JP2005166539A - Internal combustion engine having fuel cell in gas discharge system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気系に燃料電池を有する内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system.
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。)。
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。 However, depending on the operating conditions of the internal combustion engine, it may be difficult to operate in an excessive fuel state. In such a case, fuel cannot be supplied to the fuel cell. In such a case, if the internal combustion engine is operated in a fuel-rich state with priority on power generation by the fuel cell, the operation state of the internal combustion engine deteriorates, causing torque fluctuations and emission deterioration. Further, since the fuel cell operates at a high temperature, it is necessary to raise the temperature of the fuel cell to the operating temperature. However, if this temperature rise takes time, there is a possibility that required power cannot be secured.
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。 When a catalyst is provided upstream of the fuel cell, the fuel reacts with the catalyst before the fuel is supplied to the fuel cell, and the fuel cannot be stably supplied to the fuel cell. Furthermore, there is a concern that the catalyst may overheat due to the reaction of the fuel with the catalyst.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and in an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system, the temperature of the fuel cell is rapidly raised to the operating temperature without deteriorating the operating state of the internal combustion engine. A further object is to provide a technique capable of supplying fuel to the fuel cell without deteriorating the operating state of the internal combustion engine.
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。
In order to achieve the above object, an internal combustion engine having a fuel cell in the exhaust system of the present invention employs the following means. That is,
Fuel injection means for injecting fuel into a cylinder of the internal combustion engine;
A fuel injection means for power generation that performs main injection by the fuel injection means and increases the concentration of HC or CO in the exhaust by fuel injection at a time different from the main injection;
A fuel cell having a fuel electrode side connected to an exhaust passage of the internal combustion engine;
A first catalyst provided in an exhaust passage downstream of the internal combustion engine and upstream of the fuel cell;
A first bypass that connects an exhaust passage upstream of the first catalyst and an exhaust passage downstream of the first catalyst and upstream of the fuel cell;
First temperature detection means for detecting the temperature of the exhaust gas downstream of the first catalyst and upstream of the fuel cell;
When the HC or CO concentration in the exhaust gas is increased by the power generation fuel injection means and when the temperature of the fuel cell is raised, the exhaust gas is mainly circulated through the first catalyst,
When the temperature detected by the first temperature detection means becomes a temperature required for power generation of the fuel cell, first flow path switching means for mainly circulating exhaust gas to the first bypass route;
It is provided with.
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。 The greatest feature of the present invention is that fuel is injected into the cylinder of the internal combustion engine at a time different from the main injection, thereby increasing the amount of HC or CO emission, thereby generating heat in the first catalyst and fuel. The temperature of the battery is raised, and after the temperature of the fuel cell rises, the exhaust gas is mainly circulated through the first bypass and HC or CO is supplied to the fuel cell as power generation fuel.
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。 In the internal combustion engine having the fuel cell in the exhaust system configured as described above, the internal combustion engine is operated by the main injection from the fuel injection means. On the other hand, the power generation fuel injection means performs the fuel injection to the internal combustion engine by the fuel injection means in addition to the main injection. For example, a large amount of CO can be discharged from the internal combustion engine by performing fuel injection when the piston from the end of the exhaust stroke to the early stage of the intake stroke is near top dead center. A large amount of HC can be discharged by injecting fuel in the expansion stroke or exhaust stroke after the main injection.
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。 The HC and CO discharged in this manner react with the first catalyst and raise the temperature of the exhaust. That is, it is desirable that the first catalyst is a catalyst having an oxidation ability that can raise the temperature of exhaust gas by supplying HC or CO. Thus, the temperature of the fuel cell is raised to a temperature at which the fuel cell can generate power (hereinafter referred to as the operating temperature) by raising the temperature of the exhaust gas and causing the exhaust gas having a high temperature to flow into the fuel cell. be able to.
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。 However, even if the fuel cell can generate power, if HC and CO are reacted in the first catalyst, HC and CO as power generation fuel supplied to the fuel cell are reduced. The amount of power generation is reduced. Further, if HC or CO is continuously supplied to the first catalyst, the first catalyst may be overheated.
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。 In that regard, after the temperature of the fuel cell rises to the operating temperature, if the exhaust gas is mainly circulated through the first bypass by the first flow path switching means, HC and CO flowing into the fuel cell can be increased, The amount of power generation can be increased. In addition, since the amount of HC and CO supplied to the first catalyst is reduced, the heat generated in the first catalyst can be reduced, and overheating of the first catalyst can be suppressed.
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。 The first temperature detecting means may detect the temperature of the first catalyst. Further, when the HC or CO concentration in the exhaust gas is increased by the power generation fuel injection means and the temperature of the fuel cell is increased, the exhaust gas is circulated only through the first catalyst, and the first temperature is increased. When the temperature detected by the detection means becomes a temperature required for power generation of the fuel cell, it is more preferable that the exhaust gas is circulated only through the first bypass.
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。
In the present invention, further comprising a second temperature detection means for detecting the temperature of the exhaust downstream of the fuel cell,
Even after the temperature detected by the first temperature detecting means reaches the temperature required for power generation of the fuel cell, the temperature detected by the second temperature detecting means is equal to or lower than the operating temperature of the fuel cell. In this case, the first flow path switching unit can mainly distribute the exhaust gas to the first catalyst.
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。
When exhaust gas is mainly circulated through the first bypass, HC and CO in the exhaust gas do not react with the first catalyst, so that more fuel for power generation can be supplied to the fuel cell. However, the exhaust gas that does not pass through the first catalyst has a low temperature, which may lower the temperature of the fuel cell. And if a fuel cell becomes below operating temperature, electric power generation will no longer be performed. In that respect, when the temperature detected by the second temperature detecting means is equal to or lower than the operating temperature of the fuel cell, it is possible to raise the temperature of the fuel cell again by mainly circulating the exhaust gas through the first catalyst. Become.
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。 In addition, it is more preferable that the exhaust gas be circulated only through the first catalyst when the temperature detected by the second temperature detecting means is equal to or lower than the operating temperature of the fuel cell. Further, the second temperature detection means may detect the temperature of the fuel cell. Further, the first flow path switching means is not limited to the case where the temperature detected by the second temperature detection means is lower than the operating temperature of the fuel cell, but is mainly used when there is a possibility that the temperature will be lower than the operating temperature. Exhaust gas may be circulated through the catalyst.
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。
In the present invention, a battery for storing electrical energy generated in the fuel cell;
A storage amount calculating means for integrating the amount of electrical energy stored in the battery;
A discharge amount calculating means for integrating the amount of electric energy discharged from the battery;
A remaining charge amount calculating means for calculating an amount of electrical energy stored in the battery based on a calculation result by the charge amount calculating means and the discharge amount calculating means;
Further comprising
The power generation fuel injection means can adjust the HC or CO concentration in the exhaust based on the calculation result of the remaining power storage amount calculation means.
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。 By storing the electric energy generated in the fuel cell in a battery and supplying the electric energy from the battery to each member that requires the electric energy, the electric energy can be supplied stably. However, if the amount of electrical energy consumed by each member is greater than the amount of electrical energy generated by the fuel cell, the electrical energy stored in the battery decreases, making it difficult to stably supply electrical energy to each member. There is a risk of becoming. In that respect, if the amount of electrical energy stored in the battery (hereinafter referred to as the amount of charge of the battery) decreases, increasing the concentration of HC or CO in the exhaust increases the amount of power generated by the fuel cell, and the battery The amount of charge can be increased. Further, when the charge amount of the battery is sufficient, it is possible to suppress the deterioration of fuel consumption by reducing the HC or CO concentration in the exhaust.
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。 In the present invention, when the temperature detected by the first temperature detection means is equal to or higher than the activation temperature of the first catalyst, the power generation fuel injection means stops the increase of the HC or CO concentration in the exhaust. Alternatively, the rising amount can be reduced, and the first flow path switching means can reduce the amount of exhaust gas flowing through the first bypass.
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。 If the fuel for power generation is continuously supplied, the first catalyst may be overheated. Therefore, when the temperature of the fuel cell rises to the operating temperature, the exhaust gas is circulated through the first bypass to suppress the temperature rise of the first catalyst. However, when the first catalyst is already overheated, it is necessary to quickly reduce the temperature of the first catalyst. At that time, if an exhaust gas that does not contain much HC and CO is passed through the first catalyst, the heat of the first catalyst is taken away by the exhaust gas, so that the temperature of the first catalyst can be lowered.
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。 The first flow path switching means is not limited to the case where the temperature detected by the first temperature detection means is equal to or higher than the activation temperature, but flows through the first bypass when there is a possibility that the temperature will be equal to or higher than the activation temperature. The amount of exhaust may be reduced.
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。
In the present invention, a turbocharger provided upstream of the first catalyst;
A second detour connecting the exhaust passage upstream of the turbocharger and the exhaust passage downstream of the first catalyst and upstream of the fuel cell;
Second flow path switching means for mainly circulating exhaust gas to the second bypass when increasing the power generation amount of the fuel cell;
Can be provided.
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。 When the turbocharger is provided in the exhaust passage in this way, the turbocharger becomes an exhaust resistance, and an exhaust pressure difference between the upstream side and the downstream side becomes larger than the turbocharger. That is, the exhaust pressure difference between the upstream side and the downstream side of the second bypass route becomes large, so that when the exhaust gas is circulated through the second bypass route, the flow velocity is faster than when the exhaust gas is circulated through the first bypass route. Become. Therefore, by circulating the exhaust gas through the second bypass, it is possible to quickly supply CO and HC to the fuel cell, and to quickly increase the amount of power generation.
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。 In the present invention, the turbocharger is a variable capacity turbocharger, and the nozzle vane of the variable capacity turbocharger can be controlled to the closed side when the power generation amount of the fuel cell is increased.
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。 By controlling the nozzle vanes of the variable displacement turbocharger to the closed side, it becomes possible to increase the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the turbocharger, and more quickly generate fuel for power generation into the fuel cell. It becomes possible to supply.
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。
In the present invention, a second catalyst provided in an exhaust passage downstream of the fuel cell;
A heat exchanger that is provided in an exhaust passage downstream of the fuel cell and upstream of the second catalyst, and performs heat exchange between the exhaust and the heat medium;
A third detour connecting the exhaust passage upstream of the heat exchanger and the exhaust passage downstream of the heat exchanger and upstream of the second catalyst;
Third temperature detecting means for detecting the temperature of the exhaust downstream of the second catalyst;
When the temperature detected by the third temperature detecting means is equal to or lower than the activation temperature of the second catalyst, the temperature mainly detected by the third temperature detecting means by allowing exhaust gas to flow through the third bypass. Is higher than the activation temperature of the second catalyst, second flow path switching means for mainly circulating the exhaust gas to the heat exchanger;
Can be provided.
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。 Here, the temperature of the gas discharged from the fuel cell operating at a high temperature is high, and this heat can be recovered by providing a heat exchanger downstream of the fuel cell. For example, the temperature of the exhaust passage can be increased by supplying the air whose temperature has been increased by the heat exchanger to the upstream side of the fuel cell. Thereby, it becomes possible to suppress adhesion of unburned fuel components to the exhaust passage, and efficient power generation becomes possible.
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。 By the way, harmful components that have not been purified by the first catalyst and power generation fuel that has not reacted by the fuel cell are purified by the second catalyst. Here, when the temperature of the exhaust gas is lowered by the heat exchanger, the low temperature exhaust gas flows into the second catalyst, so that the temperature of the second catalyst is lowered. And if the temperature of a 2nd catalyst becomes below activation temperature, the purification rate of a harmful | toxic component will fall.
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。 Therefore, when the temperature detected by the third temperature detecting means is equal to or lower than the activation temperature of the second catalyst, the exhaust gas is mainly circulated through the third bypass. As a result, it is possible to suppress a decrease in the temperature of the exhaust, and thus suppress a decrease in the temperature of the second catalyst.
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。 In addition, when the temperature detected by the 3rd temperature detection means becomes below the activation temperature of a 2nd catalyst, it is more preferable to distribute | circulate exhaust_gas | exhaustion only to a 3rd detour. Further, the third temperature detection means may detect the temperature of the second catalyst. Furthermore, the second flow path switching means is not limited to the case where the temperature detected by the third temperature detection means is lower than the activation temperature, but is mainly used for the third bypass when there is a possibility that the temperature is lower than the activation temperature. You may make it distribute | circulate exhaust_gas | exhaustion.
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。 In an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to the present invention, the temperature of the fuel cell can be raised to the operating temperature without deteriorating the operating state of the internal combustion engine, and further, fuel for power generation can be supplied to the fuel cell. it can.
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。 Hereinafter, specific embodiments of an internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an
An exhaust passage 2 for releasing burned gas from the
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。
The
The exhaust passage 2 between the
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。
A first
The exhaust passage 2 downstream of the
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。
A second
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。
The first catalyst 7 and the
Here, the power generation fuel introduced into the
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。 In this way, the chemical energy of the fuel is directly converted into electric energy, so that loss due to energy conversion is small and highly efficient power generation is possible. Such power generation is performed at a temperature of 700 to 1000 ° C., for example.
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。
Thus, since the operating temperature of the
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。 As a result, the wall temperature of the exhaust passage 2 and the temperature of the exhaust can be increased. And it can suppress that the fuel for electric power generation adheres to the wall surface of the exhaust passage 2 by raising the wall temperature of this exhaust passage 2, and the temperature of exhaust_gas | exhaustion.
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。
Such an
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。
Various sensors are connected to the ECU 10 through electrical wiring, and output signals from these sensors are input to the ECU 10. The ECU 10 is connected to an
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。
The
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。
The ECU 10 is electrically connected to a
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。 By the way, in an internal combustion engine having a fuel cell in a conventional exhaust system, the engine is operated in a state of excessive fuel, and unburned components discharged at that time are supplied to the fuel electrode side of the fuel cell as power generation fuel. It was. Therefore, when the fuel cell requires a large amount of power generation fuel, it has been necessary to operate the engine at a rich air-fuel ratio to discharge a large amount of unburned fuel.
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。 However, since the diesel engine is normally operated at a lean air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is high, and it is difficult to obtain the necessary power. On the other hand, if the engine is operated at a richer air-fuel ratio with more fuel than the air-fuel ratio during normal operation in an attempt to supply fuel for power generation to the fuel cell, torque fluctuations and emission deterioration may be induced. It was. Furthermore, depending on the operating state of the engine, it may be difficult to operate at a richer air-fuel ratio, and in such a case, necessary electric power could not be secured.
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。
Further, as described above, since the operating temperature of the
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。
In this regard, in this embodiment, fuel is injected into the cylinder when the piston from the end of the exhaust stroke to the early stage of the intake stroke is in the vicinity of the top dead center. Hereinafter, such fuel injection is referred to as VIGOM injection. According to this VIGOM injection, the amount of carbon monoxide (CO) emitted from the
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。
Further, fuel may be injected from the
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。
Further, according to the VIGOM injection or the post injection, it is possible to suppress the deterioration of the operation state due to the increase of the engine output as compared with the case where the main injection amount is increased.
The high-concentration CO or HC discharged in this way reacts with the first catalyst 7 and raises the temperature of the exhaust. By supplying the exhaust gas whose temperature has increased to the
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。
However, if a high concentration of CO or HC is continuously supplied to the first catalyst 7, the temperature of the first catalyst 7 will rise too much and induce thermal degradation. Therefore, in this embodiment, after the temperature of the
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。
Next, power generation control of the
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of power generation control of the
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。
In step S101, an ignition switch (hereinafter referred to as an IG switch) is turned on. This flow may be started when the IG switch is turned on. Thereafter, the
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。
In step S102, it is determined whether or not the engine speed Ne is higher than 0, that is, whether or not the
If an affirmative determination is made in step S102, the process proceeds to step S103. On the other hand, if a negative determination is made, the process of step S102 is repeated.
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。 In step S <b> 103, a signal is sent to the first flow path switching valve 8 so that the exhaust gas flows through the first catalyst 7 and the exhaust gas does not flow through the first bypass 9. As a result, high-concentration CO or HC is supplied to the first catalyst 7.
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。 In step S104, the amount of fuel injected in the VIGOM injection or the post injection is adjusted. The fuel injection amount at this time is a fuel injection amount suitable for increasing the temperature of the exhaust gas by the first catalyst 7.
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。
In step S105, it is determined whether or not the exhaust temperature obtained from the first
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。
If an affirmative determination is made in step S105, the process proceeds to step S106, whereas if a negative determination is made, the process returns to step S103.
In step S <b> 106, a signal is sent to the first flow path switching valve 8, exhaust gas is circulated through the first bypass circuit 9, and exhaust gas is not circulated through the first catalyst 7. Thereby, it can suppress that the 1st catalyst 7 overheats.
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。
In step S107, the amount of fuel injected in the VIGOM injection or the post injection is adjusted. The fuel injection amount at this time is a fuel injection amount that can obtain the power generation amount required for the
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。
In step S108, it is determined whether or not the exhaust temperature obtained from the second
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。
If an affirmative determination is made in step S108, the process proceeds to step S109. On the other hand, if a negative determination is made, the process returns to step S103.
In step S109, it is determined whether or not the charge amount of the battery 5 is equal to or greater than the discharge amount of the battery 5. If the discharge amount of the battery 5 is larger, the power supplied from the battery 5 to the
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。
If an affirmative determination is made in step S109, this routine is terminated. On the other hand, if a negative determination is made, the routine returns to step S107.
In this way, rapid warm-up of the
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。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to supply power generation fuel to the
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。
In Example 1, the
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。 Therefore, in this embodiment, when the temperature of the first catalyst 7 is equal to or higher than the activation temperature, a part of the exhaust gas is circulated through the first bypass 9. That is, the exhaust gas is circulated through the first bypass 9 and the first catalyst 7.
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。
Next, power generation control of the
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of power generation control of the
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。
Up to step S108 is the same as the flowchart shown in FIG.
In step S209, it is determined whether or not the charge amount of the battery 5 is equal to or greater than a value obtained by multiplying the discharge amount of the battery 5 by a coefficient K. Here, the coefficient K is a value smaller than 1, for example, 0.9. The coefficient K is a value obtained from conditions for suppressing overheating of the first catalyst 7, and is set in advance.
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。
If an affirmative determination is made in step S209, the process proceeds to step S210. On the other hand, if a negative determination is made, the process returns to step S107.
In step S210, it is determined whether or not the exhaust temperature obtained from the first
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。
If an affirmative determination is made in step S210, the process proceeds to step S211. On the other hand, if a negative determination is made, the process returns to step S107.
In step S211, the amount of fuel injected in the VIGOM injection or the post injection is adjusted. At this time, the fuel injection amount is set so that overheating of the first catalyst 7 can be suppressed. Specifically, the concentration of CO and HC in the exhaust is reduced. Moreover, you may make it not perform VIOM injection and post injection.
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。 In step S <b> 212, a signal is sent to the first flow path switching valve 8, and the exhaust gas is circulated through the first bypass 9 and the first catalyst 7. Thereby, it can suppress that the 1st catalyst 7 overheats. That is, when the exhaust gas having a low concentration of CO or HC is circulated through the first catalyst 7, the heat of the first catalyst 7 is taken away by the exhaust gas, so that the temperature of the first catalyst 7 can be lowered.
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。
When step S212 ends, the process returns to step S210.
In this way, the
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。
This embodiment differs from the above embodiment in the following points. In other words, the
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。
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the
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。
Here, when CO or HC is supplied to the first catalyst 7, the power generation fuel of the
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。
In that respect, according to the present embodiment, when the power generation amount is desired to be increased rapidly by the
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。
The
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。
Next, power generation control of the
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of power generation control of the
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。
Except for the processing after the negative determination is made in step S210, the processing is the same as the flowchart shown in FIG.
If a negative determination is made in step S210, the process proceeds to step S313.
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。
In step S313, it is determined whether or not the charge amount of the battery 5 is equal to or greater than a value obtained by multiplying the discharge amount of the battery 5 by a coefficient K ′. Here, the coefficient K ′ is a value smaller than the coefficient K described in step S209, and is set to 0.6, for example. The coefficient K ′ is a value obtained from conditions that require rapid power generation of the
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。
If an affirmative determination is made in step S313, the process proceeds to step S314. On the other hand, if a negative determination is made, the process returns to step S107.
In step S <b> 314, a signal is sent to the first flow path switching valve 8 and the exhaust gas is circulated through the
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。
Note that the amount of exhaust gas flowing through each of the first bypass route 9, the
When step S314 ends, the process returns to step S313.
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。
In this way, it is possible to increase the power generation amount of the
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。
This embodiment differs from the above embodiment in the following points. That is, when the temperature of the exhaust gas flowing out from the
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。
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of the
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。
Here, since the first catalyst 7 is mainly used to raise the temperature of the
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。
However, even if the exhaust gas having a high temperature is discharged from the
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。
In this regard, in this embodiment, when the temperature of the exhaust gas obtained by the third
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。
Next, switching control of the second flow
FIG. 7 is a flowchart showing a flow of switching control of the second flow
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。
This routine is executed every specified time.
In step S401, it is determined whether or not the exhaust temperature obtained from the third
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。
If an affirmative determination is made in step S401, the process proceeds to step S402. On the other hand, if a negative determination is made, the process proceeds to step S403.
In step S <b> 402, a signal is sent to the second flow
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。
In step S <b> 403, it is determined whether the exhaust temperature obtained from the third
If an affirmative determination is made in step S403, the process proceeds to step S404. On the other hand, if a negative determination is made, this routine is terminated.
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。
In step S <b> 404, a signal is sent to the second flow
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。
In this way, it is possible to suppress the temperature of the
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
1 Engine 2
11 First
20
Claims (7)
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。 Fuel injection means for injecting fuel into a cylinder of the internal combustion engine;
A fuel injection means for power generation that performs main injection by the fuel injection means and increases the concentration of HC or CO in the exhaust by fuel injection at a time different from the main injection;
A fuel cell having a fuel electrode side connected to an exhaust passage of the internal combustion engine;
A first catalyst provided in an exhaust passage downstream of the internal combustion engine and upstream of the fuel cell;
A first bypass that connects an exhaust passage upstream of the first catalyst and an exhaust passage downstream of the first catalyst and upstream of the fuel cell;
First temperature detection means for detecting the temperature of the exhaust gas downstream of the first catalyst and upstream of the fuel cell;
When the HC or CO concentration in the exhaust gas is increased by the power generation fuel injection means and the temperature of the fuel cell is raised, the exhaust gas is mainly circulated through the first catalyst, and the first temperature detection is performed. When the temperature detected by the means becomes a temperature required for power generation of the fuel cell, first flow path switching means for mainly circulating the exhaust gas to the first bypass route;
An internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system.
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。 A second temperature detecting means for detecting the temperature of the exhaust gas downstream from the fuel cell;
Even after the temperature detected by the first temperature detecting means reaches the temperature required for power generation of the fuel cell, the temperature detected by the second temperature detecting means is equal to or lower than the operating temperature of the fuel cell. 2. The internal combustion engine having a fuel cell in an exhaust system according to claim 1, wherein the first flow path switching unit mainly causes exhaust gas to flow through the first catalyst.
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。 A battery for storing electrical energy generated in the fuel cell;
A storage amount calculating means for integrating the amount of electrical energy stored in the battery;
A discharge amount calculating means for integrating the amount of electric energy discharged from the battery;
A remaining charge amount calculating means for calculating an amount of electrical energy stored in the battery based on a calculation result by the charge amount calculating means and the discharge amount calculating means;
Further comprising
3. The fuel cell in the exhaust system according to claim 1, wherein the power generation fuel injection unit adjusts the HC or CO concentration in the exhaust based on a calculation result of the remaining storage amount calculation unit. Internal combustion engine having.
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。 A turbocharger provided upstream of the first catalyst;
A second detour connecting the exhaust passage upstream of the turbocharger and the exhaust passage downstream of the first catalyst and upstream of the fuel cell;
Second flow path switching means for mainly circulating exhaust gas to the second bypass when increasing the power generation amount of the fuel cell;
The internal combustion engine which has a fuel cell in the exhaust system in any one of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned.
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。 6. The exhaust system according to claim 5, wherein the turbocharger is a variable capacity turbocharger, and the nozzle vane of the variable capacity turbocharger is controlled to a closed side when the power generation amount of the fuel cell is increased. An internal combustion engine having a fuel cell.
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。 A second catalyst provided in an exhaust passage downstream of the fuel cell;
A heat exchanger that is provided in an exhaust passage downstream of the fuel cell and upstream of the second catalyst, and performs heat exchange between the exhaust and the heat medium;
A third detour connecting the exhaust passage upstream of the heat exchanger and the exhaust passage downstream of the heat exchanger and upstream of the second catalyst;
Third temperature detecting means for detecting the temperature of the exhaust downstream of the second catalyst;
When the temperature detected by the third temperature detecting means is equal to or lower than the activation temperature of the second catalyst, the temperature mainly detected by the third temperature detecting means by allowing exhaust gas to flow through the third bypass. Is higher than the activation temperature of the second catalyst, second flow path switching means for mainly circulating the exhaust gas to the heat exchanger;
The internal combustion engine which has a fuel cell in the exhaust system in any one of Claim 1 to 6 characterized by the above-mentioned.
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