JP2014139425A - Internal combustion engine - Google Patents

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Hiroyuki Suganuma
寛之 菅沼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress torque difference at a time of switching a high-pressure-stage turbocharger to/from a low-pressure-stage turbocharger.SOLUTION: An internal combustion engine 1 according to the present invention includes: a fuel battery 4; a low-pressure-stage turbocharger 3L that includes a low-pressure-stage turbine 3LT and a low-pressure-stage compressor 3LC; a high-pressure-stage turbocharger 3H that includes a high-pressure-stage turbine 3HT and a high-pressure-stage compressor 3HC; a first exhaust path 27A connecting the fuel battery 4 to an exhaust passage 6 upstream of the high-pressure-stage turbine 3HT; a second exhaust path 27B connecting the fuel cell 4 to the exhaust passage 6 between the high-pressure-stage turbine 3HT and the low-pressure-stage turbine 3LT; and exhaust-path switching means 28, 100 for switching the first exhaust path to/from the second exhaust path. If an operating state of the internal combustion engine is in a transition range B between an operating range of the high-pressure-stage turbocharger 3H and that of the low-pressure-stage turbocharger 3L, the exhaust-path switching means 28, 100 switches the first exhaust path 27A to the second exhaust path 27B.

Description

本発明は内燃機関に係り、特に燃料電池と多段式ターボ過給システムとを備えた内燃機関に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to an internal combustion engine provided with a fuel cell and a multistage turbocharging system.

多段式ターボ過給システムを備えた内燃機関が公知である。特に、多段式ターボ過給システムとして、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機という二つのターボ過給機を直列に接続してなる2ステージシーケンシャルターボシステムが公知である。例えば特許文献1には、大型ターボ過給機と小型ターボ過給機とを有するターボ過給機付エンジンが開示されている。大型ターボ過給機において、コンプレッサとタービンを連結する連結軸にクラッチが介設され、クラッチよりもコンプレッサ側の連結軸にはコンプレッサの回転をアシストするための電動モータが設けられている。   Internal combustion engines with a multi-stage turbocharging system are known. In particular, as a multistage turbocharger system, a two-stage sequential turbosystem in which two turbochargers, a low-pressure turbocharger and a high-pressure turbocharger, are connected in series is known. For example, Patent Literature 1 discloses a turbocharged engine having a large turbocharger and a small turbocharger. In a large turbocharger, a clutch is provided on a connecting shaft that connects a compressor and a turbine, and an electric motor for assisting the rotation of the compressor is provided on a connecting shaft closer to the compressor than the clutch.

特開2011−58400号公報JP 2011-58400 A

ところで、多段式ターボ過給システムを備えた内燃機関に燃料電池を組み合わせることが考えられる。しかしこうすると、次のような課題が発生する。   By the way, it is conceivable to combine a fuel cell with an internal combustion engine equipped with a multistage turbocharging system. However, this causes the following problems.

一般に、多段式ターボ過給システムにおいては、内燃機関の低回転域を高圧段ターボ過給機で受け持ち、内燃機関の高回転域を低圧段ターボ過給機で受け持つようになっている。そしてこれらターボ過給機を切り替える際に、エンジントルクの段差が発生し、ドライバビリティを損なうという問題がある。   In general, in a multi-stage turbocharger system, a low-speed region of an internal combustion engine is handled by a high-pressure stage turbocharger, and a high-speed region of the internal combustion engine is handled by a low-pressure stage turbocharger. When switching between these turbochargers, there is a problem that a step difference in engine torque occurs and drivability is impaired.

この問題に対処するため、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機のサイズ差を縮小することが考えられる。しかし、燃料電池を組み合わせると当該サイズ差を縮小するのが困難な場合がある。こうした場合に、前述のトルク段差の問題を解消するのが困難となる。   In order to cope with this problem, it is conceivable to reduce the size difference between the high-pressure turbocharger and the low-pressure turbocharger. However, when the fuel cells are combined, it may be difficult to reduce the size difference. In such a case, it becomes difficult to eliminate the problem of the torque step described above.

そこで、本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機の切り替え時におけるトルク段差を抑制することが可能な内燃機関を提供することにある。   Accordingly, the present invention was created in view of the above circumstances, and one object of the present invention is an internal combustion engine capable of suppressing a torque step at the time of switching between a high-pressure turbocharger and a low-pressure turbocharger. To provide an institution.

本発明の一の態様によれば、
燃料電池と、低圧段タービンおよび低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、高圧段タービンおよび高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機とを備え、
排気通路において、前記低圧段タービンが前記高圧段タービンの下流側に配設され、吸気通路において、前記高圧段コンプレッサが前記低圧段コンプレッサの下流側に配設され、
前記燃料電池と前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路とを接続する第1の排気路と、前記燃料電池と前記高圧段タービンおよび前記低圧段タービンの間の前記排気通路とを接続する第2の排気路と、前記第1および第2の排気路を切り替える排気路切替手段とを備え、
内燃機関の運転状態が、前記高圧段ターボ過給機の作動領域と前記低圧段ターボ過給機の作動領域との間の遷移領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第2の排気路に切り替える
ことを特徴とする内燃機関が提供される。
According to one aspect of the invention,
Comprising a fuel cell, a low-pressure stage turbocharger having a low-pressure stage turbine and a low-pressure stage compressor, and a high-pressure stage turbocharger having a high-pressure stage turbine and a high-pressure stage compressor,
In the exhaust passage, the low-pressure stage turbine is disposed on the downstream side of the high-pressure stage turbine, and in the intake passage, the high-pressure stage compressor is disposed on the downstream side of the low-pressure stage compressor,
A first exhaust passage that connects the fuel cell and the exhaust passage upstream of the high-pressure turbine, and a first exhaust passage that connects the fuel cell and the exhaust passage between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine. Two exhaust paths, and an exhaust path switching means for switching the first and second exhaust paths,
When the operating state of the internal combustion engine is in a transition region between the operating region of the high-pressure stage turbocharger and the operating region of the low-pressure stage turbocharger, the exhaust passage switching means is the second exhaust passage. An internal combustion engine characterized by switching to is provided.

ここで、「タービン」とは、厳密には、タービンのタービンハウジング内に収容されるタービンホイールを意味する。従って、「タービンの上流側の排気通路」といった場合、これには、タービンホイールの上流側もしくは入口側に位置するタービンハウジング内の通路部分が含まれる。「タービンの下流側の排気通路」についても同様である。   Here, the “turbine” strictly means a turbine wheel housed in the turbine housing of the turbine. Thus, in the case of “an exhaust passage upstream of the turbine”, this includes a passage portion in the turbine housing located upstream or inlet of the turbine wheel. The same applies to the “exhaust passage on the downstream side of the turbine”.

同様に、「コンプレッサ」とは、厳密には、コンプレッサのコンプレッサハウジング内に収容されるコンプレッサホイールを意味する。従って、「コンプレッサの下流側の吸気通路」といった場合、これには、コンプレッサホイールの下流側もしくは出口側に位置するコンプレッサハウジング内の通路部分が含まれる。「コンプレッサの上流側の吸気通路」についても同様である。   Similarly, “compressor” refers strictly to a compressor wheel housed within the compressor housing of the compressor. Therefore, in the case of “an intake passage on the downstream side of the compressor”, this includes a passage portion in the compressor housing located on the downstream side or the outlet side of the compressor wheel. The same applies to the “intake passage on the upstream side of the compressor”.

「高圧段タービンおよび低圧段タービンの間の排気通路」は、「高圧段タービンの下流側且つ低圧段タービンの上流側の排気通路」と同義である。従って、これには、高圧段タービンホイールの下流側もしくは出口側に位置する高圧段タービンハウジング内の通路部分と、低圧段タービンホイールの上流側もしくは入口側に位置する低圧段タービンハウジング内の通路部分とが含まれる。「低圧段コンプレッサおよび高圧段コンプレッサの間の吸気通路」も同様に解釈されることが理解されよう。   The “exhaust passage between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine” is synonymous with “the exhaust passage downstream of the high-pressure turbine and upstream of the low-pressure turbine”. Accordingly, this includes a passage portion in the high-pressure turbine housing located downstream or outlet of the high-pressure turbine wheel and a passage portion in the low-pressure turbine housing located upstream or inlet of the low-pressure turbine wheel. And are included. It will be understood that “the intake passage between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor” is interpreted in the same way.

好ましくは、前記内燃機関が、前記燃料電池と前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路とを接続する第1の給気路と、前記燃料電池と前記低圧段コンプレッサおよび前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路とを接続する第2の給気路と、前記第1および第2の給気路を切り替える給気路切替手段とをさらに備え、
前記内燃機関の運転状態が前記遷移領域にあるとき、前記給気路切替手段が前記第1の給気路に切り替える。
Preferably, the internal combustion engine has a first air supply path connecting the fuel cell and the intake passage downstream of the high pressure compressor, and between the fuel cell, the low pressure compressor and the high pressure compressor. A second air supply path that connects the intake passage, and an air supply path switching means that switches between the first and second air supply paths,
When the operating state of the internal combustion engine is in the transition region, the air supply path switching means switches to the first air supply path.

好ましくは、前記内燃機関の運転状態が前記高圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第1の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第1の給気路に切り替える。   Preferably, when the operating state of the internal combustion engine is in an operating region of the high-pressure turbocharger, the exhaust path switching means switches to the first exhaust path, and the air supply path switching means Switch to the air supply path.

好ましくは、前記内燃機関の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第2の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第2の給気路に切り替える。   Preferably, when the operating state of the internal combustion engine is in an operating region of the low-pressure stage turbocharger, the exhaust passage switching means switches to the second exhaust passage, and the air supply passage switching means Switch to the air supply path.

本発明によれば、高圧段ターボ過給機と低圧段ターボ過給機の切り替え時におけるトルク段差を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。   According to the present invention, an excellent effect is exhibited that a torque step can be suppressed when switching between a high-pressure turbocharger and a low-pressure turbocharger.

本発明の実施形態の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of embodiment of this invention. エンジン運転領域のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of an engine operation area | region. 回転数および負荷が領域Aに属するときの空気、エンジン排気およびFC排気の流れを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the flow of air, engine exhaust, and FC exhaust when the rotational speed and load belong to region A. 回転数および負荷が領域Cに属するときの空気、エンジン排気およびFC排気の流れを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the flow of air, engine exhaust, and FC exhaust when the rotation speed and load belong to region C. 回転数および負荷が領域Bに属するときの空気、エンジン排気およびFC排気の流れを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the flow of air, engine exhaust, and FC exhaust when the rotational speed and load belong to region B.

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1に示すように、内燃機関(エンジン)1は、エンジン本体2と、複数(二つ)のターボ過給機すなわち低圧段ターボ過給機3Lおよび高圧段ターボ過給機3Hと、燃料電池4とを備える。エンジン1は火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)および圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)のいずれの形式であってもよく、本実施形態では火花点火式内燃機関とされている。エンジン1は図示しない車両(自動車)に搭載されている。   As shown in FIG. 1, an internal combustion engine (engine) 1 includes an engine body 2, a plurality (two) of turbochargers, that is, a low-pressure turbocharger 3L and a high-pressure turbocharger 3H, and a fuel cell. 4. The engine 1 may be either a spark ignition type internal combustion engine (gasoline engine) or a compression ignition type internal combustion engine (diesel engine). In this embodiment, the engine 1 is a spark ignition type internal combustion engine. The engine 1 is mounted on a vehicle (automobile) (not shown).

以下、低圧段ターボ過給機を「LPターボ」、高圧段ターボ過給機を「HPターボ」ともいう。低圧段を「LP」、高圧段を「HP」、燃料電池を「FC」とも表記する。   Hereinafter, the low-pressure turbocharger is also referred to as “LP turbo”, and the high-pressure turbocharger is also referred to as “HP turbo”. The low pressure stage is also expressed as “LP”, the high pressure stage as “HP”, and the fuel cell as “FC”.

エンジン本体2は、シリンダブロック、シリンダヘッド、クランクケース、オイルパン、ヘッドカバー、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、カムシャフト、吸排気弁等の基本的なエンジン構成部品を含む。またエンジン本体2は複数(四つ)の気筒を含み、各気筒には燃料噴射用インジェクタ41と点火プラグ42とが設けられている。   The engine body 2 includes basic engine components such as a cylinder block, a cylinder head, a crankcase, an oil pan, a head cover, a piston, a connecting rod, a crankshaft, a camshaft, and an intake / exhaust valve. The engine body 2 includes a plurality of (four) cylinders, and a fuel injection injector 41 and a spark plug 42 are provided in each cylinder.

エンジン本体2には吸気通路5および排気通路6が接続され、これら吸気通路5および排気通路6を跨ぐように低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hとが直列に設けられている。周知のように、エンジン本体2に対し高圧段ターボ過給機3Hは近い側に、低圧段ターボ過給機3Lは遠い側に設けられている。   An intake passage 5 and an exhaust passage 6 are connected to the engine body 2, and a low-pressure turbocharger 3 </ b> L and a high-pressure turbocharger 3 </ b> H are provided in series so as to straddle the intake passage 5 and the exhaust passage 6. Yes. As is well known, the high-pressure turbocharger 3H is provided on the near side and the low-pressure turbocharger 3L is provided on the far side with respect to the engine body 2.

低圧段ターボ過給機3Lおよび高圧段ターボ過給機3Hは多段式ターボ過給システム、特に2ステージシーケンシャルターボシステムを構成している。排気通路6において、その上流側には高圧段ターボ過給機3Hの高圧段タービン3HTが、その下流側には低圧段ターボ過給機3Lの低圧段タービン3LTが、それぞれ配設されている。また、吸気通路5において、その上流側には低圧段ターボ過給機3Lの低圧段コンプレッサ3LCが、その下流側には高圧段ターボ過給機3Hの高圧段コンプレッサ3LCが、それぞれ配設されている。   The low-pressure stage turbocharger 3L and the high-pressure stage turbocharger 3H constitute a multistage turbocharger system, particularly a two-stage sequential turbosystem. In the exhaust passage 6, a high-pressure turbine 3HT of the high-pressure turbocharger 3H is disposed on the upstream side, and a low-pressure turbine 3LT of the low-pressure turbocharger 3L is disposed on the downstream side thereof. In addition, in the intake passage 5, a low-pressure stage compressor 3LC of the low-pressure turbocharger 3L is arranged upstream, and a high-pressure stage compressor 3LC of the high-pressure turbocharger 3H is arranged downstream thereof. Yes.

以下、低圧段タービンを「LPタービン」、高圧段タービンを「HPタービン」、低圧段コンプレッサを「LPコンプレッサ」、高圧段コンプレッサを「HPコンプレッサ」ともいう。また「上流側」および「下流側」とは、図中矢示するような吸気または排気の流れ方向における上流側および下流側をいう。   Hereinafter, the low-pressure turbine is also referred to as “LP turbine”, the high-pressure turbine as “HP turbine”, the low-pressure compressor as “LP compressor”, and the high-pressure compressor as “HP compressor”. Further, “upstream side” and “downstream side” refer to the upstream side and the downstream side in the flow direction of intake air or exhaust gas as indicated by arrows in the figure.

吸気通路5において、低圧段コンプレッサ3LCの上流側には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ7が設けられ、高圧段コンプレッサ3HCの下流側にはインタークーラ8と電子制御式スロットルバルブ9とが直列に設けられている。吸気通路5の上流端には図示しないエアクリーナが設けられる。   In the intake passage 5, an air flow meter 7 for detecting the amount of intake air is provided upstream of the low-pressure compressor 3LC, and an intercooler 8 and an electronically controlled throttle valve 9 are provided downstream of the high-pressure compressor 3HC. It is provided in series. An air cleaner (not shown) is provided at the upstream end of the intake passage 5.

排気通路6において、低圧段タービン3LTの下流側には排気浄化触媒10が設けられている。図には一つの排気浄化触媒10しか示されていないが、排気浄化触媒10は複数設けられてもよい。本実施形態の場合、排気浄化触媒10は三元触媒からなる。但し排気浄化触媒10の種類は任意である。   In the exhaust passage 6, an exhaust purification catalyst 10 is provided on the downstream side of the low-pressure stage turbine 3LT. Although only one exhaust purification catalyst 10 is shown in the figure, a plurality of exhaust purification catalysts 10 may be provided. In the present embodiment, the exhaust purification catalyst 10 is composed of a three-way catalyst. However, the type of the exhaust purification catalyst 10 is arbitrary.

また、低圧段タービン3LTをバイパスするLPタービンバイパス通路11が排気通路6に並設される。LPタービンバイパス通路11は、高圧段タービン3HTの下流側且つ低圧段タービン3LTの上流側で排気通路6から分岐され、低圧段タービン3LTの下流側且つ排気浄化触媒10の上流側で排気通路6に合流される。LPタービンバイパス通路11にはウェイストゲート弁12が設けられる。   An LP turbine bypass passage 11 that bypasses the low-pressure stage turbine 3LT is provided in parallel with the exhaust passage 6. The LP turbine bypass passage 11 is branched from the exhaust passage 6 on the downstream side of the high-pressure stage turbine 3HT and on the upstream side of the low-pressure stage turbine 3LT, and enters the exhaust passage 6 on the downstream side of the low-pressure stage turbine 3LT and the upstream side of the exhaust purification catalyst 10. Merged. A waste gate valve 12 is provided in the LP turbine bypass passage 11.

排気通路6における高圧段タービン3HTの入口部には可変ベーンあるいは可変ノズル(VN)13が設けられる。そして高圧段タービン3HTをバイパスするHPタービンバイパス通路14が排気通路6に並設される。HPタービンバイパス通路14は、可変ノズル13の上流側の排気マニホールド18の位置で排気通路6から分岐され、高圧段タービン3HTの下流側且つLPタービンバイパス通路11の分岐位置の上流側で排気通路6に合流される。HPタービンバイパス通路14にはHPタービンバイパス弁19が設けられる。   A variable vane or variable nozzle (VN) 13 is provided at the inlet of the high-pressure turbine 3HT in the exhaust passage 6. An HP turbine bypass passage 14 that bypasses the high-pressure turbine 3HT is provided in parallel with the exhaust passage 6. The HP turbine bypass passage 14 is branched from the exhaust passage 6 at the position of the exhaust manifold 18 on the upstream side of the variable nozzle 13, and the exhaust passage 6 is downstream of the high-pressure turbine 3 HT and upstream of the branch position of the LP turbine bypass passage 11. To join. An HP turbine bypass valve 19 is provided in the HP turbine bypass passage 14.

なお、排気マニホールド18は排気通路6の最上流部を構成するもので、エンジン本体2のシリンダヘッドに取り付けられ、各気筒からの排気ガスを合流させる。   The exhaust manifold 18 constitutes the most upstream part of the exhaust passage 6 and is attached to the cylinder head of the engine body 2 to join exhaust gases from the cylinders.

高圧段コンプレッサ3HCをバイパスするHPコンプレッサバイパス通路20が吸気通路5に並設される。HPコンプレッサバイパス通路20は、低圧段コンプレッサ3LCの下流側且つ高圧段コンプレッサ3HCの上流側で吸気通路5から分岐され、高圧段コンプレッサ3HCの下流側且つインタークーラ8の上流側で吸気通路5に合流される。HPコンプレッサバイパス通路20にはHPコンプレッサバイパス弁21が設けられる。   An HP compressor bypass passage 20 that bypasses the high-pressure compressor 3HC is provided in parallel with the intake passage 5. The HP compressor bypass passage 20 is branched from the intake passage 5 downstream of the low-pressure compressor 3LC and upstream of the high-pressure compressor 3HC, and joins the intake passage 5 downstream of the high-pressure compressor 3HC and upstream of the intercooler 8. Is done. An HP compressor bypass valve 21 is provided in the HP compressor bypass passage 20.

エンジン本体2からの排気ガス(エンジン排気という)の一部を吸気側に環流するためのEGR装置44が設けられる。EGR装置44は、EGR通路45、EGRクーラ46およびEGR弁47を備える。EGR通路45は排気マニホールド18と吸気マニホールド47を連結する。EGRクーラ46およびEGR弁47はこの順番で上流側から順にEGR通路45に設けられる。   An EGR device 44 is provided for circulating a part of exhaust gas (referred to as engine exhaust) from the engine body 2 to the intake side. The EGR device 44 includes an EGR passage 45, an EGR cooler 46, and an EGR valve 47. The EGR passage 45 connects the exhaust manifold 18 and the intake manifold 47. The EGR cooler 46 and the EGR valve 47 are provided in the EGR passage 45 in this order from the upstream side.

なお、吸気マニホールド47は、吸気通路5の最下流部を構成するもので、エンジン本体2のシリンダヘッドに取り付けられ、吸気を各気筒に分配して供給する。   The intake manifold 47 constitutes the most downstream portion of the intake passage 5 and is attached to the cylinder head of the engine body 2 to distribute and supply intake air to each cylinder.

エンジン本体2の各気筒のインジェクタ41に燃料を供給すべく、電動式の燃料ポンプ22が設けられる。燃料ポンプ22はデリバリパイプ23に燃料を送り、デリバリパイプ23内に蓄圧された燃料が各気筒のインジェクタ41から筒内に直接噴射される。このように本実施形態のエンジンは直噴式だが、噴射方式は特に限定されず、ポート噴射式であってもよい。   An electric fuel pump 22 is provided to supply fuel to the injector 41 of each cylinder of the engine body 2. The fuel pump 22 sends fuel to the delivery pipe 23, and the fuel accumulated in the delivery pipe 23 is directly injected into the cylinder from the injector 41 of each cylinder. Thus, although the engine of this embodiment is a direct injection type, the injection method is not particularly limited, and may be a port injection type.

また燃料電池4に燃料を供給すべく、電動式のFC燃料ポンプ15が設けられる。FC燃料ポンプ15と燃料電池4の間には、燃料電池4への燃料供給量を調節するためのFC燃料調量弁16が設けられる。このように本実施形態においては燃料ポンプがインジェクタ用と燃料電池用とで個別に設けられているが、共用とされてもよい。   In order to supply fuel to the fuel cell 4, an electric FC fuel pump 15 is provided. Between the FC fuel pump 15 and the fuel cell 4, an FC fuel metering valve 16 for adjusting the fuel supply amount to the fuel cell 4 is provided. As described above, in this embodiment, the fuel pump is provided separately for the injector and for the fuel cell, but may be shared.

その他、車両の各電気部品に電力を供給するためのバッテリ17と、エンジン本体2の起動もしくは始動のためエンジン本体2をクランキングする電動モータすなわちスタータモータ48とが設けられる。バッテリ17の種類は任意であるが本実施形態では一般的な鉛蓄電池である。スタータモータ48は、エンジン本体2のクランクシャフトを適宜回転駆動する。   In addition, a battery 17 for supplying electric power to each electrical component of the vehicle and an electric motor, that is, a starter motor 48 for cranking the engine body 2 for starting or starting the engine body 2 are provided. Although the kind of the battery 17 is arbitrary, in this embodiment, it is a general lead acid battery. The starter motor 48 appropriately rotates the crankshaft of the engine body 2.

吸気通路5から空気を抽出して燃料電池4に供給するため、給気路25が設けられる。そして給気路25には給気制御弁26が設けられる。給気路25は、高圧段コンプレッサ3HCの下流側且つインタークーラ8の上流側の吸気通路5から分岐され、給気制御弁26に接続される第1空気通路31と、HPコンプレッサバイパス弁21の上流側のHPコンプレッサバイパス通路20から分岐され、給気制御弁26に接続される第2空気通路32と、給気制御弁26および燃料電池4を接続する第3空気通路33とを含む。吸気通路5における第1空気通路31の分岐位置を符号P1で示し、HPコンプレッサバイパス通路20における第2空気通路32の分岐位置を符号P2で示す。特に、吸気通路5において、第1空気通路31の分岐位置P1は、HPコンプレッサバイパス通路20の合流位置よりも下流側である。   An air supply path 25 is provided to extract air from the intake passage 5 and supply it to the fuel cell 4. An air supply control valve 26 is provided in the air supply path 25. The air supply passage 25 is branched from the intake passage 5 on the downstream side of the high-pressure compressor 3HC and the upstream side of the intercooler 8, and is connected to the air supply control valve 26, and the HP compressor bypass valve 21 A second air passage 32 branched from the upstream HP compressor bypass passage 20 and connected to the air supply control valve 26, and a third air passage 33 connecting the air supply control valve 26 and the fuel cell 4 are included. A branch position of the first air passage 31 in the intake passage 5 is indicated by a reference symbol P1, and a branch position of the second air passage 32 in the HP compressor bypass passage 20 is indicated by a reference symbol P2. In particular, in the intake passage 5, the branch position P <b> 1 of the first air passage 31 is downstream of the joining position of the HP compressor bypass passage 20.

第1空気通路31と第3空気通路33とが、燃料電池4と高圧段コンプレッサ3HCの下流側の吸気通路5とを接続する第1の給気路25Aを構成する。また、HPコンプレッサバイパス通路20における上流端から分岐位置P2までの部分と、第2空気通路32と、第3空気通路33とが、燃料電池4と低圧段コンプレッサ3LCおよび高圧段コンプレッサ3HCの間の吸気通路5とを接続する第2の給気路25Bを構成する。給気路25は第1の給気路25Aと第2の給気路25Bを含む。本実施形態では、給気制御弁26の下流側もしくは燃料電池4側において、第1の給気路25Aと第2の給気路25Bとの下流側部分が第3空気通路33により共通に形成されている。但しこれらを別々に形成することも当然に可能である。   The first air passage 31 and the third air passage 33 constitute a first air supply passage 25A that connects the fuel cell 4 and the intake passage 5 on the downstream side of the high-pressure compressor 3HC. Further, a portion from the upstream end to the branch position P2 in the HP compressor bypass passage 20, the second air passage 32, and the third air passage 33 are provided between the fuel cell 4, the low-pressure compressor 3LC, and the high-pressure compressor 3HC. A second air supply path 25B connecting the intake passage 5 is configured. The air supply path 25 includes a first air supply path 25A and a second air supply path 25B. In the present embodiment, the downstream portion of the first supply passage 25 </ b> A and the second supply passage 25 </ b> B is commonly formed by the third air passage 33 on the downstream side of the supply control valve 26 or on the fuel cell 4 side. Has been. However, it is naturally possible to form these separately.

給気制御弁26は、燃料電池4に供給される空気(FC空気ともいう)の供給元を切り替えるための弁である。本実施形態の場合、給気制御弁26は単一の三方弁で構成され、第1空気通路31と第2空気通路32の合流位置に設置されている。しかしながら、その種類や設置位置は任意である。例えば、第1の給気路25Aと第2の給気路25Bを完全に別々に形成した場合、これら給気路25A,25Bに個別に設けられた二方弁により給気制御弁を形成しても構わない。   The air supply control valve 26 is a valve for switching a supply source of air (also referred to as FC air) supplied to the fuel cell 4. In the case of this embodiment, the air supply control valve 26 is constituted by a single three-way valve, and is installed at the joining position of the first air passage 31 and the second air passage 32. However, the type and installation position are arbitrary. For example, when the first air supply path 25A and the second air supply path 25B are formed completely separately, an air supply control valve is formed by a two-way valve individually provided in the air supply paths 25A and 25B. It doesn't matter.

次に、燃料電池4からの排ガス(FC排気という)を排気通路6に供給もしくは排出するため、排気路27が設けられる。そして排気路27には排気制御弁28が設けられる。排気路27は、燃料電池4および排気制御弁28を接続する第1排気通路34と、排気制御弁28から延び、排気マニホールド18に合流される第2排気通路35と、排気制御弁28から延び、HPタービンバイパス通路14の合流位置の下流側且つLPタービンバイパス通路11の分岐位置の上流側の排気通路6に合流される第3排気通路36とを含む。排気通路6における第3排気通路36の合流位置を符号Qで示す。   Next, an exhaust passage 27 is provided to supply or discharge exhaust gas (referred to as FC exhaust) from the fuel cell 4 to the exhaust passage 6. An exhaust control valve 28 is provided in the exhaust path 27. The exhaust passage 27 extends from the first exhaust passage 34 that connects the fuel cell 4 and the exhaust control valve 28, the second exhaust passage 35 that extends from the exhaust control valve 28 and joins the exhaust manifold 18, and the exhaust control valve 28. And a third exhaust passage 36 joined to the exhaust passage 6 downstream of the joining position of the HP turbine bypass passage 14 and upstream of the branching position of the LP turbine bypass passage 11. A joining position of the third exhaust passage 36 in the exhaust passage 6 is indicated by a symbol Q.

第1排気通路34と第2排気通路35とが、燃料電池4と高圧段タービン3HTの上流側の排気通路6とを接続する第1の排気路27Aを構成する。また、第1排気通路34と第3排気通路36とが、燃料電池4と高圧段タービン3HTおよび低圧段タービン3LTの間の排気通路6とを接続する第2の排気路27Bを構成する。排気路27は、第1の排気路27Aと第2の排気路27Bを含む。本実施形態では、排気制御弁28の上流側もしくは燃料電池4側において、第1の排気路27Aと第2の排気路27Bとの上流側部分が第1排気通路34により共通に形成されている。但しこれらを別々に形成することも当然に可能である。   The first exhaust passage 34 and the second exhaust passage 35 constitute a first exhaust passage 27A that connects the fuel cell 4 and the exhaust passage 6 on the upstream side of the high-pressure turbine 3HT. Further, the first exhaust passage 34 and the third exhaust passage 36 constitute a second exhaust passage 27B that connects the fuel cell 4 and the exhaust passage 6 between the high-pressure turbine 3HT and the low-pressure turbine 3LT. The exhaust path 27 includes a first exhaust path 27A and a second exhaust path 27B. In the present embodiment, on the upstream side of the exhaust control valve 28 or the fuel cell 4 side, the upstream side portion of the first exhaust path 27A and the second exhaust path 27B is formed in common by the first exhaust path 34. . However, it is naturally possible to form these separately.

排気制御弁28は、燃料電池4から排出されるFC排気の供給先を切り替えるための弁である。本実施形態の場合、排気制御弁28は単一の三方弁で構成され、第2排気通路35と第3排気通路36の分岐位置に設置されている。しかしながら、その種類や設置位置は任意である。例えば、第1の排気路27Aと第2の排気路27Bを完全に別々に形成した場合、これら排気路27A,27Bに個別に設けられた二方弁により排気制御弁を形成しても構わない。   The exhaust control valve 28 is a valve for switching the supply destination of the FC exhaust discharged from the fuel cell 4. In the case of this embodiment, the exhaust control valve 28 is constituted by a single three-way valve, and is installed at a branch position between the second exhaust passage 35 and the third exhaust passage 36. However, the type and installation position are arbitrary. For example, when the first exhaust path 27A and the second exhaust path 27B are formed completely separately, the exhaust control valve may be formed by a two-way valve provided individually in the exhaust paths 27A and 27B. .

なお、本実施形態の場合、第1排気通路34は、燃料電池4の空気極(カソード)4Aおよび燃料極(アノード)4Bからの排ガスをそれぞれ合流させてから下流側に送るようになっている。   In the case of the present embodiment, the first exhaust passage 34 is configured to send exhaust gas from the air electrode (cathode) 4A and the fuel electrode (anode) 4B of the fuel cell 4 to the downstream side after merging. .

エンジン1および車両を制御するため、制御装置または制御ユニットとしての電子制御ユニット(ECU)100が設けられる。ECU100はCPU、ROMおよびRAMのような記憶装置、A/D変換器、入出力インタフェース等を含む。記憶装置には種々のプログラム、データ、マップ等が記憶されており、ECU100はこれらプログラム等を実行することにより種々の制御を実行する。   In order to control the engine 1 and the vehicle, an electronic control unit (ECU) 100 as a control device or a control unit is provided. The ECU 100 includes a CPU, a storage device such as a ROM and a RAM, an A / D converter, an input / output interface, and the like. Various programs, data, maps, and the like are stored in the storage device, and the ECU 100 executes various controls by executing these programs.

ECU100は、前述のエアフローメータ7のほか、クランク角センサ51、アクセル開度センサ52、その他の各種センサ・スイッチ類から各種信号を入力する。またECU100は、前述のインジェクタ41、点火プラグ42、スロットルバルブ9、ウェイストゲート弁12、可変ノズル13、EGR弁47、スタータモータ48、燃料ポンプ22、HPタービンバイパス弁19、HPコンプレッサバイパス弁21、FC燃料ポンプ15、FC燃料調量弁16、給気制御弁26および排気制御弁28に対しそれぞれ制御信号を出力し、これらを制御する。   The ECU 100 inputs various signals from the crank angle sensor 51, the accelerator opening sensor 52, and other various sensors and switches in addition to the air flow meter 7 described above. The ECU 100 also includes the above-described injector 41, spark plug 42, throttle valve 9, waste gate valve 12, variable nozzle 13, EGR valve 47, starter motor 48, fuel pump 22, HP turbine bypass valve 19, HP compressor bypass valve 21, Control signals are output to the FC fuel pump 15, the FC fuel metering valve 16, the air supply control valve 26, and the exhaust control valve 28, respectively, to control them.

ECU100は、エアフローメータ7からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量である吸入空気量すなわち吸気流量を検出する。そしてECU100は、アクセル開度センサ52により検出されたアクセル開度と、エアフローメータ7により検出された吸入空気量との少なくとも一つに基づき、エンジン1の負荷を検出する。   Based on the signal from the air flow meter 7, the ECU 100 detects an intake air amount that is the amount of intake air per unit time, that is, an intake flow rate. The ECU 100 detects the load of the engine 1 based on at least one of the accelerator opening detected by the accelerator opening sensor 52 and the intake air amount detected by the air flow meter 7.

ECU100は、クランク角センサ51からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジン1の回転数を検出する。ここで「回転数」とは単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では1分間当たりの回転数rpmのことをいう。   The ECU 100 detects the crank angle itself and the rotational speed of the engine 1 based on the crank pulse signal from the crank angle sensor 51. Here, “the number of rotations” means the number of rotations per unit time and is synonymous with the rotation speed. In the present embodiment, it means rpm per minute.

ここで燃料電池4について詳しく説明する。燃料電池4は、周知のように、空気と燃料(水素)との電気化学反応により発電する。本実施形態の燃料電池4は固体酸化物形もしくは固体電解質形(SOFC)であるが、他の種類の燃料電池、例えば固体高分子形(PEFC)、リン酸形(PAFC)、溶融炭酸塩形(MCFC)も使用可能である。   Here, the fuel cell 4 will be described in detail. As is well known, the fuel cell 4 generates power by an electrochemical reaction between air and fuel (hydrogen). The fuel cell 4 of this embodiment is a solid oxide type or a solid electrolyte type (SOFC), but other types of fuel cells such as a solid polymer type (PEFC), a phosphoric acid type (PAFC), and a molten carbonate type. (MCFC) can also be used.

燃料電池4は、空気極4A、燃料極4Bおよびこれら電極間に挟まれた電解質で構成されるセルを、セパレータを挟んで複数積層してなるセルスタックから主に構成されている。空気極4Aには、吸気通路5から送られてきた空気に含まれる酸素O2が実質的に供給される。燃料極4Bには、液体燃料(本実施形態ではガソリン)を改質して得られる水素H2が実質的に供給される。なお燃料極には一酸化炭素COが供給されてもよく、この場合反応後に二酸化炭素CO2が排出される。燃料電池4からの排ガスの主成分は水蒸気である。 The fuel cell 4 is mainly composed of a cell stack formed by stacking a plurality of cells composed of an air electrode 4A, a fuel electrode 4B, and an electrolyte sandwiched between these electrodes with a separator interposed therebetween. Oxygen O 2 contained in the air sent from the intake passage 5 is substantially supplied to the air electrode 4A. Hydrogen H 2 obtained by reforming liquid fuel (in this embodiment, gasoline) is substantially supplied to the fuel electrode 4B. Carbon monoxide CO may be supplied to the fuel electrode. In this case, carbon dioxide CO 2 is discharged after the reaction. The main component of the exhaust gas from the fuel cell 4 is water vapor.

他の種類の燃料電池と比較して、SOFCを使用するメリットは次の通りである。
(1)作動温度が450〜1000℃と比較的高く、エンジン排気温度にも近いため、高温のFC排気をタービンの駆動に利用できる。
(2)作動温度が高いため燃料を内部で改質可能であり、改質器が省略可能で、液体燃料を直接供給できる。
(3)発電効率が比較的高く(45〜65%)、コンパクトである。
Compared to other types of fuel cells, the advantages of using SOFC are as follows.
(1) Since the operating temperature is relatively high at 450 to 1000 ° C. and close to the engine exhaust temperature, high-temperature FC exhaust can be used for driving the turbine.
(2) Since the operating temperature is high, the fuel can be reformed inside, the reformer can be omitted, and the liquid fuel can be directly supplied.
(3) Power generation efficiency is relatively high (45 to 65%) and compact.

本実施形態の場合、燃料電池4は、主電源としてのバッテリ17を充電するための発電装置、もしくは主電源を補助する補助電源として機能する。それ故、一般的なエンジンと異なり、本実施形態のエンジン1は、クランクシャフトによって機械的に駆動される発電機すなわちオルタネータを備えていない。このオルタネータの代わりに燃料電池4が設けられている。このように機械式発電機を省略することでエンジンのメカニカルロスを低減し、燃費を向上できる。もっとも、燃料電池4を機械式発電機と併用する実施形態や、燃料電池4を動力用等の他の用途に使用する実施形態も可能である。   In the case of this embodiment, the fuel cell 4 functions as a power generation device for charging the battery 17 as a main power source or an auxiliary power source for assisting the main power source. Therefore, unlike a general engine, the engine 1 of the present embodiment does not include a generator or an alternator that is mechanically driven by a crankshaft. A fuel cell 4 is provided in place of the alternator. By omitting the mechanical generator in this way, it is possible to reduce engine mechanical loss and improve fuel efficiency. However, an embodiment in which the fuel cell 4 is used in combination with a mechanical generator and an embodiment in which the fuel cell 4 is used for other purposes such as power are possible.

次に、多段式ターボ過給システムについて説明する。高圧段ターボ過給機3Hは低圧段ターボ過給機3Lより小型もしくは小径とされ、主にエンジンの低回転域を高圧段ターボ過給機3Hで、高回転域を低圧段ターボ過給機3Lで受け持つようになっている。エンジン回転数がアイドル回転数から上昇すると、まず小型の高圧段ターボ過給機3Hの回転が立ち上がり、高圧段ターボ過給機3Hによる過給が実行される。これにより低回転域でも高いエンジントルクを得ることができる。また高圧段ターボ過給機3Hは低圧段ターボ過給機3Lよりも過給レスポンスが良好であり、エミッションモード域や常用域においてターボラグを改善できる。   Next, a multistage turbocharging system will be described. The high-pressure stage turbocharger 3H is smaller or smaller in diameter than the low-pressure stage turbocharger 3L. The low-pressure stage turbocharger 3L is mainly used for the low engine speed range with the high-pressure stage turbocharger 3H, and the high-speed area turbocharger 3L. It comes to take charge in. When the engine speed increases from the idle speed, first, the rotation of the small high-pressure turbocharger 3H starts up, and supercharging by the high-pressure turbocharger 3H is executed. As a result, a high engine torque can be obtained even in a low rotation range. The high-pressure turbocharger 3H has a better supercharging response than the low-pressure turbocharger 3L, and can improve the turbo lag in the emission mode range and the normal range.

なお、エミッションモード域とは、各国法規等で定められているエミッションモード(JC08等)に従って車両を運転させたときに使用されるエンジン運転領域をいう。また、常用域とは、車両の一般的な運転時に使用されるエンジン運転領域をいう。いずれも、エンジンの低回転・低負荷から中回転・中負荷程度までの領域であり、主に高圧段ターボ過給機3Hが仕事をする領域である。   The emission mode region refers to an engine operation region used when the vehicle is operated in accordance with an emission mode (JC08 or the like) defined by the laws and regulations of each country. Further, the normal range refers to an engine operating range that is used during general driving of the vehicle. Each of these is a region from a low rotation / low load of the engine to a middle rotation / medium load, and is a region where the high-pressure turbocharger 3H mainly works.

その後エンジン回転数がさらに上昇すると、相対的に大型の低圧段ターボ過給機3Lの回転が立ち上がり、低圧段ターボ過給機3Lによる過給が実行される。これにより高回転域において高いエンジントルクを発生させることができる。低圧段ターボ過給機3Lは大型であるため、高回転域における多量の排ガスを受け入れ可能である。   Thereafter, when the engine speed further increases, the rotation of the relatively large low-pressure turbocharger 3L starts up, and supercharging by the low-pressure turbocharger 3L is executed. As a result, a high engine torque can be generated in a high rotation range. Since the low-pressure stage turbocharger 3L is large, it can accept a large amount of exhaust gas in a high rotation range.

このような作動を実現するため、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21はECU100により概ね次のように制御される。エンジン回転数がアイドル回転数から上昇するとき、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21は始めに全閉に制御される。すると、エンジン排気がHPタービン3HTをバイパスすること無く、その全量がHPタービン3HTに供給される。これによりHPタービン3HTひいてはHPコンプレッサ3HCの回転が立ち上がり、HPターボ3Hによる過給が行われる。   In order to realize such an operation, the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are generally controlled by the ECU 100 as follows. When the engine speed increases from the idle speed, the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are first controlled to be fully closed. Then, the entire amount of engine exhaust is supplied to the HP turbine 3HT without bypassing the HP turbine 3HT. As a result, the rotation of the HP turbine 3HT and then the HP compressor 3HC is started, and supercharging by the HP turbo 3H is performed.

このとき、HPタービン3HTを通過した排ガスはLPタービン3LTに供給されるが、このとき既に排ガスエネルギ(圧力エネルギおよび熱エネルギ)の多くが消費されてしまっているので、LPタービン3LTの駆動度合いは少ない。そしてLPコンプレッサ3LCの仕事量も必然的に少ない。LPコンプレッサ3LCにより若干圧力上昇した吸入空気をHPコンプレッサ3HCが本格的に過給することになる。   At this time, the exhaust gas that has passed through the HP turbine 3HT is supplied to the LP turbine 3LT. At this time, much of the exhaust gas energy (pressure energy and thermal energy) has already been consumed. Few. And the amount of work of the LP compressor 3LC is inevitably small. The HP compressor 3HC will supercharge the intake air slightly increased in pressure by the LP compressor 3LC.

このHPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21が全閉とされる低回転領域は、実質的にHPターボ3Hのみによって過給が実行される領域である。この領域をHPターボ3Hの作動領域という。   The low speed region where the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are fully closed is a region where supercharging is executed substantially only by the HP turbo 3H. This region is referred to as the HP turbo 3H operating region.

その後エンジン回転数が上昇すると、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21が徐々に開かれていく。すると、HPタービン3HTをバイパスするエンジン排気の量が増加していき、HPタービン3HTの仕事量が減少すると同時にLPタービン3LTの仕事量が増加していく。これに伴い、HPコンプレッサ3HCの仕事量が減少すると同時にLPコンプレッサ3LCの仕事量が増加していく。   Thereafter, when the engine speed increases, the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are gradually opened. Then, the amount of engine exhaust that bypasses the HP turbine 3HT increases, the work amount of the HP turbine 3HT decreases, and at the same time, the work amount of the LP turbine 3LT increases. Accordingly, the work amount of the HP compressor 3HC decreases, and at the same time, the work amount of the LP compressor 3LC increases.

このHPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21が中間開度とされる中回転領域は、HPターボ3HとLPターボ3Lの両者によって過給が実行される領域である。この領域を遷移領域という。   The intermediate rotation region in which the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are at an intermediate opening is a region where supercharging is executed by both the HP turbo 3H and the LP turbo 3L. This area is called a transition area.

その後、さらにエンジン回転数が上昇すると、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21が全開に制御される。すると、エンジン排気のほぼ全量がHPタービン3HTをバイパスし、LPタービン3LTに供給される。このときHPタービン3HTの入口圧と出口圧はほぼ等しいので、HPタービン3HTは実質的に仕事をしない。   Thereafter, when the engine speed further increases, the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are controlled to be fully opened. Then, almost all of the engine exhaust bypasses the HP turbine 3HT and is supplied to the LP turbine 3LT. At this time, since the inlet pressure and the outlet pressure of the HP turbine 3HT are substantially equal, the HP turbine 3HT substantially does not work.

これに伴い、LPコンプレッサ3LCが本格的に過給を開始する。LPコンプレッサ3LCから吐出された空気は、ほぼ全量、HPコンプレッサ3HCをバイパスしてエンジン本体側に導かれる。そしてこのとき、HPコンプレッサ3HCは実質的に仕事をしない。   Along with this, the LP compressor 3LC starts supercharging in earnest. Almost all of the air discharged from the LP compressor 3LC is guided to the engine body side, bypassing the HP compressor 3HC. At this time, the HP compressor 3HC substantially does not work.

このHPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21が全開とされる高回転領域は、実質的にLPターボ3Lのみによって過給が実行される領域である。この領域をLPターボ3Lの作動領域という。   The high rotation region where the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are fully opened is a region where supercharging is performed substantially only by the LP turbo 3L. This region is referred to as the LP turbo 3L operating region.

なお、多段式でない通常のシングルターボと同様、LPターボ3Lの作動領域において、過給圧が所定の上限圧力に達したときウェイストゲート弁12が開かれ、過給圧制限制御が実行される。またHPターボ3Hの作動領域において、エンジン運転状態に応じて可変ノズル13の開度が制御され、HPタービン3HTの入口圧が制御される。EGR実行の際に排気マニホールド18内の圧力を高めるため、可変ノズル13の開度が減少されることもある。   As in the case of a normal single turbo that is not a multi-stage type, in the operation region of the LP turbo 3L, when the supercharging pressure reaches a predetermined upper limit pressure, the waste gate valve 12 is opened and the supercharging pressure limiting control is executed. In the operating region of the HP turbo 3H, the opening degree of the variable nozzle 13 is controlled according to the engine operating state, and the inlet pressure of the HP turbine 3HT is controlled. In order to increase the pressure in the exhaust manifold 18 during EGR execution, the opening degree of the variable nozzle 13 may be reduced.

さて、多段式ターボ過給システム(3L,3H)と燃料電池4を備える本実施形態のエンジン1は、燃料電池4に供給される空気をHPコンプレッサ3HCもしくはLPコンプレッサ3LCの下流側の吸気通路5から抽出するよう構成されている。すなわち、HPコンプレッサ3HCもしくはLPコンプレッサ3LCを燃料電池4のための空気源としてエンジン本体2と共用し、これらコンプレッサで圧力上昇された吸気の一部を抽出して燃料電池4に供給している。よって、燃料電池に空気を供給するためのモータコンプレッサ等の空気源を別途設けずに済み、装置の複雑化やコスト増大を回避することができる。   Now, the engine 1 according to the present embodiment including the multi-stage turbocharging system (3L, 3H) and the fuel cell 4 uses the intake air passage 5 on the downstream side of the HP compressor 3HC or the LP compressor 3LC as the air supplied to the fuel cell 4. It is configured to extract from. That is, the HP compressor 3HC or the LP compressor 3LC is shared with the engine body 2 as an air source for the fuel cell 4, and a part of the intake air whose pressure is increased by these compressors is extracted and supplied to the fuel cell 4. Therefore, it is not necessary to provide a separate air source such as a motor compressor for supplying air to the fuel cell, and the complexity of the apparatus and the increase in cost can be avoided.

また、本実施形態のエンジン1は、燃料電池4から排出される排ガスをHPタービン3HTもしくはLPタービン3LTの上流側の排気通路6に供給するよう構成されている。これにより、FC排気をHPタービン3HTもしくはLPタービン3LTの駆動に有効利用することができる。   Further, the engine 1 of the present embodiment is configured to supply exhaust gas discharged from the fuel cell 4 to the exhaust passage 6 on the upstream side of the HP turbine 3HT or the LP turbine 3LT. Thereby, the FC exhaust can be effectively used for driving the HP turbine 3HT or the LP turbine 3LT.

ところで、前述したように、本実施形態のような多段式ターボ過給システムにおいては、エンジン回転数の上昇につれターボ過給機をHPターボ3HからLPターボ3Lに切り替える際に、エンジントルクの段差が発生し、ドライバビリティを損なうという問題がある。なお同様の問題が、エンジン回転数の下降につれターボ過給機を逆方向に切り替える際にも発生し得る。このトルク段差が発生する理由は、主にLPターボ3LがHPターボ3Hに比して大型で、回転数および過給圧が立ち上がり難いためである。   By the way, as described above, in the multistage turbocharger system as in the present embodiment, when the turbocharger is switched from the HP turbo 3H to the LP turbo 3L as the engine speed increases, there is a difference in engine torque. There is a problem that occurs and impairs drivability. A similar problem may occur when the turbocharger is switched in the reverse direction as the engine speed decreases. The reason why this torque step occurs is mainly because the LP turbo 3L is larger than the HP turbo 3H and the rotation speed and supercharging pressure are difficult to rise.

この問題に対処するため、HPターボ3HとLPターボ3Lのサイズ差を縮小することが考えられる。しかし、本実施形態のように燃料電池4を装備した場合にはかかるサイズ差の縮小が比較的困難である。すなわち、LPターボ3Lの作動領域においては、FC空気をLPコンプレッサ3LCの下流側から抽出するが、その抽出分の空気を補填して同一のエンジン出力を保つために、LPターボ3Lを大型化しなければならない。従って上記サイズ差の縮小は困難である。   In order to cope with this problem, it is conceivable to reduce the size difference between the HP turbo 3H and the LP turbo 3L. However, when the fuel cell 4 is provided as in this embodiment, it is relatively difficult to reduce the size difference. That is, in the operating region of the LP turbo 3L, FC air is extracted from the downstream side of the LP compressor 3LC, but the LP turbo 3L must be enlarged in order to supplement the extracted air and maintain the same engine output. I must. Therefore, it is difficult to reduce the size difference.

また最近ではエンジンのダウンサイジング、すなわちエンジン本体2の小排気量化が進んでいる。こうした状況下において、必要なエンジン出力を確保するためにLPターボ3Lは大型化する傾向にある。このことも上記サイズ差の縮小が困難な理由である。   Recently, downsizing of the engine, that is, reduction of the engine body 2 has been progressing. Under such circumstances, the LP turbo 3L tends to increase in size in order to ensure the necessary engine output. This is also the reason why it is difficult to reduce the size difference.

そこで、HPターボ3HとLPターボ3Lの切り替え時におけるトルク段差を抑制するために、本実施形態では次の制御を実行することとしている。   Therefore, in order to suppress a torque step at the time of switching between the HP turbo 3H and the LP turbo 3L, in the present embodiment, the following control is executed.

図2は、エンジンの回転数および負荷で規定されるエンジン運転領域のマップを示す。このマップは予め実機試験等に基づき作成され、ECU100に予め記憶されている。ECU100は、このマップに従ってHPターボ3HとLPターボ3Lの切替制御、具体的にはHPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21の開度制御を行う。また同時に、ECU100は、このマップに従って燃料電池4に対する給排気制御、具体的には給気制御弁26および排気制御弁28の切替制御を行う。   FIG. 2 shows a map of the engine operation region defined by the engine speed and load. This map is created in advance based on an actual machine test or the like and stored in the ECU 100 in advance. The ECU 100 performs switching control between the HP turbo 3H and the LP turbo 3L according to this map, specifically, the opening control of the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21. At the same time, the ECU 100 performs supply / exhaust control for the fuel cell 4 according to this map, specifically, switching control of the supply control valve 26 and the exhaust control valve 28.

図2に示すように、エンジンの全運転領域は複数(三つ)の領域に区分されている。領域Aは前述の低回転領域であり、HPターボ3Hの作動領域である。領域Cは前述の高回転領域であり、LPターボ3Lの作動領域である。領域Bは、前述したような領域Aと領域Cの間の中回転領域あるいは遷移領域である。領域Aと領域Bとは所定の境界線L1で仕切られ、領域Cと領域Bとは所定の境界線L2で仕切られる。領域A,Cに比べ、領域Bは比較的狭い回転数の幅を有する。   As shown in FIG. 2, the entire operation region of the engine is divided into a plurality of (three) regions. Region A is the low rotation region described above, and is the operating region of the HP turbo 3H. A region C is the above-described high rotation region, and is an operation region of the LP turbo 3L. Region B is a medium rotation region or transition region between region A and region C as described above. The region A and the region B are partitioned by a predetermined boundary line L1, and the region C and the region B are partitioned by a predetermined boundary line L2. Compared to the regions A and C, the region B has a relatively narrow rotational speed width.

領域Bは、領域Aと領域Cを、最大回転数の約半分の回転数領域で分断する。境界線L1,L2は、互いにほぼ平行であり、回転数の増大につれ負荷が急減するような特性を有する。つまり回転数の増大につれ、負荷が高いほどより早いタイミングで領域Aから領域B、領域Cへと順次移行するようになっている。   In the area B, the area A and the area C are divided by a rotation speed area that is approximately half of the maximum rotation speed. The boundary lines L1 and L2 are substantially parallel to each other, and have such characteristics that the load rapidly decreases as the rotational speed increases. That is, as the rotational speed increases, the region A, the region B, and the region C are sequentially shifted at an earlier timing as the load increases.

ECU100は、検出した実際の回転数および負荷をマップと比較し、各領域別に以下に述べる如く、HPタービンバイパス弁19、HPコンプレッサバイパス弁21、給気制御弁26および排気制御弁28を制御する。なお以下の説明では燃料電池4が作動中もしくは発電中であることを前提とする。   The ECU 100 compares the detected actual rotational speed and load with the map, and controls the HP turbine bypass valve 19, the HP compressor bypass valve 21, the air supply control valve 26, and the exhaust control valve 28 as described below for each region. . In the following description, it is assumed that the fuel cell 4 is operating or generating power.

検出した実際の回転数および負荷が領域Aに属するとき、空気、エンジン排気およびFC排気の流れは図3に示す如くなる。このときECU100は、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21を全閉に制御する。するとエンジン排気がHPタービン3HTに供給され、HPタービン3HTを回転駆動し、HPコンプレッサ3HCが吸気を過給し、実質的にHPターボ3Hのみによって過給が実行されるようになる。   When the detected actual rotational speed and load belong to the region A, the flow of air, engine exhaust, and FC exhaust is as shown in FIG. At this time, the ECU 100 controls the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 to be fully closed. Then, the engine exhaust is supplied to the HP turbine 3HT, the HP turbine 3HT is rotationally driven, the HP compressor 3HC supercharges the intake air, and supercharging is executed substantially only by the HP turbo 3H.

またこのときECU100は、第3空気通路33が第1空気通路31のみに接続もしくは連通するように給気制御弁26を切り替える。すなわちECU100は、給気路25を第1の給気路25Aに切り替える。すると、HPコンプレッサ3HCの下流側から空気が抽出され、この空気が第1空気通路31、給気制御弁26および第3空気通路33を順次通過して燃料電池4に供給される。   At this time, the ECU 100 switches the air supply control valve 26 so that the third air passage 33 is connected to or communicates only with the first air passage 31. That is, the ECU 100 switches the air supply path 25 to the first air supply path 25A. Then, air is extracted from the downstream side of the HP compressor 3 HC, and this air passes through the first air passage 31, the air supply control valve 26 and the third air passage 33 in order, and is supplied to the fuel cell 4.

またこのときECU100は、第1排気通路34が第2排気通路35のみに接続もしくは連通するように排気制御弁28を切り替える。すなわちECU100は、排気路27を第1の排気路27Aに切り替える。すると、燃料電池4から排出されたFC排気は、第1排気通路34、排気制御弁28および第2排気通路35を順次通過して排気マニホールド18に供給もしくは排出される。この供給もしくは排出されたFC排気をHPタービン3HTの回転駆動に有効に利用することが可能である。   At this time, the ECU 100 switches the exhaust control valve 28 so that the first exhaust passage 34 is connected to or communicates only with the second exhaust passage 35. That is, the ECU 100 switches the exhaust path 27 to the first exhaust path 27A. Then, the FC exhaust discharged from the fuel cell 4 sequentially passes through the first exhaust passage 34, the exhaust control valve 28 and the second exhaust passage 35, and is supplied or discharged to the exhaust manifold 18. This supplied or exhausted FC exhaust can be effectively used for rotational driving of the HP turbine 3HT.

なお当然ながら、ECU100は、FC燃料ポンプ15を作動させ、FC燃料調量弁16を開弁する。以上により、燃料電池4には空気および燃料が供給され、燃料電池4は発電を実行する。以下、燃料供給の点については説明を省略する。   Of course, the ECU 100 operates the FC fuel pump 15 to open the FC fuel metering valve 16. As described above, air and fuel are supplied to the fuel cell 4, and the fuel cell 4 performs power generation. Hereinafter, description of the point of fuel supply is abbreviate | omitted.

次に、検出した実際の回転数および負荷が領域Cに属するとき、空気、エンジン排気およびFC排気の流れは図4に示す如くなる。このときECU100は、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21を全開に制御する。するとエンジン排気がHPタービンバイパス通路14を通過した後LPタービン3LTに供給され、LPタービン3LTを回転駆動する。そしてLPコンプレッサ3LCが吸気を過給し、当該吸気はHPコンプレッサバイパス通路20を通過した後、HPコンプレッサ3HCの下流側の吸気通路5に供給される。これにより実質的にLPターボ3Lのみによって過給が実行されるようになる。   Next, when the detected actual rotational speed and load belong to region C, the flow of air, engine exhaust, and FC exhaust is as shown in FIG. At this time, the ECU 100 controls the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 to fully open. Then, after the engine exhaust gas passes through the HP turbine bypass passage 14, it is supplied to the LP turbine 3LT to drive the LP turbine 3LT to rotate. Then, the LP compressor 3LC supercharges the intake air, and the intake air passes through the HP compressor bypass passage 20 and is then supplied to the intake passage 5 on the downstream side of the HP compressor 3HC. As a result, supercharging is executed substantially only by the LP turbo 3L.

またこのときECU100は、第3空気通路33が第2空気通路32のみに接続もしくは連通するように給気制御弁26を切り替える。すなわちECU100は、給気路25を第2の給気路25Bに切り替える。すると、LPコンプレッサ3LCの下流側且つHPコンプレッサ3HCの上流側から空気が抽出され、この空気がHPコンプレッサバイパス通路20の上流側部分、第2空気通路32、給気制御弁26および第3空気通路33を順次通過して燃料電池4に供給される。   At this time, the ECU 100 switches the air supply control valve 26 so that the third air passage 33 is connected to or communicates only with the second air passage 32. That is, the ECU 100 switches the air supply path 25 to the second air supply path 25B. Then, air is extracted from the downstream side of the LP compressor 3LC and the upstream side of the HP compressor 3HC, and this air is upstream of the HP compressor bypass passage 20, the second air passage 32, the air supply control valve 26, and the third air passage. Then, the fuel cell 4 is supplied to the fuel cell 4 sequentially.

またこのときECU100は、第1排気通路34が第3排気通路36のみに接続もしくは連通するように排気制御弁28を切り替える。すなわちECU100は、排気路27を第2の排気路27Bに切り替える。すると、燃料電池4から排出されたFC排気は、第1排気通路34、排気制御弁28および第3排気通路36を順次通過して、HPタービン3HTおよびLPタービン3LTの間の排気通路6に供給もしくは排出される。この供給もしくは排出されたFC排気をLPタービン3LTの回転駆動に有効に利用することが可能である。   At this time, the ECU 100 switches the exhaust control valve 28 so that the first exhaust passage 34 is connected to or communicates only with the third exhaust passage 36. That is, the ECU 100 switches the exhaust path 27 to the second exhaust path 27B. Then, the FC exhaust discharged from the fuel cell 4 sequentially passes through the first exhaust passage 34, the exhaust control valve 28, and the third exhaust passage 36, and is supplied to the exhaust passage 6 between the HP turbine 3HT and the LP turbine 3LT. Or it is discharged. The supplied or discharged FC exhaust can be effectively used for the rotational drive of the LP turbine 3LT.

ところで、検出した実際の回転数および負荷が遷移領域Bに属するとき、空気、エンジン排気およびFC排気の流れは図5に示す如くなる。このときECU100は、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21を、全閉と全開との間の中間開度に制御する。すると排気マニホールド18内のエンジン排気は、HPタービン3HTとLPタービン3LTの両者に供給され、両者を回転駆動する。そして、LPタービン3LTにより回転駆動されるLPコンプレッサ3LCにより昇圧された吸気は、一部がHPコンプレッサ3HCに供給され、残部がHPコンプレッサバイパス通路20を通過(つまりHPコンプレッサ3HCをバイパス)した後、HPコンプレッサ3HCの下流側の吸気通路5に供給される。これにより、HPターボ3HとLPターボ3Lの両者によって過給が実行されるようになる。   By the way, when the detected actual rotational speed and load belong to the transition region B, the flows of air, engine exhaust, and FC exhaust are as shown in FIG. At this time, the ECU 100 controls the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 to an intermediate opening between fully closed and fully opened. Then, the engine exhaust in the exhaust manifold 18 is supplied to both the HP turbine 3HT and the LP turbine 3LT, and both are rotationally driven. The intake air boosted by the LP compressor 3LC that is rotationally driven by the LP turbine 3LT is partially supplied to the HP compressor 3HC, and the remaining part passes through the HP compressor bypass passage 20 (that is, bypasses the HP compressor 3HC). It is supplied to the intake passage 5 on the downstream side of the HP compressor 3HC. Thereby, supercharging is executed by both the HP turbo 3H and the LP turbo 3L.

このときECU100は、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれ、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21の開度が増大するよう、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21を制御する。これにより、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれ、LPターボ3Lの仕事量を徐々に増加させると共にHPターボ3Hの仕事量を徐々に減少させ、領域Aと領域Cの間の移行をできるだけスムーズに行うことができる。   At this time, the ECU 100 controls the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 so that the opening degree of the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 increases as at least one of the rotational speed and the load increases. Thereby, as at least one of the rotational speed and the load increases, the work of the LP turbo 3L is gradually increased and the work of the HP turbo 3H is gradually decreased, so that the transition between the region A and the region C is as smooth as possible. Can be done.

もっとも、このようなターボ切替制御を行っても領域Aと領域Cの間を移行するときのトルク段差の解消には改善の余地が残されている。そこで本実施形態では次のような制御を実行する。   However, even if such turbo switching control is performed, there is still room for improvement in eliminating the torque step when transitioning between region A and region C. Therefore, in the present embodiment, the following control is executed.

すなわち、図5に示すように、ECU100は、領域Aのときと同様、第3空気通路33が第1空気通路31のみに接続もしくは連通するように給気制御弁26を切り替える。すなわちECU100は、給気路25を第1の給気路25Aに切り替える。   That is, as shown in FIG. 5, the ECU 100 switches the air supply control valve 26 so that the third air passage 33 is connected or communicated only to the first air passage 31 as in the case of the region A. That is, the ECU 100 switches the air supply path 25 to the first air supply path 25A.

また、ECU100は、領域Cのときと同様、第1排気通路34が第3排気通路36のみに接続もしくは連通するように排気制御弁28を切り替える。すなわちECU100は、排気路27を第2の排気路27Bに切り替える。すると、燃料電池4から排出されたFC排気は、第1排気通路34、排気制御弁28および第3排気通路36を順次通過して、HPタービン3HTおよびLPタービン3LTの間の排気通路6に供給もしくは排出される。   Further, as in the region C, the ECU 100 switches the exhaust control valve 28 so that the first exhaust passage 34 is connected or communicated only with the third exhaust passage 36. That is, the ECU 100 switches the exhaust path 27 to the second exhaust path 27B. Then, the FC exhaust discharged from the fuel cell 4 sequentially passes through the first exhaust passage 34, the exhaust control valve 28, and the third exhaust passage 36, and is supplied to the exhaust passage 6 between the HP turbine 3HT and the LP turbine 3LT. Or it is discharged.

特に、この供給もしくは排出されたFC排気を利用して、LPタービン3LTひいてはLPコンプレッサ3LCを回転駆動し、これらに与回転を与えることができる。具体的には、回転数および負荷が領域Aから領域Bを通過して領域Cに移行するような場合、領域Cに移行する手前の領域Bにおいて、FC排気によりLPタービン3LTひいてはLPコンプレッサ3LCに与回転を与えることができる。よってLPターボ3Lにおける回転数とその立ち上がり速度、ひいては過給圧とその上昇速度を増大することができ、トルク段差を抑制もしくは低減することが可能となる。   In particular, the supplied or exhausted FC exhaust can be used to rotationally drive the LP turbine 3LT and thus the LP compressor 3LC to give them rotation. Specifically, when the rotational speed and load pass from the region A through the region B to the region C, the FC turbine exhausts the LP turbine 3LT and then the LP compressor 3LC in the region B before the transition to the region C. A given rotation can be provided. Therefore, it is possible to increase the rotational speed and its rising speed in the LP turbo 3L, as well as the supercharging pressure and its rising speed, and to suppress or reduce the torque step.

このトルク段差の抑制により、HPターボ3Hに比して大型のLPターボ3Lを採用できるようになり、両者のサイズ差を比較的拡大することができる。そして本実施形態のような燃料電池4を装備したエンジン1に好適となり、エンジンのダウンサイジングにも容易に対応可能となる。   By suppressing this torque step, it becomes possible to employ a large LP turbo 3L compared to the HP turbo 3H, and the size difference between the two can be relatively enlarged. And it becomes suitable for the engine 1 equipped with the fuel cell 4 like this embodiment, and can respond easily to engine downsizing.

また、給気路25を第1の給気路25Aに切り替え、HPコンプレッサ3HCの下流側、特にHPコンプレッサバイパス通路20の合流位置よりも下流側の吸気通路5からFC空気を抽出するので、HPコンプレッサ3HCから吐出された空気とLPコンプレッサ3LCから吐出された空気とを併せてFC空気として抽出することができ、燃料電池4に安定的に空気を供給することができる。   Further, the air supply path 25 is switched to the first air supply path 25A, and the FC air is extracted from the intake passage 5 on the downstream side of the HP compressor 3HC, in particular, on the downstream side of the merging position of the HP compressor bypass passage 20. The air discharged from the compressor 3HC and the air discharged from the LP compressor 3LC can be extracted together as FC air, and air can be stably supplied to the fuel cell 4.

もっとも、領域Bでは、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれLPターボ3Lの仕事量が徐々に増加され、HPターボ3Hの仕事量が徐々に減少される。よってこの特性に合わせて、給気制御弁26の開度制御を行うのも好ましい。すなわち、回転数および負荷の少なくとも一方の上昇につれ、第2空気通路32側(第2の給気路25B側)の開度が第1空気通路31側(第1の給気路25A側)の開度に対し徐々に大きくなるよう、給気制御弁26を制御する。これにより、比較的狭い領域B内においても両ターボの運転特性に合わせてFC空気を適切な位置から抽出し続けることができる。   However, in the region B, the work amount of the LP turbo 3L is gradually increased and the work amount of the HP turbo 3H is gradually decreased as at least one of the rotational speed and the load increases. Therefore, it is also preferable to control the opening degree of the air supply control valve 26 in accordance with this characteristic. That is, as at least one of the rotational speed and the load increases, the opening degree on the second air passage 32 side (second air supply passage 25B side) becomes closer to the first air passage 31 side (first air supply passage 25A side). The air supply control valve 26 is controlled so as to gradually increase with respect to the opening. As a result, even in a relatively narrow region B, it is possible to continue extracting FC air from an appropriate position in accordance with the operating characteristics of both turbos.

ところで本実施形態のエンジン1においては、燃料電池4の自立運転が可能である。ここで燃料電池4の自立運転とは、エンジン本体2を停止させた状態で、燃料電池4の排ガスによりHPターボ3HおよびLPターボ3Lの一方のタービンおよびコンプレッサを回転させ、燃料電池4へ空気供給できるようにし、併せて燃料供給を行うことにより燃料電池4が運転もしくは発電し続ける状態をいう。この自立運転は、エンジン本体2の停止中にバッテリ残量が所定の閾値以下に低下し、もしくは電気負荷使用によりバッテリからの放電量が所定の閾値以上に増大し、燃料電池4による発電が必要になったときに行われる。   By the way, in the engine 1 of this embodiment, the fuel cell 4 can be operated independently. Here, the self-sustained operation of the fuel cell 4 refers to the supply of air to the fuel cell 4 by rotating the turbine and compressor of the HP turbo 3H and the LP turbo 3L with the exhaust gas of the fuel cell 4 while the engine body 2 is stopped. The state in which the fuel cell 4 continues to operate or generate electric power by performing the fuel supply together. In this self-sustained operation, when the engine body 2 is stopped, the remaining amount of the battery falls below a predetermined threshold value, or the amount of discharge from the battery increases above the predetermined threshold value due to the use of an electric load, and power generation by the fuel cell 4 is required It is done when it becomes.

例えば、HPターボ3Lを使って燃料電池4を自立運転させる場合、ECU100は、図3に示すように、給気路25を第1の給気路25Aに切り替え、排気路27を第1の排気路27Aに切り替える。そしてFC排気によりHPタービン3HTを駆動し、HPコンプレッサ3HCからの空気を燃料電池4に供給し、併せてFC燃料ポンプ15を作動させ、FC燃料調量弁16を開弁する。またECU100は、HPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21を全閉に制御する。なおエンジン停止時にはHPタービンバイパス弁19およびHPコンプレッサバイパス弁21が全閉となっているので、燃料電池4の自立運転中はこの状態が保持されることとなる。   For example, when the fuel cell 4 is operated autonomously using the HP turbo 3L, the ECU 100 switches the air supply path 25 to the first air supply path 25A and the exhaust path 27 to the first exhaust as shown in FIG. Switch to road 27A. Then, the HP turbine 3HT is driven by FC exhaust, the air from the HP compressor 3HC is supplied to the fuel cell 4, and the FC fuel pump 15 is also operated, and the FC fuel metering valve 16 is opened. The ECU 100 controls the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 to be fully closed. Since the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are fully closed when the engine is stopped, this state is maintained during the autonomous operation of the fuel cell 4.

自立運転を開始させるにはHPターボ3Hに初動を与えなければならないが、これは、ECU100により短時間だけスタータモータ48をオンし、エンジン本体2をモータリング運転させることにより行われる。   In order to start the self-sustaining operation, the HP turbo 3H must be initially moved. This is performed by the ECU 100 turning on the starter motor 48 for a short time and causing the engine body 2 to perform a motoring operation.

詳細な説明は省略するが、LPターボ3Lを使った燃料電池4の自立運転も同様に可能である。   Although detailed description is omitted, the self-sustained operation of the fuel cell 4 using the LP turbo 3L is also possible.

以上の説明から理解されるように、本実施形態においては、ECU100および排気制御弁28が排気路切替手段を構成し、ECU100および給気制御弁26が給気路切替手段を構成する。   As can be understood from the above description, in the present embodiment, the ECU 100 and the exhaust control valve 28 constitute an exhaust path switching means, and the ECU 100 and the air supply control valve 26 constitute an air supply path switching means.

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関の用途や形式等は任意であり、自動車用以外であってもよい。   Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, various other embodiments of the present invention are conceivable. For example, the use and type of the internal combustion engine are arbitrary and may be other than those for automobiles.

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。   The present invention includes all modifications, applications, and equivalents included in the spirit of the present invention defined by the claims. Therefore, the present invention should not be construed as being limited, and can be applied to any other technique belonging to the scope of the idea of the present invention.

1 内燃機関(エンジン)
2 エンジン本体
3L 低圧段ターボ過給機(LPターボ)
3LT 低圧段タービン(LPタービン)
3LC 低圧段コンプレッサ(LPコンプレッサ)
3H 高圧段ターボ過給機(HPターボ)
3HT 高圧段タービン(HPタービン)
3HC 高圧段コンプレッサ(HPコンプレッサ)
4 燃料電池(FC)
5 吸気通路
6 排気通路
14 HPタービンバイパス通路
15 FC燃料ポンプ
16 FC燃料調量弁
17 バッテリ
19 HPタービンバイパス弁
20 HPコンプレッサバイパス通路
21 HPコンプレッサバイパス弁
25 給気路
25A 第1の給気路
25B 第2の給気路
26 給気制御弁
27 排気路
27A 第1の排気路
27B 第2の排気路
28 排気制御弁
31 第1空気通路
32 第2空気通路
33 第3空気通路
34 第1排気通路
35 第2排気通路
36 第3排気通路
51 クランク角センサ
52 アクセル開度センサ
100 電子制御ユニット(ECU)
1 Internal combustion engine
2 Engine body 3L Low-pressure turbocharger (LP turbo)
3LT Low pressure turbine (LP turbine)
3LC Low-pressure compressor (LP compressor)
3H High-pressure turbocharger (HP turbo)
3HT High-pressure turbine (HP turbine)
3HC high-pressure compressor (HP compressor)
4 Fuel cell (FC)
5 Intake passage 6 Exhaust passage 14 HP turbine bypass passage 15 FC fuel pump 16 FC fuel metering valve 17 Battery 19 HP turbine bypass valve 20 HP compressor bypass passage 21 HP compressor bypass valve 25 Supply passage 25A First supply passage 25B Second air passage 26 Air supply control valve 27 Exhaust passage 27A First exhaust passage 27B Second exhaust passage 28 Exhaust control valve 31 First air passage 32 Second air passage 33 Third air passage 34 First exhaust passage 35 Second exhaust passage 36 Third exhaust passage 51 Crank angle sensor 52 Accelerator opening sensor 100 Electronic control unit (ECU)

Claims (4)

燃料電池と、低圧段タービンおよび低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、高圧段タービンおよび高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機とを備え、
排気通路において、前記低圧段タービンが前記高圧段タービンの下流側に配設され、吸気通路において、前記高圧段コンプレッサが前記低圧段コンプレッサの下流側に配設され、
前記燃料電池と前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路とを接続する第1の排気路と、前記燃料電池と前記高圧段タービンおよび前記低圧段タービンの間の前記排気通路とを接続する第2の排気路と、前記第1および第2の排気路を切り替える排気路切替手段とを備え、
内燃機関の運転状態が、前記高圧段ターボ過給機の作動領域と前記低圧段ターボ過給機の作動領域との間の遷移領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第2の排気路に切り替える
ことを特徴とする内燃機関。
Comprising a fuel cell, a low-pressure stage turbocharger having a low-pressure stage turbine and a low-pressure stage compressor, and a high-pressure stage turbocharger having a high-pressure stage turbine and a high-pressure stage compressor,
In the exhaust passage, the low-pressure stage turbine is disposed on the downstream side of the high-pressure stage turbine, and in the intake passage, the high-pressure stage compressor is disposed on the downstream side of the low-pressure stage compressor,
A first exhaust passage that connects the fuel cell and the exhaust passage upstream of the high-pressure turbine, and a first exhaust passage that connects the fuel cell and the exhaust passage between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine. Two exhaust paths, and an exhaust path switching means for switching the first and second exhaust paths,
When the operating state of the internal combustion engine is in a transition region between the operating region of the high-pressure stage turbocharger and the operating region of the low-pressure stage turbocharger, the exhaust passage switching means is the second exhaust passage. An internal combustion engine characterized by switching to
前記燃料電池と前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路とを接続する第1の給気路と、前記燃料電池と前記低圧段コンプレッサおよび前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路とを接続する第2の給気路と、前記第1および第2の給気路を切り替える給気路切替手段とをさらに備え、
前記内燃機関の運転状態が前記遷移領域にあるとき、前記給気路切替手段が前記第1の給気路に切り替える
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
A first air supply path connecting the fuel cell and the intake passage on the downstream side of the high pressure compressor, and the intake passage between the fuel cell, the low pressure compressor and the high pressure compressor are connected. A second air supply path, and an air supply path switching means for switching the first and second air supply paths,
2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein when the operating state of the internal combustion engine is in the transition region, the air supply path switching unit switches to the first air supply path.
前記内燃機関の運転状態が前記高圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第1の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第1の給気路に切り替える
ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関。
When the operating state of the internal combustion engine is in an operating region of the high-pressure turbocharger, the exhaust path switching means switches to the first exhaust path, and the air supply path switching means switches to the first air supply path. The internal combustion engine according to claim 2, wherein the internal combustion engine is switched to.
前記内燃機関の運転状態が前記低圧段ターボ過給機の作動領域にあるとき、前記排気路切替手段が前記第2の排気路に切り替え、前記給気路切替手段が前記第2の給気路に切り替える
ことを特徴とする請求項2または3に記載の内燃機関。
When the operating state of the internal combustion engine is in the operating region of the low-pressure turbocharger, the exhaust path switching means switches to the second exhaust path, and the air supply path switching means switches to the second air supply path. The internal combustion engine according to claim 2 or 3, wherein the internal combustion engine is switched to.
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