(57)【要約】【課題】  ターボ過給機の過給遅れを抑制することができるとともにエミッションの悪化を抑制することができるハイブリッドシステムを提供する。【解決手段】  ハイブリッドシステム１００は、過給機（２１）を有する内燃機関（２０）と、燃料電池（４）と、燃料電池（４）に供給される水素含有ガスおよび燃料電池（４）からのアノードオフガスのいずれか一方または両方を過給機（２１）のタービンハウジングに供給する水素供給手段（３，５）と、制御手段（４０）と、内燃機関（２０）の負荷が増大するか否かを判定する判定手段（３１，３２，４０）とを備え、制御手段（４０）は、内燃機関（２０）の負荷が増大すると判定手段（３１，３２，４０）により判定された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方を過給機（２１）のタービンハウジングに供給するように水素供給手段（３，５）を制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機を有する内燃機関と、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される水素含有ガスおよび前記燃料電池からのアノードオフガスのいずれか一方または両方を前記過給機のタービンハウジングに供給する水素供給手段と、
制御手段と、
前記内燃機関の負荷が増大するか否かを判定する判定手段とを備え、
前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が増大すると前記判定手段により判定された場合に、前記水素含有ガスおよび前記アノードオフガスのいずれか一方または両方を前記タービンハウジングに供給するように前記水素供給手段を制御することを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項２】
前記内燃機関における過給遅れが発生しているか否かを検知する過給遅れ検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記過給遅れ検知手段の検知結果に基づいて前記水素供給手段を制御する請求項１記載のハイブリッドシステム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が増大すると前記判定手段により判定された場合に前記アノードオフガスを前記タービンハウジングに供給するように前記水素供給手段を制御し、前記内燃機関において過給遅れが発生していると前記過給遅れ検知手段により検知された場合に、前記水素含有ガスを前記タービンハウジングに供給するように前記水素供給手段を制御することを特徴とする請求項２記載のハイブリッドシステム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記内燃機関において過給遅れが発生していないと前記過給遅れ検知手段により検知された場合に、前記水素含有ガスおよび前記アノードオフガスの前記タービンハウジングへの供給を停止するように前記水素供給手段を制御することを特徴とする請求項２または３記載のハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機が設けられた内燃機関および燃料電池を備えるハイブリッドシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ターボ過給機を有するエンジンおよび電動機を駆動力源として備えたハイブリッド車両が開発されてきている（例えば、特許文献１参照）。かかるハイブリッド車両では、エンジンの回転軸にモータが取り付けられ、要求出力に対してエンジンからの出力では足りない分がモータからの出力でアシストされるようになっている。また、エンジンには、ターボ過給機が取り付けられ、運転者がアクセルを踏み込んで多大な出力を要求した場合に、このターボ過給機によってエンジンに吸入される空気の圧力を高められ、エンジンからの出力が増大されるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２２０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ターボ過給機を有するエンジンを用いる場合、運転者がアクセルペダルを踏み込んで多大な出力を要求しても、排気エネルギの不足によりターボ過給機はすぐに働くことができない。それにより、ターボが効き始めるまでにある程度の時間的な遅れ、即ち、過給遅れ（ターボラグ）が発生する。また、ターボラグが発生すると、燃料量と空気量とのミスマッチにより不完全燃焼等が発生する。その結果、エミッションが悪化する。
【０００５】
本発明は、ターボ過給機の過給遅れを抑制することができるとともにエミッションの悪化を抑制することができるハイブリッドシステム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】
本発明に係るハイブリッドシステムは、過給機を有する内燃機関と、燃料電池と、燃料電池に供給される水素含有ガスおよび燃料電池からのアノードオフガスのいずれか一方または両方を過給機のタービンハウジングに供給する水素供給手段と、制御手段と、内燃機関の負荷が増大するか否かを判定する判定手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方をタービンハウジングに供給するように水素供給手段を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係るハイブリッドシステムにおいては、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方が水素供給手段により過給機のタービンハウジングに供給され、内燃機関の負荷が増大するか否かが判定手段により判定され、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方が水素供給手段によりタービンハウジングに供給される。この場合、水素含有ガスおよびアノードオフガス中に含まれる水素がタービンハウジングにおいて燃焼する。それにより、内燃機関の排気エネルギが不足する場合においても、内燃機関に十分な圧縮エアが供給される。したがって、過給機の過給遅れを抑制することができる。その結果、エミッションの悪化を抑制することができる。
【０００８】
内燃機関における過給遅れが発生しているか否かを検知する過給遅れ検知手段をさらに備え、制御手段は、過給遅れ検知手段の検知結果に基づいて水素供給手段を制御してもよい。この場合、過給遅れ検知手段の検知結果から、過給遅れが発生しているか否かが検知される。
【０００９】
制御手段は、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合にアノードオフガスをタービンハウジングに供給するように水素供給手段を制御し、内燃機関において過給遅れが発生していると過給遅れ検知手段により検知された場合に、水素含有ガスをタービンハウジングに供給するように水素供給手段を制御してもよい。この場合、燃料電池に供給される水素含有ガス量の低減が抑制されることから、燃料電池における発電反応効率の低下が抑制される。
【００１０】
制御手段は、内燃機関において過給遅れが発生していないと過給遅れ検知手段により検知された場合に、水素含有ガスおよびアノードオフガスのタービンハウジングへの供給を停止するように水素供給手段を制御してもよい。この場合、タービンハウジングに水素を供給しなくても過給遅れの発生およびエミッションの悪化が抑制される。それにより、タービンハウジングへの水素の供給を停止させることによって、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、本発明に係るハイブリッドシステム全体のシステム効率が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、過給機の過給遅れを抑制することができるとともに、エミッションの悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、第１実施例に係るハイブリッドシステム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、ハイブリッドシステム１００は、燃料電池部１０、内燃機関２０、アクセル３０および制御部４０を含む。燃料電池部１０は、改質器１、熱交換部２、可変切替バルブ３，５、燃料電池４およびエアポンプ６を備える。改質器１は、改質部１ａおよび燃焼部１ｂを備える。燃料電池４は、アノード４ａおよびカソード４ｂを備える。内燃機関２０には、過給機２１、圧力センサ２２および温度センサ２３が設けられている。
【００１４】
改質部１ａには、図示しない燃料タンクから炭化水素系燃料が供給されるとともに、カソード４ｂから後述するカソードオフガスが供給される。改質部１ａは、改質反応により炭化水素系燃料およびカソードオフガスから水素を含む改質ガスを生成し、熱交換部２に供給する。熱交換部２は、供給された改質ガスを加熱し、可変切替バルブ３に供給する。
【００１５】
可変切替バルブ３は、三方コック等からなり、制御部４０の指示に従って、熱交換部２から供給された改質ガスをアノード４ａおよび過給機２１のタービンハウジングのいずれか一方または両方に供給する。制御部４０は、可変切替バルブ３を制御することにより、アノード４ａおよび過給機２１のタービンハウジングに供給する改質ガスの量を制御することができる。アノード４ａにおいては、改質ガス中の水素が水素イオンに変換される。変換された水素イオンは、カソード４ｂに移動する。水素イオンに変換されなかった水素はアノードオフガスとして可変切替バルブ５に供給される。
【００１６】
エアポンプ６は、制御部４０の指示に従って、ハイブリッドシステム１００の外部から必要量のエアをカソード４ｂに供給する。カソード４ｂにおいては、アノード４ａにおいて発生した水素イオンと供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池４において発生する熱によって水蒸気となる。カソード４ｂにおいて発生した水蒸気及び水素イオンと反応しなかったエアは、改質用のエアおよび水蒸気を含むカソードオフガスとして改質部１ａに供給される。
【００１７】
可変切替バルブ５は、三方コック等からなり、制御部４０の指示に従って、アノード４ａから供給されたアノードオフガスを燃焼部１ｂおよび過給機２１のタービンハウジングのいずれか一方または両方に供給する。制御部４０は、可変切替バルブ５を制御することにより、燃焼部１ｂおよび過給機２１のタービンハウジングに供給するアノードオフガスの量を制御することができる。燃焼部１ｂにおいては、アノードオフガスに含まれる水素および一酸化炭素が燃焼し、外部に排出される。この際の燃焼熱は、改質部１ａにおける改質反応に利用される。
【００１８】
内燃機関２０には、図示しない燃料タンクから必要量の炭化水素系燃料が供給されるとともに、過給機２１から後述する圧縮エアが供給される。内燃機関２０は、供給された圧縮エアにより炭化水素系燃料を燃焼させることによって動力を発生させる。この際に発生する排気ガスは、過給機２１のタービンハウジングに供給された後に外部に排出される。
【００１９】
過給機２１は、タービンハウジングに供給された排気ガスによって、外部から取り込んだエアを圧縮し、その圧縮エアを内燃機関２０に供給する。また、過給機２１のタービンハウジングには、可変切替バルブ３からアノードオフガスが供給される。この場合、アノードオフガスに含まれる水素の燃焼エネルギにより、外部から取り込んだエアをさらに圧縮させることができる。それにより、内燃機関２０の排気エネルギが不足する場合においても、内燃機関２０に十分な圧縮エアが供給される。したがって、過給機２１の過給遅れを抑制することができる。その結果、エミッションの悪化を抑制することができる。なお、水素は炭化水素系燃料に比較して燃焼性が高いことから、過給機２１は、炭化水素系燃料をタービンハウジングに供給する場合に比較してより効率よくエアを圧縮することができる。圧力センサ２２は、過給機２１から内燃機関２０に供給される圧縮エアの圧力を検出し、制御部４０にその検出結果を与える。温度センサ２３は、内燃機関２０からの排気ガスの温度を検出し、その検出結果を制御部４０に与える。
【００２０】
アクセル３０には、アクセル開度センサ３１およびアクセル開度速度センサ３２が設けられている。アクセル開度センサ３１は、アクセル３０の開度を検出し、その検出結果を制御部４０に与える。アクセル開度速度センサ３２は、アクセル３０の開度速度を検出し、その検出結果を制御部４０に与える。
【００２１】
制御部４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等からなり、圧力センサ２２、温度センサ２３、アクセル開度センサ３１およびアクセル開度速度センサ３２の検出結果を受け取り、可変切替バルブ３，５およびエアポンプ６の動作を制御する。
【００２２】
ここで、アクセル開度が大きくかつアクセル開度速度が大きい場合には、要求出力が大きくなっていると判断できる。要求出力が大きくなると、過給機２１による過給遅れおよびエミッションの悪化が発生するおそれがある。本実施例においては、制御部４０は、アクセル開度センサ３１の検出値およびアクセル開度速度センサ３２の検出値が所定の値を上回る場合には、改質ガスおよびアノードオフガスのいずれか一方または両方が過給機２１のタービンハウジングに導入されるように可変バルブ３，５を制御する。それにより、過給機２１の過給遅れを抑制することができる。その結果、エミッションの悪化を抑制することができる。
【００２３】
なお、改質ガスよりもアノードオフガスが優先的に過給機２１のタービンハウジングに供給されることが好ましい。この場合、燃料電池４に供給される改質ガスの量が低減されないことから、燃料電池４における発電反応効率の低下が防止される。
【００２４】
また、使用者によるアクセル操作により要求出力が大きくなった場合において、過給機３１から内燃機関２０に与えられる圧縮エアの圧力が大きくなれば過給遅れの発生が抑制されていると判断できる。また、内燃機関２０からの排出ガスの温度が大きくなれば、過給遅れによる不完全燃焼が解消され、エミッションの悪化が抑制されていると判断できる。
【００２５】
本実施例においては、制御部４０は、アノードオフガスおよび改質ガスのいずれか一方または両方が過給機２１のタービンハウジングに供給されている場合に圧力センサ２２の検出値および温度センサ２３の検出値が所定の値を上回れば、可変切替バルブ３，５を制御して改質ガスおよびアノードオフガスの過給機２１のタービンハウジングへの供給を停止させる。この場合、過給機２１のタービンハウジングに水素を供給しなくても過給遅れの発生およびエミッションの悪化が抑制される。それにより、過給機２１のタービンハウジングへの水素の供給を停止させることによって、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、ハイブリッドシステム１００全体のシステム効率が向上する。
【００２６】
次に、制御部４０の動作の一例を説明する。図２は、制御部４０の動作の一例を示すフローチャートである。制御部４０は、所定の時間周期（例えば、数ミリ秒程度）で以下のフローチャートを実行する。図２に示すように、制御部４０は、アクセル開度センサ３１からアクセル３０の開度ｔを取得し、アクセル開度速度センサ３２からアクセル３０の開度速度ｖを取得する（ステップＳ１）。
【００２７】
次に、制御部４０は、開度ｔがしきい値Ａよりも大きくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。しきい値Ａは、例えば、７０％程度であり、しきい値Ｂは、例えば、８０°／ｓｅｃ程度である。
【００２８】
ステップＳ２において開度ｔがしきい値Ａよりも大きくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも大きいと判定された場合、制御部４０は、可変切替バルブ３，５を制御して所定量の水素を過給機２１のタービンハウジングに供給する（ステップＳ３）。なお、改質ガス中の水素量およびアノードオフガス中の水素量は、燃料電池４に要求される出力および燃料電池４に供給される炭化水素系燃料量に基づいて計算することができる。したがって、制御部４０は、可変切替バルブ３，５を制御することにより、所定量の水素を過給機２１のタービンハウジングに供給することができる。
【００２９】
次に、制御部４０は、過給機２１から内燃機関２０に供給される圧縮エアの圧力Ｐを圧力センサ２２から取得し、内燃機関２０の排気ガスの温度Ｔを温度センサ２３から取得する（ステップＳ４）。
【００３０】
次いで、制御部４０は、温度Ｔがしきい値Ｃよりも大きくかつ圧力Ｐがしきい値Ｄよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。しきい値Ｃは、例えば、８００℃程度であり、しきい値Ｄは、例えば、７００ｍｍＨｇ程度である。
【００３１】
ステップＳ５において温度Ｔがしきい値Ｃよりも大きくかつ圧力Ｐがしきい値Ｄよりも大きいと判定された場合、制御部４０は、アクセル開度センサ３１からアクセル３０の開度ｔを取得し、アクセル開度速度センサ３２からアクセル３０の開度速度ｖを取得する（ステップＳ６）。次に、制御部４０は、開度ｔがしきい値Ａよりも小さくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７において開度ｔがしきい値Ａよりも小さくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも小さいと判定された場合、制御部４０は、過給機２１のタービンハウジングへの水素の供給を停止するように可変切替バルブ３，５を制御する（ステップＳ８）。その後、制御部４０は、動作を終了する。
【００３２】
なお、ステップＳ２において開度ｔがしきい値Ａよりも大きくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも大きいと判定されなかった場合、制御部４０は、動作を終了する。また、ステップＳ５において温度Ｔがしきい値Ｃよりも大きくかつ圧力Ｐがしきい値Ｄよりも大きいと判定されなかった場合およびステップＳ７において開度ｔがしきい値Ａよりも小さくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも小さいと判定されなかった場合、制御部４０は、ステップＳ３の動作から繰り返す。
【００３３】
以上のように、過給機２１による過給遅れが発生するおそれが生じても、改質ガスおよびアノードオフガス中に含まれる水素が過給機２１のタービンハウジングにおいて燃焼することにより、内燃機関２０の排気エネルギを増大させることができる。それにより、過給機２１の過給遅れを抑制することができる。また、水素の燃焼エネルギにより、エミッションの悪化を抑制することができる。
【００３４】
また、過給機２１による過給遅れが発生するおそれが消滅した場合には、改質ガスおよびアノードオフガスの過給機２１のタービンハウジングへの供給が停止される。それにより、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、ハイブリッドシステム１００全体のシステム効率が向上する。
【００３５】
続いて、制御部４０の動作の他の例を説明する。図３は、制御部４０の動作の他の例を示すフローチャートである。制御部４０は、所定の時間周期（例えば、数ミリ秒程度）で以下のフローチャートを実行する。図３に示すように、制御部４０は、アクセル開度センサ３１からアクセル３０の開度ｔを取得し、アクセル開度速度センサ３２からアクセル３０の開度速度ｖを取得する（ステップＳ１１）。
【００３６】
次に、制御部４０は、開度ｔがしきい値Ａよりも大きくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。しきい値Ａは、例えば、７０％程度であり、しきい値Ｂは、例えば、８０°／ｓｅｃ程度である。
【００３７】
ステップＳ１２において開度ｔがしきい値Ａよりも大きくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも大きいと判定された場合、制御部４０は、可変切替バルブ５を制御して所定量の水素を過給機２１のタービンハウジングに供給する（ステップＳ１３）。なお、アノードオフガス中の水素量は、燃料電池４に要求される出力および燃料電池４に供給される炭化水素系燃料量に基づいて計算することができる。したがって、制御部４０は、可変切替バルブ５を制御することにより、所定量の水素を過給機２１のタービンハウジングに供給することができる。
【００３８】
次に、制御部４０は、過給機２１から内燃機関２０に供給される圧縮エアの圧力Ｐを圧力センサ２２から取得し、内燃機関２０の排気ガスの温度Ｔを温度センサ２３から取得する（ステップＳ１４）。
【００３９】
次いで、制御部４０は、温度Ｔがしきい値Ｃよりも大きくかつ圧力Ｐがしきい値Ｄよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。しきい値Ｃは、例えば、８００℃程度であり、しきい値Ｄは、例えば、７００ｍｍＨｇ程度である。
【００４０】
ステップＳ１５において温度Ｔがしきい値Ｃよりも大きくかつ圧力Ｐがしきい値Ｄよりも大きいと判定された場合、制御部４０は、アクセル開度センサ３１からアクセル３０の開度ｔを取得し、アクセル開度速度センサ３２からアクセル３０の開度速度ｖを取得する（ステップＳ１６）。
【００４１】
次に、制御部４０は、開度ｔがしきい値Ａよりも小さくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において開度ｔがしきい値Ａよりも小さくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも小さいと判定された場合、制御部４０は、過給機２１のタービンハウジングへの水素の供給を停止するように可変切替バルブ３，５を制御する（ステップＳ１８）。その後、制御部４０は、動作を終了する。
【００４２】
ステップＳ１５において温度Ｔがしきい値Ｃよりも大きくかつ圧力Ｐがしきい値Ｄよりも大きいと判定されなかった場合、制御部４０は、可変切替バルブ３を制御して所定量の水素を過給機２１のタービンハウジングに供給する（ステップＳ１９）。次に、制御部４０は、ステップＳ１３の動作を行う。なお、改質ガス中の水素量は、燃料電池４に要求される出力および燃料電池４に供給される炭化水素系燃料量に基づいて計算することができる。したがって、制御部４０は、可変切替バルブ３を制御することにより、所定量の水素を過給機２１のタービンハウジングに供給することができる。
【００４３】
ステップＳ１２において開度ｔがしきい値Ａよりも大きくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも大きいと判定されなかった場合、制御部４０は、動作を終了する。また、ステップＳ１７において開度ｔがしきい値Ａよりも小さくかつ開度速度ｖがしきい値Ｂよりも小さいと判定されなかった場合、制御部４０は、ステップＳ１３の動作から繰り返す。
【００４４】
以上のように、過給機２１による過給遅れが発生するおそれが生じても、改質ガスおよびアノードオフガス中に含まれる水素を過給機２１のタービンハウジングにおいて燃焼させることにより、内燃機関２０の排気エネルギを増大させることができる。それにより、過給機２１の過給遅れを抑制することができる。また、水素の燃焼エネルギにより、エミッションの悪化を抑制することができる。
【００４５】
また、改質ガスよりもアノードオフガスを優先的に過給機２１のタービンハウジングに供給することから、燃料電池４に供給される改質ガスの量が低減されない。それにより、燃料電池４における発電反応効率の低下が防止される。
【００４６】
さらに、過給機２１による過給遅れが発生するおそれが消滅した場合には、改質ガスおよびアノードオフガスの過給機２１のタービンハウジングへの供給が停止される。それにより、水素の無駄な消費を抑制することができる。その結果、ハイブリッドシステム１００全体のシステム効率が向上する。
【００４７】
本実施例においては、可変切替バルブ３，５が水素供給手段に相当し、制御部４０が制御手段に相当し、アクセル開度センサ３１、アクセル開度速度センサ３２および制御部４０が判定手段に相当し、圧力センサ２２および温度センサ２３が過給遅れ検知手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施例に係るハイブリッドシステムの全体構成を示す模式図である。
【図２】制御部の動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】制御部の動作の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１  改質器
１ａ  改質部
１ｂ  燃焼部
３，５  可変切替バルブ
４  燃料電池
１０  燃料電池部
２０  内燃機関
２１  過給機
２２  圧力センサ
２３  温度センサ
３０  アクセル
３１  アクセル開度センサ
３２  アクセル開度速度センサ
４０  制御部
１００  ハイブリッドシステム
【図１】
2007016641.tif 000003
【図２】
2007016641.tif 000004
【図３】
2007016641.tif 000005