(57)【要約】【課題】エンジン本体停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させる。【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４に空気を供給すべく高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側の吸気通路５から分岐する給気路２５Ａと、燃料電池４の排気を排出すべく高圧段タービン３ＨＴの上流側の排気通路６に接続する排気路２７Ａと、低圧段コンプレッサ３ＬＣを迂回する低圧段コンプレッサバイパス通路３７と、吸気を低圧段コンプレッサ３ＬＣと低圧段コンプレッサバイパス通路３７の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段コンプレッサバイパス弁３８とを備える。制御ユニット１００は、エンジン本体２の停止中に燃料電池４を作動させるとき、吸気を低圧段コンプレッサバイパス通路３７に導くよう低圧段コンプレッサバイパス弁３８を切り替える。【選択図】図６
2014141934.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、
前記燃料電池に空気を供給すべく、前記高圧段コンプレッサの下流側の前記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、
前記燃料電池の排気を排出すべく、前記燃料電池から延びて前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路に接続する排気路と、
前記低圧段コンプレッサを迂回すべく、前記低圧段コンプレッサの上流側の前記吸気通路から分岐して前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路に合流する低圧段コンプレッサバイパス通路と、
前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサと前記低圧段コンプレッサバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段コンプレッサバイパス弁と、
前記エンジン本体および前記低圧段コンプレッサバイパス弁を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサバイパス通路に導くよう前記低圧段コンプレッサバイパス弁を切り替える
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記低圧段タービンを迂回すべく、前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路から分岐して前記低圧段タービンの下流側の前記排気通路に合流する低圧段タービンバイパス通路と、
前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンと前記低圧段タービンバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段タービンバイパス弁と、
をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンバイパス通路に導くよう前記低圧段タービンバイパス弁を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記低圧段タービンバイパス弁は、前記低圧段タービンバイパス通路に設けられたウェイストゲート弁と、前記低圧段タービンバイパス通路の分岐位置より下流側で且つ前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路に設けられた低圧段タービン遮断弁とを含み、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記ウェイストゲート弁を開放し、前記低圧段タービン遮断弁を閉止する
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記給気路の分岐位置より下流側の前記吸気通路に設けられたスロットルバルブをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記スロットルバルブをアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する
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】
前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路から前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路に延びるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記ＥＧＲ弁をアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する
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。
【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、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】
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、燃料電池からの排ガス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、燃料電池からの排ガス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。
【０００５】
こうした構成において、次のような課題が存在する。内燃機関（具体的にはエンジン本体）が停止状態であるときに、燃料電池による発電が必要となり、燃料電池を作動させなければならない場合がある。燃料電池を作動させるには、燃料電池に対し必要な空気を送り、且つ燃料電池からの排ガスを排出しなければならない。このため、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機の少なくとも一方を、エンジン本体の停止中に作動させなければならない。
【０００６】
しかし、これらのうちの何れを作動させるかについては、個々のターボ過給機の特性や燃料電池の特性等を考慮した十分な検討が必要である。また、その作動時において最大限効率を高められるよう工夫が必要である。
【０００７】
なお、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機の少なくとも一方を作動させるため、エンジン本体の停止を禁止したりエンジン本体を再始動したりすることなどが考えられる。しかしこうすると、必然的に燃料を消費してしまい、燃費が悪化する。また再始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。
【０００８】
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、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させることができ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】
【０００９】
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、
前記燃料電池に空気を供給すべく、前記高圧段コンプレッサの下流側の前記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、
前記燃料電池の排気を排出すべく、前記燃料電池から延びて前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路に接続する排気路と、
前記低圧段コンプレッサを迂回すべく、前記低圧段コンプレッサの上流側の前記吸気通路から分岐して前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路に合流する低圧段コンプレッサバイパス通路と、
前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサと前記低圧段コンプレッサバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段コンプレッサバイパス弁と、
前記エンジン本体および前記低圧段コンプレッサバイパス弁を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサバイパス通路に導くよう前記低圧段コンプレッサバイパス弁を切り替える
ことを特徴とする内燃機関が提供される。
【００１０】
この本発明の一の態様によれば、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させるとき、燃料電池の排気が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、燃料電池の排気により高圧段タービンが回転駆動される。同時に、高圧段コンプレッサが回転され、高圧段コンプレッサから吐出された空気は、給気路を通じて燃料電池に供給される。これにより、燃料電池は作動可能となる。
【００１１】
エンジン本体の停止中、燃料電池の作動に必要な空気量を送るには、低圧段ターボ過給機よりもむしろ高圧段ターボ過給機の方がサイズ的に適している。よって高圧段ターボ過給機を作動させることによりターボ効率を高め、システム全体の効率を高めることが可能となる。
【００１２】
また、低圧段コンプレッサの上流側の吸気を低圧段コンプレッサバイパス通路に導くよう低圧段コンプレッサバイパス弁を切り替えるので、吸気が低圧段コンプレッサを通過せず、低圧段コンプレッサバイパス通路を通過して高圧段コンプレッサに供給されるようになる。これにより流路抵抗を低減すると共に、吸気が低圧段コンプレッサを駆動することによる損失を低減し、吸気を効率良く高圧段コンプレッサに供給することができる。そして結果的にターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができる。
【００１３】
このように、本発明の一の態様によれば、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させることが可能である。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
「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。
【００１７】
好ましくは、前記内燃機関は、前記低圧段タービンを迂回すべく、前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路から分岐して前記低圧段タービンの下流側の前記排気通路に合流する低圧段タービンバイパス通路と、前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンと前記低圧段タービンバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段タービンバイパス弁と、をさらに備える。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンバイパス通路に導くよう前記低圧段タービンバイパス弁を切り替える。
【００１８】
これによれば、燃料電池の排気が低圧段タービンに供給されることが抑制もしくは阻止される。よって高圧段タービンから排出された燃料電池の排気をスムーズに外部に排出することができ、高圧段タービンもしくは高圧段ターボの駆動効率を高めることができる。またこれにより低圧段ターボを非作動もしくは停止状態にすることができる。
【００１９】
好ましくは、前記低圧段タービンバイパス弁は、前記低圧段タービンバイパス通路に設けられたウェイストゲート弁と、前記低圧段タービンバイパス通路の分岐位置より下流側で且つ前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路に設けられた低圧段タービン遮断弁とを含む。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記ウェイストゲート弁を開放し、前記低圧段タービン遮断弁を閉止する。
【００２０】
これによれば、燃料電池の排気が低圧段タービンバイパス通路に導かれ、低圧段タービンに供給されることが阻止される。よって前記同様、高圧段タービンもしくは高圧段ターボ過給機の駆動効率を高めることができる。
【００２１】
好ましくは、前記内燃機関は、前記給気路の分岐位置より下流側の前記吸気通路に設けられたスロットルバルブをさらに備える。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記スロットルバルブをアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する。
【００２２】
これによれば、高圧段コンプレッサから吐出された吸気もしくは空気のエンジン本体側への漏れ出しを抑制もしくは阻止することができ、吸気を効率的に燃料電池に供給することができる。
【００２３】
好ましくは、前記内燃機関は、前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路から前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路に延びるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とをさらに備える。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記ＥＧＲ弁をアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する。
【００２４】
これによれば、排気通路から吸気通路への燃料電池の排気の漏れ出しを抑制もしくは阻止することができ、高圧段タービンもしくは高圧段ターボ過給機の駆動効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
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、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させ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】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】オイル供給装置と冷却水供給装置を示す概略図である。
【図３】低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機とでコンプレッサの特性を比較したコンプレッサマップである。
【図４】エンジン本体停止前後における各弁等の作動を示すタイムチャートである。
【図５】エンジン本体停止前における空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れを示す図である。
【図６】エンジン本体停止後における空気および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】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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に燃料を送る。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。
【００４３】
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。
【００４４】
図２に示すが、低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈにそれぞれ潤滑用オイルと冷却水を供給するため、オイル供給装置６１と冷却水供給装置７１とが設けられている。オイル供給装置６１は、電動式のオイル供給ポンプ６２と、オイル供給ポンプ６２から低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈにそれぞれ延びるＬＰオイル通路６３およびＨＰオイル通路６４と、ＬＰオイル通路６３およびＨＰオイル通路６４に個別に設けられたＬＰオイル供給弁６５およびＨＰオイル供給弁６６とを備える。
【００４５】
同様に、冷却水供給装置７１は、電動式の冷却水供給ポンプ７２と、冷却水ポンプ７２から低圧段ターボ過給機３Ｌおよび高圧段ターボ過給機３Ｈにそれぞれ延びるＬＰ冷却水通路７３およびＨＰ冷却水通路７４と、ＬＰ冷却水通路７３およびＨＰ冷却水通路７４に個別に設けられたＬＰ冷却水供給弁７５およびＨＰ冷却水供給弁７６とを備える。
【００４６】
図１に戻って、その他、車両の各電気部品もしくは電装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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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の少なくとも一方に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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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の少なくとも一方に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。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、低圧段コンプレッサ３ＬＣを迂回すべく、ＬＰ（低圧段）コンプレッサバイパス通路３７が吸気通路５に並設される。ＬＰコンプレッサバイパス通路３７は、低圧段コンプレッサ３ＬＣの上流側且つエアフローメータ７の下流側の吸気通路５から分岐され、高圧段コンプレッサ３ＨＣの下流側且つＨＰコンプレッサバイパス通路２０の分岐位置の上流側の吸気通路５に合流される。
【００６０】
そして、低圧段コンプレッサ３ＬＣの上流側の吸気を低圧段コンプレッサ３ＬＣとＬＰコンプレッサバイパス通路３７の少なくとも一方に導くよう切替可能なＬＰコンプレッサバイパス弁３８が設けられる。本実施形態の場合、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８は単一の三方弁で構成され、吸気通路５におけるＬＰコンプレッサバイパス通路３７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、ＬＰコンプレッサバイパス通路３７の分岐位置および低圧段コンプレッサ３ＬＣの間の吸気通路５と、ＬＰコンプレッサバイパス通路３７とに個別に設けられた二方弁により、ＬＰコンプレッサバイパス弁を形成しても構わない。
【００６１】
加えて、ＬＰタービンバイパス通路１１の分岐位置より下流側で且つ低圧段タービン３ＬＴの上流側の排気通路６には、ＬＰ（低圧段）タービン遮断弁３９が設けられる。このＬＰタービン遮断弁３９とウェイストゲート弁１２は、ＬＰタービンバイパス弁を構成する。後に理解されるが、ＬＰタービンバイパス弁は、低圧段タービン３ＬＴの上流側の排気を、低圧段タービン３ＬＴとＬＰタービンバイパス通路１１の少なくとも一方に導くよう切替可能な弁である。
【００６２】
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。
【００６３】
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、キースイッチ５３、ブレーキスイッチ５４、車速センサ５５、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、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８およびＬＰタービン遮断弁３９に対しそれぞれ制御信号を出力し、これらを制御する。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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）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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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が装備されている。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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
また上記の如きエンジン本体２の運転中は、ＬＰタービン遮断弁３９が開放され、ＬＰタービン３ＬＴに向かってエンジン排気が流れることが許容されている。またＬＰコンプレッサバイパス弁３８がＬＰコンプレッサ３ＬＣ側に切り替えられ、エンジン吸気がＬＰコンプレッサバイパス通路３７を通過せず、ＬＰコンプレッサ３ＬＣのみを通過するようになっている。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
例えば、ＨＰターボ３Ｈの作動領域、すなわち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において、ＥＣＵ１００は、給気路２５を第１の給気路２５Ａに切り替え、すなわち第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給気制御弁２６を切り替える。すると、過給を行っている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の給気路２５Ａを通じて燃料電池４に供給される。
【００８８】
またこのときＥＣＵ１００は、排気路２７を第１の排気路２７Ａに切り替え、すなわち第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の排気路２７Ａを通じてＨＰタービン３ＨＴの上流側の排気通路６（具体的には排気マニホールド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。
【００８９】
また例えば、ＬＰターボ３Ｌの作動領域、すなわち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において、ＥＣＵ１００は、給気路２５を第２の給気路２５Ｂに切り替え、すなわち第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給気制御弁２６を切り替える。すると、過給を行っているＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側で且つＨＰコンプレッサ３ＨＣの上流側から空気が抽出され、この空気が第２の給気路２５Ｂを通じて燃料電池４に供給される。
【００９０】
またこのときＥＣＵ１００は、排気路２７を第２の排気路２７Ｂに切り替え、すなわち第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２の排気路２７Ｂを通じて、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。
【００９１】
なお当然ながら、ＥＣＵ１００は、燃料電池４の作動中、ＦＣ燃料ポンプ１５を作動させ、ＦＣ燃料調量弁１６を開弁して、燃料電池４に燃料を供給する。
【００９２】
ところで、前述したように、エンジン本体２が停止状態であるときに、燃料電池４による発電が必要となり、燃料電池４を作動させなければならない場合がある。ここでエンジン本体２が停止状態であるときとは、インジェクタ４１による燃料噴射も点火プラグ４２による点火も実行されておらず、クランクシャフトが回転停止している状態をいう。またエンジン本体２の停止には、後述する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。また燃料電池４による発電が必要な場合とは、例えばエアコン等の電装品もしくは電気負荷が作動されたことにより、バッテリ残量が所定の閾値以下に低下した場合、あるいはバッテリ放電量が所定の閾値以上に増加した場合である。
【００９３】
燃料電池４を作動させるには、燃料電池４に対し燃料を供給しなければならないのは勿論のこと、燃料電池４に対し必要な空気を送り、且つ燃料電池４からの排ガスを排出しなければならない。このため、低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈとの少なくとも一方を、エンジン本体２の停止中に作動させなければならない。
【００９４】
しかし、これらのうちの何れを作動させるかについては、個々のターボ過給機の特性や燃料電池の特性等を考慮した十分な検討が必要である。また、その作動時において最大限効率を高められるよう工夫が必要である。
【００９５】
なお、低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈの少なくとも一方を作動させるため、エンジン本体２の停止を禁止したりエンジン本体２を再始動したりすることなどが考えられる。しかしこうすると、必然的に燃料を消費してしまい、燃費が悪化する。また再始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。
【００９６】
そこで本実施形態では、エンジン本体２の停止中に燃料電池４を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させるべく、次のような制御を実行することとしている。
【００９７】
まず第１に、エンジン本体２の停止中に燃料電池４を作動させるときには、高圧段ターボ過給機３Ｈを作動させ、もしくは使用するようにしている。すなわち、先のＨＰターボ３Ｈの作動領域もしくは低回転領域のときと同じように、燃料電池４から排出されたＦＣ排気を第１の排気路２７Ａを通じてＨＰタービン３ＨＴの上流側の排気通路６に排出し、この排出されたＦＣ排気を利用してＨＰタービン３ＨＴを回転駆動する。
【００９８】
そして、ＨＰタービン３ＨＴに同軸連結されたＨＰコンプレッサ３ＨＣを回転させ、ＨＰコンプレッサ３ＨＣから空気を吐出させる。この吐出された空気を、第１の給気路２５Ａを通じて燃料電池４に供給する。
【００９９】
併せて、燃料電池４に対し燃料供給を行う。
【０１００】
すると継続的に、燃料電池４から排出されたＦＣ排気によりＨＰタービン３ＨＴおよびＨＰコンプレッサ３ＨＣを回転駆動し、燃料電池４に空気を供給し、燃料電池４を自立運転させることができる。ここで「燃料電池が自立運転する」とは、燃料電池の排気によってタービンおよびコンプレッサを回転させ、これらをエンジン排気や他の外力により回転させなくても、すなわちエンジン本体２を作動させなくても、燃料電池への空気供給が可能となり、併せて燃料供給を行うことにより燃料電池が作動し、発電し続ける状態をいう。言い換えれば、燃料電池の排気のみによってタービンおよびコンプレッサを回転させ、燃料電池自らを作動させる状態をいう。
【０１０１】
ところで、低圧段ターボ過給機３Ｌではなく高圧段ターボ過給機３Ｈを作動させる理由は次の通りである。
【０１０２】
低圧段ターボ過給機３Ｌは高圧段ターボ過給機３Ｈに比べて大型かつ大容量であり、エンジン本体２の最高出力点で必要な空気量を賄えるようなサイズに設定されている。しかし、エンジン本体停止中に燃料電池４の発電に必要な空気量を送るには、低圧段ターボ過給機３Ｌは大きすぎ、これを作動させてもターボ効率の低いところでしか作動させることができない。よってシステム全体としての効率も低下してしまう。
【０１０３】
図３は、低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈとでコンプレッサの特性を比較したコンプレッサマップである。横軸はコンプレッサ空気流量、縦軸は圧力比を示す。一点鎖線は低圧段ターボ過給機３Ｌの特性を示し、実線は高圧段ターボ過給機３Ｌの特性を示す。図から分かるように、高圧段ターボ過給機３Ｌの特性は低圧段ターボ過給機３Ｌの特性に対し低流量側且つ低圧力比側にずれている。
【０１０４】
ηL、ηHはそれぞれ、低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈにおいてコンプレッサ効率が比較的高い閾値以上となる高効率領域を示す。ＳL、ＳHはそれぞれ、低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈのサージ限界を示す。ＮL、ＮHはそれぞれ、低圧段ターボ過給機３Ｌと高圧段ターボ過給機３Ｈにおいて同一のタービン回転数であるときの作動線を示す。星印で示すＸは、エンジン本体停止中に燃料電池４を作動させたときの作動点を示す。
【０１０５】
図から分かるように、エンジン本体停止中に低圧段ターボ過給機３Ｌを作動させても、作動点Ｘが高効率領域ηLから外れてしまい、高いターボ効率を得ることができない。これに対し、エンジン本体停止中に高圧段ターボ過給機３Ｈを作動させると、作動点Ｘが高効率領域ηHに入るようになり、高いターボ効率を得ることができる。
【０１０６】
よって、エンジン本体停止中、燃料電池４の作動に必要な空気量を送るには、低圧段ターボ過給機３Ｌよりもむしろ高圧段ターボ過給機３Ｈの方がサイズ的に適している。それ故、高圧段ターボ過給機３Ｈを作動させることによりターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができ、有利である。
【０１０７】
第２に、エンジン本体２の停止中に燃料電池４を作動させるときには、低圧段コンプレッサ３ＬＣの上流側の吸気をＬＰコンプレッサバイパス通路３７に導くようＬＰコンプレッサバイパス弁３８を切り替える。
【０１０８】
すると、吸気が低圧段コンプレッサ３ＬＣを通過せず、ＬＰコンプレッサバイパス通路３７を通過して高圧段コンプレッサ３ＨＣに供給されるようになる。これにより流路抵抗を低減すると共に、吸気が低圧段コンプレッサ３ＬＣを駆動することによる損失を低減し、吸気を効率良く高圧段コンプレッサ３ＨＣに供給することができる。そして結果的にターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができる。
【０１０９】
このように本実施形態によれば、エンジン本体２の停止中に燃料電池４を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させることが可能である。
【０１１０】
以下、本実施形態における制御をより詳細に説明する。まず本実施形態で実行可能なアイドルストップ制御について説明する。
【０１１１】
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本体２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本体２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における燃料噴射および点火は停止され、解除条件が成立したとき、エンジン本体２における燃料噴射および点火が再開され、スタータモータ１８がオンされてエンジン本体２が再始動される。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。
【０１１２】
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５４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５２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５５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）。
【０１１３】
また例えば、解除条件は、エンジン本体２の停止中に上記条件（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。
【０１１４】
次に、エンジン本体２の停止中に燃料電池４を作動もしくは自立運転させるときの制御について、図４〜６を参照しつつ説明する。
【０１１５】
図４は、エンジン本体停止前後における各弁等の作動を示す。ここでは、エンジン本体停止前にエンジン本体２がアイドル運転され、且つ燃料電池４が作動されており、その最中に前記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、燃料電池４は引き続き作動されている例を説明する。図４において、ｔ１は車両が停止された時点、ｔ２はエンジン本体が停止された時点である。エンジン本体停止前には前述の低回転領域のときの作動状態、すなわちＨＰターボ３Ｈのみが実質的に作動されている状態となっている。
【０１１６】
図４（Ａ）に示すように、エンジン本体が停止されたとき、エンジン回転数はアイドル回転数Ｎｉからゼロに変化する。また図４（Ｂ）に示すように、エンジン本体が停止されたとき、ＬＰタービン回転数はアイドル時の速度ＮｔＬｉから徐々にゼロに変化する。
【０１１７】
一方、図４（Ｃ）に示すように、エンジン本体が停止されたとき、ＨＰタービン回転数は、アイドル時の速度ＮｔＨｉから、より低速の回転数ＮｔＨ１（＞０）へと徐々に変化し、この回転数ＮｔＨ１を維持する。前述したようにＨＰターボ３Ｈが自立運転されるからである。
【０１１８】
図４（Ｄ）に示すように、スロットルバルブ９は、エンジン本体停止前にはアイドル時の開度ＴＨｉに制御されているが、エンジン本体停止後にはアイドル時の開度ＴＨｉよりも少ない開度に制御され、本実施形態では吸気通路５を完全に閉じるような全閉位置（開度＝０）に制御される。
【０１１９】
図４（Ｅ）に示すように、ＥＧＲ弁４７は、エンジン本体停止前にはアイドル時の開度Ｖｅｇｒｉに制御されているが、エンジン本体停止後にはアイドル時の開度Ｖｅｇｒｉよりも少ない開度に制御され、本実施形態ではＥＧＲ通路４５を完全に閉じるような全閉位置（開度＝０）に制御される。
【０１２０】
図４（Ｆ）に示すように、ＨＰコンプレッサバイパス弁２１は、エンジン本体停止前後において全閉とされる。
【０１２１】
図４（Ｇ）に示すように、給気制御弁２６は、エンジン本体停止前後において、空気をＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側から抽出するような位置、言い換えれば給気路２５を第１の給気路２５Ａに切り替えるような位置に制御される。この位置をＨＰ側位置と称し、図中「ＨＰ」で表記する。
【０１２２】
なお、空気をＬＰコンプレッサ３ＬＣの下流側且つＨＰコンプレッサ３ＨＣの上流側から抽出するような位置、言い換えれば給気路２５を第２の給気路２５Ｂに切り替えるような位置をＬＰ側位置と称し、図中「ＬＰ」で表記する。
【０１２３】
図４（Ｈ）に示すように、ウェイストゲート弁１２は、エンジン本体停止前には全閉位置に制御されているが、エンジン本体停止後には開放され、特に全閉より大きい開度、好ましくは全開位置に制御される。
【０１２４】
図４（Ｉ）に示すように、ＬＰタービン遮断弁３９は、エンジン本体停止前には全開位置に制御されているが、エンジン本体停止後には閉止され、特に全閉位置に制御される。
【０１２５】
図４（Ｊ）に示すように、ＨＰタービンバイパス弁１９は、エンジン本体停止前後において全閉とされる。
【０１２６】
図４（Ｋ）に示すように、排気制御弁２８は、エンジン本体停止前後において、ＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴの上流側に供給するような位置、言い換えれば排気路２７を第１の給気路２７Ａに切り替えるような位置に制御される。この位置をＨＰ側位置と称し、図中「ＨＰ」で表記する。
【０１２７】
なお、ＦＣ排気をＨＰタービン３ＨＴの下流側ＬＰ且つＬＰタービン３ＬＴの上流側に供給するような位置、言い換えれば排気路２７を第２の排気路２７Ｂに切り替えるような位置をＬＰ側位置と称し、図中「ＬＰ」で表記する。
【０１２８】
図４（Ｌ）に示すように、ＬＰターボ３Ｌ用の潤滑用オイルと冷却水は、エンジン本体停止前にはＬＰターボ３Ｌに供給（ＯＮ）されるが、エンジン本体停止後には供給停止（ＯＦＦ）される。エンジン本体停止に伴ってＬＰターボ３Ｌが停止されるからである（図４（Ｂ）参照）。
【０１２９】
図４（Ｍ）に示すように、ＨＰターボ３Ｈ用の潤滑用オイルと冷却水は、エンジン本体停止前後においてＨＰターボ３Ｈに供給（ＯＮ）される。エンジン本体停止後も引き続きＨＰターボ３Ｈが作動されるからである（図４（Ｃ）参照）。
【０１３０】
図２に示すように、エンジン本体停止前には、オイル供給ポンプ６２と冷却水供給ポンプ７２が作動され、ＬＰオイル供給弁６５、ＨＰオイル供給弁６６、ＬＰ冷却水供給弁７５およびＨＰ冷却水供給弁７６はいずれも開とされる。他方、エンジン本体停止後には、オイル供給ポンプ６２と冷却水供給ポンプ７２が作動され、ＬＰオイル供給弁６５およびＬＰ冷却水供給弁７５が閉とされる一方、ＨＰオイル供給弁６６およびＨＰ冷却水供給弁７６は開とされる。
【０１３１】
図４（Ｎ）に示すように、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８は、エンジン本体停止前には、ＬＰコンプレッサ３ＬＣの上流側の吸気をＬＰコンプレッサ３ＬＣに導くような位置に制御される。この位置をＬＰ側位置と称し、図中「ＬＰ」で表記する。
【０１３２】
他方、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８は、エンジン本体停止後には、ＬＰコンプレッサ３ＬＣの上流側の吸気をＬＰコンプレッサバイパス通路３７に導くような位置、言い換えればＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給するような位置に制御される。この位置をＨＰ側位置と称し、図中「ＨＰ」で表記する。
【０１３３】
これらの各弁等の作動に対応した、エンジン本体停止前（アイドル運転時）における空気、エンジン排気およびＦＣ排気の流れは、図５に示す通りである。
【０１３４】
エンジン排気は、ＨＰタービン３ＨＴに供給されてＨＰタービン３ＨＴを駆動した後、ＬＰタービン３ＬＴ、排気浄化触媒１０を順次通過して外部に排出される。
【０１３５】
また吸気（空気）は、ＬＰコンプレッサ３ＬＣを通過してＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給され、ここで若干昇圧された後、インタークーラ８、スロットルバルブ９を順次通過してエンジン本体２に供給される。
【０１３６】
エンジン排気の一部であるＥＧＲガスは、ＥＧＲ弁４７を通過して吸気通路５に至る。
【０１３７】
ＦＣ排気は、第１の排気路２７Ａを通じて排気マニホールド１８に供給され、ここでエンジン排気と合流された後、ＨＰタービン３ＨＴの駆動に供される。
【０１３８】
ＦＣ空気は、ＨＰコンプレッサ３ＨＣの下流側から抽出され、第１の給気路２５Ａを通じて燃料電池４に供給される。
【０１３９】
次に、エンジン本体停止後もしくは停止中における空気およびＦＣ排気の流れは、図６に示す通りである。ここでエンジン本体２が停止されているので、エンジン排気の流れはない。
【０１４０】
ＦＣ排気は、エンジン本体停止前と同様、第１の排気路２７Ａを通じ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を駆動する。そして、ウェイストゲート弁１２が全開、ＬＰタービン遮断弁３９が全閉となっているので、ＦＣ排気は、ＬＰタービン３ＬＴに供給されず、ＬＰタービンバイパス通路１１を通過して排気浄化触媒１０に至り、その後外部に排出される。
【０１４１】
このように、ＦＣ排気のＬＰタービン３ＬＴへの供給がＬＰタービン遮断弁３９により阻止されるので、ＨＰタービン３ＨＴから排出されたＦＣ排気をスムーズに外部に排出することができ、ＨＰタービン３ＨＴもしくはＨＰターボ３Ｈの駆動効率を高めることができる。またこれによりＬＰターボ３Ｌを非作動もしくは停止状態にすることができる。
【０１４２】
また、ＥＧＲ弁４７が全閉とされるので、排気マニホールド１８から吸気通路５へのＦＣ排気の漏れ出しを阻止することができ、これによってもＨＰタービン３ＨＴもしくはＨＰターボ３Ｈの駆動効率を高めることができる。
【０１４３】
一方、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８がＨＰ側位置とされるので、吸気（空気）は、ＬＰコンプレッサ３ＬＣを通過せず、ＬＰコンプレッサバイパス通路３７を通過してＨＰコンプレッサ３ＨＣに直接的に供給される。これにより流路抵抗を低減すると共に、吸気がＬＰコンプレッサ３ＬＣを駆動することによる損失を低減し、吸気を効率良くＨＰコンプレッサ３ＨＣに供給することができる。そして結果的にターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができる。
【０１４４】
その後吸気は、ＨＰコンプレッサ３ＨＣにより若干昇圧された後、インタークーラ８側に向かわず、その全量が第１の給気路２５Ａに直接的に供給される。スロットルバルブ９が、吸気通路５を完全に閉じるよう全閉とされているからである。これにより、吸気のエンジン本体２側への漏れ出しを阻止することができ、吸気を効率的に燃料電池４に供給することができる。
【０１４５】
その後吸気は、ＦＣ空気として第１の給気路２５Ａを通過され、燃料電池４に供給される。
【０１４６】
なお、エンジン本体２および燃料電池４の停止状態から、燃料電池４のみを起動することが可能である。このときＥＣＵ１００は、比較的短い所定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、ＨＰターボ３Ｈに初動を与える。このときＨＰコンプレッサ３ＨＣから排出される空気により、燃料電池４が起動される。その後は、ＦＣ排気によりＨＰターボ３Ｈを作動させ続け、燃料電池４の自立運転を行う。このときにも、上記のようなエンジン本体停止後の作動が適用可能である。
【０１４７】
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。
【０１４８】
前記実施形態では、エンジン本体停止後、吸気がＬＰコンプレッサ３ＬＣを通過せず、ＬＰコンプレッサバイパス通路３７のみを通過するよう、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８を完全にＨＰ側に切り替えた。しかしながら、吸気の一部がＬＰコンプレッサ３ＬＣを通過し、吸気の残部がＬＰコンプレッサバイパス通路３７を通過するよう、ＬＰコンプレッサバイパス弁３８をＬＰ側とＨＰ側の中間位置に切り替えてもよい。こうしても、流路抵抗の少ないＬＰコンプレッサバイパス通路３７の方に吸気の大部分が流れ、前記同様の作用効果を得られると考えられるからである。
【０１４９】
また前記実施形態では、エンジン本体停止後、ＦＣ排気がＬＰタービン３ＬＴを通過せず、ＬＰタービンバイパス通路１１のみを通過するよう、ＬＰタービン遮断弁３９を全閉とした。しかし、ＬＰタービン遮断弁３９は必ずしも全閉とする必要はなく、ＦＣ排気の大部分をＬＰタービンバイパス通路１１に導けるのであれば、僅かに開いていてもよく、ＦＣ排気の一部がＬＰタービン３ＬＴを流れるのを許容してもよい。同様に、ウェイストゲート弁１２は必ずしも全開とする必要はなく、全開より少ない開度であっても構わない。
【０１５０】
同様の考え方で、エンジン本体停止後、スロットルバルブ９を全閉より僅かに開いた開度としてもよいし、ＥＧＲ弁４７を全閉より僅かに開いた開度としてもよい。但しこれらは、アイドル時の開度よりは少ない開度とするのが好ましい。
【０１５１】
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】
【０１５２】
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
９  スロットルバルブ
１１  ＬＰタービンバイパス通路
１２  ウェイストゲート弁
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
３７  ＬＰコンプレッサバイパス通路
３８  ＬＰコンプレッサバイパス弁
３９  ＬＰタービン遮断弁
４５  ＥＧＲ通路
４７  ＥＧＲ弁
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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【図６】
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