(57)【要約】【課題】排気系に燃料電池を有する内燃機関において、内燃機関の運転状態を悪化させることなく燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させ、また、内燃機関の運転状態を悪化させることなく燃料電池に燃料を供給することができる技術を提供する。【解決手段】主噴射と異なる時期の燃料噴射によりＨＣ若しくはＣＯ濃度を高めた排気を燃料電池３よりも上流の第１触媒７へ供給して、該燃料第１触媒７で発生した熱により燃料電池３の暖機を行う。燃料電池３の暖機完了後は、第１触媒７を第１迂回路９により迂回させて、ＨＣ若しくはＣＯ濃度の高い排気を発電用燃料として燃料電池３に供給する。【選択図】図１
2005166539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段により主噴射を行い、且つこの主噴射と異なる時期の燃料噴射により排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度を高める発電用燃料噴射手段と、
前記内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に備えられた第１触媒と、
前記第１触媒よりも上流側の排気通路と前記第１触媒よりも下流側で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する第１迂回路と、
前記第１触媒よりも下流で且つ燃料電池よりも上流の排気の温度を検出する第１温度検出手段と、
前記発電用燃料噴射手段により排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度が高められているときであって前記燃料電池の温度を上昇させるときには、主に前記第１触媒に排気を流通させ、前記第１温度検出手段により検出される温度が前記燃料電池の発電に必要とされる温度となった場合には、主に前記第１迂回路に排気を流通させる第１流路切替手段と、
を備えたことを特徴とする排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項２】
前記燃料電池よりも下流の排気の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
前記第１温度検出手段により検出される温度が前記燃料電池の発電に必要とされる温度となった後であっても、前記第２温度検出手段により検出される温度が燃料電池の作動温度以下となる場合には、前記第１流路切替手段は、主に前記第１触媒に排気を流通させることを特徴とする請求項１に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項３】
前記燃料電池で発生した電気エネルギを蓄えるバッテリと、
前記バッテリに蓄えられた電気エネルギ量を積算する蓄電量算出手段と、
前記バッテリから放出された電気エネルギ量を積算する放電量算出手段と、
前記蓄電量算出手段及び前記放電量算出手段による算出結果に基づいて前記バッテリに蓄えられている電気エネルギ量を算出する残存蓄電量算出手段と、
をさらに備え、
前記発電用燃料噴射手段は、前記残存蓄電量算出手段の算出結果に基づいて、排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項４】
前記第１温度検出手段により検出される温度が前記第１触媒の活性温度以上となる場合には、前記発電用燃料噴射手段は排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度の上昇を停止させ若しくは上昇量を減少させ、且つ、前記第１流路切替手段は前記第１迂回路を流通する排気の量を減少させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項５】
前記第１触媒よりも上流に備えられたターボチャージャと、
前記ターボチャージャよりも上流の排気通路と前記第１触媒よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する第２迂回路と、
前記燃料電池の発電量を上昇させるときに、主に前記第２迂回路に排気を流通させる第２流路切替手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項６】
前記ターボチャージャは可変容量型ターボチャージャであり、前記燃料電池の発電量を上昇させるときに該可変容量型ターボチャージャのノズルベーンを閉じ側へ制御すること
を特徴とする請求項５に記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【請求項７】
前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられた第２触媒と、
前記燃料電池よりも下流で且つ前記第２触媒よりも上流の排気通路に備えられ、排気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器よりも上流側の排気通路と前記熱交換器よりも下流側で且つ前記第２触媒よりも上流側の排気通路とを接続する第３迂回路と、
前記第２触媒よりも下流の排気の温度を検出する第３温度検出手段と、
前記第３温度検出手段により検出される温度が前記第２触媒の活性温度以下となる場合には、主に前記第３迂回路に排気を流通させ、前記第３温度検出手段により検出される温度が前記第２触媒の活性温度よりも高い場合には、主に前記熱交換器に排気を流通させる第２流路切替手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の排気系に燃料電池を有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気系に燃料電池を有する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気系に燃料電池を備え、燃料過多の状態で内燃機関を運転させて排出された未燃成分を該燃料電池の燃料極側に発電用燃料として供給する技術（例えば、特許文献１参照。）が知られている。さらに、内燃機関の排気系に備えられた燃料電池よりも上流の排気通路内へ酸素を供給する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００２−１７５８２４号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、内燃機関の運転条件によっては、燃料過多の状態で運転することが困難な場合があり、そのような場合には、燃料電池に燃料を供給することができなくなる。また、このような場合に、燃料電池での発電を優先させて燃料過多の状態で内燃機関を運転させると、内燃機関の運転状態が悪化し、トルク変動やエミッションの悪化を誘発させてしまう。さらに、燃料電池は温度が高い状態で作動するため、該燃料電池を作動温度まで温度上昇させる必要があるが、この温度上昇に時間がかかると要求電力を確保することができなくなる虞がある。
【０００４】
また、燃料電池よりも上流に触媒を備えている場合には、燃料電池に燃料が供給される前に触媒で燃料が反応してしまい、燃料電池に燃料を安定して供給できなくなる。さらには、触媒で燃料が反応することにより、触媒が過熱する虞がある。
【０００５】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、排気系に燃料電池を有する内燃機関において、内燃機関の運転状態を悪化させることなく燃料電池を作動温度まで速やかに温度上昇させると共に、内燃機関の運転状態を悪化させることなく燃料電池に燃料を供給することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために本発明の排気系に燃料電池を有する内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、
内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段により主噴射を行い、且つこの主噴射と異なる時期の燃料噴射により排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度を高める発電用燃料噴射手段と、
前記内燃機関の排気通路に燃料極側が接続された燃料電池と、
前記内燃機関よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路に備えられた第１触媒と、
前記第１触媒よりも上流側の排気通路と前記第１触媒よりも下流側で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する第１迂回路と、
前記第１触媒よりも下流で且つ燃料電池よりも上流の排気の温度を検出する第１温度検出手段と、
前記発電用燃料噴射手段により排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度が高められているときであって前記燃料電池の温度を上昇させるときには、主に前記第１触媒に排気を流通させ、
前記第１温度検出手段により検出される温度が前記燃料電池の発電に必要とされる温度となった場合には、主に前記第１迂回路に排気を流通させる第１流路切替手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の最大の特徴は、内燃機関の気筒内に主噴射とは異なる時期に燃料噴射を行い、これによりＨＣ若しくはＣＯの排出量を増加させることにより、第１触媒で熱を発生させて燃料電池の温度を上昇させ、また、燃料電池の温度が上昇した後には、主に第１迂回路に排気を流通させてＨＣ若しくはＣＯを発電用燃料として燃料電池に供給することにある。
【０００８】
このように構成された排気系に燃料電池を有する内燃機関では、燃料噴射手段からの主噴射により内燃機関が運転される。一方、発電用燃料噴射手段は、燃料噴射手段による内燃機関への燃料噴射を主噴射以外にも行うようにする。たとえば、排気行程終期から吸気行程初期のピストンが上死点近傍にあるときに燃料噴射を行うことにより、内燃機関から多量のＣＯを排出させることができる。また、主噴射の後の膨張行程若しくは排気行程に燃料を噴射することにより多量のＨＣを排出させることができる。
【０００９】
このようにして排出されたＨＣやＣＯは、第１触媒にて反応し、排気の温度を上昇させる。すなわち第１触媒は、ＨＣやＣＯの供給により排気の温度を上昇させることが可能な、酸化能力を有する触媒であることが望ましい。このようにして、排気の温度を上昇させ、この温度の高い排気を燃料電池に流入させることにより、燃料電池において発電可能な温度（以下、作動温度という。）まで該燃料電池の温度を上昇させることができる。
【００１０】
しかし、燃料電池が発電可能となっても、第１触媒にてＨＣやＣＯが反応していると、該燃料電池に供給される発電用燃料としてのＨＣやＣＯが少なくなり、該燃料電池での発電量が少なくなる。また、第１触媒にＨＣやＣＯを継続して供給していると、該第１触媒が過熱する虞もある。
【００１１】
その点、燃料電池の温度が作動温度まで上昇した後に、第１流路切替手段により主に第１迂回路に排気を流通させると、燃料電池に流入するＨＣやＣＯを増加させることができ、発電量を増加させることができる。また、第１触媒に供給されるＨＣやＣＯの量が少なくなるので、該第１触媒にて発生する熱を減少させることができ、該第１触媒の過熱を抑制することが可能となる。
【００１２】
なお、第１温度検出手段は、第１触媒の温度を検出するようにしても良い。また、前記発電用燃料噴射手段により排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度が高められているときであって前記燃料電池の温度を上昇させるときには、前記第１触媒にのみ排気を流通させ、前記第１温度検出手段により検出される温度が前記燃料電池の発電に必要とされる温度となった場合には、前記第１迂回路にのみ排気を流通させることがより好ましい。
【００１３】
本発明においては、前記燃料電池よりも下流の排気の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
前記第１温度検出手段により検出される温度が前記燃料電池の発電に必要とされる温度となった後であっても、前記第２温度検出手段により検出される温度が燃料電池の作動温度以下となる場合には、前記第１流路切替手段は、主に前記第１触媒に排気を流通させることができる。
【００１４】
主に第１迂回路に排気を流通させると、第１触媒において排気中のＨＣやＣＯが反応しないので、より多くの発電用燃料を燃料電池に供給することができる。しかし、第１触媒を通過しない排気は温度が低く、燃料電池の温度を低下させることがある。そして、燃料
電池が作動温度以下となると発電が行われなくなってしまう。その点、第２温度検出手段により検出される温度が、燃料電池の作動温度以下となる場合に、主に第１触媒に排気を流通させると、再度燃料電池の温度を上昇させることが可能となる。
【００１５】
なお、第２温度検出手段により検出される温度が、燃料電池の作動温度以下となる場合に、第１触媒にのみ排気を流通させることがより好ましい。また、第２温度検出手段は、燃料電池の温度を検出するようにしても良い。さらに、第１流路切替手段は、第２温度検出手段により検出される温度が燃料電池の作動温度以下となった場合に限らず、作動温度以下となる可能性がある場合に主に第１触媒に排気を流通させるようにしても良い。
【００１６】
本発明においては、前記燃料電池で発生した電気エネルギを蓄えるバッテリと、
前記バッテリに蓄えられた電気エネルギ量を積算する蓄電量算出手段と、
前記バッテリから放出された電気エネルギ量を積算する放電量算出手段と、
前記蓄電量算出手段及び前記放電量算出手段による算出結果に基づいて前記バッテリに蓄えられている電気エネルギ量を算出する残存蓄電量算出手段と、
をさらに備え、
前記発電用燃料噴射手段は、前記残存蓄電量算出手段の算出結果に基づいて、排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度を調整することができる。
【００１７】
燃料電池で発生した電気エネルギをバッテリに蓄え、このバッテリから電気エネルギを必要とする各部材へ電気エネルギを供給することにより、電気エネルギを安定して供給することができる。しかし、燃料電池で発生する電気エネルギ量よりも各部材で消費される電気エネルギ量が多くなると、バッテリに蓄えられている電気エネルギが減少していき、各位部材への電気エネルギの安定供給が困難となる虞がある。その点、バッテリに蓄えられている電気エネルギ量（以下、バッテリの充電量という。）が減少した場合に、排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度を高めれば、燃料電池での発電量が増加し、バッテリの充電量を増加させることができる。また、バッテリの充電量が十分な場合には、排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度を低めることにより、燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００１８】
本発明においては、前記第１温度検出手段により検出される温度が前記第１触媒の活性温度以上となる場合には、前記発電用燃料噴射手段は排気中のＨＣ若しくはＣＯ濃度の上昇を停止させ若しくは上昇量を減少させ、且つ、前記第１流路切替手段は前記第１迂回路を流通する排気の量を減少させることができる。
【００１９】
発電用燃料を供給し続けると第１触媒が過熱する虞がある。そのため、燃料電池の温度が作動温度まで上昇したときには、第１迂回路に排気を流通させて第１触媒の温度上昇を抑制している。しかし、既に第１触媒が過熱状態となっている場合には、速やかに該第１触媒の温度を低下させる必要が生じる。そのときに、ＨＣやＣＯをあまり含まない排気を第１触媒に流通させると、この排気により第１触媒の熱が奪われるので、該第１触媒の温度を低下させることが可能となる。
【００２０】
なお、第１流路切替手段は、第１温度検出手段により検出された温度が活性温度以上となった場合に限らず、活性温度以上となる可能性がある場合に第１迂回路を流通する排気の量を減少させるようにしても良い。
【００２１】
本発明においては、前記第１触媒よりも上流に備えられたターボチャージャと、
前記ターボチャージャよりも上流の排気通路と前記第１触媒よりも下流で且つ前記燃料電池よりも上流の排気通路とを接続する第２迂回路と、
前記燃料電池の発電量を上昇させるときに、主に前記第２迂回路に排気を流通させる第２流路切替手段と、
を備えることができる。
【００２２】
このように排気通路にターボチャージャが備えられていると、ターボチャージャが排気の抵抗となり、該ターボチャージャよりも上流側と下流側との排気の圧力差が大きくなる。すなわち第２迂回路の上流側と下流側との排気の圧力差が大きくなり、そのため、第２迂回路に排気を流通させると、その流速は第１迂回路に排気を流通させる場合よりも速くなる。従って、第２迂回路に排気を流通させることにより、燃料電池に速やかにＣＯやＨＣを供給することが可能となり、速やかに発電量を増加させることが可能となる。
【００２３】
本発明においては、前記ターボチャージャは可変容量型ターボチャージャであり、前記燃料電池の発電量を上昇させるときに該可変容量型ターボチャージャのノズルベーンを閉じ側へ制御することができる。
【００２４】
可変容量型ターボチャージャのノズルベーンを閉じ側へ制御することにより、該ターボチャージャの上流側と下流側との排気の圧力差をより大きくすることが可能となり、燃料電池へより速やかに発電用燃料を供給することが可能となる。
【００２５】
本発明においては、前記燃料電池よりも下流の排気通路に備えられた第２触媒と、
前記燃料電池よりも下流で且つ前記第２触媒よりも上流の排気通路に備えられ、排気と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器よりも上流側の排気通路と前記熱交換器よりも下流側で且つ前記第２触媒よりも上流側の排気通路とを接続する第３迂回路と、
前記第２触媒よりも下流の排気の温度を検出する第３温度検出手段と、
前記第３温度検出手段により検出される温度が前記第２触媒の活性温度以下となる場合には、主に前記第３迂回路に排気を流通させ、前記第３温度検出手段により検出される温度が前記第２触媒の活性温度よりも高い場合には、主に前記熱交換器に排気を流通させる第２流路切替手段と、
を備えることができる。
【００２６】
ここで、高温で作動する燃料電池から排出されるガスの温度は高温であり、該燃料電池よりも下流に熱交換器を備えることにより、この熱を回収することが可能となる。そして、例えば、熱交換器により温度が上昇された空気を燃料電池の上流へ供給することにより、排気通路の温度を上昇させることができる。これにより、未燃燃料成分の排気通路への付着を抑制することが可能となり、効率的な発電が可能となる。
【００２７】
ところで、前記第１触媒で浄化されなかった有害成分や燃料電池で反応しなかった発電用燃料は、第２触媒により浄化される。ここで、熱交換器により排気の温度が低下すると、温度の低い排気が第２触媒に流入するので、該第２触媒の温度が低下する。そして、第２触媒の温度が活性温度以下となると有害成分の浄化率が低下してしまう。
【００２８】
そこで、第３温度検出手段により検出された温度が、第２触媒の活性温度以下となる場合には、主に第３迂回路に排気を流通させる。これにより、排気の温度が低下することを抑制し、以て第２触媒の温度が低下することを抑制することが可能となる。
【００２９】
なお、第３温度検出手段により検出された温度が、第２触媒の活性温度以下となる場合には、第３迂回路にのみ排気を流通させることがより好ましい。また、第３温度検出手段は、第２触媒の温度を検出するようにしても良い。さらに、第２流路切替手段は、第３温度検出手段により検出された温度が活性温度以下となった場合に限らず、活性温度以下となる可能性がある場合に主に第３迂回路に排気を流通させるようにしても良い。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る排気系に燃料電池を有する内燃機関では、内燃機関の運転状態を悪化させることなく燃料電池の温度を作動温度まで上昇させ、さらには燃料電池に発電用の燃料を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る排気系に燃料電池を有する内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１は、本実施例によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示すエンジン１は、ディーゼルエンジンである。
エンジン１には、該エンジン１からの既燃ガスを大気中へ放出させるための排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、燃料電池３が備えられている。この燃料電池３は、補機類４にバッテリ５を介して電気的に接続されており、該補機類４に電力を供給する。なお、本実施例では、構造及び制御が簡素で、また燃料電池用の触媒を必要とせず、燃料電池内部で燃料の改質が可能な固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下、ＳＯＦＣとする。）を採用した。
【００３３】
ＳＯＦＣ３は、燃料極３ａ、電解質３ｂ、空気極３ｃの三種類の酸化物電解質を備えて構成されている。
エンジン１とＳＯＦＣ３との間の排気通路２には、エンジン１側から順に、ターボチャージャ６、第１触媒７、第１流路切替弁８が備えられている。また、ターボチャージャ６と第１触媒７との間の排気通路２には、第１触媒７を迂回する第１迂回路９の一端が接続され、該第１迂回路９の他端は第１流路切替弁８に接続されている。第１流路切替弁８は、後述するＥＣＵ１０からの信号により作動し、第１触媒７及び第１迂回路９を流通する排気の量を調整する弁である。
【００３４】
また、第１触媒７と第１流路切替弁８との間の排気通路２には、排気の温度を検出する第１排気温度センサ１１が取り付けられている。
ＳＯＦＣ３よりも下流の排気通路２には、ＳＯＦＣ３側から順に熱交換器１２及び第２触媒１３が備えられている。この熱交換器１２では、排気通路２を流通する排気と空気ポンプ１４から送られる空気との間で熱交換が行われる。この空気ポンプ１４から送られた空気は空気供給通路１５を介して、エンジン１とターボチャージャ６との間の排気通路２に供給される。
【００３５】
また、ＳＯＦＣ３と熱交換器１２との間の排気通路２には、排気の温度を検出する第２排気温度センサ１６が取り付けられ、第２触媒１３よりも下流の排気通路２には、排気の温度を検出する第３排気温度センサ１７が取り付けられている。
【００３６】
なお、第１触媒７及び第２触媒１３は、それぞれ、酸化触媒、三元触媒、または吸蔵還元型ＮＯx触媒とすることができる。
ここで、ＳＯＦＣ３に導入された発電用燃料は、燃料極３ａ上で水蒸気と反応して水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質される。このように、ＳＯＦＣ３では電池内で燃料の改質を行うことが可能である。一方、空気極３ｃにはポンプ１８を介して空気が供給される。空気極３ｃでは、空気中の酸素が電解質３ｂとの界面において解離して酸素イオン（Ｏ2-）となり、電解質３ｂ中を燃料極３ａ側へ移動する。電解質３ｂと燃料極３ａとの界面に到達した酸素イオン（Ｏ2-）は、水素（Ｈ2）及び一酸化炭素（ＣＯ）と反応して、水（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）を生成する。ＳＯＦＣ３による発電は、このときに放出された電子を取り出すことによりなされる。
【００３７】
このようにして、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギへ変換するため、エネルギ変換による損失が少なく、高効率な発電が可能となる。このような発電は、例えば７００乃至１０００℃の温度下で行われる。
【００３８】
このように、ＳＯＦＣ３の作動温度は高いため、燃料極３ａ側からは高い温度のガスが排出される。従って、ＳＯＦＣ３が発電を行っている間は、例えエンジン１から排出される排気の温度が低い場合であっても、ＳＯＦＣ３において排気の温度が上昇されるので、ＳＯＦＣ３よりも下流の排気の温度は高くなる。本実施例では、この温度の高い排気と空気との間で熱交換を行い、それにより温度が上昇した空気をターボチャージャ６よりも上流の排気通路２へ供給する。
【００３９】
これにより、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることができる。そして、該排気通路２の壁温や排気の温度を上昇させることにより、発電用燃料が排気通路２の壁面に付着することを抑制できる。
【００４０】
このようなエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００４１】
ＥＣＵ１０には、各種センサが電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ１０には、ＳＯＦＣ３を制御するためのＦＣ用ＥＣＵ１９が接続されている。
【００４２】
前記ＳＯＦＣ３は、ＦＣ用ＥＣＵ１９からの信号により作動する。発電により得られた電力の一部は一旦バッテリ５に蓄えられる。このバッテリ５には、電動ウォータポンプ、エアコンディショナー用電動コンプレッサ、電動オイルポンプ、パワーステアリング用電動ポンプ等の補機類４が電気的に接続されており、これらの装置に電力が供給される。
【００４３】
また、ＥＣＵ１０には、エンジン１の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁２０が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０からの信号により、燃料噴射弁２０が開閉するので、ＥＣＵ１０により燃料噴射時期や燃料噴射量を調整することが可能となる。
【００４４】
ところで、従来の排気系に燃料電池を有する内燃機関では、燃料過多の状態でエンジンを運転させて、そのときに排出される未燃成分を燃料電池の燃料極側に発電用燃料として供給していた。従って、燃料電池が多くの発電用燃料を必要としている場合には、リッチ空燃比でエンジンを運転して未燃燃料を多く排出させる必要があった。
【００４５】
しかし、ディーゼルエンジンでは、通常リーン空燃比で運転されているため、排気中の酸素濃度が高く、必要電力を得ることが困難であった。一方、燃料電池に発電用の燃料を供給しようとして、通常運転時の空燃比よりも燃料を多くしたリッチ寄りの空燃比でエンジンを運転させると、トルク変動やエミッションの悪化を誘発することがあった。更に、エンジンの運転状態によっては、リッチ寄りの空燃比で運転することが困難な場合もあり、そのような場合には、必要となる電力を確保することができなかった。
【００４６】
また、前記したように、ＳＯＦＣ３の作動温度は高いため、該ＳＯＦＣ３の始動時には作動温度まで温度上昇（以下、作動温度まで温度上昇させることを「暖機」という。）させなければ発電を行うことができない。そして、ディーゼルエンジンでは、通常排気の温度が低く、燃料電池の暖機を速やかに完了させるのが困難であった。
【００４７】
その点、本実施例では、排気行程終期から吸気行程初期のピストンが上死点近傍にあるときに気筒内に燃料を噴射する。以下、このような燃料噴射をＶＩＧＯＭ噴射という。このＶＩＧＯＭ噴射によれば、エンジン１から一酸化炭素（ＣＯ）の排出量を増加させることができる。
【００４８】
また、膨張行程若しくは排気行程時に燃料噴射弁２０から副次的に燃料を噴射させても良い。以下、このような燃料噴射をポスト噴射という。このポスト噴射により、エンジン１からの未燃燃料成分（ＨＣ）の排出量を増加させることができる。
【００４９】
またＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射によれば、主噴射量を増量するときと比較して機関出力の上昇による運転状態の悪化を抑制することができる。
このようにして排出された高濃度のＣＯやＨＣは、第１触媒７で反応し、排気の温度を上昇させる。この温度が上昇した排気をＳＯＦＣ３に供給することにより、該ＳＯＦＣ３の温度を速やかに上昇させることができる。
【００５０】
しかし、高濃度のＣＯやＨＣを第１触媒７に供給し続けると、該第１触媒７の温度が上昇しすぎてしまい熱劣化を誘発する。そこで、本実施例においては、ＳＯＦＣ３の温度がＳＯＦＣ燃料反応温度まで上昇した後は、第１流路切替弁８を操作して第１迂回路９に排気を流通させる。ここで、ＳＯＦＣ燃料反応温度とは、ＳＯＦＣ３内で燃料が反応可能な温度である。ＳＯＦＣ３がこの温度以上となるとＳＯＦＣ３内でＣＯやＨＣを反応させることができ発電が可能となる。また、第１迂回路９に排気を流通させることにより、高濃度のＣＯやＨＣを発電用燃料としてＳＯＦＣ３へ供給することが可能となる。
【００５１】
次に、本実施例によるＳＯＦＣ３の発電制御について説明する。
図２は、本実施例によるＳＯＦＣ３の発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【００５２】
ステップＳ１０１では、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧスイッチとする。）がＯＮとされる。なお、本フローはＩＧスイッチがＯＮとなった場合に開始されるとしても良い。この後、エンジン１が始動される。
【００５３】
ステップＳ１０２では、エンジン回転数Ｎｅが０よりも高くなったか否か、即ちエンジン１が始動されたか否か判定する。
ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２の処理を繰り返す。
【００５４】
ステップＳ１０３では、第１流路切替弁８に信号を送り、第１触媒７に排気を流通させ、第１迂回路９には排気を流通させないようにする。これにより、第１触媒７に高濃度のＣＯやＨＣが供給される。
【００５５】
ステップＳ１０４では、ＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射において噴射される燃料量を調整する。このときの燃料噴射量は、第１触媒７にて排気の温度を上昇させるのに適した燃料噴射量とする。
【００５６】
ステップＳ１０５では、第１排気温度センサ１１から得られる排気温度が、ＳＯＦＣ燃料反応温度よりも高くなっているか否か判定する。第１排気温度センサ１１から得られる排気温度が、ＳＯＦＣ燃料反応温度よりも高くなるまでは、第１触媒７に高濃度のＣＯやＨＣを供給することにより、ＳＯＦＣ３の温度を上昇させる。
【００５７】
ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定
判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ戻る。
ステップＳ１０６では、第１流路切替弁８に信号を送り、第１迂回路９に排気を流通させ、第１触媒７には排気を流通させないようにする。これにより、第１触媒７が過熱することを抑制できる。
【００５８】
ステップＳ１０７では、ＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射において噴射される燃料量を調整する。このときの燃料噴射量は、ＳＯＦＣ３に要求される発電量を得ることのできる燃料噴射量とする。
【００５９】
ステップＳ１０８では、第２排気温度センサ１６から得られる排気温度が、作動ガス温度域内となっているか否か判定する。作動ガス温度域とは、ＳＯＦＣ３の内部で発電がなされているときに該ＳＯＦＣ３から排出される排気の温度範囲である。すなわち、第２排気温度センサ１６から得られる排気温度に基づいて、ＳＯＦＣ３において発電がなされているか否か判定する。
【００６０】
ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ戻る。
ステップＳ１０９では、バッテリ５の充電量がバッテリ５の放電量以上であるか否か判定する。バッテリ５の放電量のほうが大きいと、バッテリ５から補機類４に供給する電力が不足する虞がある。そこで、このような場合には、ＳＯＦＣ３における発電量を増加させるために、ＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射における燃料噴射量を増加させる。
【００６１】
ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させ、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ戻る。
このようにして、ＳＯＦＣ３の速やかな暖機および暖気後の発電をＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射、さらには排気の流路の切り替えにより実現することができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施例によれば、エンジン１の運転状態を悪化させずにＳＯＦＣ３に発電用燃料を供給することができる。また、第１触媒７でのＣＯやＨＣの反応熱によりＳＯＦＣ３の暖機を速やかに完了させることができる。
【実施例２】
【００６３】
実施例１においては、第１触媒７によりＳＯＦＣ３を暖機させていた。しかし、ＳＯＦＣ３の温度をＳＯＦＣ燃料反応温度とするときに、第１触媒７の温度が活性温度以上に過熱してしまう虞がある。また、ステップＳ１０６で排気通路２が閉じられると、第１触媒７に排気が流通しなくなるので、該第１触媒７で発生した熱が排気に奪われることなく、該第１触媒７の温度が過剰に上昇する虞がある。
【００６４】
そこで、本実施例においては、第１触媒７の温度が活性温度以上となる場合には、排気の一部を第１迂回路９に流通させるようにする。すなわち、第１迂回路９及び第１触媒７に排気を流通させる。
【００６５】
次に、本実施例によるＳＯＦＣ３の発電制御について説明する。
図３は、本実施例によるＳＯＦＣ３の発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【００６６】
ステップＳ１０８までは、図２に示すフローチャートと同一なので説明を省略する。
ステップＳ２０９では、バッテリ５の充電量がバッテリ５の放電量に係数Ｋを乗じた値以上であるか否か判定する。ここで、係数Ｋは１よりも小さい値であり、例えば、０．９とする。この係数Ｋは、第１触媒７の過熱を抑制するための条件から求まる値であり、予
め設定しておく。
【００６７】
ステップＳ２０９で肯定判定がなされた場合にステップＳ２１０へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ戻る。
ステップＳ２１０では、第１排気温度センサ１１から得られる排気温度が、第１触媒７の活性温度（例えば、７００℃）よりも高くなっているか否か判定する。第１排気温度センサ１１から得られる排気温度が、第１触媒７の活性温度よりも高くなるまでは、第１触媒７に高濃度のＣＯやＨＣを供給することにより、ＳＯＦＣ３の温度を上昇させる。
【００６８】
ステップＳ２１０で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２１１へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ戻る。
ステップＳ２１１では、ＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射において噴射される燃料量を調整する。このときには、第１触媒７の過熱を抑制することのできる燃料噴射量とする。具体的には、排気中のＣＯやＨＣの濃度を減少させる。また、ＶＩＧＯＭ噴射やポスト噴射を行わないようにしても良い。
【００６９】
ステップＳ２１２では、第１流路切替弁８に信号を送り、第１迂回路９及び第１触媒７に排気を流通させる。これにより、第１触媒７が過熱することを抑制できる。すなわち、ＣＯやＨＣの濃度が低い排気を第１触媒７に流通させることにより、該第１触媒７の熱が排気に奪われるので、該第１触媒７の温度を低下させることができる。
【００７０】
ステップＳ２１２が終了すると、ステップＳ２１０へ戻る。
このようにして、第１触媒７の過熱を抑制しつつＳＯＦＣ３の暖機を行うことができる。
【実施例３】
【００７１】
本実施例は、前記実施例と比較して、以下の点で相違する。すなわち、ターボチャージャ６及び第１触媒７を迂回する第２迂回路２１を備え、バッテリ５の充電量が不足しているときには、該第２迂回路２１に排気を流通させることにより、ＳＯＦＣ３に速やかに発電用燃料を供給する。
【００７２】
図４は、本実施例によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。第２迂回路２１は、一端がエンジン１とターボチャージャ６との間に接続され、他端が第１流路切替弁８に接続されている。
【００７３】
ここで、第１触媒７にＣＯやＨＣを供給すると、ＳＯＦＣ３の発電用燃料が該第１触媒７で消費されてしまうので、ＳＯＦＣ３の発電量が減少してしまう。これにより、バッテリ５の充電量が不足する虞がある。このような場合、ＳＯＦＣ３の発電量を急速に上昇させる必要がある。
【００７４】
その点、本実施例によれば、ＳＯＦＣ３で発電量を急激に上昇させたい場合に、流路切替弁８を操作して、第２迂回路２１に排気を流通させ、第１迂回路９、ターボチャージャ６、及び第１触媒７には、排気を流通させない。これにより、ターボチャージャ６よりも上流の圧力の高い排気がＳＯＦＣ３に一気に流れ込み、該ＳＯＦＣ３に多量の発電用燃料を速やかに供給することが可能となる。
【００７５】
なお、ターボチャージャ６は、可変容量型ターボチャージャであることがより好ましい。第２迂回路２１に排気を流通させるときに、可変容量型ターボチャージャのノズルベーンを閉じ側へ制御することにより、ターボチャージャ６よりも上流の排気通路２内の圧力を上昇させることができる。これにより、第２迂回路２１の上流側と下流側との圧力差が
大きくなり、該第２迂回路２１を流通する排気の流速を高めることができ、より速やかにＳＯＦＣ３へ発電用燃料を供給することができる。
【００７６】
次に、本実施例によるＳＯＦＣ３の発電制御について説明する。
図５は、本実施例によるＳＯＦＣ３の発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【００７７】
ステップＳ２１０において否定判定がなされた後の処理以外は、図３に示すフローチャートと同一なので説明を省略する。
ステップＳ２１０で否定判定がなされた場合にステップＳ３１３へ進む。
【００７８】
ステップＳ３１３では、バッテリ５の充電量がバッテリ５の放電量に係数Ｋ’を乗じた値以上であるか否か判定する。ここで、係数Ｋ’はステップＳ２０９で説明した係数Ｋよりも小さい値であり、例えば、０．６とする。この係数Ｋ’はＳＯＦＣ３の急速な発電が必要な条件から求まる値であり、予め設定しておく。
【００７９】
ステップＳ３１３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３１４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ戻る。
ステップＳ３１４では、第１流路切替弁８に信号を送り、第２迂回路２１に排気を流通させる。また、可変容量型ターボチャージャを備えている場合には、ノズルベーンを閉じ側へ制御する（図５では、ＶＮＴ閉としている。）。これにより、ＳＯＦＣ３に速やかに発電用燃料を供給することができる。
【００８０】
なお、バッテリ５の充電量に基づいて、第１迂回路９、第２迂回路２１、第１触媒７の夫々に流通させる排気の量を調整するようにしても良い。
ステップＳ３１４が終了すると、ステップＳ３１３へ戻る。
【００８１】
このようにして、ＳＯＦＣ３の発電量を増加させ、バッテリ５の充電量が不足することを抑制できる。
【実施例４】
【００８２】
本実施例は、前記実施例と比較して、以下の点で相違する。すなわち、熱交換器１２を迂回する第３迂回路２２を備え、第２触媒１３から流出する排気の温度が該第２触媒１３の活性温度よりも低い場合には、該第３迂回路２２に排気を流通させることにより、排気の温度の低下を抑制し、以て第２触媒１３の温度を活性温度に保つ。
【００８３】
図６は、本実施例によるエンジン１とその排気系の概略構成を示す図である。第３迂回路２２は、一端が第２排気温度センサ１６と熱交換器１２との間に接続され、他端が熱交換器１２よりも下流且つ第２触媒１３よりも上流に設けられた第２流路切替弁２３に接続されている。第２流路切替弁２３は、ＥＣＵ１０からの信号により作動し、熱交換器１２を流通する排気の量を調整する弁である。
【００８４】
ここで、第１触媒７は主にＳＯＦＣ３の温度を上昇させるために用いられるので、その容量を小さくして第１触媒７自体が速やかに温度上昇することが望ましい。そのため、第１触媒７において排気中の有害物質を全て浄化することは困難となる。また、ＳＯＦＣ３において反応せずにＣＯやＨＣが該ＳＯＦＣ３の下流に流出することがある。これら有害物質は、第２触媒１３により浄化される。
【００８５】
しかし、ＳＯＦＣ３から温度の高い排気が排出されても、該排気が熱交換器１２を通過することにより、該排気の温度が低下してしまう。そのため、第２触媒１３に低い温度の
排気が流れ、第２触媒１３の温度が活性温度以下（例えば、２００から２５０℃）に低下する虞がある。
【００８６】
その点、本実施例では、第３排気温度センサ１７により得られる排気の温度が第２触媒１３の活性温度以下となった場合には、第３迂回路２２に排気を流通させて、すなわち熱交換器１２を排気が通過しないようにして排気の温度の低下を抑制し、以て第２触媒１３の温度が低下することを抑制する。
【００８７】
次に、本実施例による第２流路切替弁２３の切替制御について説明する。
図７は、本実施例による第２流路切替弁２３の切替制御のフローを示したフローチャート図である。
【００８８】
本ルーチンは、規定の時間毎に実行される。
ステップＳ４０１では、第３排気温度センサ１７から得られる排気温度が、第２触媒１３の活性温度以下（例えば、２００から２５０℃）であるか否か判定する。第３排気温度センサ１７から得られる排気温度が、第２触媒１３の活性温度領域内であるときには、熱交換器１２に排気を流通させる。
【００８９】
ステップＳ４０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ４０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ４０３へ進む。
ステップＳ４０２では、第２流路切替弁２３に信号を送り、第３迂回路２２に排気を流通させる。これにより、排気の温度の低下が抑制される。
【００９０】
ステップＳ４０３では、第３排気温度センサ１７から得られる排気温度が、第２触媒１３の活性温度よりも高いか否か判定する。
ステップＳ４０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ４０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００９１】
ステップＳ４０４では、第２流路切替弁２３に信号を送り、熱交換器１２に排気を流通させる。これにより、排気の温度の低下がされるとともに、空気供給通路１５を流通する空気の温度を上昇させることができる。
【００９２】
このようにして、第２触媒１３の温度が活性温度以下に低下することを抑制し、排気中の有害物質を浄化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】実施例１及び２によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例１によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図３】実施例２によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図４】実施例３によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図５】実施例３によるＳＯＦＣの発電制御のフローを示したフローチャート図である。
【図６】実施例４によるエンジンとその排気系の概略構成を示す図である。
【図７】実施例４による第２流路切替弁の切替制御のフローを示したフローチャート図である。
【符号の説明】
【００９４】
１     エンジン
２     排気通路
３     燃料電池（ＳＯＦＣ）
３ａ   燃料極
３ｂ   電解質
３ｃ   空気極
４     補機類
５     バッテリ
６     ターボチャージャ
７     第１触媒
８     第１流路切替弁
９     第１迂回路
１０   ＥＣＵ
１１   第１排気温度センサ
１２   熱交換器
１３   第２触媒
１４   空気ポンプ
１５   空気供給通路
１６   第２排気温度センサ
１７   第３排気温度センサ
１８   ポンプ
１９   ＦＣ用ＥＣＵ
２０   燃料噴射弁
２１   第２迂回路
２２   第３迂回路
２３   第２流路切替弁
【図１】
2005166539.tif 000003
【図２】
2005166539.tif 000004
【図３】
2005166539.tif 000005
【図４】
2005166539.tif 000006
【図５】
2005166539.tif 000007
【図６】
2005166539.tif 000008
【図７】
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