(57)【要約】【課題】燃料電池の排気を利用して急減速後の再加速性能を改善する。【解決手段】内燃機関１は、高圧段および低圧段ターボ過給機３Ｈ，３Ｌと、燃料電池４と、燃料電池の排気を排出するための排気路２７であって、燃料電池と高圧段タービンの上流側の排気通路６とを接続する第１の排気路２７Ａと、燃料電池と高圧段タービンおよび低圧段タービンの間の排気通路とを接続する第２の排気路２７Ｂとを含む排気路と、排気路を第１の排気路と第２の排気路との間で切り替える排気制御弁２８と、エンジン本体２の運転状態が低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるとき、燃料電池の排気が第１の排気路を流れるよう排気制御弁を第１の排気路側に切り替える制御ユニット１００とを備える。燃料電池の排気を利用して再加速前に高圧段タービン３ＨＴに与回転を与える。【選択図】図６
2014163239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン本体に接続された吸気通路および排気通路と、
前記排気通路の上流側に設けられた高圧段タービンおよび前記吸気通路の下流側に設けられた高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機と、
前記排気通路の下流側に設けられた低圧段タービンおよび前記吸気通路の上流側に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、
燃料電池と、
前記燃料電池の排気を排出するための排気路であって、前記燃料電池と前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路とを接続する第１の排気路と、前記燃料電池と前記高圧段タービンおよび前記低圧段タービンの間の前記排気通路とを接続する第２の排気路とを含む排気路と、
前記排気路を前記第１の排気路と前記第２の排気路との間で切り替える排気制御弁と、
前記エンジン本体の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるとき、前記燃料電池の排気が前記第１の排気路を流れるよう、前記排気制御弁を前記第１の排気路側に切り替える制御ユニットと、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるとき、所定時間経過後の前記エンジン本体の運転状態を予測し、当該予測した運転状態が前記高圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気制御弁を前記第１の排気路側に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記燃料電池の排気が前記第１の排気路を流れ且つ前記第２の排気路を流れないよう、前記排気制御弁を前記第１の排気路側に切り替える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に係り、特に、多段式ターボ過給システムと燃料電池とを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
多段式ターボ過給システムを備えた内燃機関が公知である。特に、多段式ターボ過給システムとして、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機という二つのターボ過給機を直列に接続してなる２ステージシーケンシャルターボシステムが公知である。
【０００３】
例えば特許文献１には、第１過給機と第１過給機より大型の第２過給機とを備えた過給機付き内燃機関において、現在運転状態が、第２過給機のみの過給効果を利用する領域の一部（特殊Ｃ領域）にあり且つ減速状態が検出されている場合に、第１過給機のタービンを迂回する通路に介装された排気制御弁の開度を中間に調整し、第１過給機のタービンが十分に回転している状態をもってＣ領域から、第１、第２過給機の両方の過給効果を利用する領域（Ｂ領域）に移行することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１６４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に多段式ターボ過給システムにおいては、低回転側の領域を高圧段ターボ過給機で受け持ち、高回転側の領域を低圧段ターボ過給機で受け持つようになっている。そして低圧段ターボ過給機の作動領域において、急減速が発生した場合に、急減速後の再加速時に加速遅れが生じるという問題がある。
【０００６】
すなわち、低圧段ターボ過給機の作動領域において急減速が発生し、エンジン本体の運転状態が低圧段ターボ過給機の作動領域から高圧段ターボ過給機の作動領域に移行することがある。しかし、低圧段ターボ過給機の作動領域においては高圧段ターボ過給機のタービンおよびコンプレッサが実質的に回転停止した状態にある。よって急減速後の再加速が発生した時に、高圧段ターボ過給機のタービンおよびコンプレッサの回転がなかなか立ち上がらず、これにより加速遅れが生じてしまう。
【０００７】
一方、多段式ターボ過給システムを備えた内燃機関に燃料電池を組み合わせることが考えられる。この場合、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された空気を燃料電池に送り、燃料電池からの排気をターボ過給機のタービンに供給するよう構成することが有利である。こうすれば、燃料電池に空気を供給するモータコンプレッサ等の空気源を別途設けなくて済むと同時に、燃料電池からの排気をタービンの駆動に有効に利用でき、効率およびターボレスポンスを高められるからである。
【０００８】
このような内燃機関において、燃料電池からの排気を、前述したような急減速後の再加速性能の改善に利用できれば有利である。なお、特許文献１に記載の内燃機関は燃料電池を備えておらず、燃料電池の排気を有効利用することについては全く考慮していない。
【０００９】
そこで、本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、多段式ターボ過給システムと燃料電池を備えた内燃機関において、燃料電池の排気を利用して急減速後の再加速性能を改善し得る内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一の態様によれば、
エンジン本体に接続された吸気通路および排気通路と、
前記排気通路の上流側に設けられた高圧段タービンおよび前記吸気通路の下流側に設けられた高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機と、
前記排気通路の下流側に設けられた低圧段タービンおよび前記吸気通路の上流側に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、
燃料電池と、
前記燃料電池の排気を排出するための排気路であって、前記燃料電池と前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路とを接続する第１の排気路と、前記燃料電池と前記高圧段タービンおよび前記低圧段タービンの間の前記排気通路とを接続する第２の排気路とを含む排気路と、
前記排気路を前記第１の排気路と前記第２の排気路との間で切り替える排気制御弁と、
前記エンジン本体の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるとき、前記燃料電池の排気が前記第１の排気路を流れるよう、前記排気制御弁を前記第１の排気路側に切り替える制御ユニットと、
を備えることを特徴とする内燃機関が提供される。
【００１１】
この本発明の一の態様によれば、エンジン本体の運転状態が低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるとき、燃料電池の排気が第１の排気路を流れるよう、排気制御弁が第１の排気路側に切り替えられる。すると、燃料電池の排気が第１の排気路を通じて高圧段タービンの上流側の排気通路に供給され、その後高圧段タービンに供給され、高圧段タービンを回転駆動する。
【００１２】
これにより、再加速前に、高圧段ターボ過給機に与回転もしくは助走回転を与えることができ、再加速時における再加速性能を改善することが可能となる。
【００１３】
ここで、「エンジン本体の運転状態が急減速状態である」とは、エンジン本体の回転加速度が負の所定値以下となっている状態をいう。
【００１４】
「排気制御弁を第１の排気路側に切り替える」状態には、燃料電池の排気が第１の排気路のみを流れ且つ第２の排気路を流れないよう、排気制御弁を第１の排気路側に完全に切り替える状態と、燃料電池の排気が第１の排気路と第２の排気路との両方を流れるよう、排気制御弁を第１の排気路側に部分的に切り替える状態、言い換えれば排気制御弁を中間切替状態に切り替える状態と、の両方が含まれる。いずれにしても、燃料電池の排気は第１の排気路を流れることとなる。
【００１５】
「タービン」とは、厳密には、タービンのタービンハウジング内に収容されるタービンホイールを意味する。従って「タービンの上流側の排気通路」といった場合、これには、タービンホイールの上流側もしくは入口側に位置するタービンハウジング内の通路部分が含まれる。「タービンの下流側の排気通路」についても同様である。
【００１６】
同様に、「コンプレッサ」とは、厳密には、コンプレッサのコンプレッサハウジング内に収容されるコンプレッサホイールを意味する。従って「コンプレッサの下流側の吸気通路」といった場合、これには、コンプレッサホイールの下流側もしくは出口側に位置するコンプレッサハウジング内の通路部分が含まれる。「コンプレッサの上流側の吸気通路」についても同様である。
【００１７】
「高圧段タービンおよび低圧段タービンの間の排気通路」といった場合、これは「高圧段タービンの下流側且つ低圧段タービンの上流側の排気通路」と同義である。従って、これには、高圧段タービンホイールの下流側もしくは出口側に位置する高圧段タービンハウジング内の通路部分と、低圧段タービンホイールの上流側もしくは入口側に位置する低圧段タービンハウジング内の通路部分とが含まれる。「低圧段コンプレッサおよび高圧段コンプレッサの間の吸気通路」も同様に解釈されることが理解されよう。
【００１８】
好ましくは、前記制御ユニットは、前記エンジン本体の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるとき、所定時間経過後の前記エンジン本体の運転状態を予測し、当該予測した運転状態が前記高圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気制御弁を前記第１の排気路側に切り替える。
【００１９】
これによれば、エンジン本体の運転状態が高圧段ターボ過給機の作動領域に入ることがほぼ確実になった場合のみ、排気制御弁を切り替えることができ、制御を最適化することができる。
【００２０】
好ましくは、前記制御ユニットは、前記燃料電池の排気が前記第１の排気路を流れ且つ前記第２の排気路を流れないよう、前記排気制御弁を前記第１の排気路側に切り替える。
【００２１】
これによれば、燃料電池の排気の全量を高圧段ターボ過給機に供給することができるため、燃料電池の排気を高圧段タービンの回転駆動に最大限利用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、多段式ターボ過給システムと燃料電池を備えた内燃機関において、燃料電池の排気を利用して急減速後の再加速性能を改善し得る内燃機関を提供することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】作動マップを示す図である。
【図３】高圧段ターボ過給機の作動領域における空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図４】低圧段ターボ過給機の作動領域における空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図５】遷移領域における空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図６】作動点が低圧段ターボ過給機の作動領域にあり且つ急減速状態であるときの空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図７】本実施形態の好ましい制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２５】
図１に示すように、内燃機関（エンジン）１は、エンジン本体２と、複数（二つ）のターボ過給機すなわち低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈと、燃料電池４とを備える。エンジン１は、火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）および圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）のいずれの形式であってもよく、本実施形態では火花点火式内燃機関とされている。エンジン１は図示しない車両（自動車）に搭載されている。
【００２６】
以下、低圧段ターボ過給機を「ＬＰターボ」、高圧段ターボ過給機を「ＨＰターボ」ともいう。低圧段を「ＬＰ」、高圧段を「ＨＰ」、燃料電池を「ＦＣ」とも表記する。
【００２７】
エンジン本体２は、シリンダブロック、シリンダヘッド、クランクケース、オイルパン、ヘッドカバー、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、カムシャフト、吸排気弁等の基本的なエンジン構成部品を含む。またエンジン本体２は複数、具体的には四つの気筒を含み、各気筒には燃料噴射用インジェクタ４１と点火プラグ４２とが設けられている。
【００２８】
エンジン本体２には吸気通路５および排気通路６が接続されている。そしてこれら吸気通路５および排気通路６を跨ぐように低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈが直列に設けられている。周知のように、エンジン本体２に対し高圧段ターボ過給機３Ｈは近い側に、低圧段ターボ過給機３Ｌは遠い側に設けられている。
【００２９】
低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈは多段式ターボ過給システム、特に２ステージシーケンシャルターボシステムを構成する。排気通路６において、その上流側には高圧段ターボ過給機３Ｈの高圧段タービン３ＨＴが配設され、その下流側には低圧段ターボ過給機３Ｌの低圧段タービン３ＬＴが配設されている。また、吸気通路５において、その上流側には低圧段ターボ過給機３Ｌの低圧段コンプレッサ３ＬＣが配設され、その下流側には高圧段ターボ過給機３Ｈの高圧段コンプレッサ３ＬＣが配設されている。
【００３０】
以下、低圧段タービンを「ＬＰタービン」、高圧段タービンを「ＨＰタービン」、低圧段コンプレッサを「ＬＰコンプレッサ」、高圧段コンプレッサを「ＨＰコンプレッサ」ともいう。また「上流側」および「下流側」とは、図中矢示するような吸気または排気の流れ方向における上流側および下流側をいう。
【００３１】
吸気通路５において、低圧段コンプレッサ３ＬＣの上流側には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ７が設けられ、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側には、インタークーラ８と電子制御式スロットルバルブ９とが直列に設けられている。吸気通路５の上流端には図示しないエアクリーナが設けられる。
【００３２】
排気通路６において、低圧段タービン３ＬＴの下流側には排気浄化触媒１０が設けられている。図には一つの排気浄化触媒１０しか示されていないが、排気浄化触媒１０は複数設けられてもよい。本実施形態の場合、排気浄化触媒１０は、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる。但し排気浄化触媒１０の数や種類等は任意である。
【００３３】
また、低圧段タービン３ＬＴを迂回もしくはバイパスすべく、ＬＰタービンバイパス通路１１が排気通路６に並設される。ＬＰタービンバイパス通路１１は、高圧段タービン３ＨＴの下流側且つ低圧段タービン３ＬＴの上流側の排気通路６から分岐され、低圧段タービン３ＬＴの下流側且つ排気浄化触媒１０の上流側の排気通路６に合流される。ＬＰタービンバイパス通路１１にはウェイストゲート弁１２が設けられる。
【００３４】
排気通路６における高圧段タービン３ＨＴの上流側もしくは入口部には可変ベーンあるいは可変ノズル（ＶＮ）１３が設けられる。そして高圧段タービン３ＨＴをバイパスすべく、ＨＰタービンバイパス通路１４が排気通路６に並設される。ＨＰタービンバイパス通路１４は、可変ノズル１３の上流側の排気マニホールド１８の位置で排気通路６から分岐され、高圧段タービン３ＨＴの下流側且つＬＰタービンバイパス通路１１の分岐位置の上流側の排気通路６に合流される。ＨＰタービンバイパス通路１４にはＨＰタービンバイパス弁１９が設けられる。
【００３５】
なお、排気マニホールド１８は排気通路６の最上流部をなすもので、エンジン本体２のシリンダヘッドに取り付けられ、各気筒からの排気ガスを合流させる。
【００３６】
高圧段コンプレッサ３ＨＣをバイパスすべく、ＨＰコンプレッサバイパス通路２０が吸気通路５に並設される。ＨＰコンプレッサバイパス通路２０は、低圧段コンプレッサ３ＬＣの下流側且つ高圧段コンプレッサ３ＨＣの上流側の吸気通路５から分岐され、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側且つインタークーラ８の上流側の吸気通路５に合流される。ＨＰコンプレッサバイパス通路２０にはＨＰコンプレッサバイパス弁２１が設けられる。
【００３７】
エンジン本体２からの排気ガス（エンジン排気という）の一部を吸気側に環流するためのＥＧＲ装置４４が設けられる。ＥＧＲ装置４４は、ＥＧＲ通路４５、ＥＧＲクーラ４６およびＥＧＲ弁４７を備える。ＥＧＲ通路４５は、排気マニホールド１８から、スロットルバルブ９と吸気マニホールド４７の間の吸気通路５に延び、両者を連結する。ＥＧＲクーラ４６およびＥＧＲ弁４７はこの順番で上流側から順にＥＧＲ通路４５に設けられる。
【００３８】
なお、吸気マニホールド４７は、吸気通路５の最下流部を構成するもので、エンジン本体２のシリンダヘッドに取り付けられ、吸気を各気筒に分配して供給する。
【００３９】
エンジン本体２の各気筒のインジェクタ４１に燃料を供給すべく、電動式の燃料ポンプ２２が設けられる。燃料ポンプ２２はデリバリパイプ２３に燃料を送り、デリバリパイプ２３内に蓄圧された燃料は各気筒のインジェクタ４１から筒内に直接噴射される。このように本実施形態のエンジンは直噴式だが、噴射方式は特に限定されず、ポート噴射式であってもよい。
【００４０】
また、燃料電池４に燃料を供給すべく、電動式のＦＣ燃料ポンプ１５が設けられる。ＦＣ燃料ポンプ１５と燃料電池４の間には、燃料電池４への燃料供給量を調節するためのＦＣ燃料調量弁１６が設けられる。このように本実施形態においては燃料ポンプがインジェクタ用と燃料電池用とで個別に設けられているが、共用とされてもよい。
【００４１】
その他、車両の各電気部品、電装品もしくは電気負荷に電力を供給するためのバッテリ１７と、エンジン本体２の起動もしくは始動のためエンジン本体２をクランキングする電動モータすなわちスタータモータ４８とが設けられる。バッテリ１７の種類は任意であるが本実施形態では一般的な鉛蓄電池である。スタータモータ４８は、エンジン本体２のクランクシャフトを適宜回転駆動する。
【００４２】
また、吸気通路５から空気を抽出して燃料電池４に供給すべく、給気路２５が設けられる。給気路２５は、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側の吸気通路５から分岐して燃料電池４に接続する第１の給気路２５Ａと、低圧段コンプレッサ３ＬＣおよび高圧段コンプレッサ３ＨＣの間の吸気通路５から分岐して燃料電池４に接続する第２の給気路２５Ｂとを含む。
【００４３】
具体的には、給気路２５には給気制御弁２６が設けられる。そして、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１の下流側のＨＰコンプレッサバイパス通路２０から分岐して給気制御弁２６に接続する第１空気通路３１と、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１の上流側のＨＰコンプレッサバイパス通路２０から分岐して給気制御弁２６に接続する第２空気通路３２と、給気制御弁２６および燃料電池４を互いに接続する第３空気通路３３とが設けられる。ＨＰコンプレッサバイパス通路２０における第１空気通路３１の分岐位置を符号Ｐ１で示し、ＨＰコンプレッサバイパス通路２０における第２空気通路３２の分岐位置を符号Ｐ２で示す。
【００４４】
第１の給気路２５Ａは、ＨＰコンプレッサバイパス通路２０における下流端から分岐位置Ｐ１までの部分と、第１空気通路３１と、第３空気通路３３とによって形成される。
【００４５】
また第２の給気路２５Ｂは、ＨＰコンプレッサバイパス通路２０における上流端から分岐位置Ｐ２までの部分と、第２空気通路３２と、第３空気通路３３とによって形成される。
【００４６】
本実施形態では、給気制御弁２６の下流側もしくは燃料電池４側において、第１の給気路２５Ａと第２の給気路２５Ｂとの下流側部分が第３空気通路３３により共通に形成されている。但しこれらを別々に形成することも当然に可能である。
【００４７】
給気制御弁２６は、燃料電池４に供給される空気（ＦＣ空気ともいう）の供給元を切り替えるための弁であり、言い換えれば給気路２５を第１の給気路２５Ａと第２の給気路２５Ｂとの間で切り替えるための弁である。本実施形態の場合、給気制御弁２６は単一の三方弁で構成され、第１空気通路３１と第２空気通路３２の合流位置に設置されている。しかしながら、その種類や設置位置は任意である。例えば、第１の給気路２５Ａと第２の給気路２５Ｂを完全に別々に形成した場合、これら給気路２５Ａ，２５Ｂに個別に設けられた二方弁により給気制御弁を形成しても構わない。
【００４８】
次に、燃料電池４の排気（ＦＣ排気という）を排気通路６に供給もしくは排出すべく、排気路２７が設けられる。排気路２７は、燃料電池４から延びて高圧段タービン３ＨＴの上流側の排気通路６に接続する第１の排気路２７Ａと、燃料電池４から延びて高圧段タービン３ＨＴおよび低圧段タービン３ＬＴの間の排気通路６に接続する第２の排気路２７Ｂとを含む。
【００４９】
具体的には、排気路２７には排気制御弁２８が設けられる。そして、燃料電池４および排気制御弁２８を互いに接続する第１排気通路３４と、排気制御弁２８から延びて排気マニホールド１８に合流接続する第２排気通路３５と、排気制御弁２８から延び、ＨＰタービンバイパス通路１４の合流位置の下流側且つＬＰタービンバイパス通路１１の分岐位置の上流側の排気通路６に合流接続する第３排気通路３６とが設けられる。排気通路６における第３排気通路３６の合流位置を符号Ｑで示す。
【００５０】
第１の排気路２７Ａは、第１排気通路３４と第２排気通路３５によって形成される。また第２の排気路２７Ｂは、第１排気通路３４と第３排気通路３６によって形成される。
【００５１】
本実施形態では、排気制御弁２８の上流側もしくは燃料電池４側において、第１の排気路２７Ａと第２の排気路２７Ｂとの上流側部分が第１排気通路３４により共通に形成されている。但しこれらを別々に形成することも当然に可能である。
【００５２】
排気制御弁２８は、燃料電池４から排出されるＦＣ排気の排出先を切り替えるための弁であり、言い換えれば排気路２７を第１の排気路２７Ａと第２の排気路２７Ｂとの間で切り替えるための弁である。本実施形態の場合、排気制御弁２８は単一の三方弁で構成され、第２排気通路３５と第３排気通路３６の分岐位置に設置されている。しかしながら、その種類や設置位置は任意である。例えば、第１の排気路２７Ａと第２の排気路２７Ｂを完全に別々に形成した場合、これら排気路２７Ａ，２７Ｂに個別に設けられた二方弁により排気制御弁を形成しても構わない。
【００５３】
なお、本実施形態の場合、第１排気通路３４は、燃料電池４の空気極（カソード）４Ａおよび燃料極（アノード）４Ｂからの排気をそれぞれ合流させてから下流側に送るようになっている。
【００５４】
エンジン１および車両を制御するため、制御装置または制御ユニットとしての電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００が設けられる。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭのような記憶装置、Ａ／Ｄ変換器、入出力インタフェース等を含む。記憶装置には種々のプログラム、データ、マップ等が記憶されており、ＥＣＵ１００はこれらプログラム等を実行することにより種々の制御を実行する。
【００５５】
ＥＣＵ１００は、前述のエアフローメータ７のほか、クランク角センサ５１、アクセル開度センサ５２、ブレーキ油圧センサ５３、車速センサ５４、その他の各種センサ・スイッチ類から各種信号を入力する。またＥＣＵ１００は、前述のインジェクタ４１、点火プラグ４２、スロットルバルブ９、ウェイストゲート弁１２、可変ノズル１３、ＥＧＲ弁４７、スタータモータ４８、燃料ポンプ２２、ＨＰタービンバイパス弁１９、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１、ＦＣ燃料ポンプ１５、ＦＣ燃料調量弁１６、給気制御弁２６、排気制御弁２８に対しそれぞれ制御信号を出力し、これらを制御する。
【００５６】
ＥＣＵ１００は、エアフローメータ７からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量である吸入空気量すなわち吸気流量を検出する。そしてＥＣＵ１００は、アクセル開度センサ５２により検出されたアクセル開度と、エアフローメータ７により検出された吸入空気量との少なくとも一つに基づき、エンジン本体２の負荷を検出する。
【００５７】
ＥＣＵ１００は、クランク角センサ５１からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジン本体２の回転数を検出する。ここで「回転数」とは単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では１分間当たりの回転数ｒｐｍのことをいう。
【００５８】
ここで燃料電池４について詳しく説明する。周知のように、燃料電池４は、空気と燃料（水素）の電気化学反応により発電する。本実施形態の燃料電池４は固体酸化物形もしくは固体電解質形（ＳＯＦＣ）であるが、他の種類の燃料電池、例えば固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）も使用可能である。
【００５９】
燃料電池４は、空気極４Ａ、燃料極４Ｂ、およびこれら電極間に挟まれた電解質で構成されるセルを、セパレータを挟んで複数積層してなるセルスタックから主に構成されている。空気極４Ａには、吸気通路５から送られてきた空気に含まれる酸素Ｏ２が実質的に供給される。燃料極４Ｂには、液体燃料（本実施形態ではガソリン）を改質して得られる水素Ｈ２が実質的に供給される。なお燃料極には一酸化炭素ＣＯが供給されてもよく、この場合反応後に二酸化炭素ＣＯ２が排出される。燃料電池４からの排ガスの主成分は水蒸気である。
【００６０】
他の種類の燃料電池と比較して、ＳＯＦＣを使用するメリットは次の通りである。
（１）作動温度が４５０〜１０００℃と比較的高く、エンジン排気温度にも近いため、高温のＦＣ排気をタービンの駆動に利用できる。
（２）作動温度が高いため燃料を内部で改質可能であり、改質器が省略可能で、液体燃料を直接供給できる。
（３）発電効率が比較的高く（４５〜６５％）、コンパクトである。
【００６１】
本実施形態の場合、燃料電池４は、主電源としてのバッテリ１７を充電するための発電装置、もしくは主電源を補助する補助電源として機能する。それ故、一般的なエンジンと異なり、本実施形態のエンジン１は、クランクシャフトによって機械的に駆動される発電機すなわちオルタネータを備えていない。このオルタネータの代わりに燃料電池４が設けられている。このように機械式発電機を省略することでエンジンのメカニカルロスを低減し、燃費を向上できる。もっとも、燃料電池４を機械式発電機と併用する実施形態や、燃料電池４を動力用等の他の用途に使用する実施形態も可能である。
【００６２】
次に、多段式ターボ過給システムについて説明する。高圧段ターボ過給機３Ｈは低圧段ターボ過給機３Ｌより小型、小径もしくは小容量とされ、主にエンジンの低回転域を高圧段ターボ過給機３Ｈで、高回転域を低圧段ターボ過給機３Ｌで受け持つようになっている。
【００６３】
エンジン回転数がアイドル回転数から上昇すると、まず小型の高圧段ターボ過給機３Ｈの回転が立ち上がり、高圧段ターボ過給機３Ｈによる過給が実行される。これにより低回転域でも高いエンジントルクを得ることができる。また高圧段ターボ過給機３Ｈは低圧段ターボ過給機３Ｌよりも過給レスポンスが良好であり、特にエミッションモード域や常用域においてターボラグを改善することができる。
【００６４】
なお、エミッションモード域とは、各国法規等で定められているエミッションモード（ＪＣ０８等）に従って車両を運転させたときに使用されるエンジン運転領域をいう。また、常用域とは、一般的な車両の運転時に使用されるエンジン運転領域をいう。いずれもエンジンの低回転・低負荷から中回転・中負荷程度までの領域であり、主に高圧段ターボ過給機３Ｈが仕事をする領域である。
【００６５】
その後エンジン回転数がさらに上昇すると、相対的に大型の低圧段ターボ過給機３Ｌの回転が立ち上がり、低圧段ターボ過給機３Ｌによる過給が実行される。これにより高回転域において高いエンジン出力を発生させることができる。低圧段ターボ過給機３Ｌは大型であるため、高回転域における多量の排ガスを受け入れ可能である。
【００６６】
このような作動を実現するため、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１はＥＣＵ１００により概ね次のように制御される。エンジン回転数がアイドル回転数から上昇するとき、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１は始めに全閉に制御される。すると、エンジン排気がＨＰタービン３ＨＴをバイパスすること無く、その全量がＨＰタービン３ＨＴに供給される。これによりＨＰタービン３ＨＴひいてはＨＰコンプレッサ３ＨＣの回転が立ち上がり、ＨＰターボ３Ｈによる過給が行われる。
【００６７】
このとき、ＨＰタービン３ＨＴを通過した排ガスはＬＰタービン３ＬＴに供給されるが、このとき既に排ガスエネルギ（圧力エネルギおよび熱エネルギ）の多くが消費されてしまっているので、ＬＰタービン３ＬＴの駆動度合いは少ない。そしてＬＰコンプレッサ３ＬＣの仕事量も必然的に少ない。ＬＰコンプレッサ３ＬＣにより若干圧力上昇した吸入空気をＨＰコンプレッサ３ＨＣが本格的に過給することになる。
【００６８】
このＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が全閉とされる低回転領域は、実質的にＨＰターボ３Ｈのみによって過給が実行される領域である。この領域をＨＰターボ３Ｈの作動領域という。
【００６９】
その後エンジン回転数が上昇すると、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が徐々に開かれていく。すると、ＨＰタービン３ＨＴをバイパスするエンジン排気の量が増加していき、ＨＰタービン３ＨＴの仕事量が減少すると同時にＬＰタービン３ＬＴの仕事量が増加していく。これに伴い、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの仕事量が減少すると同時にＬＰコンプレッサ３ＬＣの仕事量が増加していく。つまり過給仕事は、ＨＰターボ３ＨからＬＰターボ３Ｌへと徐々に移行していく。
【００７０】
このＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が中間開度とされる中回転領域は、ＨＰターボ３ＨとＬＰターボ３Ｌの両者によって過給が実行される領域である。この領域を遷移領域という。遷移領域は比較的狭いエンジン回転数の幅の領域である。
【００７１】
その後、さらにエンジン回転数が上昇すると、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が全開に制御される。すると、エンジン排気のほぼ全量がＨＰタービン３ＨＴをバイパスし、ＬＰタービン３ＬＴに供給される。このときＨＰタービン３ＨＴの入口圧と出口圧はほぼ等しいので、ＨＰタービン３ＨＴは実質的に仕事をしない。
【００７２】
これに伴い、ＬＰコンプレッサ３ＬＣが本格的に過給を開始する。ＬＰコンプレッサ３ＬＣから吐出された空気は、ほぼ全量、ＨＰコンプレッサ３ＨＣをバイパスしてエンジン本体側に導かれる。そしてこのとき、ＨＰコンプレッサ３ＨＣは実質的に仕事をしない。
【００７３】
このＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１が全開とされる高回転領域は、実質的にＬＰターボ３Ｌのみによって過給が実行される領域である。この領域をＬＰターボ３Ｌの作動領域という。
【００７４】
なお、多段式でない通常のシングルターボと同様、ＬＰターボ３Ｌの作動領域において過給圧が所定の上限圧力に達したときウェイストゲート弁１２が開かれ、過給圧制限制御が実行される。このとき以外ウェイストゲート弁１２は閉止されている。
【００７５】
またＨＰターボ３Ｈの作動領域において、エンジン運転状態に応じて可変ノズル１３の開度が制御され、ＨＰタービン３ＨＴの入口圧が制御される。ＥＧＲ実行の際に排気マニホールド１８内の圧力を高めるため、可変ノズル１３の開度が減少されることもある。
【００７６】
図２に上記の各領域を示す。図中、領域ＡがＨＰターボ３Ｈの作動領域、領域Ｂが遷移領域、領域ＣがＬＰターボ３Ｌの作動領域である。これら領域はエンジン本体２の回転数と負荷によって規定され、マップ形式でＥＣＵ１００に予め記憶されている。ＥＣＵ１００は、このマップに従って上述のようなＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１の開度制御を行い、ひいてはＨＰターボ３ＨとＬＰターボ３Ｌの切替制御を行う。
【００７７】
図示するように、領域Ａと領域Ｂとは所定の境界線Ｌ１で仕切られ、領域Ｃと領域Ｂとは所定の境界線Ｌ２で仕切られる。領域Ａ，Ｃに比べ、領域Ｂは比較的狭い回転数の幅を有する。
【００７８】
領域Ｂは、領域Ａと領域Ｃを、最大回転数の約半分の回転数領域で分断する。境界線Ｌ１，Ｌ２は、互いにほぼ平行であり、回転数の増大につれ負荷が急減するような特性を持つ。つまり回転数の増大につれ、負荷が高いほどより早いタイミングで領域Ａから領域Ｂ、領域Ｃへと順次移行するようになっている。
【００７９】
ＥＣＵ１００は、検出した実際の回転数および負荷、すなわち実際の作動点をマップと比較し、各領域別に上記に述べた如く、ＨＰタービンバイパス弁１９とＨＰコンプレッサバイパス弁２１を制御する。
【００８０】
さて、多段式ターボ過給システム（３Ｌ，３Ｈ）と燃料電池４を備える本実施形態のエンジン１は、燃料電池４の作動中、燃料電池４に供給される空気をＨＰコンプレッサ３ＨＣもしくはＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側の吸気通路５から抽出するよう構成されている。すなわち、ＨＰコンプレッサ３ＨＣもしくはＬＰコンプレッサ３ＬＣを燃料電池４のための空気源としてエンジン本体２と共用し、これらコンプレッサで圧力上昇された吸気の一部を抽出して燃料電池４に供給している。よって、燃料電池に空気を供給するためのモータコンプレッサ等の空気源を別途設けずに済み、装置の複雑化やコスト増大を回避することができる。
【００８１】
また、本実施形態のエンジン１は、燃料電池４の作動中、燃料電池４から排出された排気をＨＰタービン３ＨＴもしくはＬＰタービン３ＬＴの上流側の排気通路６に供給するよう構成されている。これにより、ＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴもしくはＬＰタービン３ＬＴの駆動に有効利用することができる。
【００８２】
以下に、燃料電池４が作動中もしくは発電中であるときの給気制御弁２６および排気制御弁２８の制御について説明する。これら給気制御弁２６および排気制御弁２８も、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１と連動して、図２に示した作動マップに従って制御される。
【００８３】
検出した実際の回転数および負荷がＨＰターボ作動領域Ａに属するとき、空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れは図３に示す如くなる。このときＥＣＵ１００は、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１を全閉に制御する。するとエンジン排気がＨＰタービン３ＨＴに供給され、ＨＰタービン３ＨＴを回転駆動し、ＨＰコンプレッサ３ＨＣが吸気を過給し、実質的にＨＰターボ３Ｈのみによって過給が実行されるようになる。
【００８４】
またこのときＥＣＵ１００は、給気制御弁２６を第１の給気路２５Ａ側に完全に切り替える。すなわちＥＣＵ１００は、第３空気通路３３が第１空気通路３１のみに接続もしくは連通するように給気制御弁２６を切り替える。すると、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側から空気が抽出され、この空気が第１空気通路３１、給気制御弁２６および第３空気通路３３を順次通過して燃料電池４に供給される。
【００８５】
またこのときＥＣＵ１００は、排気制御弁２８を第１の排気路２７Ａ側に完全に切り替える。すなわちＥＣＵ１００は、第１排気通路３４が第２排気通路３５のみに接続もしくは連通するように排気制御弁２８を切り替える。すると、燃料電池４から排出されたＦＣ排気は、第１排気通路３４、排気制御弁２８および第２排気通路３５を順次通過して排気マニホールド１８に供給もしくは排出される。この供給もしくは排出されたＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴの回転駆動に有効に利用することが可能である。
【００８６】
なお当然ながら、ＥＣＵ１００は、ＦＣ燃料ポンプ１５を作動させ、ＦＣ燃料調量弁１６を開弁する。以上により、燃料電池４には空気および燃料が供給され、燃料電池４は発電を実行する。以下、燃料供給の点については説明を省略する。
【００８７】
次に、検出した実際の回転数および負荷がＬＰターボ作動領域Ｃに属するとき、空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れは図４に示す如くなる。このときＥＣＵ１００は、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１を全開に制御する。するとエンジン排気がＨＰタービンバイパス通路１４を通過した後ＬＰタービン３ＬＴに供給され、ＬＰタービン３ＬＴを回転駆動する。そしてＬＰコンプレッサ３ＬＣが吸気を過給し、当該吸気はＨＰコンプレッサバイパス通路２０を通過した後、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側の吸気通路５に供給される。これにより実質的にＬＰターボ３Ｌのみによって過給が実行されるようになる。
【００８８】
またこのときＥＣＵ１００は、給気制御弁２６を第２の給気路２５Ｂ側に完全に切り替える。すなわちＥＣＵ１００は、第３空気通路３３が第２空気通路３２のみに接続もしくは連通するように給気制御弁２６を切り替える。すると、ＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側且つＨＰコンプレッサ３ＨＣの上流側から空気が抽出され、この空気がＨＰコンプレッサバイパス通路２０の上流側部分、第２空気通路３２、給気制御弁２６および第３空気通路３３を順次通過して燃料電池４に供給される。
【００８９】
またこのときＥＣＵ１００は、排気制御弁２８を第２の排気路２７Ｂ側に完全に切り替える。すなわちＥＣＵ１００は、第１排気通路３４が第３排気通路３６のみに接続もしくは連通するように排気制御弁２８を切り替える。すると、燃料電池４から排出されたＦＣ排気は、第１排気通路３４、排気制御弁２８および第３排気通路３６を順次通過して、ＨＰタービン３ＨＴおよびＬＰタービン３ＬＴの間の排気通路６に供給もしくは排出される。この供給もしくは排出されたＦＣ排気をＬＰタービン３ＬＴの回転駆動に有効に利用することが可能である。
【００９０】
次に、検出した実際の回転数および負荷が遷移領域Ｂに属するとき、空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れは図５に示す如くなる。このときＥＣＵ１００は、ＨＰタービンバイパス弁１９およびＨＰコンプレッサバイパス弁２１を、回転数および負荷の増大に応じて次第に開弁していく。つまりこれらは全開と全閉の間の中間開度にあるが、それら開度は次第に増加される。すると、ＨＰタービン３ＨＴに供給されるエンジン排気の量は次第に減少し、ＬＰタービン３ＬＴに供給されるエンジン排気の量は次第に増加する。これに伴い、ＨＰコンプレッサ３ＨＣから吐出される空気の量は次第に減少し、ＬＰコンプレッサ３ＬＣから吐出される空気の量は次第に増加する。こうして過給仕事は、ＨＰターボ３ＨからＬＰターボ３Ｌへと徐々に移行していく。
【００９１】
またこのときＥＣＵ１００は、ＨＰターボ３ＨからＬＰターボ３Ｌへの過給仕事の移行に合わせて、ＦＣ空気の供給元をＨＰターボ３Ｈ側からＬＰターボ側３Ｌへと移行し、且つＦＣ排気の排出先をＨＰターボ３Ｈ側からＬＰターボ側３Ｌへと移行するよう、給気制御弁２６を切り替える。
【００９２】
すなわちＥＣＵ１００は、回転数および負荷の増大に応じて、給気制御弁２６を、第１の給気路２５Ａ側から第２の給気路２５Ｂ側へと徐々に切り替える。言い換えれば、第１の給気路２５Ａの開度割合に対して第２の給気路２５Ｂの開度割合が徐々に大きくなるよう、給気制御弁２６を切り替える。これにより、ＨＰコンプレッサ３ＨＣから吐出される空気量の減少に合わせてＨＰコンプレッサ３ＨＣ下流側から抽出するＦＣ空気量を減少し、且つＬＰコンプレッサ３ＬＣから吐出される空気量の増加に合わせてＬＰコンプレッサ３ＬＣ下流側から抽出するＦＣ空気量を増加し、両コンプレッサの作動態様に合わせたＦＣ空気抽出を実行できる。
【００９３】
同様にＥＣＵ１００は、回転数および負荷の増大に応じて、排気制御弁２８を、第１の排気路２７Ａ側から第２の排気路２７Ｂ側へと徐々に切り替える。言い換えれば、第１の排気路２７Ａの開度割合に対して第２の排気路２７Ｂの開度割合が徐々に大きくなるよう、排気制御弁２８を切り替える。これにより、ＨＰタービン３ＨＴに供給されるエンジン排気の量の減少に合わせてＨＰタービン３ＨＴ上流側に排出するＦＣ排気の量を減少し、且つＬＰタービン３ＬＴに供給されるエンジン排気の量の増加に合わせてＬＰタービン３ＬＴ上流側に排出するＦＣ排気の量を増加し、両タービンの作動態様に合わせたＦＣ排気排出を実行できる。
【００９４】
なお、こうした給気制御弁２６および排気制御弁２８の切替状態を中間切替状態という。給気制御弁２６の中間切替状態では、第１の給気路２５Ａと第２の給気路２５Ｂの両方をＦＣ空気が流れることが許容されるが、前者を流れるＦＣ空気量に対する後者を流れるＦＣ空気量の比率は、回転数および負荷の増大に応じて徐々に増加される。同様に、排気制御弁２８の中間切替状態では、第１の排気路２７Ａと第２の排気路２７Ｂの両方をＦＣ排気が流れることが許容されるが、前者を流れるＦＣ排気量に対する後者を流れるＦＣ排気量の比率は、回転数および負荷の増大に応じて徐々に増加される。
【００９５】
さて、前述したように、一般的に多段式ターボ過給システムにおいては、低圧段ターボ過給機の作動領域において減速、特に急減速が発生した場合に、急減速後の再加速時に加速遅れが生じるという問題がある。
【００９６】
すなわち、低圧段ターボ過給機の作動領域において急減速が発生し、エンジン本体の運転状態が、低圧段ターボ過給機の作動領域から高圧段ターボ過給機の作動領域に移行することがある。しかし、低圧段ターボ過給機の作動領域においては高圧段ターボ過給機のタービンおよびコンプレッサが実質的に回転停止した状態にある。よって急減速後の再加速が発生した時に、高圧段ターボ過給機のタービンおよびコンプレッサの回転がなかなか立ち上がらず、これにより加速遅れが生じてしまう。
【００９７】
一方、本実施形態のように、多段式ターボ過給システムと燃料電池４を備えた内燃機関１においては、燃料電池４からの排気を利用して急減速後の再加速性能を改善することが可能である。以下、このことについて説明する。
【００９８】
まず上述の課題について図２を参照しつつ説明する。図２には、急減速時におけるエンジン本体２の運転状態の変化の一例を概略的に示す。Ｘ１は急減速開始時の作動点（回転数および負荷の組み合わせをいい、エンジン本体の運転状態と同義である）、Ｘ５は急減速終了と共に再加速が開始された時の作動点を示す。エンジン本体２の運転状態はＸ１からＸ５まで、図中矢印で示す如く変化している。
【００９９】
ここで急減速状態とは、エンジン本体２の回転加速度（具体的には回転数の微分値）が負の所定値以下となっている状態をいう。かかる急減速状態は、典型的には、車両のドライバーがアクセルペダルを解放し、且つブレーキペダルを大きく踏み込んだ場合に起こる。この場合、車両の加速度（具体的には車速の微分値）も負の所定値以下となる。また再加速状態は、車両のドライバーがブレーキペダルを解放し且つアクセルペダルを踏み込んだ場合に起こる。
【０１００】
なお、急減速にまで至らない緩減速の場合だと、ゆっくりと作動点Ｘ５に到達するため、作動点Ｘ５に到達した時点でＨＰターボ３Ｈの回転が十分立ち上がっていると予想される。本実施形態は、このような緩減速ではなく急減速の場合に、作動点Ｘ５に到達したのに未だＨＰターボ３Ｈの回転が十分立ち上がっていないという課題に向けられる。緩減速状態は、例えばドライバーがアクセルペダルをゆっくりと戻したり解放するだけの場合や、それに加えて軽くブレーキペダルを踏み込んだ場合に起こる。緩減速と急減速を切り分ける回転加速度の値が前述の負の所定値である。
【０１０１】
実際の作動点を図２の作動マップと比較する上述の基本制御を行うだけだと、急減速中、実際の作動点が作動点Ｘ３のように遷移領域Ｂに入らなければ、ＨＰタービン３ＨＴにエンジン排気およびＦＣ排気を供給できず、ＨＰターボ３Ｈの作動（ＨＰタービン３ＨＴおよびＨＰコンプレッサ３ＨＣの回転）を開始させることができない。
【０１０２】
しかし、本実施形態においては、実際の作動点がＬＰターボ作動領域Ｃにあり、且つ急減速状態であれば、ＨＰタービン３ＨＴに少なくともＦＣ排気を供給し、ＨＰターボ３Ｈの作動を開始させる。すなわち、ＬＰターボ作動領域Ｃにおいて急減速が発生した場合、その後にＨＰターボ作動領域Ａに入り且つ再加速が発生するものとみなして、予めＨＰターボ３Ｈの作動を開始させる。この場合、急減速開始時の作動点Ｘ１の位置からＨＰタービン３ＨＴへのＦＣ排気供給が開始されることとなる。
【０１０３】
こうすることで、再加速前に予めＨＰターボ３Ｈに与回転もしくは助走回転を与えることができ、再加速時におけるＨＰターボ３Ｈの回転立ち上がりを早め、再加速性能を改善することが可能である。
【０１０４】
この場合の制御について、ＥＣＵ１００は、実際の作動点がＬＰターボ作動領域Ｃにあり且つ急減速状態であるとき、排気制御弁２８を第１の排気路２７Ａ側に、完全にもしくは部分的に切り替える。完全に切り替えた場合、ＦＣ排気の全量がＨＰタービン３ＨＴに供給されるため、最も好ましい。部分的に切り替えた場合、これは前述の中間切替状態を意味するが、それでもＦＣ排気の一部がＨＰタービン３ＨＴに供給されるため、依然好ましい。なお部分的に切り替えた場合にはＦＣ排気の残部がＬＰタービン３ＬＴに供給されるため、ＬＰターボ３Ｌのターボバランスを維持するという点では好ましい。
【０１０５】
実際の作動点がＬＰターボ作動領域Ｃにあり且つ急減速状態であるときの空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを図６に示す。図示例では、排気制御弁２８が第１の排気路２７Ａ側に完全に切り替えられている。ＦＣ排気は、第１排気通路３４、排気制御弁２８および第２排気通路３５を順次通過して排気マニホールド１８に供給され、その後ＨＰタービン３ＨＴに供給されてＨＰタービン３ＨＴを回転駆動する。ＨＰタービンバイパス弁１９は、ＨＰターボ作動領域Ａのときと同じように、全閉に制御される。ＦＣ排気がＨＰタービンバイパス通路１４を流れることを阻止し、ＨＰタービン３ＨＴを迂回しないようにするためである。
【０１０６】
かかる急減速状態のときには、通常アクセルペダルが解放されるので、燃料噴射用インジェクタ４１からの燃料噴射を停止するフューエルカット制御が実行され、エンジン本体２からはエンジン排気として空気が排出される。この空気によってもＨＰタービン３ＨＴを回転駆動できるが、エンジン本体２からの排気エネルギは空気の持つ運動エネルギだけであり、熱エネルギは実質的に存在しない。一方、ＦＣ排気は比較的高温であり、運動エネルギだけでなく熱エネルギをも有する。よってＨＰタービン３ＨＴを回転駆動するのに好適であり、これを以てＨＰターボ３Ｈを効率的に作動させることができる。
【０１０７】
空気側のＨＰコンプレッサバイパス弁２１および給気制御弁２６は、基本制御に従い、それぞれ全開および第２の給気路２５Ｂ側に制御される。
【０１０８】
一方、本実施形態のより好ましい態様において、ＥＣＵ１００は、実際の作動点がＬＰターボ作動領域Ｃにあり且つ急減速状態であるとき、現時点から所定時間ｔｐ経過後の作動点を予測し、予測した作動点がＨＰターボ作動領域Ａにあるとき、排気制御弁２８を第１の排気路２７Ａ側に切り替える。
【０１０９】
図２に示すように、実際の作動点がＸ２の位置にある時に予測された作動点がＸ４である。この予測作動点Ｘ４は、最初にＨＰターボ作動領域Ａに入った予測作動点である。よって、実際の作動点がＸ２の位置にある時に排気制御弁２８が第１の排気路２７Ａ側に切り替えられ、ＨＰタービン３ＨＴへのＦＣ排気供給が開始される。
【０１１０】
この好ましい態様によれば、現時点から所定時間ｔｐ経過後の作動点を予測した上で排気制御弁２８を切り替える。よって、実際の作動点がＨＰターボ作動領域Ａに入ることがほぼ確実になった場合のみ、排気制御弁２８を切り替えることができ、制御を最適化することが可能となる。
【０１１１】
所定時間ｔｐは、実機試験等に基づいて予め設定もしくは適合され、ＥＣＵ１００に予め記憶されている。後述する他の所定値についても同様である。所定時間ｔｐは例えば数秒程度の値に設定される。
【０１１２】
以下に本実施形態の好ましい制御の一例を図７を参照して説明する。図示する制御ルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ毎に繰り返し実行される。
【０１１３】
ステップＳ１０１では、現時点における実際の作動点がＬＰターボ作動領域Ｃ内にあるか否かが判断される。ＬＰターボ作動領域Ｃ内になければルーチンが終了され、ＬＰターボ作動領域Ｃ内にあればステップＳ１０２に進む。
【０１１４】
ステップＳ１０２では、現時点におけるエンジン本体２の運転状態が急減速状態であるか否かが判断される。この判断に際しては、現時点におけるエンジン回転数Ｎｅの微分値ｄＮｅが算出され、この回転数微分値ｄＮｅが負の所定値ｄＮｅｔｈ以下となっている場合には急減速状態と判断され、そうでない場合には急減速状態でないと判断される。エンジン回転数Ｎｅの微分値ｄＮｅは、エンジン回転数Ｎｅの今回値から前回値を差し引いた差を演算周期τで除して算出される。急減速状態でないと判断された場合にはルーチンが終了され、急減速状態であると判断された場合にはステップＳ１０３に進む。
【０１１５】
ここで、回転数微分値ｄＮｅに加えもしくはこれに代わり、ブレーキ情報および車速情報の少なくとも一方に基づいて急減速判断を行ってもよい。例えば、ブレーキ油圧センサ５３により検出されたブレーキ油圧が所定値以上のときに、ドライバーがブレーキペダルを大きく踏み込んだとみなして、急減速状態と判断してもよい。あるいは、車速センサ５４により検出された車速の微分値が負の所定値以下のときに、急減速状態と判断してもよい。これら両条件が成立した場合に急減速状態と判断してもよい。
【０１１６】
このほかにも、車両に設置された前後Ｇセンサ（図示せず）により前後加速度を検出し、この値に基づいて急減速を判断してもよい。いずれにしても、急減速判断の方法は公知方法を含め任意である。
【０１１７】
ステップＳ１０３では、現時点から所定時間ｔｐ経過後の作動点が予測される。この予測に際しては、現時点のエンジン回転数Ｎｅに、現時点の微分値ｄＮｅと所定時間ｔｐの積（ｄＮｅ×ｔｐ）を加えることにより、所定時間ｔｐ経過後のエンジン回転数Ｎｅｐが算出もしくは予測される。また、急減速時にはアクセルペダルが完全に解放されているとみなせるので、所定時間ｔｐ経過後のエンジン負荷ＫＬｐは、最小のエンジン負荷ＫＬｍｉｎと等しいとされる。これらエンジン回転数とエンジン負荷の組み合わせ（Ｎｅｐ，ＫＬｐ）が所定時間ｔｐ経過後の作動点として予測される。
【０１１８】
なお、この方法に加えもしくはこれに代わり、前述のブレーキ情報、車速情報、前後加速度情報の少なくとも一つに基づき、所定時間ｔｐ経過後の作動点を予測してもよい。予測方法は公知方法を含め任意である。
【０１１９】
次に、ステップＳ１０４において、予測作動点（Ｎｅｐ，ＫＬｐ）がＨＰターボ作動領域Ａ内にあるか否かが判断される。ＨＰターボ作動領域Ａ内になければルーチンが終了され、ＨＰターボ作動領域Ａ内にあればステップＳ１０５に進む。
【０１２０】
ステップＳ１０５では、ＦＣ排気がＨＰタービン３ＨＴの上流側に供給されるよう、排気制御弁２８が第１の排気路２７Ａ側に完全に切り替えられる。なお、これに代わって、前述したように、排気制御弁２８が第１の排気路２７Ａ側に部分的に切り替えられてもよい。以上でルーチンが終了される。
【０１２１】
このように排気制御弁２８を切り替えることにより、実際の作動点が遷移領域Ｂに入るよりも前にＨＰタービン３ＨＴへのＦＣ排気供給を開始でき、再加速前により早いタイミングからＨＰターボ３Ｈに与回転もしくは助走回転を与えることができる。そして図２に示したような作動点Ｘ５の位置で再加速が開始された時のＨＰターボ３Ｈの初期回転数を、基本制御を行った場合に比べ、高めることができる。これにより、再加速が発生したときの再加速性能を改善することができる。
【０１２２】
なお、実際の作動点がＬＰターボ作動領域Ｃ内にあり、急減速状態であり、且つ排気制御弁２８が第１の排気路２７Ａ側に切り替えられたときの空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れは図６に示した通りである。
【０１２３】
各判断ステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４がノーの場合には、図２の作動マップに従った上述の基本制御が実行される。特に、実際の作動点がＨＰターボ作動領域Ａ内に入り、且つ再加速が開始された場合には、基本制御に従い、図３に示す如く、ＦＣ排気およびエンジン排気がＨＰタービン３ＨＴに供給される。
【０１２４】
以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関の用途や形式等は任意であり、自動車用以外であってもよい。
【０１２５】
図７に示した制御例からステップＳ１０３，Ｓ１０４を省略した変形例も可能である。
【０１２６】
本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１  内燃機関（エンジン）
２  エンジン本体
３Ｌ  低圧段ターボ過給機（ＬＰターボ）
３ＬＴ  低圧段タービン（ＬＰタービン）
３ＬＣ  低圧段コンプレッサ（ＬＰコンプレッサ）
３Ｈ  高圧段ターボ過給機（ＨＰターボ）
３ＨＴ  高圧段タービン（ＨＰタービン）
３ＨＣ  高圧段コンプレッサ（ＨＰコンプレッサ）
４  燃料電池（ＦＣ）
４Ａ  空気極
４Ｂ  燃料極
５  吸気通路
６  排気通路
７  エアフローメータ
１７  バッテリ
２５  給気路
２５Ａ  第１の給気路
２５Ｂ  第２の給気路
２６  給気制御弁
２７  排気路
２７Ａ  第１の排気路
２７Ｂ  第２の排気路
２８  排気制御弁
３１  第１空気通路
３２  第２空気通路
３３  第３空気通路
３４  第１排気通路
３５  第２排気通路
３６  第３排気通路
５１  クランク角センサ
５２  アクセル開度センサ
５３  ブレーキ油圧センサ
５４  車速センサ
１００  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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