(57)【要約】【課題】ターボチャージャのコンプレッサを経た空気を燃料電池システムに導入するように構成された内燃機関において、該内燃機関の作動中に燃料電池システムが作動しているときに、加速要求があった場合にも、高いドライバビリティを実現する。【解決手段】本発明に係る内燃機関１０は、ターボチャージャ２６のコンプレッサ３０を経た空気を燃料電池本体部５２に導入するように内燃機関１０の吸気通路１６につなげられた空気導入通路５４と、空気導入通路５４を通して導入される空気の量を制御する空気量制御装置７１とを有する燃料電池システム５０を備える。空気量制御装置７１は、加速要求があったとき、空気導入通路５４を通して導入される空気量を該加速要求があったときの空気量よりも減らすように、空気の量を制御する。【選択図】図１
2013185506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと該内燃機関の排気通路に設けられたタービンとを備えたターボチャージャ、および、
該コンプレッサを経た空気を燃料電池本体部に導入するように前記吸気通路につなげられた空気導入通路と、該空気導入通路を通して導入される空気の量を制御する空気量制御装置とを有する燃料電池システム
を備え、
前記空気量制御装置は、加速要求があったとき、前記空気導入通路を通して導入される空気量を該加速要求があったときの空気量よりも減らすように、空気の量を制御する、内燃機関。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池システムの排出ガスを前記タービンに供給するように前記排気通路につなげられたガス排出通路をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記空気量制御装置は、加速要求があって、前記ターボチャージャの回転速度が該ターボチャージャの許容回転速度に制限されるとき、前記空気導入通路を通して導入される空気量を該加速要求があったときの空気量よりも減らすように、空気の量を制御する、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記空気量制御装置は、前記燃料電池システムにより生じた電気を蓄えることができるバッテリの残容量に応じて、前記空気導入通路を通して導入される空気の量を制御する、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャと燃料電池システムとを備える内燃機関に関し、特に、ターボチャージャのコンプレッサを経た空気を燃料電池システムに導入可能に構成された内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関と燃料電池とを組み合わせることが種々提案されている。例えば、特許文献１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を開示する。このシステムでは、内燃機関の負荷が増大すると判定されたとき、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が過給機のタービンハウジングに供給される。
【０００３】
また、特許文献２は複合発電設備を開示する。この設備では、往復動機関と燃料電池とが並列に備えられることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６６４１号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
ターボチャージャを備えた内燃機関に、該ターボチャージャのコンプレッサを経た空気を燃料電池システムに導入するように、燃料電池または燃料電池システムを設けることが可能である。この場合、内燃機関の作動中に燃料電池システムが作動して発電するとき、ターボチャージャのコンプレッサを経た空気の一部は燃料電池システムの燃料電池本体部に供給される。このような内燃機関または該内燃機関を備えた車両において、運転者から加速要求があったとき、燃料電池システムにコンプレッサを経た空気の一部が導入されているので、それに起因して、運転者の望む加速感つまりドライバビリティが損なわれる場合があり得る。
【０００６】
そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、上記内燃機関の作動中に燃料電池システムが作動しているときに、加速要求があった場合にも、高いドライバビリティを実現する、内燃機関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】
【０００７】
本発明の一態様は、内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサと該内燃機関の排気通路に設けられたタービンとを備えたターボチャージャ、および、該コンプレッサを経た空気を燃料電池本体部に導入するように吸気通路につなげられた空気導入通路と、該空気導入通路を通して導入される空気の量を制御する空気量制御装置とを有する燃料電池システムを備え、空気量制御装置は、加速要求があったとき、空気導入通路を通して導入される空気量を該加速要求があったときの空気量よりも減らすように、空気の量を制御する、内燃機関を提供する。
【０００８】
かかる構成によれば、空気量制御装置は加速要求があったとき空気導入通路を通して導入される空気量を該加速要求があったときの空気量よりも減らすように空気の量を制御するので、加速要求があったとき、ターボチャージャのコンプレッサを経た圧力の高い空気を、より多く、内燃機関の気筒内に供給することができる。したがって、内燃機関の作動中に燃料電池システムが作動しているときに、加速要求があった場合にも、運転者の望むドライバビリティが損なわれることを抑制することができる。
【０００９】
好ましくは、燃料電池システムは、燃料電池システムの排出ガスをタービンに供給するように排気通路につなげられたガス排出通路をさらに備える。これにより、燃料電池システムの排出ガスがターボチャージャの駆動に利用可能になる。
【００１０】
このようなガス排出通路を備える場合、さらに好ましくは、空気量制御装置は、加速要求があって、ターボチャージャの回転速度が該ターボチャージャの許容回転速度に制限されるとき、空気導入通路を通して導入される空気量を該加速要求があったときの空気量よりも減らすように、空気の量を制御するとよい。これにより、加速要求があったときと同様のまたはそれ以上の圧力を有するコンプレッサを経た空気を、より多く、内燃機関の気筒に供給することが可能になる。
【００１１】
加えて、空気量制御装置は、燃料電池システムにより生じた電気を蓄えることができるバッテリの残容量に応じて、空気導入通路を通して導入される空気の量を制御するとよい。これにより、バッテリの残容量をある程度以上に保つことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上記構成を備えるので、内燃機関の作動中に燃料電池システムが作動しているときに、加速要求があった場合にも、高いドライバビリティを好適に実現することができるという格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関およびそれを搭載した車両の概念図である。
【図２】第１実施形態における、フローチャートである。
【図３】ターボ許容回転速度を表したグラフであり、エンジン作動点の変化を説明するためのグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態における、フローチャートである。
【図５】本発明の第３実施形態における、フローチャートである。
【図６】本発明の第４実施形態における、フローチャートである。
【図７】チョークラインを表したグラフであり、第４実施形態の説明用のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態が説明される。まず、本発明に係る第１実施形態が詳細に説明される。
【００１５】
本発明の第１実施形態に係る内燃機関（以下、単にエンジンと称し得る）１０は、車両１２に搭載されている。ここでは、エンジン１０は、ガソリンエンジンである。しかし本発明が適用されるエンジンは、いずれの形式のエンジンであってもよく、火花点火式内燃機関であってもよく、圧縮着火式内燃機関であってもよい。
【００１６】
エンジン１０は、エンジン本体部１４と、エンジン本体部１４につながる吸気通路１６および排気通路１８と、（図示しない）燃料タンク内の燃料を燃料ポンプ２０の作動により供給する燃料噴射装置２２とを備える。燃料噴射装置２２の（図示しない）燃料噴射弁から噴射された燃料は、エンジン本体部１４の気筒内で燃焼されて、それにより、排気通路１８を介して排気が排出される。エンジン１０では、吸気通路１６の上流端側にエアクリーナ２４が設けられている。
【００１７】
エンジン１０は、さらに、ターボチャージャ２６を備える。排気通路１８にはターボチャージャ２６のタービン２８が配置され、タービン２８のタービンホイールと同軸で連結されたコンプレッサホイールを収容するターボチャージャ２６のコンプレッサ３０が吸気通路１６に配置されている。したがって、排気通路１８を経て導かれた排気によりタービン２８のタービンホイールが回転駆動されることで、コンプレッサ３０のコンプレッサホイールは回転させられて、それにより過給され得る。コンプレッサ３０よりも下流側の吸気通路には、コンプレッサ３０により加圧されて温度の上昇した空気を冷却するための冷却装置としてのインタークーラ３２が設けられている。
【００１８】
また、ターボチャージャ２６のタービン２８への排気の流入量を調節するための排気弁機構３４が設けられている。この排気弁機構３４は弁３６を備え、弁３６はタービン２８を迂回するように形成された迂廻路３８に設けられている。この排気弁機構３４または弁３６は、ウェストゲートバルブと称され得る。この実施形態での弁３６または排気弁機構３４は、後述されるＥＣＵにより制御される制御弁である。例えば、弁３６の開度は、ＤＣモータの作動により変化する。ただし、弁３６は、エンジン停止時においては閉じられていて、エンジン運転状態に応じて開き、その開度が変化するように制御される。しかし、弁３６または排気弁機構３４は、排気圧が所定圧以上になったときに排気圧により押されてばねが縮むことで開くような構成、または、過給圧が所定圧以上になるとアクチュエータのダイヤフラムが過給圧によって押されて開くような構成など、種々の機械式の構成を有することもできる。
【００１９】
タービン２８および弁３６を通過した排気が排気浄化装置４０に導かれるように、排気浄化装置４０は排気通路１８に設けられている。排気浄化装置４０は、種々の構成を有することができる。本実施形態では、排気浄化装置４０は所謂三元触媒として構成されている。排気浄化装置４０は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ2と反応させてＣＯ，ＣＯ2，Ｈ2Ｏ等にするように酸化触媒を備えることもでき、また本実施形態のように所謂三元触媒として構成されることもできる。また、排気浄化装置４０は、排気中の煤等の微粒子（ＰＭ；パティキュレート）を捕集するようにパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）のようなフィルタ構造を有することもでき、この場合にさらに酸化触媒を備えることもできる。酸化触媒の触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ2、Ｍｎ／ＣｅＯ2、Ｆｅ／ＣｅＯ2、Ｎｉ／ＣｅＯ2、Ｃｕ／ＣｅＯ2等を用いることができる。さらには、排気浄化装置４０は、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するためにＮＯｘ触媒を含むこともできる。ただし、図１には、１つの排気浄化装置４０のみが表されているが、２つ以上の排気浄化装置が直列にまたは並列に設けられることもできる。複数の排気浄化装置が備えられる場合には、それら排気浄化装置の構成はそれぞれ同じでもあるいは異なってもよい。
【００２０】
エンジン１０は、発電装置５０を備える。発電装置５０は、燃料電池システムとして構成され、空気と燃料との電気化学反応により発電するように構成されている。特に、本実施形態では、発電装置５０は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）としての構成を有している。発電装置５０は、エンジン１０が作動状態にあるときに作動可能であるが、エンジン１０が非作動状態（停止状態）にあるときにも作動可能なように構成されている。例えば、所定の停止条件が成立したときにエンジン１０を自動的に停止させ、その所定の停止条件の成立後に所定の再始動条件（所定の解除条件）が成立したときにエンジン１０を自動的に再始動させる停止・再始動システム（アイドル・リダクション制御システムまたはアイドルストップ制御システム）がエンジン１０に備えられている場合には、このシステムによるエンジン停止中に発電装置５０は作動することができる。なお、発電装置５０の制御装置または制御手段としての機能は後述されるＥＣＵの一部により担われている。
【００２１】
発電装置５０は、発電本体部５２を備える。発電本体部５２はここでは燃料電池本体部として構成されている。発電本体部５２には空気導入通路（発電装置の吸気通路）５４がつなげられている。空気導入通路５４は、発電本体部５２へ空気が導入または供給されるように、発電本体部５２に接続されている。また、発電本体部５２には燃料供給通路５６がつなげられている。燃料供給通路５６は燃料供給装置５８に含まれ、装置５８は、発電本体部５２へ燃料を供給するために設けられている。さらに、発電本体部５２にはガス排出通路（発電装置の排気通路）６０がつなげられている。ガス排出通路６０は、発電本体部５２からのガスを排出するために発電本体部５２に接続されている。
【００２２】
発電本体部５２は、セルスタックと称され得、アノードである燃料極、カソードである空気極、および電解質からなる単セルが連結した構造を有する。電解質としては、セラミックスである酸化物イオン導電体が用いられる。なお、発電本体部５２が複数のセルを有さずに単セルのみを有することを本発明は排除しない。
【００２３】
燃料供給装置５８は（図示しない）燃料タンク内の燃料を供給するための上記ポンプ２０を備える。本実施形態では、燃料供給装置５８は、上記燃料噴射装置２２と一体的に構成されていて、燃料噴射装置２２の燃料タンクおよび燃料ポンプ２０を含んで構成されている。したがって、ここでは発電本体部５２にガソリンが燃料として供給される。
【００２４】
ただし、燃料供給装置５８は、上記燃料噴射装置２２と完全に独立した構成を有してもよい。この場合、エンジン用燃料と発電装置用燃料とは同じでも異なってもよい。発電装置用燃料としては、ガソリンや軽油のような燃料以外の燃料が用いられることができるが、例えば天然ガスまたはプロパンガスが用いられることもできる。なお、上記のように発電装置５０はＳＯＦＣとしての構成を有していて相対的に高い温度（例えば８００〜１０００℃）で作動し、その結果その高温を利用して燃料の内部改質が可能である。したがって、発電装置５０は燃料改質器を備えていない。しかし、発電装置５０の燃料供給装置５８は、燃料改質器を備えてもよい。発電装置５０は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、またはリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）としての構成を有するように作製されてもよく、燃料供給装置５８は、必要に応じて、必要な形式の燃料改質器を備えることができる。
【００２５】
発電装置５０における空気導入通路５４は、コンプレッサ２８を経た空気を発電装置５０にの発電本体部５２に導入するようにエンジン１０の吸気通路１６につなげられている。本実施形態では、空気導入通路５４は、コンプレッサ３０の下流の吸気通路につなげられている。空気導入通路５４には弁（空気量制御手段）６２が設けられ、空気導入通路５４と吸気通路１６との接続部より下流側の吸気通路１６の部分には弁つまりスロットルバルブ６４が設けられている。本実施形態では、弁６２、６４はそれぞれ制御弁として構成されている。ただし、弁６２、６４は統合されて、１つの三方弁とされることもできる。
【００２６】
なお、空気導入通路５４がコンプレッサ３０のコンプレッサハウジングに直接的につなげられてもよい。この場合、コンプレッサ３０のコンプレッサホイールを経た空気が空気導入通路５４に流れることが可能なコンプレッサ３０の位置に空気導入通路５４は接続されるとよい。
【００２７】
ただし、ここでは、空気導入通路５４と吸気通路１６との接続部よりも下流側の吸気通路に、上記インタークーラ３２が配置されている。したがって、発電本体部５２へは相対的に温度が高い空気を供給することができ、これに対して、エンジン本体部１４へはインタークーラ３２を経た相対的に温度の低い空気を供給することができる。なお、本発明は、インタークーラ３２が空気導入通路５４と吸気通路１６との接続部よりも上流側の吸気通路に配置されることを排除しないが、好ましくはその接続部よりも下流側の吸気通路に配置される。これは、発電本体部５２へ温かいまたは熱い空気を導くことが好ましいからである。また、本実施形態では、弁つまりスロットルバルブ６４はインタークーラ３２よりも下流側に設けられている。しかし、弁６４とインタークーラ３２との位置関係は逆であってもよい。
【００２８】
発電装置５０におけるガス排出通路６０は、発電装置５０の発電本体部５２からの排出ガスをタービン２８に供給するようにエンジン１０の排気通路１８につなげられている。本実施形態では、ガス排出通路６０は、タービン２８の上流の排気通路につなげられている。ガス排出通路６０には、一方向弁であるリード弁６６が設けられている。このリード弁６６は、発電装置５０の排出ガスがエンジン１０の排気通路１８に流れるがエンジン１０の排気が発電本体部５２に向けてガス排出通路６０を流れないように設けられている。なお、リード弁６６に代えて、他の形式の一方向弁、例えば逆止弁を備えることができる。
【００２９】
ガス排出通路６０と排気通路１８との接続部は、迂廻路３８および弁３６よりも上流側の排気通路に位置づけられている。それ故、ガス排出通路６０から排気通路１８に至った発電装置５０の排出ガスは、タービン２８を通過することができることに加えて、弁３６が開くときには弁３６を通過することができる。そして、発電装置５０の排出ガスは排気浄化装置４０に流入する。なお、ガス排出通路６０には、改質器６８が設けられていて、ガスの成分を調整するために設けられている。具体的には、この改質器６８は、炭化水素成分を分解するように構成されていて、ここでは上記排気浄化装置４０で説明したような酸化触媒を備えた構成を有するが、他の如何なる構成を有してもよく、例えば電気分解用の構成を有することもできる。しかし、この改質器６８は設けられなくてもよい。
【００３０】
上記構成の発電装置５０で発電された電気は、バッテリ７０に蓄えられる（充電される）。したがって、発電装置５０は基本的にバッテリ７０の残容量に応じて作動する。そして、発電装置５０では、発電量を所定量に制御するように、上記弁６２を有する空気量制御装置７１が空気導入通路５４を通して導入される空気の量を所定量に制御し、上記燃料供給装置５８がこの空気量制御装置における空気量に対応する量の燃料を供給する。なお、所定量の発電量はバッテリ７０の残容量に応じて可変とされていて、所定量の空気量およびこれに対応する燃料量はその発電量に対応する。
【００３１】
なお、エンジン１０は、従来のエンジンと異なり、エンジンから伝達される機械的運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する発電装置、具体的にはオルタネーターを備えていない。それ故、車両１２のエンジン１０において、発電装置は、上記発電装置５０のみであり、バッテリ７０に蓄えられる電気は発電装置５０にのみ依存する。なお、本発明は、従来のエンジンに広く備えられているオルタネーター等の発電装置が、発電装置５０に加えて、エンジン１０に備えられることを許容し、また、所謂ハイブリッド車両に備えられているような発電装置（回生発電装置）を併せて備えることをも許容する。
【００３２】
エンジン１０では、バッテリ７０に蓄えられた電気を用いて、エンジン１０のスタータモータ（不図示）の作動、上記弁３６、６２、６４の各作動、および、上記燃料ポンプ２０の作動が行われる。また、ターボチャージャ２６を含むエンジン１０を冷却するように構成された冷却液供給装置の水ポンプ７２の作動にもバッテリ７０の電気が用いられる。さらに、上記ターボチャージャ２６を含むエンジン１０においてオイルつまり潤滑油を供給するように構成されたオイル供給装置のオイルポンプ７４の作動にもバッテリ７０の電気が用いられる。本実施形態では、発電装置５０は、ＳＯＦＣとしての構成を有していて、発電本体部５２のスタックの温度制御は説明しないがプロセス用空気を用いて行われているので、冷却装置または冷却水系統が必要とされていない。しかし、発電装置５０に冷却水系統が備えられてもよく、その場合、冷却水を供給するためのポンプはバッテリ７０の電気を用いて駆動されることができる。なお、図１では、エンジン１０および発電装置５０が共に作動しているときのガス、燃料、水、オイルの流れの一例が矢印で模式的に表されているが、バッテリ７０の電気を用いて作動させられる要素２０、３６、６２、６４、７２、７４などへの電気の流れは表されていない。
【００３３】
このようなスタータモータ、弁３６、６２、６４、燃料ポンプ２０、水ポンプ７２およびオイルポンプ７４などの作動は、エンジン１０および車両１２の制御装置または制御手段（または制御部）としての機能を実質的に担う電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）８０により制御される。ＥＣＵ８０は、コンピュータまたはそれを主体として構成されたものであって、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭのような記憶装置、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース並びに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およびデータが記憶されている。入力インタフェースには、後述されるセンサを含む種々のセンサが電気的に接続されている。これら種々のセンサからの出力（検出信号）に基づき、予め設定されたプログラム（データを含む。）にしたがって円滑なエンジン１０つまり車両１２の運転ないし作動がなされるように、ＥＣＵ８０は出力インタフェースから電気的に作動信号（駆動信号）を出力する。
【００３４】
エンジン１０および車両１２は、ＥＣＵ８０に、各種値を検出する（推定することを含む）ための信号を電気的に出力するセンサを備えている。ここで、その内のいくつかを具体的に述べる。吸入空気量を検出するためのエアフローメータ８２が吸気通路１６に備えられている。また過給圧を検出するための圧力センサ８３が吸気通路１６に備えられている。圧力センサ８３はここではインタークーラ３２とスロットルバルブ６４との間の吸気通路に設けられているが、他の部位に設けられることもできる。例えば、圧力センサ８３は、スロットルバルブ６４よりも下流の吸気通路に設けられてもよく、または、インタークーラ３２とコンプレッサ３０との間の吸気通路に設けられてもよい。また運転者によって操作されるアクセルペダル（不図示）の踏み込み量に対応する位置、すなわちアクセル開度を検出するための、加速要求検出手段としてのアクセル開度センサ８４が備えられている。また、エンジン１０のクランクシャフトのクランク回転信号を検出するためのクランクポジションセンサ８６が取り付けられている。ここでは、このクランクポジションセンサ８６はエンジン回転速度を検出するためのエンジン回転速度センサとしても利用される。また、エンジン１０が搭載された車両１２の速度（車速）を検出するための車速センサ８８も備えられている。さらに、ブレーキペダル（不図示）の操作状態に応じた信号を出力する、ブレーキ要求検出センサとしてのストップランプスイッチ９０が設けられている。このストップランプスイッチ９０はブレーキペダルが踏まれることでＯＮになる。さらに、バッテリ７０の容量または残容量を検出するための容量検出センサ９２が設けられている。なお、容量検出センサ９２は例えば電流センサ、電圧センサである。
【００３５】
なお、ＥＣＵ８０の一部は、空気導入通路５４を通して発電本体部５２に導入される空気の量を制御するための空気量制御手段としての弁６２を制御する、空気量制御装置７１の制御部または制御装置として構成され、弁６２と共に空気量制御装置７１を構成する。なお、ＥＣＵ８０の一部は、燃料供給装置５８の制御部または制御装置として構成される。また、加速要求があったか否かを判定する加速要求判定手段としての機能を、ＥＣＵ８０の一部は担う。さらに、ターボチャージャ２６の回転速度がその許容回転速度を越えないようにエンジン１０を制御するターボチャージャ回転制御部または制御装置としての機能を、ＥＣＵ８０の一部は担う。これらは相互に関係付けられている。
【００３６】
さて、上記の如く、エンジン１０では、発電装置としては、燃料電池システムである発電装置５０のみが設けられているので、エンジン１０が作動状態にあるときに、発電装置５０は一般に作動状態にある。もちろん、バッテリ７０の残容量が十分であるときには、エンジン１０作動中に、発電装置５０は停止し得る。
【００３７】
エンジン１０が作動状態にあるときには、エンジン１０のエンジン本体部１４からの排気は排気通路１８を流れる。そして、エンジン１０が作動状態にあるときに発電装置５０が作動状態にあるときには、発電装置５０の発電本体部５２からの排出ガスもガス排出通路６０を介して排気通路１８に流れる。したがって、エンジン１０と発電装置５０とが共に作動しているとき、ターボチャージャ２６のタービン２８には、エンジン１０の排気と発電装置５０の排出ガスとが流入し、コンプレッサ３０のコンプレッサホイールが駆動されて、これにより過給される。このとき、通常のエンジン運転状態、例えば低負荷低回転の運転状態では、アクセル開度に応じた開度に制御されるスロットルバルブ６４で調節された流量の空気がエンジン本体部１４に流れることができる。したがって、アクセル開度に応じた所望のエンジン出力を実質的に得ることができる。
【００３８】
一方、例えば高負荷域でのエンジン運転状態では、ターボチャージャ２６の回転速度がそれの許容回転速度を越えないようにエンジン制御が実行されている。特に、発電装置５０の作動による排出ガスがタービン２８に流入するときには、発電装置５０の排出ガス分を考慮して、ターボ許容回転速度を越えないようにエンジン制御がなされている。したがって、例えばエンジン負荷が高いときにアクセルペダルが踏み込まれた場合、発電装置５０の排出ガスがあるので、早期にターボ許容回転速度によりターボチャージャの回転速度が制限され、運転者の望むドライバビリティを十分に得られない可能性がある。そこで、ここでは、以下で説明するように、発電措置５０を有するエンジン１０の制御が実行される。
【００３９】
図２は、第１実施形態の制御フローチャートである。このフローチャートは所定時間周期で繰り返される。
【００４０】
ステップＳ２０１では、目標過給圧が過給圧以上か否かが判定される。目標過給圧つまり要求過給圧はアクセル開度つまり要求トルクに対応する。したがって、目標過給圧は、アクセル開度センサ８４の出力に基づいて予め記憶されているデータを検索したり、予め設定されている演算を行ったりすることで、求められる。こうして求められた目標過給圧が、圧力センサ８３の出力に基づく現在の吸気圧つまり過給圧以上か否かが判定される。具体的には、加速要求があったとき、例えば、アクセルペダルが運転者によって踏み込まれたとき、ステップＳ２０１では肯定判定される。それ故、ステップＳ２０１での判定は、加速要求があったか否かの判定に相当し得る。よって、単に、アクセル開度がそれまでのアクセル開度よりも大きくなったとき、または、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなる方向へのアクセル開度の変化または変化速度が所定値以上のとき、ステップＳ２０１で肯定判定されるように、ステップＳ２０１が構成されてもよい。
【００４１】
ステップＳ２０１で肯定判定されると、ステップＳ２０３で、ターボチャージャ２６の回転速度（または回転数）がその許容回転速度（または許容回転数）（以下、ターボ許容回転速度と称し得る）に制限されるか否かが判定される。ここで、図３に基づいてステップＳ２０３がさらに説明される。
【００４２】
図３は、横軸にコンプレッサ３０の空気量つまり吸入空気量をとり、縦軸にコンプレッサ３０の出口圧と入口圧との比（圧力比）をとり、一例としてのエンジン作動線Ｌが表されている。そして、図３には、サージラインＬａとチョークラインＬｂとの間にターボ許容回転速度のラインＴＬが表されている。
【００４３】
ターボ許容回転速度ラインとは、ターボチャージャ２６の回転速度限界を定めたものである。例えばターボチャージャ２６の損傷を防ぐために、ターボ許容回転速度は定められている。したがって、図３のラインＴＬを図３中の左下側から右上側に越えるような加速要求があったとき、ターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度を越えないようにエンジン１０が制御される。
【００４４】
ターボ許容回転速度は図３から理解できるように、吸入空気量およびコンプレッサの圧力比と相関関係にある。また、コンプレッサ入口圧は大気圧に実質的に相当し、コンプレッサ出口圧は発電装置５０の作動状態によるが過給圧と対応関係にある。したがって、ここでは、ターボチャージャ２６の回転速度がそのターボ許容回転速度に制限されるか否かは、圧力センサ８３の出力に基づく圧力つまり過給圧と、エアフローメータ８２の出力に基づく吸入空気量とをそれぞれ設定値（設定過給圧および設定吸入空気量）と比較することで判定される。設定過給圧および設定吸入空気量は、図３のターボ許容回転速度のラインＴＬに対応し、図３の如きデータと、弁６２の開度と（好ましくはさらに（アクセル開度に応じて制御される）弁６４の開度およびアクセル開度の少なくともいずれか一方と、さらに好ましくはエンジン回転速度および吸入空気量の少なくともいずれか一方と）に応じて、予め実験に基づいて設定されたデータを検索したり演算をしたりすることで算出されて設定される。そして、（ステップＳ２０１での過給圧に実質的に等しい）検出された過給圧が設定過給圧を越え、かつ、検出された吸入空気量が設定吸入空気量を越えたとき、ターボチャージャ２６の回転速度がそのターボ許容回転速度に制限されるとして、ステップＳ２０３で肯定判定される。なお、ここでは、設定過給圧および設定吸入空気量は、ターボ許容回転速度に対応するが、ステップＳ２０３で肯定判定されるとき、即座に、ターボ許容回転速度にターボチャージャの回転速度が制限されることが無いように余裕をもって設定される。
【００４５】
そして、ステップＳ２０３で肯定判定されると、次ぐステップＳ２０５でバッテリ残容量が所定量を越えているか否かが判定される。バッテリ残容量は容量検出センサ９２の出力に基づいて求められる。所定量は、発電装置５０の作動を禁止させてもエンジン１０の作動に支障の無い量として予め実験に基づき定められている。
【００４６】
ステップＳ２０５で肯定判定されると、ステップＳ２０７で発電が禁止される。具体的には、空気導入通路５４の弁６２が閉じられる（発電禁止開度にされる）。これに対して、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５のいずれかで否定判定されると、ステップＳ２０９で発電が許容され、上記したようにバッテリ７０の残容量に応じて発電装置５０が作動する。つまり、空気量制御装置７１は弁６２を開くように制御することができ、このような弁６２の開度はここでは、発電禁止開度に対して発電許容開度と称される。なお、発電禁止開度は、通常は発電装置５０で発電が実行されているので、通常は発電許容開度よりも小さい。しかし、バッテリ容量が十分であるときには上記の如く発電を行わず、このとき弁６２は閉じられ得るので、発電許容弁開度には、弁６２が閉じられることをも含む。
【００４７】
上記制御により、エンジン１０に加速要求があって、ターボチャージャ２６の回転速度がその許容回転速度に制限されるとき、空気量制御装置７１は弁６２の開度を加速要求があったときの開度からより小さい開度にして、空気導入通路５４を通して導入される空気量を減らす。これにより、ドライバビリティを改善することができる。以下に、これが図３に基づいてさらに説明される。
【００４８】
現在のエンジンの状態が、図３におけるエンジン作動線Ｌ上の出力点Ａにあるときを考える。このときに、アクセルペダルが踏み込まれると、ターボチャージャ２６の回転速度がそのターボ許容回転速度を越えるように出力点が出力点Ｂに推移するように変化することが望まれる。この場合、上記ステップＳ２０１およびＳ２０３で肯定判定される。
【００４９】
しかし、出力点Ａと出力点Ｂとの間にはラインＴＬがある。そこで、エンジン出力点Ａが出力点Ｃに推移するように、既に開いているウェストゲートバルブ３６の開度をさらに大きくするように、加えてエンジン回転速度を高めるように、エンジン制御が実行される。これは、ターボチャージャ２６の回転速度がその許容回転速度を越えないようにエンジン１０の制御（ターボチャージャ回転制御）がＥＣＵ８０のターボチャージャ回転制御装置としての機能を担う部分により実行されるからである。この結果、過給圧が低下し、軸トルクが低下するので、アクセルペダルの踏み込み操作に適した加速感が必ずしも得られない。
【００５０】
しかし、エンジン１０では、エンジン１０の作動中に発電装置５０が作動状態にあるときがある。このとき、通常は、コンプレッサ３０を経た空気の一部は発電装置５０に導入され、タービン２８にはエンジン排気に加えて発電装置５０の所定量の発電量に対応する量の排出ガスが流入している。そこで、本実施形態では、上記のように、ステップＳ２０３で弁６２の開度つまり発電装置５０の作動状態に応じて設定された設定値に応じて、ターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度に制限されると判定されたとき、発電装置５０の作動が禁止されて弁６２が閉じられる。つまり、加速要求があったときの空気量から空気導入通路５４を介して導入される空気量が減るように、空気量制御装置７１における目標空気量が上記所定量からゼロに減らされる。よって、ウェストゲートバルブ３６の開度がより大きくなることが抑制され、エンジン回転速度が高められることが抑制される。したがって、エンジン出力点が出力点Ｃに推移するのではなく（矢印ａ１参照）、実質的に出力点Ａに維持され得る（矢印ａ２参照）。よって、高負荷または高回転速度域でエンジンが運転されているときに、加速要求があったとき、軸トルクが低下することが抑制され、運転者の望む加速感つまりドライバビリティを実現することが可能になる。
【００５１】
次に、本発明に係る第２実施形態が以下に詳細に説明される。ただし、第２実施形態のエンジンおよびそれを搭載した車両は、制御の点でのみ、上記第１実施形態のそれらと相違する。したがって、以下の第２実施形態の説明では、主として第１実施形態とのその差異点を説明し、既に説明した構成要素と同一のまたは対応する構成要素に同一の符号を用いて、エンジン構成の説明を省略する。
【００５２】
第２実施形態の制御を図４のフローチャートに基づいて説明する。図４のフローチャートは所定時間周期で繰り返される。図４のフローチャートは図２のフローチャートに対応し、図４のステップＳ４０１〜Ｓ４０９は、それぞれ、図２のステップＳ２０１〜Ｓ２０９と実質的に同じであるので、これらステップの詳細な説明は省略する。
【００５３】
ステップＳ４０１で目標過給圧が過給圧以上であるので肯定判定されて、ステップＳ４０３でターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度に制限されると判定されると、ステップＳ４０５でバッテリ残容量が所定量を越えるか否かが判定される。そして、ステップＳ４０５で肯定判定されると、ステップＳ４０７で発電装置５０での発電が禁止されて、弁６２が閉じられる。また、ステップＳ４０１およびステップＳ４０３のいずれかで否定判定されると、ステップＳ４０９で発電装置５０での発電が許容される。
【００５４】
ステップＳ４０５でバッテリ残容量が所定量を越えていないので否定判定されると、ステップＳ４１１で発電装置５０での最小発電が実施される。発電装置５０では、上記の如く、基本的に所定量の発電をするように、弁６２が開弁制御されて、弁６２の開度に応じた空気量に対する燃料が供給される。ここではこの弁６２の開度が基本開度（第１開度）として設定されている。これに対して、発電装置５０で最小発電を行うとき、弁６２の開度はその基本開度よりも小さい第２開度にされる。例えば、最小発電での弁６２の開度つまり第２開度は基本開度の半分の開度である。ただし、最小発電の弁６２の開度およびそれに対応した燃料量つまり発電量は、エンジン１０の作動に最低限必要とされる電気量を確保するように定められている。なお、発電装置５０で最小発電を行うときの弁６２の開度は、バッテリ残容量に応じて、またはバッテリ残容量とアクセル開度とに応じて可変とされてもよい。
【００５５】
バッテリ残容量が所定量を越えていないときにはバッテリ残容量が十分でないので、さらなる発電が望まれる。一方で、加速要求に応じた加速感を実現することが求められる。そこで、本実施形態では、上記したように、発電装置５０での発電が行われるが、その発電量が第１発電量よりも少ない第２発電量に抑制される。つまり、加速要求があったときの空気量よりも空気導入通路５４を通して導入される空気量を減らすように、空気量制御装置７１での目標空気量である所定量を減らすように弁６２の開度が（全閉ではない）閉じ側に制御される。したがって、バッテリ７０の残容量をある程度以上に保つことができると共に、加速要求に応じた加速感を得ることができる。
【００５６】
次に、本発明に係る第３実施形態が以下に詳細に説明される。ただし、第３実施形態のエンジンおよびそれを搭載した車両は、制御の点でのみ、上記第１実施形態のそれらと相違する。したがって、以下の第３実施形態の説明では、主として第１実施形態とのその差異点を説明し、既に説明した構成要素と同一のまたは対応する構成要素に同一の符号を用いて、エンジン構成の説明を省略する。
【００５７】
第３実施形態の制御を図５のフローチャートに基づいて説明する。図５のフローチャートは所定時間周期で繰り返される。
【００５８】
ステップＳ５０１では、必要圧力比および必要空気量が算出される。必要圧力比および必要空気量は運転者の加速要求に対応し、具体的にはアクセル開度およびエンジン回転速度に基づいて予め実験に基づいて設定されているデータを検索したり演算をしたりすることで算出される。なお、エンジン１０を備えた車両は大気圧を検出するための大気圧センサを備えていないが、大気圧センサが設けられることができる。その場合、大気圧センサの出力に基づいて必要圧力比が、または必要圧力比および必要空気量が算出されるとよい。
【００５９】
次のステップＳ５０３では、上記ステップＳ２０３と概ね同様に、ターボチャージャ２６の回転速度がそのターボ許容回転速度に制限されるか否かが判定される。この判定は上記ステップＳ２０３に概ね対応し、上記の如く設定されるコンプレッサの設定圧力比および設定吸入空気量（図５では設定空気量）と、ステップＳ５０１で算出された必要圧力比および必要空気量がそれぞれ比較される。
【００６０】
必要圧力比が設定圧力比を超えかつ必要空気量が設定空気量を超えたとき、ステップＳ５０３で肯定判定される。なお、ステップＳ５０３で肯定判定されるときは、加速要求があって、ターボチャージャ２６の回転速度がそのターボ許容回転速度に制限されるときである。他方、必要圧力比が設定圧力比を超えないまたは必要空気量が設定空気量を超えないとき、ターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度に制限されないので、ステップＳ５０５で、上記ステップＳ２０９と同様に、発電が許容される。したがって、バッテリ７０の残容量に応じて発電装置５０が作動され、空気量制御装置７１は空気導入通路５４を通して導入される空気の量を所定量に制御するように弁６２を制御する。
【００６１】
ターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度に制限されるので、ステップＳ５０３で肯定判定されたときには、ステップＳ５０７で必要空気増加量Ｇａｎｉが算出される。必要空気増加量Ｇａｎｉは、ステップＳ５０１で算出された必要空気量とステップＳ５０３での設定空気量との差（必要空気量−設定空気量）であり、ここでは正の値である。
【００６２】
次ぐステップＳ５０９では、現在の発電装置５０での空気量（以下、現在のＦＣ空気量）Ｇａｆｃｐが算出される。現在のＦＣ空気量の算出は、ここでは弁６２の開度および圧力センサ８３の出力に基づいて予め実験に基づいて設定されているデータを検索したり演算をしたりすることで実行される。なお、既知の方法により発電装置５０での発電量を求め、この発電量に基づいて予め実験に基づいて設定されているデータを検索したり演算をしたりすることで現在のＦＣ空気量の算出が実行されてもよい。
【００６３】
そして、次ぐステップＳ５１１では、所定時間ｔ（単位：ｓ）の発電装置５０での必要空気量（以下、必要ＦＣ空気量）が算出される。必要ＦＣ空気量は、所定時間ｔの間、エンジン補機類（ポンプ２０、７２、７４、ライト、エアコンなど）を少なくとも駆動可能な発電量（以下、必要ＦＣ発電量）に対応し、この必要ＦＣ発電量に基づいて求められる。
【００６４】
必要ＦＣ発電量（Ｗ）は、補機類の定格消費電力に基づいて算出されるバッテリ消費電力Ｃｂａｔｔ（単位：Ｗ）と、ここでは容量検出センサ９２の出力に基づいて算出されるバッテリ７０の残容量Ｒｂａｔｔ（単位：Ｊ）（＝バッテリ定格容量（Ａｈ）×６０（ｓ／ｈ）×充電率（または充電量）（％）×１２（Ｖ））とに基づいて算出される。なお、ここでは、補機類は全て１２Ｖ駆動である。必要ＦＣ発電量（＝Ｃｂａｔｔ−Ｒｂａｔｔ／ｔ）が求められると、予め実験に基づいて設定されているデータを検索したり演算を行ったりすることで、必要ＦＣ空気量Ｇａｆｃｎが算出される。これは、発電装置５０での発電量は空気量とこの空気量と対応関係にある燃料量とから定められるからである。
【００６５】
必要ＦＣ空気量が算出されると、ステップＳ５１３で、ステップＳ５０７での必要空気増加量分、発電装置５０での空気量制御装置７１におけるＦＣ空気量を減らせるか否かが判定される。具体的には、現在のＦＣ空気量Ｇａｆｃｐから必要ＦＣ空気量Ｇａｆｃｎを引いた値（Ｇａｆｃｐ−Ｇａｆｃｎ）が必要空気増加量Ｇａｎｉを超えるか否かが判定される（Ｇａｆｃｐ−Ｇａｆｃｎ＞Ｇａｎｉ？）。
【００６６】
そして、ステップＳ５１３で必要空気増加量分、発電装置５０でのＦＣ空気量を減らすことができるので肯定判定されると、ステップＳ５１５で必要空気増加量分の発電量の低減が実行される。つまり、必要空気増加量だけ発電装置５０の空気量制御装置における空気量を加速要求があったときの空気量から減らすように弁６２の開度が閉じ側に制御される。具体的には、必要空気増加量に基づいて予め実験に基づいて設定されているデータを検索したり演算したりすることで弁６２の開度が設定されて、ＥＣＵ８０は弁６２に信号を出力する。したがって、この場合、加速要求に応じた加速感を得ることができる。
【００６７】
他方、ステップＳ５１３で必要空気増加量分、発電装置５０でのＦＣ空気量を減らすことができないので否定判定されると、ステップＳ５１７で必要空気増加量未満の許容量分の発電量の低減が実行される。具体的には、現在ＦＣ空気量Ｇａｆｃｐから必要ＦＣ空気量Ｇａｆｃｎを引いた値（Ｇａｆｃｐ−Ｇａｆｃｎ）分、発電装置５０の空気量制御装置における空気量を減らすように弁６２が閉じ側に制御される。したがって、可能な限り、加速要求に応じた加速感を得ることができる。
【００６８】
なお、上記説明から理解できるように、加速要求があって、ターボチャージャ２６の回転速度がそのターボ許容回転速度に制限されるとき、ステップＳ２０３で肯定判定される。しかし、ステップＳ５０１の前に、加速要求があったか否かを判定するためのステップがさらに組み込まれてもよい。例えば、上記ステップＳ２０１と同様のステップがステップＳ５０１の前に組み込まれることができる。
【００６９】
以上、上記３つの実施形態を説明した。これら実施形態の各々では、それらの間での具体的な制御は異なるが、加速要求があり、ターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度に制限されるとき、可能であれば、発電装置５０の発電本体部５２への空気供給量を減らす制御が行われた。これにより、運転者の加速要求に応じたドライバビリティの実現が図られた。
【００７０】
しかし、加速要求があったとき、ターボチャージャ２６の回転速度がターボ許容回転速度に制限されないときにも、上記実施形態のように発電装置５０の発電本体部５２への空気供給量を減らすことで、運転者の望む加速感を高めることができる。
【００７１】
次に、そのような実施形態を第４実施形態として説明する。ただし、第４実施形態のエンジンおよびそれを搭載した車両は、制御の点でのみ、上記第１実施形態のそれらと相違する。したがって、以下の第４実施形態の説明では、主として第１実施形態とのその差異点を説明し、既に説明した構成要素と同一のまたは対応する構成要素に同一の符号を用いて、エンジン構成の説明を省略する。
【００７２】
第４実施形態の制御を図６のフローチャートに基づいて説明する。図６のフローチャートは所定時間周期で繰り返される。図６のフローチャートは上記第１実施形態の図２のフローチャートに対応し、図６のステップＳ６０１〜Ｓ６０７は、それぞれ、図２のステップＳ２０１、Ｓ２０５〜Ｓ２０９と実質的に同じであるので、これらステップの詳細な説明は省略する。つまり、第４実施形態の図６のフローチャートでは、図２のステップＳ２０３に相当するステップがない。
【００７３】
ステップＳ６０１で目標過給圧が過給圧以上である（加速要求がある）ので肯定判定されると、次ぐステップＳ６０３でバッテリ残容量が所定量を越えるか否かが判定される。そして、ステップＳ６０３で肯定判定されると、ステップＳ６０５で発電装置５０での発電が禁止されて、弁６２が閉じられる。また、ステップＳ６０１およびステップＳ６０３のいずれかで否定判定されると、ステップＳ６０９で発電装置５０での発電が許容される。
【００７４】
このように、本第４実施形態では、加速要求があったときに、バッテリ残容量が所定量を越えているとき、発電が禁止される。したがって、加速要求があったときに、発電装置５０での発電が行われている場合には、弁６２が閉じられ、その結果、コンプレッサ３６を経た圧力の高い空気を積極的にエンジン１０の気筒内に導入することができる。よって、加速要求があってから、ターボチャージャの過給効果を得るまでのタイムラグを極めて短くすることができる。したがって、加速要求に応じた高加速感、つまり高いドライバビリティを得ることができる。
【００７５】
なお、第４実施形態のステップＳ６０５に至るときは、バッテリ残容量が所定量を超えていて、加速要求があったときであるが、そのときには例えば次の運転状態（第１〜第３の運転状態）にあるときが含まれる。
【００７６】
第１の運転状態は、上記第１〜第３実施形態で述べたようにターボチャージャの回転速度がターボ許容回転速度（を越えないようにそれ以下）に制限される、運転状態のときである。第２の運転状態は、ターボチャージャの回転速度がそのような制限を受けない運転状態のとき、例えば低負荷運転をしているときに、運転者がアクセルペダルを踏み込んだときである。そして、第３の運転状態は、エンジン作動線がチョークラインを越えるような運転状態のときである。
【００７７】
図７に示す作動線Ｌ´を例に第３の運転状態を説明する。作動線Ｌ´上の出力点Ｅにあるときに、加速要求があったとき、バッテリ残量が所定量を越えていれば、上記の如く、発電装置５０の空気導入通路５４の弁６２が閉じられる。したがって、コンプレッサ３６で圧送する吸気の量が限界流量つまりチョーク流量を越えること無く、エンジン出力を好適に高めることができる。したがって、運転者の望む加速感をより適切に得ることが可能になる。
【００７８】
なお、上記した第４実施形態において、上記第２実施形態のように、バッテリ残容量が所定量を越えていないとき、最小発電（ステップＳ４１１）が実施されてもよい。こうすることで、バッテリ残容量の確保と、ドライバビリティの向上とをより好適に両立させることができる。
【００７９】
以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら実施形態の種々の変更を許容する。例えば、圧力センサ８３がスロットルバルブ６４の下流側に設けられる場合、上記ステップＳ２０１、Ｓ４０１、Ｓ５０１、Ｓ６０１でインマニ圧が用いられることができる。また、上記実施形態では、ターボチャージャはウェストゲートバルブ付きターボチャージャであったが、タービンに可変ノズルベーンを備えたターボチャージャであってもよい。さらに、上記第１および第２実施形態では、空気導入通路５４の弁６２の開度が段階的にフィードバック制御されるが、コンプレッサ圧力比、コンプレッサ空気量およびバッテリ残容量に基づいて、またはこれらに相当する値に基づいて弁６２の開度がより細かくフィードバック制御されてもよい。この場合には、さらに加速要求に応じた加速感を得つつ、発電装置５０にて発電を実施することが可能になる。
【００８０】
また、空気導入通路５４を通して導入される空気量を制御するための弁６２は、上記した位置に限定されず、例えば発電本体部５２にまたはそれよりも下流に設けられてもよい。発電本体部５２またはそれよりも下流でのガスの流れを制御することで、発電本体部５２へのガスの供給量は制御可能だからである。
【００８１】
以上、本発明を、上記実施形態、および、その変形例に基づいて説明した。しかし、本発明は、それら実施形態等に限定されず、他の実施形態を許容する。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。
【符号の説明】
【００８２】
１０  内燃機関
１２  車両
２６  ターボチャージャ
２８  タービン
３０  コンプレッサ
３６  弁（ウェストゲートバルブ）
３８  迂廻路
４０  排気浄化装置
５０  発電装置（燃料電池システム）
５２  発電本体部（燃料電池本体部）
５４  空気導入通路
６０  ガス排出通路
６２  弁
６６  リード弁（一方向弁）
７０  バッテリ
７１  空気量制御装置
【図１】
2013185506.tif 000003
【図２】
2013185506.tif 000004
【図３】
2013185506.tif 000005
【図４】
2013185506.tif 000006
【図５】
2013185506.tif 000007
【図６】
2013185506.tif 000008
【図７】
2013185506.tif 000009