(57)【要約】【課題】高圧段および低圧段ターボ過給機の切り替え時におけるトルク段差を抑制する。【解決手段】本発明に係る内燃機関１は、燃料電池４と、低圧段タービン３ＬＴおよび低圧段コンプレッサ３ＬＣを有する低圧段ターボ過給機３Ｌと、高圧段タービン３ＨＴおよび高圧段コンプレッサ３ＨＣを有する高圧段ターボ過給機３Ｈと、燃料電池４と高圧段タービン３ＨＴ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４と高圧段タービン３ＨＴおよび低圧段タービン３ＬＴの間の排気通路６とを接続する第２の排気路２７Ｂと、第１および第２の排気路を切り替える排気路切替手段２８，１００とを備える。内燃機関の運転状態が、高圧段ターボ過給機３Ｈの作動領域と低圧段ターボ過給機３Ｌの作動領域との間の遷移領域Ｂにあるとき、排気路切替手段２８，１００が第２の排気路２７Ｂに切り替える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、低圧段タービンおよび低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、高圧段タービンおよび高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機とを備え、
排気通路において、前記低圧段タービンが前記高圧段タービンの下流側に配設され、吸気通路において、前記高圧段コンプレッサが前記低圧段コンプレッサの下流側に配設され、
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、前記第１および第２の排気路を切り替える排気路切替手段とを備え、
内燃機関の運転状態が、前記高圧段ターボ過給機の作動領域と前記低圧段ターボ過給機の作動領域との間の遷移領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第２の排気路に切り替える
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃料電池と前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路とを接続する第１の給気路と、前記燃料電池と前記低圧段コンプレッサおよび前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路とを接続する第２の給気路と、前記第１および第２の給気路を切り替える給気路切替手段とをさらに備え、
前記内燃機関の運転状態が前記遷移領域にあるとき、前記給気路切替手段が前記第１の給気路に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関の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、前記排気路切替手段が前記第１の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第１の給気路に切り替える
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記内燃機関の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第２の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第２の給気路に切り替える
ことを特徴とする請求項２または３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、特に燃料電池と多段式ターボ過給システム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、低圧段ターボ過給機と高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。例えば特許文献１には、大型ターボ過給機と小型ターボ過給機とを有するターボ過給機付エンジンが開示されている。大型ターボ過給機において、コンプレッサとタービンを連結する連結軸にクラッチが介設され、クラッチよりもコンプレッサ側の連結軸にはコンプレッサの回転をアシストするための電動モータが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５８４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、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。しかしこうすると、次のような課題が発生する。
【０００５】
一般に、多段式ターボ過給システムにおいては、内燃機関の低回転域を高圧段ターボ過給機で受け持ち、内燃機関の高回転域を低圧段ターボ過給機で受け持つようになっている。そしてこれらターボ過給機を切り替える際に、エンジントルクの段差が発生し、ドライバビリティを損なうという問題がある。
【０００６】
この問題に対処するため、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機のサイズ差を縮小することが考えられる。しかし、燃料電池を組み合わせると当該サイズ差を縮小するのが困難な場合がある。こうした場合に、前述のトルク段差の問題を解消するのが困難となる。
【０００７】
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、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機の切り替え時におけるトルク段差を抑制することが可能な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】
【０００８】
本発明の一の態様によれば、
燃料電池と、低圧段タービンおよび低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、高圧段タービンおよび高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機とを備え、
排気通路において、前記低圧段タービンが前記高圧段タービンの下流側に配設され、吸気通路において、前記高圧段コンプレッサが前記低圧段コンプレッサの下流側に配設され、
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、前記第１および第２の排気路を切り替える排気路切替手段とを備え、
内燃機関の運転状態が、前記高圧段ターボ過給機の作動領域と前記低圧段ターボ過給機の作動領域との間の遷移領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第２の排気路に切り替える
ことを特徴とする内燃機関が提供される。
【０００９】
ここで、「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。
【００１０】
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。
【００１１】
「高圧段タービンおよび低圧段タービンの間の排気通路」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。
【００１２】
好ましくは、前記内燃機関が、前記燃料電池と前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路とを接続する第１の給気路と、前記燃料電池と前記低圧段コンプレッサおよび前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路とを接続する第２の給気路と、前記第１および第２の給気路を切り替える給気路切替手段とをさらに備え、
前記内燃機関の運転状態が前記遷移領域にあるとき、前記給気路切替手段が前記第１の給気路に切り替える。
【００１３】
好ましくは、前記内燃機関の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、前記排気路切替手段が前記第１の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第１の給気路に切り替える。
【００１４】
好ましくは、前記内燃機関の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第２の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第２の給気路に切り替える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機の切り替え時におけるトルク段差を抑制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】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】エンジン運転領域のマップを示す図である。
【図３】回転数および負荷が領域Ａに属するときの空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図４】回転数および負荷が領域Ｃに属するときの空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図５】回転数および負荷が領域Ｂに属するときの空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（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。
【００２１】
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、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と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。
【００２２】
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している。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、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、それぞれ配設されている。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、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、それぞれ配設されている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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は三元触媒からなる。但し排気浄化触媒１０の種類は任意である。
【００２６】
また、低圧段タービン３ＬＴをバイパスする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の上流側で排気通路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の上流側で排気通路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。
【００２７】
排気通路６における高圧段タービン３ＨＴの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をバイパスする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で排気通路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。
【００２８】
なお、排気マニホールド１８は排気通路６の最上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、各気筒からの排気ガスを合流させる。
【００２９】
高圧段コンプレッサ３ＨＣをバイパスする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の上流側で吸気通路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の上流側で吸気通路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。
【００３０】
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と吸気マニホールド４７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。
【００３１】
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。
【００３２】
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が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。
【００３３】
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。
【００３４】
その他、車両の各電気部品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。
【００３５】
吸気通路５から空気を抽出して燃料電池４に供給するため、給気路２５が設けられる。そして給気路２５には給気制御弁２６が設けられる。給気路２５は、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側且つインタークーラ８の上流側の吸気通路５から分岐され、給気制御弁２６に接続される第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から分岐され、給気制御弁２６に接続される第２空気通路３２と、給気制御弁２６および燃料電池４を接続する第３空気通路３３とを含む。吸気通路５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。特に、吸気通路５において、第１空気通路３１の分岐位置Ｐ１は、ＨＰコンプレッサバイパス通路２０の合流位置よりも下流側である。
【００３６】
第１空気通路３１と第３空気通路３３とが、燃料電池４と高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側の吸気通路５とを接続する第１の給気路２５Ａを構成する。また、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とが、燃料電池４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とを接続する第２の給気路２５Ｂを構成する。給気路２５は第１の給気路２５Ａと第２の給気路２５Ｂを含む。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。
【００３７】
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。
【００３８】
次に、燃料電池４からの排ガス（ＦＣ排気という）を排気通路６に供給もしくは排出するため、排気路２７が設けられる。そして排気路２７には排気制御弁２８が設けられる。排気路２７は、燃料電池４および排気制御弁２８を接続する第１排気通路３４と、排気制御弁２８から延び、排気マニホールド１８に合流される第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に合流される第３排気通路３６とを含む。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。
【００３９】
第１排気通路３４と第２排気通路３５とが、燃料電池４と高圧段タービン３ＨＴの上流側の排気通路６とを接続する第１の排気路２７Ａを構成する。また、第１排気通路３４と第３排気通路３６とが、燃料電池４と高圧段タービン３ＨＴおよび低圧段タービン３ＬＴの間の排気通路６とを接続する第２の排気路２７Ｂを構成する。排気路２７は、第１の排気路２７Ａと第２の排気路２７Ｂを含む。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。
【００４０】
排気制御弁２８は、燃料電池４から排出されるＦＣ排気の供給先を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。
【００４１】
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からの排ガス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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、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および排気制御弁２８に対しそれぞれ制御信号を出力し、これらを制御する。
【００４４】
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１の負荷を検出する。
【００４５】
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１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。
【００４６】
ここで燃料電池４について詳しく説明する。燃料電池４は、周知のように、空気と燃料（水素）と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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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より小型もしくは小径とされ、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。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、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できる。
【００５１】
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、車両の一般的な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。
【００５２】
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トルク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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、本実施形態のエンジン１は、燃料電池４から排出される排ガスを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。
【００６４】
ところで、前述したように、本実施形態のような多段式ターボ過給システムにおいては、エンジン回転数の上昇につれターボ過給機をＨＰターボ３ＨからＬＰターボ３Ｌに切り替える際に、エンジントルクの段差が発生し、ドライバビリティを損なうという問題がある。なお同様の問題が、エンジン回転数の下降につれターボ過給機を逆方向に切り替える際にも発生し得る。このトルク段差が発生する理由は、主にＬＰターボ３ＬがＨＰターボ３Ｈに比して大型で、回転数および過給圧が立ち上がり難いためである。
【００６５】
この問題に対処するため、ＨＰターボ３ＨとＬＰターボ３Ｌのサイズ差を縮小することが考えられる。しかし、本実施形態のように燃料電池４を装備した場合にはかかるサイズ差の縮小が比較的困難である。すなわち、ＬＰターボ３Ｌの作動領域においては、ＦＣ空気をＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側から抽出するが、その抽出分の空気を補填して同一のエンジン出力を保つために、ＬＰターボ３Ｌを大型化しなければならない。従って上記サイズ差の縮小は困難である。
【００６６】
また最近ではエンジンのダウンサイジング、すなわちエンジン本体２の小排気量化が進んでいる。こうした状況下において、必要なエンジン出力を確保するためにＬＰターボ３Ｌは大型化する傾向にある。このことも上記サイズ差の縮小が困難な理由である。
【００６７】
そこで、ＨＰターボ３ＨとＬＰターボ３Ｌの切り替え時におけるトルク段差を抑制するために、本実施形態では次の制御を実行することとしている。
【００６８】
図２は、エンジンの回転数および負荷で規定されるエンジン運転領域のマップを示す。このマップは予め実機試験等に基づき作成され、ＥＣＵ１００に予め記憶されている。ＥＣＵ１００は、このマップに従ってＨＰターボ３ＨとＬＰターボ３Ｌの切替制御、具体的には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の開度制御を行う。また同時に、ＥＣＵ１００は、このマップに従って燃料電池４に対する給排気制御、具体的には給気制御弁２６および排気制御弁２８の切替制御を行う。
【００６９】
図２に示すように、エンジンの全運転領域は複数（三つ）の領域に区分されている。領域Ａは前述の低回転領域であり、ＨＰターボ３Ｈの作動領域である。領域Ｃは前述の高回転領域であり、ＬＰターボ３Ｌの作動領域である。領域Ｂは、前述したような領域Ａと領域Ｃの間の中回転領域あるいは遷移領域である。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。
【００７０】
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有する。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。
【００７１】
ＥＣＵ１００は、検出した実際の回転数および負荷をマップと比較し、各領域別に以下に述べる如く、ＨＰタービンバイパス弁１９、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１、給気制御弁２６および排気制御弁２８を制御する。なお以下の説明では燃料電池４が作動中もしくは発電中であることを前提とする。
【００７２】
検出した実際の回転数および負荷が領域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。
【００７３】
またこのとき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。すなわちＥＣＵ１００は、給気路２５を第１の給気路２５Ａに切り替える。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。
【００７４】
またこのとき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。すなわちＥＣＵ１００は、排気路２７を第１の排気路２７Ａに切り替える。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。
【００７５】
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。
【００７６】
次に、検出した実際の回転数および負荷が領域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。
【００７７】
またこのとき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。すなわちＥＣＵ１００は、給気路２５を第２の給気路２５Ｂに切り替える。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。
【００７８】
またこのとき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。すなわちＥＣＵ１００は、排気路２７を第２の排気路２７Ｂに切り替える。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。
【００７９】
ところで、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、全閉と全開との間の中間開度に制御する。すると排気マニホールド１８内のエンジン排気は、ＨＰタービン３ＨＴとＬＰタービン３ＬＴの両者に供給され、両者を回転駆動する。そして、ＬＰタービン３ＬＴにより回転駆動されるＬＰコンプレッサ３ＬＣにより昇圧された吸気は、一部がＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給され、残部がＨＰコンプレッサバイパス通路２０を通過（つまりＨＰコンプレッサ３ＨＣをバイパス）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、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ようになる。
【００８０】
このときＥＣＵ１００は、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれ、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の開度が増大するよう、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を制御する。これにより、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれ、ＬＰターボ３Ｌの仕事量を徐々に増加させると共にＨＰターボ３Ｈの仕事量を徐々に減少させ、領域Ａと領域Ｃの間の移行をできるだけスムーズに行うことができる。
【００８１】
もっとも、このようなターボ切替制御を行っても領域Ａと領域Ｃの間を移行するときのトルク段差の解消には改善の余地が残されている。そこで本実施形態では次のような制御を実行する。
【００８２】
すなわち、図５に示すように、ＥＣＵ１００は、領域Ａのときと同様、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。すなわちＥＣＵ１００は、給気路２５を第１の給気路２５Ａに切り替える。
【００８３】
また、ＥＣＵ１００は、領域Ｃのときと同様、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。すなわちＥＣＵ１００は、排気路２７を第２の排気路２７Ｂに切り替える。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。
【００８４】
特に、この供給もしくは排出されたＦＣ排気を利用して、ＬＰタービン３ＬＴひいてはＬＰコンプレッサ３ＬＣを回転駆動し、これらに与回転を与えることができる。具体的には、回転数および負荷が領域Ａから領域Ｂを通過して領域Ｃに移行するような場合、領域Ｃに移行する手前の領域Ｂにおいて、ＦＣ排気によりＬＰタービン３ＬＴひいてはＬＰコンプレッサ３ＬＣに与回転を与えることができる。よってＬＰターボ３Ｌにおける回転数とその立ち上がり速度、ひいては過給圧とその上昇速度を増大することができ、トルク段差を抑制もしくは低減することが可能となる。
【００８５】
このトルク段差の抑制により、ＨＰターボ３Ｈに比して大型のＬＰターボ３Ｌを採用できるようになり、両者のサイズ差を比較的拡大することができる。そして本実施形態のような燃料電池４を装備したエンジン１に好適となり、エンジンのダウンサイジングにも容易に対応可能となる。
【００８６】
また、給気路２５を第１の給気路２５Ａに切り替え、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側、特にＨＰコンプレッサバイパス通路２０の合流位置よりも下流側の吸気通路５からＦＣ空気を抽出するので、ＨＰコンプレッサ３ＨＣから吐出された空気とＬＰコンプレッサ３ＬＣから吐出された空気とを併せてＦＣ空気として抽出することができ、燃料電池４に安定的に空気を供給することができる。
【００８７】
もっとも、領域Ｂでは、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれＬＰターボ３Ｌの仕事量が徐々に増加され、ＨＰターボ３Ｈの仕事量が徐々に減少される。よってこの特性に合わせて、給気制御弁２６の開度制御を行うのも好ましい。すなわち、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれ、第２空気通路３２側（第２の給気路２５Ｂ側）の開度が第１空気通路３１側（第１の給気路２５Ａ側）の開度に対し徐々に大きくなるよう、給気制御弁２６を制御する。これにより、比較的狭い領域Ｂ内においても両ターボの運転特性に合わせてＦＣ空気を適切な位置から抽出し続けることができる。
【００８８】
ところで本実施形態のエンジン１においては、燃料電池４の自立運転が可能である。ここで燃料電池４の自立運転とは、エンジン本体２を停止させた状態で、燃料電池４の排ガスによりＨＰターボ３ＨおよびＬＰターボ３Ｌの一方のタービンおよびコンプレッサを回転させ、燃料電池４へ空気供給できるようにし、併せて燃料供給を行うことにより燃料電池４が運転もしくは発電し続ける状態をいう。この自立運転は、エンジン本体２の停止中にバッテリ残量が所定の閾値以下に低下し、もしくは電気負荷使用によりバッテリからの放電量が所定の閾値以上に増大し、燃料電池４による発電が必要になったときに行われる。
【００８９】
例えば、ＨＰターボ３Ｌを使って燃料電池４を自立運転させる場合、ＥＣＵ１００は、図３に示すように、給気路２５を第１の給気路２５Ａに切り替え、排気路２７を第１の排気路２７Ａに切り替える。そしてＦＣ排気によりＨＰタービン３ＨＴを駆動し、ＨＰコンプレッサ３ＨＣからの空気を燃料電池４に供給し、併せてＦＣ燃料ポンプ１５を作動させ、ＦＣ燃料調量弁１６を開弁する。また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。なおエンジン停止時には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が全閉となっているので、燃料電池４の自立運転中はこの状態が保持されることとなる。
【００９０】
自立運転を開始させるにはＨＰターボ３Ｈに初動を与えなければならないが、これは、ＥＣＵ１００により短時間だけスタータモータ４８をオンし、エンジン本体２をモータリング運転させることにより行われる。
【００９１】
詳細な説明は省略するが、ＬＰターボ３Ｌを使った燃料電池４の自立運転も同様に可能である。
【００９２】
以上の説明から理解されるように、本実施形態においては、ＥＣＵ１００および排気制御弁２８が排気路切替手段を構成し、ＥＣＵ１００および給気制御弁２６が給気路切替手段を構成する。
【００９３】
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。
【００９４】
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】
【００９５】
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）
５  吸気通路
６  排気通路
１４  ＨＰタービンバイパス通路
１５  ＦＣ燃料ポンプ
１６  ＦＣ燃料調量弁
１７  バッテリ
１９  ＨＰタービンバイパス弁
２０  ＨＰコンプレッサバイパス通路
２１  ＨＰコンプレッサバイパス弁
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
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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