(57)【要約】【課題】ターボチャージャと燃料電池を備えた内燃機関において、内燃機関を起動することなく燃料電池のみを起動することを可能にする。【解決手段】本発明の一の態様によれば、ターボチャージャと、コンプレッサ下流側の吸気通路から空気を導入し、タービン上流側の排気通路に排ガスを排出する燃料電池と、エンジン本体をクランキングするためのモータと、エンジン本体および燃料電池の停止中に燃料電池に対する起動要求が発生したとき、エンジン本体における燃料噴射を停止した状態でモータを作動させ、エンジン本体をクランキングする制御装置と、を備えることを特徴とする内燃機関が提供される。【選択図】図２
2014072144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャと、
コンプレッサ下流側の吸気通路から空気を導入し、タービン上流側の排気通路に排ガスを排出する燃料電池と、
エンジン本体をクランキングするためのモータと、
前記エンジン本体および前記燃料電池の停止中に前記燃料電池に対する起動要求が発生したとき、前記エンジン本体における燃料噴射を停止した状態で前記モータを作動させ、前記エンジン本体をクランキングする制御装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御装置は、バッテリ残量が所定のしきい値以下になったときに前記起動要求が発生したと判断する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記制御装置は、前記モータを所定時間作動させ、その後前記燃料電池が自立運転するように制御を行う
ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記制御装置は、前記モータの作動中に前記コンプレッサからの吐出空気を前記燃料電池に供給せずに前記エンジン本体に供給し、前記モータの作動停止後、前記コンプレッサからの吐出空気を前記エンジン本体に供給せずに前記燃料電池に供給するよう、制御を行う
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記コンプレッサ下流側の吸気通路から分岐して前記燃料電池に接続する給気路と、
前記吸気通路および前記給気路の少なくとも一方に設けられ、前記コンプレッサからの吐出空気を前記エンジン本体および前記燃料電池の一方または両方に導くよう切替可能な給気弁と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記モータの作動中に前記コンプレッサからの吐出空気を前記エンジン本体のみに導き、前記モータの作動停止後に前記コンプレッサからの吐出空気を前記燃料電池のみに導くよう、前記給気弁を切り替える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記タービン上流側の排気通路から分岐して前記給気路または前記燃料電池に接続する補助給気路と、
前記排気通路および前記補助給気路の少なくとも一方に設けられ、前記エンジン本体からの排ガスを前記燃料電池および前記タービンの一方または両方に導くよう切替可能な補助給気弁と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記モータの作動中に前記エンジン本体からの排ガスを前記燃料電池のみに導き、前記モータの作動停止後に前記エンジン本体からの排ガスを前記タービンのみに導くよう、前記補助給気弁を切り替える
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記制御装置は、前記起動要求発生時から所定時間以内に前記燃料電池への燃料供給を開始するよう、制御を行う
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に係り、特にターボチャージャと燃料電池を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に燃料電池を組み合わせることが提案されている。例えば特許文献１は複合発電設備を開示し、この設備では、圧縮機で圧縮された空気が往復動機関と燃料電池に供給され、往復動機関と燃料電池の排気がガスタービンに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１６９６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボチャージャを有する内燃機関に燃料電池を組み合わせる場合、ターボチャージャのコンプレッサから吐出された空気を燃料電池に送り、燃料電池からの排ガスをターボチャージャ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、燃料電池からの排ガスをタービンの駆動に有効利用して効率およびターボレスポンスを高められるからである。
【０００５】
ところで、内燃機関（具体的にはエンジン本体）も燃料電池も共に停止状態であるときに燃料電池の起動が必要となった場合、上記構成だと基本的に内燃機関を起動（もしくは始動）しなくてはならない。内燃機関の排気ガスでタービンひいてはコンプレッサを回転駆動し、燃料電池に空気を供給しなければならないからである。
【０００６】
しかし、内燃機関を起動すると必然的に燃料を消費し、燃費が悪化する。またかかる起動を自動的に行うこととすれば、ユーザにとって予期せぬエンジン始動が起こり、違和感等の原因となる。
【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、ターボチャージャと燃料電池を備えた内燃機関において、内燃機関を起動することなく燃料電池のみを起動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、
ターボチャージャと、
コンプレッサ下流側の吸気通路から空気を導入し、タービン上流側の排気通路に排ガスを排出する燃料電池と、
エンジン本体をクランキングするためのモータと、
前記エンジン本体および前記燃料電池の停止中に前記燃料電池に対する起動要求が発生したとき、前記エンジン本体における燃料噴射を停止した状態で前記モータを作動させ、前記エンジン本体をクランキングする制御装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関が提供される。
【０００９】
好ましくは、前記制御装置は、バッテリ残量が所定のしきい値以下になったときに前記起動要求が発生したと判断する。
【００１０】
好ましくは、前記制御装置は、前記モータを所定時間作動させ、その後前記燃料電池が自立運転するように制御を行う。
【００１１】
ここで「燃料電池が自立運転する」とは、燃料電池の排ガスによってタービンおよびコンプレッサが回転し、クランキングを行わなくても燃料電池への空気供給ができるようになり、併せて燃料供給を行うことにより燃料電池が運転し続けることをいう。
【００１２】
好ましくは、前記制御装置は、前記モータの作動中に前記コンプレッサからの吐出空気を前記燃料電池に供給せずに前記エンジン本体に供給し、前記モータの作動停止後、前記コンプレッサからの吐出空気を前記エンジン本体に供給せずに前記燃料電池に供給するよう、制御を行う。
【００１３】
好ましくは、前記内燃機関は、前記コンプレッサ下流側の吸気通路から分岐して前記燃料電池に接続する給気路と、前記吸気通路および前記給気路の少なくとも一方に設けられ、前記コンプレッサからの吐出空気を前記エンジン本体および前記燃料電池の一方または両方に導くよう切替可能な給気弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記モータの作動中に前記コンプレッサからの吐出空気を前記エンジン本体のみに導き、前記モータの作動停止後に前記コンプレッサからの吐出空気を前記燃料電池のみに導くよう、前記給気弁を切り替える。
【００１４】
好ましくは、前記内燃機関は、前記タービン上流側の排気通路から分岐して前記給気路または前記燃料電池に接続する補助給気路と、前記排気通路および前記補助給気路の少なくとも一方に設けられ、前記エンジン本体からの排ガスを前記燃料電池および前記タービンの一方または両方に導くよう切替可能な補助給気弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記モータの作動中に前記エンジン本体からの排ガスを前記燃料電池のみに導き、前記モータの作動停止後に前記エンジン本体からの排ガスを前記タービンのみに導くよう、前記補助給気弁を切り替える。
【００１５】
好ましくは、前記制御装置は、前記起動要求発生時から所定時間以内に前記燃料電池への燃料供給を開始するよう、制御を行う。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ターボチャージャと燃料電池を備えた内燃機関において、内燃機関を起動することなく燃料電池のみを起動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】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】第１実施形態の制御の内容を示すタイムチャートである。
【図３】第１実施形態の制御の内容を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態の構成を示す概略図である。
【図５】第２実施形態の制御の内容を示すタイムチャートである。
【図６】第２実施形態の制御の内容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】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
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、ターボチャージャ３および燃料電池４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は図示しない車両に搭載されており、具体的にはトルクコンバータおよび自動変速機を備えるオートマチック車に搭載されている。ターボチャージャ３は「Ｔ／Ｃ」とも表記され、エンジン本体２は「Ｅ／Ｇ」とも表記され、燃料電池４は「Ｆ／Ｃ」または「ＦＣ」とも表記される。
【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は複数の気筒を含み、各気筒には燃料噴射用インジェクタと点火プラグ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、吸気通路５の途中にターボチャージャ３のコンプレッサ３Ｃが、また排気通路６の途中にターボチャージャ３のタービン３Ｔがそれぞれ配設されている。
【００２２】
吸気通路５において、コンプレッサ３Ｃ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、コンプレッサ３Ｃ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。
【００２３】
排気通路６において、タービン３Ｔ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。
【００２４】
また、タービン３Ｔをバイパスするバイパス通路１１が排気通路６に設けられ、エンジン本体２からの排気ガス（エンジン排気という）をタービン３Ｔを迂回してその下流側に流せるようになっている。バイパス通路１１は排気浄化触媒１０の上流側で排気通路６に合流される。バイパス通路１１にはウェイストゲート弁１２が設けられ、ウェイストゲート弁１２の開閉作動により過給圧が調節可能である。なお、このバイパス通路１１とウェイストゲート弁１２の代わりに、タービン入口部に可変ベーンあるいは可変ノズル（ＶＮ）を設けてもよい。
【００２５】
ターボチャージャ３に冷却水と潤滑油とを供給すべく、それぞれ電動式の冷却水ポンプ１３と潤滑油ポンプ１４とがそれぞれ設けられる。
【００２６】
またエンジン本体２と燃料電池４に燃料を供給すべく、電動式の燃料ポンプ１５が設けられる。燃料ポンプ１５はエンジン本体２と燃料電池４に共用とされるが、別体とされてもよい。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調量弁１６が設けられる。
【００２７】
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、主にエンジン本体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１８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１８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。
【００２８】
燃料電池４に空気を供給するための給気路２０が設けられる。給気路２０は、コンプレッサ下流側の吸気通路５から分岐して燃料電池４に接続する。これにより燃料電池４は、コンプレッサ下流側の吸気通路５から空気を導入するようになる。なお給気路２０の分岐位置Ａはインタークーラ上流側である。
【００２９】
また給気弁２１が設けられる。給気弁２１は、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気をエンジン本体２および燃料電池４の一方または両方に導くよう切替可能である。本実施形態の場合、給気弁２１は、単一の三方弁で構成され、給気路２０の分岐位置Ａすなわち給気路２０と吸気通路５の接続位置に設けられている。しかしながら、給気弁は少なくとも二つの二方弁で構成されてもよい。この場合、分岐位置Ａより下流側の給気路２０と吸気通路５にそれぞれ二方弁を設ければよい。
【００３０】
給気弁２１は、コンプレッサ３Ｃ側の吸気通路５に接続される入口ポートと、エンジン本体２側の吸気通路５に接続される第１の出口ポートと、燃料電池４側の給気路２０に接続される第２の出口ポートとを有する。入口ポートが第１の出口ポートのみに接続されているとき、給気弁２１は第１の位置にあり、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気はエンジン本体２側のみに導かれる。入口ポートが第２の出口ポートのみに接続されているとき、給気弁２１は第２の位置にあり、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気は燃料電池４側のみに導かれる。給気弁２１が第１の位置と第２の位置との間の中間位置にあるとき、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気はエンジン本体２側と燃料電池４側の両方に導かれる。こうして給気弁２１は、エンジン本体２および燃料電池４に対する空気流量比を０：１００から１００：０まで無段階で調節可変である。
【００３１】
また、燃料電池４からの排ガス（ＦＣ排気という）を排出するための排気路２２が設けられる。排気路２２は、燃料電池４から延びてタービン上流側の排気通路６に接続、合流する。これにより燃料電池４は、タービン上流側の排気通路６にＦＣ排気を排出するようになる。なお排気通路６における排気路２２の合流位置はバイパス通路１１の分岐位置よりも上流側である。
【００３２】
エンジン１および車両を制御するための制御装置として電子制御ユニット（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制御プログラム、データ、マップ等が記憶されており、ＥＣＵ１００はこれら制御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。
【００３３】
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３１、アクセル開度センサ３２、キースイッチ３３、ブレーキスイッチ３４、車速センサ３５、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、点火プラグ、スロットルバルブ９、ウェイストゲート弁１２、冷却水ポンプ１３、潤滑油ポンプ１４、燃料ポンプ１５、調量弁１６、スタータモータ１８および給気弁２１に対する制御信号を出力し、これらを制御する。
【００３４】
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）も適用可能である。
【００３５】
燃料電池４は、燃料極（アノード）、空気極（カソード）、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。空気極には、コンプレッサ３Ｃ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。
【００３６】
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３Ｔ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。
【００３７】
逆に、ＳＯＦＣを使用するデメリットは次の通りである。
（１）高温で作動するため反応極の耐久性の問題がある。
（２）高温で作動するため暖機に比較的長時間を要する。
（３）改質器を省略した場合、炭素析出による汚損の問題がある。
【００３８】
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。
【００３９】
ところで本実施形態において、ＥＣＵ１００は次の如きアイドルストップ制御を行う。アイドルストップ制御とは、概して、車両がアイドル停車するような所定の停止条件が成立したときにエンジンを自動停止し、その後所定の解除条件が成立したときにエンジンを自動的に再始動する制御である。停止条件が成立したとき、エンジン本体２における燃料噴射は停止され、解除条件が成立したとき、エンジン本体２における燃料噴射が再開され、スタータモータ１８がオンされてエンジン本体２が起動される。なおアイドルストップ制御は、スタートアンドストップ制御、またはアイドルリダクション制御とも称される。
【００４０】
例えば、停止条件は次の各条件が全て成立したときに成立する。
（１）ブレーキペダルが踏み込まれている（ブレーキスイッチ３４等の出力により判断）。
（２）アクセルペダルが踏み込まれていない（アクセル開度センサ３２の出力により判断）。
（３）車速が、ゼロより若干高い所定車速（例えば８ｋｍ／ｈ）以下となっている（車速センサ３５の出力により判断）。
（４）エンジン回転数が、目標アイドル回転数（例えば８００ｒｐｍ）より若干高い所定回転数（例えば１０００ｒｐｍ）以下となっている（エンジン回転数はクランク角センサ３１の出力に基づき計算される）。
【００４１】
また例えば、解除条件は、上記条件（１）〜（３）の少なくとも一つが不成立となったときに成立する。
【００４２】
さて、前述したように、エンジン本体２も燃料電池４も共に停止状態であるときに、燃料電池４の起動が必要となる場合がある。例えば、エンジン本体２の停止中にエアコン等の電装品が作動されてバッテリ残量が低下した場合である。このエンジン本体２の停止には、アイドルストップ制御の実行によりエンジン本体２が停止されている場合も含まれる。なおエンジン本体２の停止とは、クランクシャフトの回転速度もしくはエンジン回転数が実質的にゼロとなっている状態をいう。
【００４３】
通常だと、この場合にはエンジン本体２を起動し、機械式発電機を駆動してバッテリを充電しなければならない。しかし、エンジン本体２を起動するとインジェクタによる燃料噴射が実行されることから必然的に燃料を消費し、燃費が悪化する。また、かかる起動を自動的に行うこととすれば、ユーザにとって予期せぬエンジン始動が起こり、違和感等の原因となる。そしてエンジン始動に伴い振動と騒音が発生するため振動騒音性能が低下する。
【００４４】
そこで本実施形態では、燃料電池４の起動が必要な場合にエンジン本体２を起動することなく燃料電池４のみを起動する。これにより、エンジン本体２の起動に伴う燃料消費を無くし、燃費悪化を防止できる。そしてユーザにとって予期せぬエンジン始動を無くし、違和感等を解消できる。エンジン始動に伴う振動騒音性能の低下も防止できる。
【００４５】
以下に本実施形態の制御の内容を詳細に説明する。この制御は主にＥＣＵ１００によって実行される。
【００４６】
エンジン本体２および燃料電池４の停止中に燃料電池４に対する起動要求が発生した場合、ＥＣＵ１００は、エンジン本体２における燃料噴射を停止した状態でスタータモータ１８を作動させ、エンジン本体２をクランキングする。言い換えればスタータモータ１８によりエンジン本体２をモータリング運転させる。
【００４７】
すると、エンジン本体２から排出された空気がタービン３Ｔを回転駆動し、同時にコンプレッサ３Ｃを回転駆動する。すなわちターボチャージャ３への初動が当該空気により与えられる。こうなるとコンプレッサ３Ｃが空気を吐出するので、この吐出空気を燃料電池４に与えて燃料電池４を起動できる。もちろんこの時、燃料電池４への燃料供給も開始する。
【００４８】
燃料電池４を起動した後は、スタータモータ１８を停止し、燃料電池４からの排ガスをタービン３Ｔに送り続け、タービン３Ｔおよびコンプレッサ３Ｃを回転駆動し続ける。これによりクランキングを行わなくても燃料電池４への空気供給ができるようになり、併せて燃料供給も行うことから、燃料電池４は自立運転し、継続的に運転および発電し続ける。
【００４９】
スタータモータ１８は比較的短い所定時間だけ作動させられる。ターボチャージャ３への初動が与えられれば十分だからである。この所定時間は例えばクランクシャフトが複数回転（例えば４〜５回転）するような時間とされる。このようにＥＣＵ１００は、スタータモータ１８を所定時間作動させ、その後燃料電池４が自立運転するように制御を行う。
【００５０】
ＥＣＵ１００は、起動要求発生時から所定時間以内に燃料電池４への燃料供給を開始するよう、制御を行う。本実施形態では起動要求発生と同時に燃料供給を開始するが、これより遅い所定時間以内の任意の時期に燃料供給を開始することもできる。例えば、スタータモータ１８の作動停止（あるいは作動終了）と同時に燃料供給を開始してもよい。
【００５１】
ＥＣＵ１００は、バッテリ１７の残量を常時検出しており、このバッテリ残量を所定のしきい値と比較して起動要求の有無を判断する。具体的には、バッテリ残量がしきい値より大きいときには起動要求は発生してないと判断し、バッテリ残量がしきい値以下になったときに起動要求が発生したと判断する。これにより、バッテリ残量がしきい値以下になったときに燃料電池４を起動してバッテリ１７を確実に充電することができる。
【００５２】
バッテリ残量は、公知方法も含め任意の方法で検出することができる。本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、単にバッテリ電圧Ｖｂをバッテリ残量の指標値として用い、バッテリ電圧Ｖｂが所定のしきい値Ｖｂ１以下になったときに起動要求が発生したと判断する。本実施形態のしきい値Ｖｂ１は、エンジン本体２のクランキングが最低限可能な下限電圧Ｖｂｘを考慮し、これより若干高い値に設定されている。これにより、バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｘに低下する前に燃料電池４を起動して充電を開始することができ、クランキングが不可能になる事態を確実に回避できる。なおバッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｘに等しくなったときのバッテリ残量を０（％）とし、バッテリ電圧Ｖｂが満充電時相当の所定電圧に等しくなったときのバッテリ残量を１００（％）とする。
【００５３】
ところで、スタータモータ１８の作動中すなわちエンジン本体２のクランキング中には、吸入空気の全量をエンジン本体２およびタービン３Ｔに送り、タービン３Ｔの回転速度をできるだけ早く増大するのが好ましい。また、スタータモータ１８の作動後すなわちエンジン本体２のクランキング後には、吸入空気の全量を燃料電池４に送り、燃料電池４をできるだけ早く起動し、燃料電池４の発電量をできるだけ早く増大するのが好ましい。
【００５４】
このため、ＥＣＵ１００は、スタータモータ１８の作動中にはコンプレッサ３Ｃからの吐出空気を燃料電池４に供給せずにエンジン本体２のみに供給し、スタータモータ１８の作動停止後にはコンプレッサ３Ｃからの吐出空気をエンジン本体２に供給せずに燃料電池４のみに供給するよう、制御を行う。これにより上記要請を満足することができる。
【００５５】
具体的には、ＥＣＵ１００は、スタータモータ１８の作動中にはコンプレッサ３Ｃからの吐出空気をエンジン本体２のみに導くよう、給気弁２１を第１の位置に切り替え、スタータモータ１８の作動停止後にはコンプレッサ３Ｃからの吐出空気を燃料電池４のみに導くよう、給気弁を第２の位置に切り替える。
【００５６】
次に、本実施形態のより具体的な制御の内容を図２を参照して説明する。
【００５７】
図２において、（Ａ）はバッテリ電圧Ｖｂ（Ｖ）、（Ｂ）はエンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）、（Ｃ）はターボ回転数Ｎｔ（ｒｐｍ）、（Ｄ）は燃料電池４の発電量（ＦＣ発電量）Ｇ、（Ｅ）はウェイストゲート弁（Ｗ／Ｇ）１２の開閉状態、（Ｆ）は給気弁２１の位置、（Ｇ）は燃料電池４への燃料供給量（ＦＣ燃料供給量）、（Ｈ）は冷却水ポンプ１３（水ポンプ）と潤滑油ポンプ１４（オイルポンプ）の作動状態、（Ｉ）は燃料ポンプ１５の作動状態をそれぞれ示す。
【００５８】
図示するように、時刻ｔ１の前では、エンジン本体２および燃料電池４が停止しており、エアコン等の電装品の使用によりバッテリ電圧Ｖｂが徐々に低下している。
【００５９】
そして時刻ｔ１において、バッテリ電圧Ｖｂがしきい値Ｖｂ１（第１しきい値）以下に達する。するとＥＣＵ１００は燃料電池４への起動要求が発生したと判断し、スタータモータ１８をオンして（作動させて）エンジン本体２のクランキングを開始する。これによりエンジン回転数Ｎｅはクランキング回転数Ｎｃｒとなる。
【００６０】
なお、起動要求発生有無の判断に関して、バッテリ電圧Ｖｂに加え、バッテリ１７の消費電力あるいは放電量を考慮してもよい。バッテリ１７の消費電力が大きいほど、バッテリ電圧Ｖｂがクランキング可能な下限電圧Ｖｂｘに早く達してしまうからである。この場合ＥＣＵ１００は、好ましくは、バッテリ１７の消費電力が大きいほどしきい値Ｖｂ１が高くなるようにしきい値Ｖｂ１を可変設定する。これにより消費電力が大きくなるほどスタータモータ１８をオンするタイミングを早くすることができ、バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｂｘ未満に低下するのを確実に防止できる。
【００６１】
ＥＣＵ１００は時刻ｔ１において、スタータモータオンと同時にウェイストゲート弁１２を閉じ、エンジン本体２からの空気がタービン３Ｔをバイパスするのを防止する。また同時にＥＣＵ１００は、冷却水ポンプ１３と潤滑油ポンプ１４をオンし、ターボチャージャ３の冷却と潤滑を行えるようにする。
【００６２】
また同時にＥＣＵ１００は、燃料ポンプ１５をオンし、燃料電池４に燃料を供給できるようにする。但しこの時点ではまだ調量弁１６が基準位置としての全閉位置（燃料タンクへのリリーフ側）とされ、実際の燃料供給は行われない。もっとも調量弁１６を開いて燃料供給を行ってもよいが、給気弁２１が基準位置としての第１の位置すなわちエンジン本体２側に切り替えられているので、空気供給を行えず、燃料電池４は発電できない。
【００６３】
こうしてスタータモータ１８をオンすると、エンジン本体２がモータリング運転され、吸入空気はコンプレッサ３Ｃ、給気弁２１、インタークーラ８、スロットルバルブ９、エンジン本体２、タービン３Ｔを順次通過し、タービン３Ｔおよびコンプレッサ３Ｃを回転駆動する。これによりターボチャージャ３に初動が与えられ、ターボ回転数Ｎｔが徐々に上昇する。
【００６４】
時刻ｔ１から所定時間Ｔｔｈが経過し時刻ｔ２になると、ＥＣＵ１００は、スタータモータ１８をオフ（作動停止）し、給気弁２１を燃料電池４側の第２の位置に切り替える。これにより燃料電池４への空気供給が開始される。そしてＥＣＵ１００は調量弁１６を適宜開弁し、実質的な燃料供給を開始する。これにより燃料電池４における発電が開始する。なお、燃料電池４の実際の発電開始には一定のタイムラグがあり、空気および燃料供給開始より若干遅れて発電が開始される。
【００６５】
その後ＥＣＵ１００は、燃料電池４を自立運転させると共にその発電量と排ガス量を徐々に増やし、ターボ回転数Ｎｔを徐々に上昇させるよう制御を行う。ここでＥＣＵ１００は、燃料電池４に対する空気量と燃料量との比率が常に所定比率となるよう、燃料供給量を制御する。よってＥＣＵ１００は、ターボ回転数Ｎｔの上昇につれ増加する燃料電池４への空気供給量に合わせて燃料供給量が増加するよう、調量弁１６を徐々に開弁する。かかる燃料電池４への空気供給量はエアフローメータ７により検出可能である。
【００６６】
やがて、ＦＣ発電量Ｇが所定の目標値Ｇｔに達すると、ＥＣＵ１００はその発電量を維持するように制御を行う。目標値Ｇｔは任意に設定可能であるが、本実施形態では燃料電池４の最大発電量に等しくされている。図示例ではこのとき、ＦＣ燃料供給量Ｑが一定値Ｑｔに維持されるよう、調量弁１６が開弁されている。
【００６７】
こうして燃料電池４による発電ひいてはバッテリ１７への充電が継続的になされると、バッテリ電圧Ｖｂが次第に上昇していく。そして時刻ｔ３において、バッテリ電圧Ｖｂがしきい値Ｖｂ２（第２しきい値）以上に達すると、ＥＣＵ１００は、燃料電池４を停止して発電を終了すべく、燃料ポンプ１５をオフすると同時に調量弁１６を全閉にし、燃料電池４への燃料供給を停止もしくは終了する。なお燃料ポンプ１５のオフと調量弁１６の全閉とは少なくともいずれか一方が実行されればよい。Ｖｂ２＞Ｖｂ１である。
【００６８】
また同時にＥＣＵ１００は、ウェイストゲート弁１２を開き、ＦＣ排気をタービン３Ｔを通過させずに直接的に排気浄化触媒１０に送るようにする。これにより、その後燃料電池４から排出されてくる高温のＦＣ排気を利用して排気浄化触媒１０を暖機できる。
【００６９】
燃料電池４への燃料供給停止により、ターボ回転数Ｎｔが次第に低下し、これに合わせて燃料電池４への空気供給量も低下することから、燃料電池４の発電量Ｑも次第に低下していく。そしてＥＣＵ１００は、ターボ回転数Ｎｔが実質的にゼロとなった（またはゼロ付近の所定値以下となった）時点ｔ４で、給気弁２１を基準位置としての第１の位置すなわちエンジン本体２側に切り替え、給気弁２１を基準位置に戻す。ターボ回転数Ｎｔが実質的にゼロとなったか否かは、エアフローメータ７により検出される吸入空気量が実質的にゼロとなったか否かにより判断される。そして同時にＥＣＵ１００は冷却水ポンプ１３と潤滑油ポンプ１４をオフする。
【００７０】
燃料電池４の作動中および停止直後はターボチャージャ３が回転作動している。よってこのタイミングでドライバによる始動操作により、またはアイドルストップ制御の再始動により、エンジン本体２が起動され、即加速されたとき、ターボチャージャ３は与回転が与えられた状態から加速することができる。それ故ターボレスポンスを向上し、加速性能を高めることができる。
【００７１】
図３は、上記制御が実現されるようにＥＣＵ１００が実行するルーチンを描いたフローチャートを示す。このルーチンはエンジン本体２および燃料電池４が停止状態にあるときに開始される。またルーチン実行中にエンジン本体２の起動が要求された場合にはルーチンが直ちに中止される。エンジン本体２の起動を優先させるためである。エンジン本体２の起動が要求された場合とは、例えばドライバがキースイッチ３３をイグニッションオン（ＩＧ／ＯＮ）位置もしくはスタータオン（ＳＴＡＲＴ）位置に操作した場合、または上記アイドルストップ制御によるエンジン停止中に解除条件が成立しエンジン再始動が要求された場合である。
【００７２】
ステップＳ１０１では、バッテリ電圧Ｖｂがしきい値Ｖｂ１以下になったか否かが判断される。しきい値Ｖｂ１以下になってない場合には待機状態となる。しきい値Ｖｂ１以下になった場合には、ステップＳ１０２でウェイストゲート弁１２が閉弁され、ステップＳ１０３で冷却水ポンプ１３と潤滑油ポンプ１４がオンされ、ステップＳ１０４で燃料ポンプ１５がオンされる。
【００７３】
そしてステップＳ１０５でスタータモータ１８がオンされる。これと同時に経過時間Ｔがカウントされ、ステップＳ１０６で経過時間Ｔが所定時間Ｔｔｈと比較される。経過時間Ｔが所定時間Ｔｔｈ未満であればスタータモータ１８が引き続きオンされる。
【００７４】
経過時間Ｔが所定時間Ｔｔｈ以上であれば、ステップＳ１０７でスタータモータ１８がオフされ、ステップＳ１０８で給気弁２１が燃料電池４側に切り替えられる。そしてステップＳ１０９で調量弁１６が適宜開弁され、ステップＳ１１０の如く燃料電池４が起動される。なお、燃料ポンプ１５のオンをこのタイミングで行ってもよい。
【００７５】
次いでステップＳ１１１でバッテリ電圧Ｖｂがしきい値Ｖｂ２以上になったか否かが判断される。しきい値Ｖｂ２以上になってない場合には、ステップＳ１１２でＦＣ発電量Ｇが目標値Ｇｔ以上になったか否かが判断される。ＦＣ発電量Ｇが目標値Ｇｔ以上になってない場合、ステップＳ１１３で、前述のＦＣ発電量Ｇを増加させるような制御が行われる。すなわちターボ回転数Ｎｔの上昇に合わせて調量弁１６が徐々に開かれる。ＦＣ発電量Ｇが目標値Ｇｔ以上になった場合、ステップＳ１１４でＦＣ発電量Ｇが目標値Ｇｔ付近に維持される。
【００７６】
ステップＳ１１１でバッテリ電圧Ｖｂがしきい値Ｖｂ２以上になった場合、ステップＳ１１５で燃料ポンプ１５がオフされ、ステップＳ１１６で調量弁１６が全閉とされ、ステップＳ１１７の如く燃料電池４が停止される。そしてステップＳ１１８でウェイストゲート弁１２が開弁される。
【００７７】
次いでステップＳ１１９で吸入空気量が実質的にゼロであるか否か、すなわちターボ回転数Ｎｔが実質的にゼロに低下したか否かが判断される。吸入空気量が実質的にゼロでなければ待機状態となる。
【００７８】
他方、吸入空気量が実質的にゼロであれば、ステップＳ１２０で給気弁２１がエンジン本体２側に切り替えられ、ステップＳ１２１で冷却水ポンプ１３と潤滑油ポンプ１４がオフされる。以上でルーチンが終了される。
【００７９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、以下相違点を中心に説明する。
【００８０】
図４に第２実施形態の構成を示す。本実施形態では、第１実施形態の構成に補助給気路２３と補助給気弁２４とが追加されている。
【００８１】
補助給気路２３は、タービン上流側の排気通路６から分岐して給気路２０に接続する。もっとも燃料電池４が複数の空気導入口を有する場合等には補助給気路２３を燃料電池４に直接接続してもよい。補助給気路２３の分岐位置Ｂは、好ましくは図示の如く、排気路２２の合流位置およびバイパス通路１１の分岐位置よりも上流側である。
【００８２】
補助給気弁２４は、エンジン本体２からの排ガスを燃料電池４およびタービン３Ｔの一方または両方に導くよう切替可能である。本実施形態の場合、補助給気弁２４は、単一の三方弁で構成され、補助給気路２３の分岐位置Ｂすなわち補助給気路２３と排気通路６の接続位置に設けられている。しかしながら、補助給気弁は少なくとも二つの二方弁で構成されてもよい。この場合、分岐位置Ｂより下流側の補助給気路２３と排気通路６にそれぞれ二方弁を設ければよい。
【００８３】
補助給気弁２４は、エンジン本体側の排気通路６に接続される入口ポートと、タービン側の排気通路６に接続される第１の出口ポートと、燃料電池４側の補助給気路２３に接続される第２の出口ポートとを有する。入口ポートが第１の出口ポートのみに接続されているとき、補助給気弁２４は第１の位置にあり、エンジン本体２からの排ガスはタービン３Ｔ側のみに導かれる。入口ポートが第２の出口ポートのみに接続されているとき、補助給気弁２４は第２の位置にあり、エンジン本体２の排ガスは燃料電池４側のみに導かれる。補助給気弁２４が第１の位置と第２の位置との間の中間位置にあるとき、エンジン本体２からの排ガスはタービン３Ｔ側と燃料電池４側との両方に導かれる。こうして補助給気弁２４は、タービン３Ｔ側および燃料電池４側の流量比を０：１００から１００：０まで無段階で調節可変である。
【００８４】
補助給気弁２４はＥＣＵ１００により次のように制御される。図５には、図４のタイムチャートに補助給気弁２４の動作を（Ｊ）に加えたタイムチャートを示す。
【００８５】
図示するように、補助給気弁２４は、燃料電池４の起動要求が発生しスタータモータ１８がオンされるのと同時に（時刻ｔ１）、タービン側の第１の位置から燃料電池４側の第２の位置に切り替えられる。すると、クランキング中にエンジン本体２から排出される排ガスとしての空気は、補助給気弁２４、補助給気路２３、給気路２０を順に通過して燃料電池４に一旦供給された後、即座に排気路２２を通過して排気通路６に戻され、タービン３Ｔの駆動に供される。つまり当該空気は排気通路６と燃料電池４の間を循環される。
【００８６】
補助給気弁２４は、スタータモータオンの間、第２の位置に保持され、スタータモータ１８がオフされるのと同時に（時刻ｔ２）タービン側の第１の位置に切り替えられる。
【００８７】
このように、本実施形態によれば、スタータモータ１８の作動中すなわちエンジン本体２のクランキング中に、エンジン本体２から排出された空気を一旦燃料電池４を通過させてからタービン上流側に戻している。よってクランキング中でも燃料電池４に空気を供給することができ、必要であればクランキング中に燃料供給も実行し、燃料電池４を起動して発電を開始することができる。よって本発明はこのような実施形態も可能である。クランキング中に発電を開始できるので第１実施形態と比較して発電開始タイミングを早めることができる。
【００８８】
一方、スタータモータ１８をオフしたとき補助給気弁２４をタービン側の第１の位置に切り替えるので、補助給気路２３を排気通路６と非連通とし、給気路２０を流れる空気が補助給気路２３を介して排気通路６に漏れ出してしまうことを防止できる。
【００８９】
図６には、ＥＣＵ１００が実行する本実施形態のルーチンを描いたフローチャートを示す。本実施形態のルーチンは、図３に示した第１実施形態のルーチンとほぼ同じであり、ステップＳ２０４Ａ、２１０Ａを追加した点のみが異なる。また本実施形態のルーチンのうち、第１実施形態と同様のステップについては符号を２００番台に変更するに止め、説明を割愛する。
【００９０】
ステップＳ２０４の後のステップＳ２０４Ａにおいて、補助給気弁２４が燃料電池４側の第２の位置に切り替えられ、クランキング中にエンジン本体２から排出される空気を燃料電池４側に送れるようにしている。そしてステップＳ２０５においてスタータモータ１８がオンされる。
【００９１】
ステップＳ２１０の後のステップＳ２１０Ａにおいて、補助給気弁２４がタービン３Ｔ側の第１の位置に切り替えられ、その後給気路２０を流れる空気が補助給気路２３を介して排気通路６に漏れ出すことを防止している。そしてステップＳ２１１においてバッテリ電圧Ｖｂがしきい値Ｖｂ２と比較される。
【００９２】
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。アイドルストップ制御のない内燃機関および車両にも本発明は適用可能である。エンジン本体をクランキングするモータの種類は任意であり、一般的なスタータモータの代わりに、ハイブリッド車両等で用いられているモータジェネレータを使用することもできる。
【００９３】
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】
【００９４】
１  内燃機関（エンジン）
２  エンジン本体
３  ターボチャージャ
３Ｃ  コンプレッサ
３Ｔ  タービン
４  燃料電池
５  吸気通路
６  排気通路
１５  燃料ポンプ
１６  調量弁
１７  バッテリ
１８  スタータモータ
２０  給気路
２１  給気弁
２３  補助給気路
２４  補助給気弁
【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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