第１エンジン及びその下流に配設される第２エンジンを有し、燃料を燃焼するエンジンシステムにおいて、システム全体の燃焼の目標値となる目標空燃比に対してずれた空燃比となるように前記第１エンジンにおける燃焼を制御する第１制御手段と、前記第１エンジンの空燃比と前記目標空燃比とのずれを補償してシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御する第２制御手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この発明によれば、システム全体の目標空燃比が設定されている場合に、第１エンジンの空燃比を目標空燃比からずれたものに設定することができるので、第１エンジンの燃焼に自由度を持たせることができる。くわえて、第１エンジンの空燃比と目標空燃比とのずれを補償するように第２エンジンの燃焼を制御するから、システム全体の空燃比を目標空燃比と一致させることが可能である。ここで、空燃比とは空気（酸素）と燃料との重量比をいう。また、第１エンジン及び第２エンジンは、燃料を燃焼させることによってエネルギーを取り出すものであればどのようなものであっても良く、内燃機関又は外燃機関のいずれであってもよい。
【０００８】
次に、上述したエンジンシステムにおいて、前記第１制御手段は、前記第１エンジンの空燃比が前記理論空燃比に対してリーンとなるように前記第１エンジンにおける燃焼を制御し、前記第２制御手段は、システム全体の空燃比が前記理論空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御することが好ましい（請求項２）。
【０００９】
第１エンジンの空燃比をリーンに設定することによって第１エンジンのエネルギー効率は大幅に向上する。この場合、第１エンジンの排気ガスにはＮＯｘが多く含まれるが、第２エンジンはシステム全体の空燃比が理論空燃比となるように制御されるから、システム全体のエミションを低減させることができる。即ち、この発明によれば、エネルギー効率の向上とエミションの低減を両立させることが可能となる。なお、第２エンジンにおける燃焼制御は、燃料噴射量、吸入空気量、及びこれらの組合せを制御対象に含む。
【００１０】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第２エンジンの下流に配設される三元触媒を備えることが好ましい（請求項３）。三元触媒は、酸化と還元とを同時に行うものであって、その浄化能力は理論空燃比において最大となる。このエンジンシステムでは、システム全体の空燃比が理論空燃比となるように第２エンジンの燃焼が制御されるから、排気ガスを大幅に浄化することが可能となる。
【００１１】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第２エンジンの下流に配設され、酸素量に対応する第１検出信号を出力する第１検出手段を備え、前記第２制御手段は、前記第１検出信号に基づいてシステム全体の空燃比が前記理論空燃比となるように前記第２エンジンに対する燃料噴射量を制御することが好ましい（請求項４）。この場合には、エンジンシステムの排気ガスに含まれる酸素量が第２エンジンの燃料噴射量にフィードバックされるから、システム全体の空燃比を高い精度で理論空燃比に近づけるとこが可能となる。
【００１２】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第１エンジンと前記第２エンジンとの間に配設され、酸素量に対応する第２検出信号を出力する第２検出手段を備え、前記第２制御手段は、前記第２検出信号に基づいてシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンに対する燃料噴射量を制御することが好ましい（請求項５）。この場合には、吸気に含まれる酸素量に基づいて第２エンジンの燃料噴射量を制御することが可能となるから、応答性に優れたフィードフォワード制御を実行できる。このフィードフォワード制御は上述したフィードバック制御と組み合わせて実行してもよいことは勿論である。
【００１３】
次に、上述したエンジンシステムにおいて、前記第２エンジンの上流に設けられた吸入空気供給手段と、前記第１エンジンの吸入空気量と前記第２エンジンの吸入空気量とを合わせた吸入空気量に対応する第３検出信号を出力する第３検出手段とを備え、前記第２制御手段は、前記第３検出信号に基づいてシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御することが好ましい（請求項６）。
【００１４】
この場合には、第２エンジンの吸気として第１エンジンの排気だけでなく外気を取り込むことができ、しかも、第３検出手段は、第１エンジンの吸入空気量と第２エンジンの吸入空気量とを合わせた吸入空気量を検出するから、他の検出手段を用いることなくエンジンシステム全体の吸入空気量を計測することが可能である。従って、エンジンシステムの構成を簡略化することができ、コストを削減できる。さらに、第１エンジンの空燃比を失火点限界において制御するようにしてもよい。この場合は、大まかな制御で第１エンジンの空燃比を確実にリーンとなるように制御し、かつ、エンジンシステム全体の空燃比を理論空燃比とすることが可能となる。また、前記第２エンジンは、前記第１エンジンの上流で分岐された分岐路と前記第１エンジンの排気路とが連結された吸気路と繋がっており、前記分岐路の上流に配設され、吸入空気量に対応する第３検出信号を出力する第３検出手段を備え、前記第２制御手段は、前記第３検出信号に基づいて前記第２エンジンの空燃比が前記理論空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御することが好ましい。
【００１５】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第１エンジンを始動させた後、前記第２エンジンを始動させる始動制御手段を備えることが好ましい（請求項７）。第１エンジンの空燃比をリーンに設定する場合、第１エンジンを先に始動することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００１６】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第２エンジンを停止させた後、前記第１エンジンを停止させる停止制御手段を備えることが好ましい（請求項８）。第１エンジンの空燃比をリーンに設定する場合には、第１エンジンを後に停止することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００１７】
次に、上述したエンジンシステムにおいて、前記第２制御手段は、所定の運転状態において、前記第１エンジンの空燃比と前記目標空燃比とのずれを補償してシステム全体の空燃比が前記目標空燃比となるように前記第２エンジンにおける燃焼を制御し、前記第１エンジンの空燃比が前記理論空燃比に対してリッチである運転状態において、前記第２エンジンへの燃料供給を停止させることが好ましい（請求項９）。第１エンジンの空燃比をリッチにすると、その排気ガスには殆ど酸素が含まれていない。従って、そのような運転状態で第２エンジンに燃料を供給しても燃焼させることができず燃料が無駄になってしまう。このエンジンシステムによれば、第１エンジンの空燃比がリッチである場合に第２エンジンへの燃料供給を停止させるから、燃費を向上させることが可能となる。
【００１８】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第２エンジンの下流に配設され排気ガスに含まれるエミションを浄化する触媒を備え、前記第２制御手段は、前記触媒の暖機時において、前記目標空燃比を理論空燃比に対してリーンとなるように設定して、前記第２エンジンにおける燃焼を制御することが好ましい（請求項１０）。エンジンの温度が低い状態では、排気ガスに含まれるＮＯｘの量が低下するため、触媒の暖機時においては、主としてＨＣ及びＣＯを触媒で浄化することが望ましい。このエンジンシステムによれば、システム全体の空燃比がリーンとなるように第２エンジンの燃焼を制御するから、触媒の暖機時においてエミションを効果的に浄化することが可能となる。
【００１９】
次に、上述したエンジンシステムにおいて、前記第２エンジンの下流に配設され排気ガスに含まれるエミションを浄化する触媒を備え、前記第１制御手段は、前記触媒の暖機時において、前記第１エンジンへの燃料供給を停止させ、前記第２制御手段は、前記触媒の暖機時において、前記第２エンジンを運転させることが好ましい（請求項１１）。触媒は第２エンジンの下流に配設されるので、第２エンジンからの排気ガスによってその温度が上昇する。従って、第２エンジンのみを運転することによって、触媒の温度を効率よく上昇させることができる。
【００２０】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第２エンジンから出力されるエネルギーを回収するエネルギー回収手段を備えることが好ましい（請求項１２）。このエンジンシステムによれば、システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
次に、上述したエンジンシステムにおいて、前記第２エンジンの下流に配設され排気ガスに含まれるエミションを浄化する触媒と、前記触媒の暖機時における前記エネルギー回収手段のエネルギー回収量を前記触媒の非暖機時と比較して少なくなるように制御する回収量制御手段とを備えることが好ましい（請求項１３）。エネルギー回収量が大きいと第２エンジンの排気ガスに含まれる熱エネルギーの量が低下するが、このエンジンシステムによれば、触媒の暖機時においてエネルギーの回収量を少なくするから、触媒を短時間で暖機してエミションを効果的に浄化することができる。
【００２２】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第１エンジンが故障した場合、前記第１エンジン及び前記第２エンジンにおける燃焼を停止させる故障時制御手段を備えることが好ましい（請求項１４）。このエンジンシステムによれば、第１エンジンのみならず第２エンジンの燃焼を停止させるから、第１エンジンの破損片が第２エンジンに取り込まれて二次的に第２エンジンが破損することを未然に防止することができる。
【００２３】
次に、上述したエンジンシステムは、前記第２エンジンが故障した場合、前記第２エンジンにおける燃焼を停止させ、且つ、前記第１エンジンを運転させる故障時制御手段を備えることが好ましい（請求項１５）。このエンジンシステムによれば、下流にある第２エンジンが故障しても第１エンジンの運転は継続することが可能となる。従って、このエンジンシステムを車両に適用した場合には、第１エンジンから駆動力を取り出して、車両を走行させることができる。
【００２４】
また、前記第１制御手段は、前記第２エンジンが故障した場合、前記第１エンジンの空燃比が理論空燃比となるように前記第１エンジンの燃焼を制御することが好ましい（請求項１６）。この場合、第２エンジンが故障した場合にもエミションを低減しつつエンジンシステムを運転することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に係る燃焼制御装置を適用した車両の概略構成を示す。車両に用いるエンジンシステムは、プライマリーエンジン１、セカンダリーエンジン２、及び三元触媒７を備える。プライマリーエンジン１は多気筒のガソリンエンジン（内燃機関）であって、気筒毎に燃焼室（図示しない）を備える。これらの燃焼室には吸気通路３及び連結通路４が繋がっている。一方、セカンダリーエンジン２は、外燃機関であり燃焼室を備える。この燃焼室には連結通路４及び排気通路５が繋がっている。ここで、連結通路４は、プライマリーエンジン１の排気通路として機能するとともにセカンダリーエンジン２の吸気通路として機能する。また、例えば、プライマリーエンジン１の出力はセカンダリーエンジン２の出力より大きく、それらの出力比は１０：１に設定されている。
【００２６】
吸気通路３には、プライマリーエンジン１へ向けて、スロットルバルブ６、エアフロメータ１１等が設けられている。スロットルバルブ６はアクセル（図示しない）の操作に連動して駆動され、その駆動により吸気通路３を流通する吸入空気の量が調整される。エアフロメータ１１は吸気通路３を流れる空気の量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。
【００２７】
プライマリーエンジン１には、各気筒の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが取付けられている。各燃料噴射弁１Ａ〜１Ｄから噴射される燃料の量は、制御装置１０から出力される制御信号によって調整される。そして、燃料と吸気通路３内へ導入された外気とからなる混合気は、各燃焼室内へ導入される。各燃焼室に導入された混合気に着火するために、点火プラグ（図示せず）がプライマリーエンジン１に取付けられている。各点火プラグはディストリビュータ（図示せず）にて分配された点火信号に基づいて駆動される。ディストリビュータは、プライマリーエンジン１のクランク軸の回転角に同期して生成した点火信号を点火プラグに分配する。燃焼室内へ導入された混合気は点火プラグの点火によって燃焼される。この燃焼によりプライマリーエンジン１の駆動力が発生する。燃焼室で発生した排気ガスは連結通路４を経てセカンダリーエンジン２へ供給される。プレイマリーエンジン１の排気ガスは高温であり、熱エネルギーを含んでいる。セカンダリーエンジン２は、この熱エネルギーを回収する。
【００２８】
セカンダリーエンジン２の上流には、燃料を噴射するための燃料噴射弁２Ａが取付けられている。なお、燃料噴射弁２Ａをセカンダリーエンジン２に設け、その燃焼室に燃料を噴射するようにしてもよい。燃料噴射弁２Ａから噴射される燃料の量は、制御装置１０から出力される制御信号によって調整される。これにより、セカンダリーエンジン２の空燃比が制御される。
【００２９】
排気通路５には三元触媒７が設けられている。三元触媒７にはその温度に応じた検出信号を出力する温度センサ１５が取り付けられている。三元触媒７は白金ロジウム系の物質を触媒として用い、酸化と還元とを同時に行う。具体的には、ＮＯｘから酸素を取り上げ、その酸素でＣＯとＨＣを酸化させる。従って、ＮＯｘは窒素Ｎ２に、ＣＯとＨＣはＣＯ２とＨ２Ｏになる。この結果、三元触媒７は排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、及びＮＯｘの三種の有害物質を同時に浄化することが可能である。但し、三元触媒７が有効に作用するためには、燃焼が理論空燃比付近である必要がある。その理由は、空燃比がリッチであれば不完全燃焼が起こり、ＣＯやＨＣが多く排出されてしまい、酸化させるための酸素が足りなくなる。また、逆に空燃比がリーンであれば排気ガス中に酸素が多く残存する。このため、わざわざＮＯｘから酸素を取り上げるまでもなく酸素が供給されてしまい、ＮＯｘを十分に還元できないからである。
【００３０】
セカンダリーエンジン２の出力は、例えば、ターボチャージャー、ターボオルタ、ランキンサイクル、スターリングサイクル、熱電素子等によって取り出すことができる。これらは、セカンダリーエンジン２のエネルギーを回収するエネルギー回収手段として機能する。この例では、スターリングサイクルを用いてセカンダリーエンジン２から機械エネルギーを取り出して発電機２０を駆動している。発電機２０によって発電された電力はバッテリ２１に蓄電される。インバータ２２は制御装置１０からの指令に従ってモータ２３を駆動する。モータ２３のシャフトは動力分割機構２４を介して車輪２５と連結されている。一方、プライマリーエンジン１で発生する駆動力は動力分割機構２４を介して車輪２５へ伝達される。すなわち、本実施形態の車両には、プライマリーエンジン１の駆動力とモータ２３の駆動力によって走行するハイブリッドシステムが採用されている。このハイブリッドシステムでは、インバータ２２を制御することによって走行力をアシストすることが可能である。
【００３１】
なお、セカンダリーエンジン２から取り出された機械エネルギーを何等かの機構を介して動力分割機構２４へ伝達することも可能である。しかし、機械エネルギーの伝達は電気エネルギーの伝送と比較して一般に損失が大きい。従って、効率の観点からは、上述した例のように発電によって電気エネルギーを取り出すことが好ましい。
【００３２】
制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭを備える。ＲＯＭには制御プログラムが記憶されており、ＣＰＵは制御プラグラムに従って各種の演算を実行する。ＲＡＭはＣＰＵの作業領域として機能する。制御装置１０は、各種のセンサからの信号に基づいて運転状態を把握して、車両全体を制御する制御中枢として機能する。具体的には、以下の制御を実行する。
【００３３】
まず、空燃比制御について説明する。空燃比制御では、プライマリーエンジン１及びセカンダリーエンジン２を総合して１つのエンジンシステムとして見たとき、制御装置１０は、エンジンシステムの空燃比が理論空燃比となるようにエンジン１及び２の燃焼を制御する。吸入空気量に対して燃料が希薄であると排気ガスに含まれるＮＯｘが増加し、吸入空気量に対して燃料が濃いと排気ガスに含まれるＨＣ及びＣＯが増加する。理論空燃比は、排気ガスに含まれるＮＯｘ並びにＨＣ及びＣＯが均衡して最も少なくなる空燃比である。従って、エンジンシステムの空燃比を理論空燃比と一致させることで、エミションの量を最も削減することができる。
【００３４】
ところで、効率が最も高い空燃比は、理論空燃比に対してリーン（燃料が希薄）である。プライマリーエンジン１で発生する駆動力は走行に直結しており、セカンダリーエンジン２から得られるエネルギーと比較して損失が少ない。そこで、通常の走行時等、エネルギー効率を優先する運転状態では、プライマリーエンジン１の空燃比が理論空燃比に対してリーンとなるようにプライマリーエンジン１の燃料噴射量が制御される。また、セカンダリーエンジン２の燃料噴射量は、プライマリーエンジン１の空燃比と理論空燃比とのずれを補償して、エンジン１及び２を総合した空燃比が理論空燃比となるように制御される。以下、空燃比制御の詳細について、エンジンシステムを第１乃至第３態様に分けて説明する。
【００３５】
第１態様のエンジンシステムは図１に実線で示す場合である。すなわち、セカンダリーエンジン２の吸気がプライマリーエンジン１の排気だけでまかなわれる。そして、セカンダリーエンジン２の下流には、その排気ガスに含まれる酸素量に応じた検出信号を出力する酸素センサ１２（第１検出手段）が配設されている。この場合、制御装置１０は、以下の手順によってエンジン１及び２の燃料噴射量を制御する。プライマリーエンジン１に対して、制御装置１０は、まず、エアフロメータ１１から検出信号に基づいて吸入空気量を特定する。次に、制御装置１０はリーンに設定した空燃比と吸入空気量とに基づいて燃料噴射量を算出する。次に、制御装置１０は算出された燃料噴射量となるように燃料噴射弁１Ａ〜１Ｄの開度を制御する。
【００３６】
次に、セカンダリーエンジン２に対して、制御装置１０は、まず、酸素センサ１２からの検出信号に基づいて、セカンダリーエンジン２の排気ガスに含まれる酸素量を特定する。次に、制御装置１０は特定した酸素量が理論空燃比となるように燃料噴射量を算出する。次に、制御装置１０は算出された燃料噴射量が得られるように燃料噴射弁２Ａの開度を制御する。換言すれば、排気ガスに含まれる酸素量を燃料噴射量にフィードバックすることによって、制御装置１０は、エンジンシステム全体の空燃比と理論空燃比とのずれを補償している。
【００３７】
この空燃比制御によれば、出力の大半を占めるプライマリーエンジン１の空燃比をリーンとすることによって、プライマリーエンジン１のエネルギー効率を大幅に向上させることができ、ひいてはエンジンシステム全体の効率を向上させることができる。また、三元触媒７は上述したように燃焼を理論空燃比付近で行った場合にＮＯｘ並びにＣＯ及びＨＣを同時に浄化するから、エンジンシステム全体の空燃比が理論空燃比となるようにセカンダリーエンジン２の空燃比を制御するから、エミションを大幅に削減することができる。すなわち、従来のエンジンでは、両立させることができなかったエネルギー効率の向上とＮＯｘ等のエミションの低減とを同時に実現させ、さらに、排熱エネルギーを回収することが可能となる。
【００３８】
第２態様のエンジンシステムは図１に実線で示す要素の他に、点線で示す要素を含む。すなわち、このエンジンシステムには、連結通路４に酸素センサ１３（第２検出手段）が配設され、さらに、連結通路４に吸気通路８及びエアフロメータ１４が配設される。セカンダリーエンジン２には、吸気通路８によってプライマリーエンジン１の排気ガスの他に外気が取り込まれる。
【００３９】
図２は、このエンジンシステムにおける制御装置１０の動作を示すフローチャートである。まず、制御装置１０は、各種のセンサからの信号に基づいて運転状態を総合的に把握する（ステップＳ１）。具体的には、水温センサの検出信号によるエンジン水温、エアフロメータ１１の検出信号による吸入空気量、アクセルセンサの検出信号によるアクセル開度、シフトセンサの検出信号によるシフト位置、温度センサによる外気温等が制御装置１０に各々読み込まれる。
【００４０】
この後、制御装置１０は、運転状態を考慮して空燃比フィードバック制御が可能か否かを判定する（ステップＳ２）。例えば、現在の運転状態がエンジン１及び２の始動時に該当して暖機が必要な状態である場合には、ステップＳ２の条件が不成立となる。一方、通常の運転状態であり空燃比フィードバック制御が可能である場合には、ステップＳ２の条件が成立し、制御装置１０は処理をステップＳ３に進める。ステップＳ３の処理では、プライマリーエンジン１に対して空燃比フィードバック制御が実行される。このフィードバック制御は、酸素センサ１３を用いて検出した酸素量をプライマリーエンジン１の燃料噴射量に反映させるものであればよい。その一例を以下に示す。
【００４１】
まず、制御装置１０は理論空燃比に対してリーンとなる空燃比を設定する。次に、制御装置１０はエアフロメータ１１の検出信号に基づいて吸入空気量を特定する。次に、制御装置１０は吸入空気量に基づいて設定された空燃比となるように基準燃料噴射量を算出すると共に、排気ガスに含まれる酸素量を算出する。次に、制御装置１０は酸素センサ１３を用いて排気ガスに含まれる酸素量を計測する。次に、制御装置１０は、計測された酸素量と算出された酸素量との差分量を算出し、差分量に見合う補正燃料噴射量を算出する。次に、制御装置１０は、基準燃料噴射量と補正燃料噴射量とに基づいて燃料噴射量を算出する。次に、制御装置１０は算出された燃料噴射量となるように燃料噴射弁１Ａ〜１Ｄの開度を制御する。
【００４２】
次に、制御装置１０は、セカンダリーエンジン２の酸素量を算出する（ステップＳ４）。この処理では、エアフロメータ１４の検出信号と酸素センサ１３の検出信号とに基づいて、酸素量が算出される。この後、制御装置１０は、ステップＳ４で算出した酸素量に基づいて、セカンダリーエンジン２の後流で空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を算出して燃料噴射弁２Ａの開度を制御する（ステップＳ５）。即ち、ステップＳ５の処理ではフィードフォワード制御が行われる。このフィードフォワード制御によってタイムラグが短縮され応答性に優れた燃料噴射が実現できる。
【００４３】
次に、制御装置１０は、酸素センサ１２の検出信号に基づいて、セカンダリーエンジン２の後流で空燃比が理論空燃比に対してリーンであるか否かを判定する（ステップＳ６）。すなわち、エンジンシステム全体の空燃比について判定される。空燃比がリーンであればセカンダリーエンジン２の燃料噴射量を増量し（ステップＳ７）、空燃比がリッチであればセカンダリーエンジン２の燃料噴射量を減量させる（ステップＳ８）。このフィードバック制御によって、エンジン１及び２を総合した空燃比を高い精度で理論空燃比に近づけることが可能となる。なお、図１に実線で示すようにセカンダリーエンジン２の吸気が連結通路４のみから得られ、連結通路４に酸素センサ１３が設けられている場合には、ステップＳ４における酸素量は、酸素センサ１３の検出信号によって特定すればよい。
【００４４】
第３態様のエンジンシステムは、図３に示すようにプライマリーエンジン１の上流で吸気経路が吸気通路３と分岐通路９とに分岐され、分岐通路９が連結通路４に連結されているものである。この場合は、第２態様と同様にセカンダリーエンジン２には、プライマリーエンジン１の排気ガスの他に、外気が取り込まれることになる。分岐通路９はセカンダリーエンジン２の上流に設けられた吸入空気供給手段として機能する。そして、分岐の上流に配置されたエアフロメータ１１（第３検出手段）によってエンジンシステム全体の吸入空気量が計測される。
【００４５】
プライマリーエンジン１に対して、制御装置１０は、回転数や負荷等の運転条件に基づいて大まかな燃料噴射量を定めて、燃料噴射弁１Ａ〜１Ｄの開度を制御する。この場合、制御装置１０は、回転数を監視しながら失火限界で空燃比を制御することが好ましい。これにより、プライマリーエンジン１の空燃比は確実にリーンとなる。
【００４６】
そして、制御装置１０は、システム全体の理論空燃比と吸入空気量に基づいて、エンジンシステム全体の全燃料噴射量を算出し、全燃料噴射量からプライマリーエンジン１の燃料噴射量を差し引いた値をセカンダリーエンジン２の基本燃料噴射量として、フィードフォワード制御を実行する。これにより、急な負荷変動等が発生した場合にも応答性に優れ、且つ、システム全体の空燃比が理論空燃比となるように制御できる。
【００４７】
さらに、制御装置１０は、酸素センサ１２の検出信号に基づいてセカンダリーエンジン２の排気ガスに含まれる酸素量が理論空燃比となるように補正燃料噴射量を計算し、補正燃料噴射量と基本燃料噴射量との合計によって、セカンダリーエンジン２の燃料噴射量を制御する。これにより、排気ガスに含まれる酸素量をフィードバックできるから、定常状態におけるシステム全体の空燃比と理論空燃比との誤差を縮小することができる。
【００４８】
このように第３態様では、分岐の上流にエアフロメータ１１を設けたので、エンジン１及び２の吸入空気量を兼用して計測することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００４９】
次に、車両全体のシステム制御について説明する。この車両には、上述したようにハイブリッドシステムが採用されている。制御装置１０は、時々刻々変化する運転状態に対応して、モータ２３で発生させる出力とエンジンシステムで発生させる出力とを決定する。図１に示すエンジンシステムではセカンダリーエンジン２の出力は、電力として取り出されバッテリ２１に充電される。そして、必要に応じてバッテリ２１に蓄電された電力を用いてモータ２３が駆動され駆動力が取り出される。
【００５０】
次に、車両の始動停止制御について説明する。図４は、始動停止制御における制御装置１０の動作を示すフローチャートである。制御装置１０は、イグニッションキーのキーポジションを常時監視しており、キーポジションがオンになったことを検知すると（ステップＳ１１）、プライマリーエンジン１を始動させる（ステップＳ１２）。この後、制御装置１０はセカンダリーエンジン２を始動させる（ステップＳ１３）。ここで、エンジンの始動とは燃料の燃焼開始時をいう。プライマリーエンジン１を先に始動させたのは、プライマリーエンジン１のエネルギー効率がセカンダリーエンジン２よりも優れているからである。
【００５１】
次に、ドライバーがイグニッションキーを操作してキーポジションをオフにすると、制御装置１０はこれを検知して（ステップＳ１４）、セカンダリーエンジン２を停止させる（ステップＳ１５）。この後、制御装置１０はプライマリーエンジン１を停止させる（ステップＳ１６）。始動時と同様にエンジンのエネルギー効率の向上を図るためである。なお、ハイブリッドシステムでは、効率の観点から走行に必要な駆動力をプライマリーエンジン１からモータ２３へ切り替えることがある。この場合、制御装置１０はプライマリーエンジン１及びセカンダリーエンジン２の運転を停止させるが、その順番はステップＳ１５及びＳ１６に示すように最初にセカンダリーエンジン２を停止させ次にプライマリーエンジン２を停止させる。また、ハイブリッドシステムにおいてエンジンシステムから出力を取り出す場合には、ステップＳ１２及びＳ１３に示すように最初にプライマリーエンジン１を始動させ次にセカンダリーエンジン２を始動させる。
【００５２】
また、エンジン１及び２から高出力を取り出す場合には排気系の温度を下げることが好ましい。このような場合には、プライマリーエンジン１の空燃比がリッチとなるように制御装置１０は燃料噴射量を制御する。燃料の気化熱によって、排気ガスの温度を下げることができるからである。
【００５３】
さらに、プライマリーエンジン１の燃焼がリッチである場合には、セカンダリーエンジン２への燃料供給を停止するように制御装置１０は燃料噴射弁２Ａを制御することが好ましい。エンジンシステムが図１の実線で示されるようにセカンダリーエンジン２の吸気がプライマリーエンジン１の排気ガスだけであれば、その排気ガスには酸素が殆ど含まれていないため、燃料を供給しても燃焼させることができないからである。
【００５４】
次に、アクセル操作の燃料制御について図５に示すフローチャートを参照して説明する。ます、制御装置１０は、アクセルがオフ状態であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。アクセルがオフ状態であると判定された場合には、制御装置１０は、プライマリーエンジン１への燃料供給を停止させ（ステップＳ２２）、さらに、セカンダリーエンジン２への燃料供給を停止させる（ステップＳ２３）。具体的には、燃料噴射弁１Ａ〜１Ｄ及び２Ａを閉じればよい。このようにドライバーの要求によってプライマリーエンジン１への燃料供給が停止されている期間に、セカンダリーエンジン２への燃料供給を停止したのは、セカンダリーエンジン２から出力を取り出す必要がないからである。
【００５５】
一方、アクセルがオフ状態でなければ、制御装置１０はアクセルが全開状態（ＷＯＴ：アクセルの操作量が最大）であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。アクセルが全開状態であれば、制御装置１０はプライマリーエンジン２の空燃比が最大トルクとなるように燃焼量噴射量を制御する。この場合、プライマリーエンジン２の空燃比はリッチとなる。
【００５６】
ステップＳ２４の条件が不成立の場合、すなわち、アクセルがある程度踏み込まれている場合には、制御装置１０は、上述した通常の空燃比制御を実行する。この場合には、エネルギー効率の観点からプライマリーエンジン１の空燃比はリーンとなるように設定される。
【００５７】
次に、冷間時における制御について説明する。三元触媒７は、温度が低いとエミションの浄化効率が低下してしまう。従って、冷間時には触媒を暖機して浄化能力を活性化する必要がある。制御装置１０は、温度センサ１５からの検出信号に基づいて三元触媒７の温度を検知し、検知した温度が基準温度を下回るか否かを判定する。ここで、基準温度は、三元触媒７の浄化能力が活性化されているか不活性であるかを区別できる温度に設定されている。そして、制御装置１０は、検知した温度が基準温度を下回る場合には、以下の制御を実行する。
【００５８】
制御装置１０は、エンジンシステム全体の空燃比がリーンになるようにプライマリーエンジン１及びセカンダリーエンジン２の空燃比を各々設定し、当該空燃比が得られるように燃料噴射量を各々制御する。冷間時における燃焼では、ＮＯｘがさほど発生しないので、三元触媒７でＨＣ及びＣＯを浄化するためである。
【００５９】
また、セカンダリーエンジン２においてターボオルタ等、廃熱損失の回収量を制御可能な廃熱回収装置を備える場合には、制御装置１０は、図６に示すフローチャートに従った制御を実行することが好ましい。まず、制御装置１０は、触媒冷間時であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。この判定処理は、温度センサ１５の検出信号に基づいて三元触媒７の温度を検知し、検知した温度が基準温度を下回るか否かを判定すればよい。
【００６０】
次に、制御装置１０は、エンジンシステム全体の空燃比がリーンとなるようにエンジン１及び２の燃焼を制御する（ステップＳ３２）。この空燃比は、エンジン１及び２の空燃比が共にリーンである場合の他、エンジン１又は２の一方がリッチで他方がリーン且つ全体としてリーンの場合が含まれる。そして、制御装置１０は、廃熱回収装置をオフ状態にして、廃熱回収を停止させる（ステップＳ３３）。排気損失の回収を停止することによって、セカンダリーエンジン２から高温の排気ガスを排出して、三元触媒７を暖機するためである。なお、廃熱回収装置が廃熱回収量を調整できる場合には、暖機時における廃熱回収量を非暖機時と比較して少なくなるように廃熱回収装置を制御してもよい。
【００６１】
さらに、制御装置１０は、図７に示すフローチャートに従った制御を実行してもよい。まず、制御装置１０は、触媒冷間時であるか否かを判定し（ステップＳ４１）、冷間時であれば、制御装置１０はプライマリーエンジン１への燃料供給を停止させ（ステップＳ４２）、さらに、セカンダリーエンジン２でのみ燃料を供給して運転させる（ステップＳ４３）。
【００６２】
この場合、セカンダリーエンジン２の上流には、図１に点線で示す吸気通路８が設けられており、この吸気通路８を介して酸素が供給されることが好ましい。あるいは、図３に示すように分岐通路９を介してセカンダリーエンジン２に酸素が供給されることが好ましい。一方、図１に実線で示すように吸気通路８が設けられていない場合には、制御装置１０は、セルモータ等によってプライマリーエンジン１を空回して酸素をセカンダリーエンジン２へ供給させるようにしてもよい。
【００６３】
このように、冷間時にセカンダリーエンジン２のみを運転してプライマリーエンジン１を停止させたのは以下の理由による。まず、プライマリーエンジン１とセカンダリーエンジン２との出力比は、前者の方が大きく、例えば、１０：１に設定される。従って、触媒の浄化能力が低い冷間時にプライマリーエンジン１を運転すると、大量のエミションが車両から排出されてしまう。これに対して、セカンダリーエンジン２は出力が小さいので排出されるエミションの量を低減することができる。さらに、セカンダリーエンジン２は三元触媒７の近く配置されているので、効率良く三元触媒７を暖機することができる。一方、走行に不足する出力は、モータ２３を駆動することにより補うことが可能である。
【００６４】
また、長い坂道を下るときにはドライバーがアクセルをオフすることがある。すると、プライマリーエンジン１及びセカンダリーエンジン２への燃料供給が停止され、三元触媒７が冷えてその温度が基準温度より低くなる。従って、エンジン１及び２への燃料供給が停止している状態において、三元触媒７の温度が基準温度を下回った場合には、セカンダリーエンジン２のみで燃料を燃焼させ、三元触媒７を活性化させることが望ましい。さらに、この燃焼は理論空燃比で行うことが好ましい。
【００６５】
次に、故障時における制御装置１０の動作を図８を参照して説明する。制御装置１０は、各種センサからの検出信号に基づいてプライマリーエンジン１が故障したか否かを判定する（ステップＳ５１）。プライマリーエンジン１の故障が検知された場合、制御装置１０は、プライマリーエンジン１及びセカンダリーエンジン２への燃料供給を停止させるように燃料噴射弁１Ａ〜１Ｄ及び２Ａを制御する（ステップＳ５２）。プライマリーエンジン１が故障すると、破損片が連結通路４を介してセカンダリーエンジン２へ取り込まれることがある。しかし、制御装置１０はセカンダリーエンジン２の運転を停止させるので、破損片によってセカンダリーエンジン２が二次的に故障するのを未然に防止することが可能となる。
【００６６】
次に、プライマリーエンジン１が故障していないと判定された場合には、制御装置１０は、各種センサからの検出信号に基づいてセカンダリーエンジン２が故障したか否かを判定する（ステップＳ５３）。セカンダリーエンジン２の故障が検知された場合、制御装置１０は、セカンダリーエンジン２への燃料供給を停止させるように燃料噴射弁２Ａを制御する。次に、プライマリーエンジン１の空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量を制御する（ステップＳ５４）。これにより、走行を可能としつつ、エミションの悪化を防止することができる。
【００６７】
上述した実施形態においては、システム全体の燃焼の目標値を理論空燃比に設定し、理論空燃比からずれた空燃比となるようにプライマリーエンジン１における燃焼を制御する一方、プライマリーエンジン１の空燃比と理論空燃比とのずれを補償してシステム全体の空燃比が理論空燃比となるようにセカンダリーエンジン２の燃焼を制御したが、本発明はシステム全体の空燃比が理論論空燃比に限定されるものではなく、ある目標空燃比であってもよい。要は、システム全体の目標空燃比を設定し、プライマリーエンジン１の空燃比が目標空燃比からずれるようにプライマリーエンジン１の燃焼を制御する一方、システム全体の目標空燃比とプライマリーエンジン１の空燃比のずれを補償するようにセカンダリーエンジン２の燃焼を制御すればよい。
【００６８】
以上の実施形態では、制御装置１０が、図２、及び４乃至８に示す各処理を実行することにより、制御装置１０が本発明の第１制御手段、第２制御手段、始動制御手段、停止制御手段、回収量制御手段、及び故障時制御手段として機能する。
【００６９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る燃焼装置によれば、第１エンジンの空燃比をリーンとしつつ、エンジンシステム全体では空燃比が理論空燃比となるように燃焼を制御できるので、エネルギー効率の向上とエミションの低減と両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼制御装置を適用した車両のブロック図である。
【図２】空燃比制御における制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】エンジンシステムの他の例を示すブロック図である。
【図４】始動停止制御における制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】アクセル操作の燃料制御における制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】触媒冷間時の燃料制御における制御装置の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図７】触媒冷間時の燃料制御における制御装置の他の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図８】エンジン故障時における制御装置の動作例を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１  プライマリーエンジン（第１エンジン）
２  セカンダリーエンジン（第２エンジン）
７  三元触媒
１０  制御装置
１２、１３  酸素センサ
１１、１４  エアフロメータ
１５  温度センサ
【図１】
2004239179.tif 000003
【図２】
2004239179.tif 000004
【図３】
2004239179.tif 000005
【図４】
2004239179.tif 000006
【図５】
2004239179.tif 000007
【図６】
2004239179.tif 000008
【図７】
2004239179.tif 000009
【図８】
2004239179.tif 000010