JP2014141934A - Internal combustion engine - Google Patents

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JP2014141934A JP2013011165A JP2013011165A JP2014141934A JP 2014141934 A JP2014141934 A JP 2014141934A JP 2013011165 A JP2013011165 A JP 2013011165A JP 2013011165 A JP2013011165 A JP 2013011165A JP 2014141934 A JP2014141934 A JP 2014141934A
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low
pressure
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compressor
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Hideshi Nakao
秀史 中尾
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Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To actuate an optimum turbosupercharger with high efficiency when actuating a fuel cell during the stop of an engine body.SOLUTION: An internal combustion engine 1 includes high- and low-pressure stage turbosuperchargers 3H, 3L, a fuel cell 4, an air supply path 25A branching from an intake passage 5 on the downstream side of a high-pressure stage compressor 3HC to supply air to the fuel cell 4, an exhaust path 27A connected to an exhaust passage 6 on the upstream side of a high-pressure stage turbine 3HT to exhaust exhaust gas from the fuel cell 4, a low-pressure stage compressor bypass passage 37 bypassing a low-pressure stage compressor 3LC, and a low-pressure stage compressor bypass valve 38 changeable over to guide intake air to at least one of the low-pressure stage compressor 3LC and the low-pressure stage compressor bypass passage 37. When actuating the fuel cell 4 during the stop of an engine body 2, a control unit 100 changes over the low-pressure stage compressor bypass valve 38 to guide the intake air to the low-pressure stage compressor bypass passage 37.

Description

本発明は内燃機関に係り、特に、多段式ターボ過給システムと燃料電池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 including a multistage turbocharging system and a fuel cell.

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

一方、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。この場合、ターボ過給機のコンプレッサから吐出された空気を燃料電池に送り、燃料電池からの排ガスをターボ過給機のタービンに供給するよう構成することが有利である。こうすれば、燃料電池に空気を供給するモータコンプレッサ等の空気源を別途設けなくて済むと同時に、燃料電池からの排ガスをタービンの駆動に有効に利用でき、効率およびターボレスポンスを高められるからである。   On the other hand, it is conceivable to combine a fuel cell with an internal combustion engine equipped with a multistage turbocharging system. In this case, it is advantageous that the air discharged from the compressor of the turbocharger is sent to the fuel cell, and the exhaust gas from the fuel cell is supplied to the turbine of the turbocharger. In this way, it is not necessary to provide a separate air source such as a motor compressor for supplying air to the fuel cell, and at the same time, the exhaust gas from the fuel cell can be used effectively for driving the turbine, and the efficiency and turbo response can be improved. is there.

こうした構成において、次のような課題が存在する。内燃機関(具体的にはエンジン本体)が停止状態であるときに、燃料電池による発電が必要となり、燃料電池を作動させなければならない場合がある。燃料電池を作動させるには、燃料電池に対し必要な空気を送り、且つ燃料電池からの排ガスを排出しなければならない。このため、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機の少なくとも一方を、エンジン本体の停止中に作動させなければならない。   In such a configuration, the following problems exist. When the internal combustion engine (specifically, the engine body) is in a stopped state, power generation by the fuel cell is required, and the fuel cell may have to be operated. In order to operate the fuel cell, it is necessary to send necessary air to the fuel cell and exhaust the exhaust gas from the fuel cell. For this reason, at least one of the low-pressure stage turbocharger and the high-pressure stage turbocharger must be operated while the engine body is stopped.

しかし、これらのうちの何れを作動させるかについては、個々のターボ過給機の特性や燃料電池の特性等を考慮した十分な検討が必要である。また、その作動時において最大限効率を高められるよう工夫が必要である。   However, as to which of these is to be operated, it is necessary to fully consider the characteristics of the individual turbochargers and the characteristics of the fuel cell. In addition, it is necessary to devise so as to maximize the efficiency during the operation.

なお、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機の少なくとも一方を作動させるため、エンジン本体の停止を禁止したりエンジン本体を再始動したりすることなどが考えられる。しかしこうすると、必然的に燃料を消費してしまい、燃費が悪化する。また再始動を自動的に行うこととすればユーザにとって予期せぬエンジン始動が起こり、違和感等の原因となる。   In order to operate at least one of the low-pressure stage turbocharger and the high-pressure stage turbocharger, it is conceivable to stop the engine body or restart the engine body. However, this inevitably consumes fuel, and the fuel efficiency deteriorates. Further, if the restart is automatically performed, the engine is unexpectedly started for the user, which causes a sense of incongruity.

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、多段式ターボ過給システムと燃料電池を備えた内燃機関において、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させることができる内燃機関を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and one object of the present invention is to operate a fuel cell while the engine body is stopped in an internal combustion engine having a multistage turbocharger system and a fuel cell. At the same time, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine capable of operating an optimum turbocharger with high efficiency.

本発明の一の態様によれば、
エンジン本体に接続された吸気通路および排気通路と、
前記排気通路の上流側に設けられた高圧段タービンおよび前記吸気通路の下流側に設けられた高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機と、
前記排気通路の下流側に設けられた低圧段タービンおよび前記吸気通路の上流側に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給すべく、前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路から分岐して前記燃料電池に接続する給気路と、
前記燃料電池の排気を排出すべく、前記燃料電池から延びて前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路に接続する排気路と、
前記低圧段コンプレッサを迂回すべく、前記低圧段コンプレッサの上流側の前記吸気通路から分岐して前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路に合流する低圧段コンプレッサバイパス通路と、
前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサと前記低圧段コンプレッサバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段コンプレッサバイパス弁と、
前記エンジン本体および前記低圧段コンプレッサバイパス弁を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサバイパス通路に導くよう前記低圧段コンプレッサバイパス弁を切り替える
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,
An intake passage and an exhaust passage connected to the engine body,
A high-pressure stage turbocharger having a high-pressure stage turbine provided upstream of the exhaust passage and a high-pressure stage compressor provided downstream of the intake passage;
A low-pressure stage turbocharger having a low-pressure stage turbine provided downstream of the exhaust passage and a low-pressure stage compressor provided upstream of the intake passage;
A fuel cell;
An air supply path branched from the intake passage downstream of the high-pressure stage compressor and connected to the fuel cell to supply air to the fuel cell;
An exhaust passage extending from the fuel cell and connected to the exhaust passage upstream of the high-pressure turbine to exhaust the fuel cell exhaust;
A low-pressure compressor bypass passage that branches from the intake passage upstream of the low-pressure compressor and joins the intake passage between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor to bypass the low-pressure compressor;
A low pressure stage compressor bypass valve that is switchable to direct intake air upstream of the low pressure stage compressor to at least one of the low pressure stage compressor and the low pressure stage compressor bypass passage;
A control unit for controlling the engine body and the low-pressure compressor bypass valve;
With
The control unit switches the low-pressure stage compressor bypass valve to guide the intake air upstream of the low-pressure stage compressor to the low-pressure stage compressor bypass passage when the fuel cell is operated while the engine body is stopped. An internal combustion engine is provided.

この本発明の一の態様によれば、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させるとき、燃料電池の排気が排気路を通じて高圧段タービンの上流側の排気通路に供給され、燃料電池の排気により高圧段タービンが回転駆動される。同時に、高圧段コンプレッサが回転され、高圧段コンプレッサから吐出された空気は、給気路を通じて燃料電池に供給される。これにより、燃料電池は作動可能となる。   According to this aspect of the present invention, when the fuel cell is operated while the engine body is stopped, the exhaust of the fuel cell is supplied to the exhaust passage on the upstream side of the high-pressure turbine through the exhaust passage. The high-pressure turbine is driven to rotate. At the same time, the high-pressure compressor is rotated, and the air discharged from the high-pressure compressor is supplied to the fuel cell through the air supply path. This allows the fuel cell to operate.

エンジン本体の停止中、燃料電池の作動に必要な空気量を送るには、低圧段ターボ過給機よりもむしろ高圧段ターボ過給機の方がサイズ的に適している。よって高圧段ターボ過給機を作動させることによりターボ効率を高め、システム全体の効率を高めることが可能となる。   In order to send the amount of air necessary for the operation of the fuel cell while the engine body is stopped, the high pressure turbocharger is more suitable in size than the low pressure turbocharger. Therefore, by operating the high-pressure turbocharger, it is possible to increase the turbo efficiency and increase the efficiency of the entire system.

また、低圧段コンプレッサの上流側の吸気を低圧段コンプレッサバイパス通路に導くよう低圧段コンプレッサバイパス弁を切り替えるので、吸気が低圧段コンプレッサを通過せず、低圧段コンプレッサバイパス通路を通過して高圧段コンプレッサに供給されるようになる。これにより流路抵抗を低減すると共に、吸気が低圧段コンプレッサを駆動することによる損失を低減し、吸気を効率良く高圧段コンプレッサに供給することができる。そして結果的にターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができる。   In addition, since the low-pressure stage compressor bypass valve is switched so as to guide the intake air upstream of the low-pressure stage compressor to the low-pressure stage compressor bypass passage, the intake air does not pass through the low-pressure stage compressor bypass passage and passes through the low-pressure stage compressor bypass passage. Will be supplied to. As a result, the flow path resistance is reduced, and the loss caused by the intake air driving the low-pressure compressor is reduced, and the intake air can be efficiently supplied to the high-pressure compressor. As a result, it is possible to increase the turbo efficiency and thus the efficiency of the entire system.

このように、本発明の一の態様によれば、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させることが可能である。   Thus, according to one aspect of the present invention, when operating the fuel cell while the engine body is stopped, it is possible to operate the optimum turbocharger with high efficiency.

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. Therefore, 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」といった場合、これは「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。   In the case of “an exhaust passage between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine”, this is synonymous with “an 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、前記内燃機関は、前記低圧段タービンを迂回すべく、前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路から分岐して前記低圧段タービンの下流側の前記排気通路に合流する低圧段タービンバイパス通路と、前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンと前記低圧段タービンバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段タービンバイパス弁と、をさらに備える。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンバイパス通路に導くよう前記低圧段タービンバイパス弁を切り替える。   Preferably, the internal combustion engine branches from the exhaust passage on the upstream side of the low-pressure turbine and bypasses the exhaust passage on the downstream side of the low-pressure turbine to bypass the low-pressure turbine. A passage, and a low-pressure turbine bypass valve that can be switched to guide exhaust gas upstream of the low-pressure turbine to at least one of the low-pressure turbine and the low-pressure turbine bypass passage. When the fuel cell is operated while the engine body is stopped, the control unit switches the low-pressure turbine bypass valve so as to guide the exhaust on the upstream side of the low-pressure turbine to the low-pressure turbine bypass passage.

これによれば、燃料電池の排気が低圧段タービンに供給されることが抑制もしくは阻止される。よって高圧段タービンから排出された燃料電池の排気をスムーズに外部に排出することができ、高圧段タービンもしくは高圧段ターボの駆動効率を高めることができる。またこれにより低圧段ターボを非作動もしくは停止状態にすることができる。   According to this, supply of the exhaust gas of the fuel cell to the low pressure turbine is suppressed or prevented. Therefore, the fuel cell exhaust discharged from the high-pressure turbine can be smoothly discharged to the outside, and the driving efficiency of the high-pressure turbine or the high-pressure turbo can be increased. This also makes it possible to deactivate or stop the low-pressure stage turbo.

好ましくは、前記低圧段タービンバイパス弁は、前記低圧段タービンバイパス通路に設けられたウェイストゲート弁と、前記低圧段タービンバイパス通路の分岐位置より下流側で且つ前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路に設けられた低圧段タービン遮断弁とを含む。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記ウェイストゲート弁を開放し、前記低圧段タービン遮断弁を閉止する。   Preferably, the low-pressure stage turbine bypass valve includes a waste gate valve provided in the low-pressure stage turbine bypass passage, and the exhaust gas downstream of the branch position of the low-pressure stage turbine bypass passage and upstream of the low-pressure stage turbine. And a low-pressure turbine shutoff valve provided in the passage. When the fuel cell is operated while the engine body is stopped, the control unit opens the wastegate valve and closes the low-pressure turbine shutoff valve.

これによれば、燃料電池の排気が低圧段タービンバイパス通路に導かれ、低圧段タービンに供給されることが阻止される。よって前記同様、高圧段タービンもしくは高圧段ターボ過給機の駆動効率を高めることができる。   According to this, the exhaust of the fuel cell is guided to the low pressure turbine bypass passage and is prevented from being supplied to the low pressure turbine. Accordingly, as described above, the driving efficiency of the high-pressure turbine or the high-pressure turbocharger can be increased.

好ましくは、前記内燃機関は、前記給気路の分岐位置より下流側の前記吸気通路に設けられたスロットルバルブをさらに備える。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記スロットルバルブをアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する。   Preferably, the internal combustion engine further includes a throttle valve provided in the intake passage on the downstream side of the branch position of the supply passage. The control unit controls the throttle valve to an opening smaller than the opening during idling when the fuel cell is operated while the engine body is stopped.

これによれば、高圧段コンプレッサから吐出された吸気もしくは空気のエンジン本体側への漏れ出しを抑制もしくは阻止することができ、吸気を効率的に燃料電池に供給することができる。   According to this, it is possible to suppress or prevent the intake air or air discharged from the high-pressure compressor from leaking out to the engine body side, and to efficiently supply the intake air to the fuel cell.

好ましくは、前記内燃機関は、前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路から前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路に延びるEGR通路と、前記EGR通路に設けられたEGR弁とをさらに備える。そして前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記EGR弁をアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する。   Preferably, the internal combustion engine further includes an EGR passage extending from the exhaust passage upstream of the high-pressure stage turbine to the intake passage downstream of the high-pressure compressor, and an EGR valve provided in the EGR passage. . The control unit controls the EGR valve to an opening smaller than the opening during idling when the fuel cell is operated while the engine body is stopped.

これによれば、排気通路から吸気通路への燃料電池の排気の漏れ出しを抑制もしくは阻止することができ、高圧段タービンもしくは高圧段ターボ過給機の駆動効率を高めることができる。   According to this, leakage of the fuel cell exhaust from the exhaust passage to the intake passage can be suppressed or prevented, and the driving efficiency of the high-pressure turbine or the high-pressure turbocharger can be increased.

本発明によれば、多段式ターボ過給システムと燃料電池を備えた内燃機関において、エンジン本体の停止中に燃料電池を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させ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, in an internal combustion engine equipped with a multistage turbocharging system and a fuel cell, an optimum turbocharger can be operated with high efficiency when the fuel cell is operated while the engine body is stopped. The excellent effect is demonstrated.

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. オイル供給装置と冷却水供給装置を示す概略図である。It is the schematic which shows an oil supply apparatus and a cooling water supply apparatus. 低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機とでコンプレッサの特性を比較したコンプレッサマップである。It is the compressor map which compared the characteristic of the compressor with a low pressure turbocharger and a high pressure turbocharger. エンジン本体停止前後における各弁等の作動を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of each valve etc. before and after an engine main body stop. エンジン本体停止前における空気、エンジン排気およびFC排気の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the air before an engine main body stop, engine exhaust, and FC exhaust. エンジン本体停止後における空気およびFC排気の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the air and FC exhaust after an engine main body stop.

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、具体的には四つの気筒を含み、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 cylinders, specifically four cylinders. Each cylinder is provided with a fuel injection injector 41 and a spark plug 42.

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 3L and a high-pressure turbocharger 3H are provided in series so as to straddle the intake passage 5 and the exhaust passage 6. . 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する。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 stage compressor 3LC, and an intercooler 8 and an electronically controlled throttle valve 9 are provided downstream of the high-pressure stage compressor 3HC. Are 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、酸素吸蔵能を有する三元触媒からなる。但し排気浄化触媒10の数や種類等は任意である。   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 case of this embodiment, the exhaust purification catalyst 10 is composed of a three-way catalyst having an oxygen storage capacity. However, the number and type of the exhaust purification catalyst 10 are arbitrary.

また、低圧段タービン3LTを迂回もしくはバイパスすべく、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の上流側の排気通路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の上流側の排気通路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。   Further, an LP turbine bypass passage 11 is provided in parallel with the exhaust passage 6 so as to bypass or bypass the low-pressure stage turbine 3LT. 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 is connected to the exhaust passage 6 on the downstream side of the low-pressure stage turbine 3LT and on 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の上流側もしくは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をバイパスすべく、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の排気通路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 on the upstream side or the inlet of the high-pressure turbine 3HT in the exhaust passage 6. An HP turbine bypass passage 14 is provided in parallel with the exhaust passage 6 so as to bypass the high-pressure turbine 3HT. The HP turbine bypass passage 14 is branched from the exhaust passage 6 at the position of the exhaust manifold 18 upstream of the variable nozzle 13, and is located 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の最上流部をなすもので、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 forms the most upstream portion 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をバイパスすべく、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の上流側の吸気通路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の上流側の吸気通路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 is provided in parallel with the intake passage 5 to bypass the high-pressure compressor 3HC. 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 merges with 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、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から、スロットルバルブ9と吸気マニホールド47の間の吸気通路5に延び、両者を連結する。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 to circulate 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 extends from the exhaust manifold 18 to the intake passage 5 between the throttle valve 9 and the intake manifold 47 and connects the two. 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に燃料を送る。デリバリパイプ23内に蓄圧された燃料は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. 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。   An electric FC fuel pump 15 is provided to supply fuel to the fuel cell 4. 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.

図2に示すが、低圧段ターボ過給機3Lおよび高圧段ターボ過給機3Hにそれぞれ潤滑用オイルと冷却水を供給するため、オイル供給装置61と冷却水供給装置71とが設けられている。オイル供給装置61は、電動式のオイル供給ポンプ62と、オイル供給ポンプ62から低圧段ターボ過給機3Lおよび高圧段ターボ過給機3Hにそれぞれ延びるLPオイル通路63およびHPオイル通路64と、LPオイル通路63およびHPオイル通路64に個別に設けられたLPオイル供給弁65およびHPオイル供給弁66とを備える。   As shown in FIG. 2, an oil supply device 61 and a cooling water supply device 71 are provided to supply lubricating oil and cooling water to the low-pressure stage turbocharger 3L and the high-pressure stage turbocharger 3H, respectively. . The oil supply device 61 includes an electric oil supply pump 62, an LP oil passage 63 and an HP oil passage 64 that extend from the oil supply pump 62 to the low-pressure turbocharger 3L and the high-pressure turbocharger 3H, respectively, An LP oil supply valve 65 and an HP oil supply valve 66 provided separately in the oil passage 63 and the HP oil passage 64 are provided.

同様に、冷却水供給装置71は、電動式の冷却水供給ポンプ72と、冷却水ポンプ72から低圧段ターボ過給機3Lおよび高圧段ターボ過給機3Hにそれぞれ延びるLP冷却水通路73およびHP冷却水通路74と、LP冷却水通路73およびHP冷却水通路74に個別に設けられたLP冷却水供給弁75およびHP冷却水供給弁76とを備える。   Similarly, the cooling water supply device 71 includes an electric cooling water supply pump 72, an LP cooling water passage 73 and an HP that extend from the cooling water pump 72 to the low-pressure turbocharger 3L and the high-pressure turbocharger 3H, respectively. A cooling water passage 74, and an LP cooling water supply valve 75 and an HP cooling water supply valve 76 provided individually in the LP cooling water passage 73 and the HP cooling water passage 74 are provided.

図1に戻って、その他、車両の各電気部品もしくは電装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。   Returning to FIG. 1, in addition, a battery 17 for supplying electric power to each electrical component or 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, Is 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.

また、吸気通路5から空気を抽出して燃料電池4に供給すべく、給気路25が設けられる。給気路25は、高圧段コンプレッサ3HCの下流側の吸気通路5から分岐して燃料電池4に接続する第1の給気路25A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から分岐して燃料電池4に接続する第2の給気路25Bとを含む。   An air supply path 25 is provided to extract air from the intake passage 5 and supply it to the fuel cell 4. The supply passage 25 is branched from the intake passage 5 on the downstream side of the high-pressure compressor 3HC and connected to the fuel cell 4, and the intake passage between the low-pressure compressor 3LC and the high-pressure compressor 3HC. 5 and a second air supply path 25 </ b> B branched from 5 and connected to the fuel cell 4.

具体的には、給気路25には給気制御弁26が設けられる。そして、HPコンプレッサバイパス弁21の下流側のHPコンプレッサバイパス通路20から分岐して給気制御弁26に接続する第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から分岐して給気制御弁26に接続する第2空気通路32と、給気制御弁26および燃料電池4を互いに接続する第3空気通路33とが設けられる。HPコンプレッサバイパス通路20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。   Specifically, an air supply control valve 26 is provided in the air supply path 25. The first air passage 31 branched from the HP compressor bypass passage 20 on the downstream side of the HP compressor bypass valve 21 and connected to the air supply control valve 26, and the HP compressor bypass passage 20 on the upstream side of the HP compressor bypass valve 21 A second air passage 32 that branches and connects to the air supply control valve 26 and a third air passage 33 that connects the air supply control valve 26 and the fuel cell 4 to each other are provided. A branch position of the first air passage 31 in the HP compressor bypass passage 20 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.

第1の給気路25Aは、HPコンプレッサバイパス通路20における下流端から分岐位置P1までの部分と、第1空気通路31と、第3空気通路33とによって形成される。   The first air supply passage 25 </ b> A is formed by a portion from the downstream end to the branch position P <b> 1 in the HP compressor bypass passage 20, the first air passage 31, and the third air passage 33.

また第2の給気路25Bは、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とによって形成される。   The second air supply passage 25B is formed by 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.

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。   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り、言い換えれば給気路25を第1の給気路25Aと第2の給気路25Bの少なくとも一方に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 the supply source of air (also referred to as FC air) supplied to the fuel cell 4, in other words, the air supply path 25 is connected to the first air supply path 25A and the second air supply path 25A. This is a valve for switching to at least one of the air supply paths 25B. 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の排気(FC排気という)を排気通路6に供給もしくは排出すべく、排気路27が設けられる。排気路27は、燃料電池4から延びて高圧段タービン3HTの上流側の排気通路6に接続する第1の排気路27Aと、燃料電池4から延びて高圧段タービン3HTおよび低圧段タービン3LTの間の排気通路6に接続する第2の排気路27Bとを含む。   Next, an exhaust passage 27 is provided in order to supply or discharge exhaust gas from the fuel cell 4 (referred to as FC exhaust) to the exhaust passage 6. The exhaust passage 27 extends from the fuel cell 4 and connects to the exhaust passage 6 upstream of the high-pressure turbine 3HT, and extends from the fuel cell 4 between the high-pressure turbine 3HT and the low-pressure turbine 3LT. And a second exhaust passage 27 </ b> B connected to the exhaust passage 6.

具体的には、排気路27には排気制御弁28が設けられる。そして、燃料電池4および排気制御弁28を互いに接続する第1排気通路34と、排気制御弁28から延びて排気マニホールド18に合流接続する第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に合流接続する第3排気通路36とが設けられる。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。   Specifically, an exhaust control valve 28 is provided in the exhaust path 27. A first exhaust passage 34 that connects the fuel cell 4 and the exhaust control valve 28 to each other, a second exhaust passage 35 that extends from the exhaust control valve 28 and joins the exhaust manifold 18, and extends from the exhaust control valve 28, HP A third exhaust passage 36 that joins and connects to the exhaust passage 6 downstream of the joining position of the turbine bypass passage 14 and upstream of the branching position of the LP turbine bypass passage 11 is provided. A joining position of the third exhaust passage 36 in the exhaust passage 6 is indicated by a symbol Q.

第1の排気路27Aは、第1排気通路34と第2排気通路35によって形成される。また第2の排気路27Bは、第1排気通路34と第3排気通路36によって形成される。   The first exhaust passage 27 </ b> A is formed by the first exhaust passage 34 and the second exhaust passage 35. The second exhaust passage 27 </ b> B is formed by the first exhaust passage 34 and the third exhaust passage 36.

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。   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排気の排出先を切り替えるための弁であり、言い換えれば排気路27を第1の排気路27Aと第2の排気路27Bの少なくとも一方に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 discharge destination of the FC exhaust discharged from the fuel cell 4, in other words, the exhaust path 27 is switched to at least one of the first exhaust path 27A and the second exhaust path 27B. It is a valve for. 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. .

次に、低圧段コンプレッサ3LCを迂回すべく、LP(低圧段)コンプレッサバイパス通路37が吸気通路5に並設される。LPコンプレッサバイパス通路37は、低圧段コンプレッサ3LCの上流側且つエアフローメータ7の下流側の吸気通路5から分岐され、高圧段コンプレッサ3HCの下流側且つHPコンプレッサバイパス通路20の分岐位置の上流側の吸気通路5に合流される。   Next, an LP (low pressure stage) compressor bypass passage 37 is juxtaposed with the intake passage 5 to bypass the low pressure compressor 3LC. The LP compressor bypass passage 37 is branched from the intake passage 5 upstream of the low-pressure stage compressor 3LC and downstream of the air flow meter 7, and is taken downstream of the high-pressure stage compressor 3HC and upstream of the branch position of the HP compressor bypass passage 20. It joins the passage 5.

そして、低圧段コンプレッサ3LCの上流側の吸気を低圧段コンプレッサ3LCとLPコンプレッサバイパス通路37の少なくとも一方に導くよう切替可能なLPコンプレッサバイパス弁38が設けられる。本実施形態の場合、LPコンプレッサバイパス弁38は単一の三方弁で構成され、吸気通路5におけるLPコンプレッサバイパス通路37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、LPコンプレッサバイパス通路37の分岐位置および低圧段コンプレッサ3LCの間の吸気通路5と、LPコンプレッサバイパス通路37とに個別に設けられた二方弁により、LPコンプレッサバイパス弁を形成しても構わない。   A switchable LP compressor bypass valve 38 is provided so as to guide intake air upstream of the low-pressure compressor 3LC to at least one of the low-pressure compressor 3LC and the LP compressor bypass passage 37. In the case of this embodiment, the LP compressor bypass valve 38 is constituted by a single three-way valve, and is installed at a branch position of the LP compressor bypass passage 37 in the intake passage 5. However, the type and installation position are arbitrary. For example, the LP compressor bypass valve may be formed by a two-way valve individually provided in the branch position of the LP compressor bypass passage 37 and the intake passage 5 between the low-pressure compressor 3LC and the LP compressor bypass passage 37. Absent.

加えて、LPタービンバイパス通路11の分岐位置より下流側で且つ低圧段タービン3LTの上流側の排気通路6には、LP(低圧段)タービン遮断弁39が設けられる。このLPタービン遮断弁39とウェイストゲート弁12は、LPタービンバイパス弁を構成する。後に理解されるが、LPタービンバイパス弁は、低圧段タービン3LTの上流側の排気を、低圧段タービン3LTとLPタービンバイパス通路11の少なくとも一方に導くよう切替可能な弁である。   In addition, an LP (low pressure stage) turbine shut-off valve 39 is provided in the exhaust passage 6 downstream of the branch position of the LP turbine bypass passage 11 and upstream of the low pressure turbine 3LT. The LP turbine cutoff valve 39 and the waste gate valve 12 constitute an LP turbine bypass valve. As will be understood later, the LP turbine bypass valve is a switchable valve that guides the exhaust gas upstream of the low-pressure stage turbine 3LT to at least one of the low-pressure stage turbine 3LT and the LP turbine bypass passage 11.

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、キースイッチ53、ブレーキスイッチ54、車速センサ55、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、排気制御弁28、LPコンプレッサバイパス弁38およびLPタービン遮断弁39に対しそれぞれ制御信号を出力し、これらを制御する。   In addition to the air flow meter 7 described above, the ECU 100 inputs various signals from the crank angle sensor 51, the accelerator opening sensor 52, the key switch 53, the brake switch 54, the vehicle speed sensor 55, and other various sensors and switches. 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, the exhaust control valve 28, the LP compressor bypass valve 38, and the LP turbine shut-off valve 39, 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)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が装備されている。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。   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.

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、特に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することができる。   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 particularly 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、一般的な車両の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 when driving a general 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出力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 output 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。つまり過給仕事は、HPターボ3HからLPターボ3Lへと徐々に移行していく。   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. That is, the supercharging work gradually shifts from the HP turbo 3H to the LP turbo 3L.

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。遷移領域は比較的狭いエンジン回転数の幅の領域である。   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. The transition area is an area having a relatively narrow engine speed.

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。このとき以外ウェイストゲート弁12は閉止されている。   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. Except this time, the waste gate valve 12 is closed.

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。   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.

また上記の如きエンジン本体2の運転中は、LPタービン遮断弁39が開放され、LPタービン3LTに向かってエンジン排気が流れることが許容されている。またLPコンプレッサバイパス弁38がLPコンプレッサ3LC側に切り替えられ、エンジン吸気がLPコンプレッサバイパス通路37を通過せず、LPコンプレッサ3LCのみを通過するようになっている。   During operation of the engine body 2 as described above, the LP turbine shut-off valve 39 is opened, and engine exhaust is allowed to flow toward the LP turbine 3LT. Further, the LP compressor bypass valve 38 is switched to the LP compressor 3LC side so that the engine intake air does not pass through the LP compressor bypass passage 37 but passes only through the LP compressor 3LC.

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の作動中、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 of the present embodiment including the multi-stage turbocharger system (3L, 3H) and the fuel cell 4 allows the air supplied to the fuel cell 4 to be supplied to the HP compressor 3HC or LP compressor 3LC during the operation of the fuel cell 4. It extracts from the intake passage 5 on the downstream side. 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の作動中、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 while the fuel cell 4 is in operation. Thereby, the FC exhaust can be effectively used for driving the HP turbine 3HT or the LP turbine 3LT.

例えば、HPターボ3Hの作動領域、すなわち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において、ECU100は、給気路25を第1の給気路25Aに切り替え、すなわち第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給気制御弁26を切り替える。すると、過給を行っている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の給気路25Aを通じて燃料電池4に供給される。   For example, in the operating region of the HP turbo 3H, that is, in the low rotation region where the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are fully closed, the ECU 100 switches the supply passage 25 to the first supply passage 25A, That is, the air supply control valve 26 is switched so that the third air passage 33 is connected to or communicates only with the first air passage 31. Then, air is extracted from the downstream side of the HP compressor 3HC performing supercharging, and this air is supplied to the fuel cell 4 through the first air supply path 25A.

またこのときECU100は、排気路27を第1の排気路27Aに切り替え、すなわち第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排気制御弁28を切り替える。すると、燃料電池4から排出されたFC排気は、第1の排気路27Aを通じてHPタービン3HTの上流側の排気通路6(具体的には排気マニホールド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。   Further, at this time, the ECU 100 switches the exhaust control valve 28 so that the exhaust path 27 is switched to the first exhaust path 27A, that is, the first exhaust path 34 is connected to or communicates only with the second exhaust path 35. Then, the FC exhaust discharged from the fuel cell 4 is supplied or discharged to the exhaust passage 6 (specifically, the exhaust manifold 18) on the upstream side of the HP turbine 3HT through the first exhaust passage 27A. This supplied or exhausted FC exhaust can be effectively used for rotational driving of the HP turbine 3HT.

また例えば、LPターボ3Lの作動領域、すなわち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において、ECU100は、給気路25を第2の給気路25Bに切り替え、すなわち第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給気制御弁26を切り替える。すると、過給を行っているLPコンプレッサ3LCの下流側で且つHPコンプレッサ3HCの上流側から空気が抽出され、この空気が第2の給気路25Bを通じて燃料電池4に供給される。   Further, for example, in the operation region of the LP turbo 3L, that is, in the high rotation region where the HP turbine bypass valve 19 and the HP compressor bypass valve 21 are fully opened, the ECU 100 switches the supply passage 25 to the second supply passage 25B, That is, the air supply control valve 26 is switched so that the third air passage 33 is connected to or communicates only with the second air passage 32. Then, air is extracted from the downstream side of the LP compressor 3LC performing supercharging and the upstream side of the HP compressor 3HC, and this air is supplied to the fuel cell 4 through the second air supply path 25B.

またこのときECU100は、排気路27を第2の排気路27Bに切り替え、すなわち第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排気制御弁28を切り替える。すると、燃料電池4から排出されたFC排気は、第2の排気路27Bを通じて、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。   Further, at this time, the ECU 100 switches the exhaust control valve 28 so that the exhaust path 27 is switched to the second exhaust path 27B, that is, the first exhaust path 34 is connected or communicated only with the third exhaust path 36. Then, the FC exhaust discharged from the fuel cell 4 is supplied or discharged to the exhaust passage 6 between the HP turbine 3HT and the LP turbine 3LT through the second exhaust passage 27B. The supplied or discharged FC exhaust can be effectively used for the rotational drive of the LP turbine 3LT.

なお当然ながら、ECU100は、燃料電池4の作動中、FC燃料ポンプ15を作動させ、FC燃料調量弁16を開弁して、燃料電池4に燃料を供給する。   Of course, the ECU 100 operates the FC fuel pump 15 while the fuel cell 4 is operating, opens the FC fuel metering valve 16, and supplies fuel to the fuel cell 4.

ところで、前述したように、エンジン本体2が停止状態であるときに、燃料電池4による発電が必要となり、燃料電池4を作動させなければならない場合がある。ここでエンジン本体2が停止状態であるときとは、インジェクタ41による燃料噴射も点火プラグ42による点火も実行されておらず、クランクシャフトが回転停止している状態をいう。またエンジン本体2の停止には、後述するアイドルストップ制御の実行によりエンジン本体2が停止されている場合も含まれる。また燃料電池4による発電が必要な場合とは、例えばエアコン等の電装品もしくは電気負荷が作動されたことにより、バッテリ残量が所定の閾値以下に低下した場合、あるいはバッテリ放電量が所定の閾値以上に増加した場合である。   Incidentally, as described above, when the engine body 2 is in a stopped state, power generation by the fuel cell 4 is required, and the fuel cell 4 may have to be operated. Here, when the engine body 2 is in a stopped state, the fuel injection by the injector 41 and the ignition by the spark plug 42 are not executed, and the crankshaft is stopped rotating. Further, the stop of the engine body 2 includes a case where the engine body 2 is stopped by execution of idle stop control described later. In addition, the case where power generation by the fuel cell 4 is necessary is, for example, when the remaining battery level is reduced below a predetermined threshold due to the operation of an electrical component such as an air conditioner or an electric load, or the battery discharge amount is a predetermined threshold. This is the case when the number increases.

燃料電池4を作動させるには、燃料電池4に対し燃料を供給しなければならないのは勿論のこと、燃料電池4に対し必要な空気を送り、且つ燃料電池4からの排ガスを排出しなければならない。このため、低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hとの少なくとも一方を、エンジン本体2の停止中に作動させなければならない。   In order to operate the fuel cell 4, fuel must be supplied to the fuel cell 4 as well as necessary air must be sent to the fuel cell 4 and exhaust gas from the fuel cell 4 must be discharged. Don't be. For this reason, at least one of the low-pressure turbocharger 3L and the high-pressure turbocharger 3H must be operated while the engine body 2 is stopped.

しかし、これらのうちの何れを作動させるかについては、個々のターボ過給機の特性や燃料電池の特性等を考慮した十分な検討が必要である。また、その作動時において最大限効率を高められるよう工夫が必要である。   However, as to which of these is to be operated, it is necessary to fully consider the characteristics of the individual turbochargers and the characteristics of the fuel cell. In addition, it is necessary to devise so as to maximize the efficiency during the operation.

なお、低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hの少なくとも一方を作動させるため、エンジン本体2の停止を禁止したりエンジン本体2を再始動したりすることなどが考えられる。しかしこうすると、必然的に燃料を消費してしまい、燃費が悪化する。また再始動を自動的に行うこととすればユーザにとって予期せぬエンジン始動が起こり、違和感等の原因となる。   In order to operate at least one of the low-pressure turbocharger 3L and the high-pressure turbocharger 3H, it is possible to prohibit the engine body 2 from being stopped or restart the engine body 2. However, this inevitably consumes fuel, and the fuel efficiency deteriorates. Further, if the restart is automatically performed, the engine is unexpectedly started for the user, which causes a sense of incongruity.

そこで本実施形態では、エンジン本体2の停止中に燃料電池4を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させるべく、次のような制御を実行することとしている。   Therefore, in the present embodiment, when the fuel cell 4 is operated while the engine body 2 is stopped, the following control is executed in order to operate the optimum turbocharger with high efficiency.

まず第1に、エンジン本体2の停止中に燃料電池4を作動させるときには、高圧段ターボ過給機3Hを作動させ、もしくは使用するようにしている。すなわち、先のHPターボ3Hの作動領域もしくは低回転領域のときと同じように、燃料電池4から排出されたFC排気を第1の排気路27Aを通じてHPタービン3HTの上流側の排気通路6に排出し、この排出されたFC排気を利用してHPタービン3HTを回転駆動する。   First, when the fuel cell 4 is operated while the engine body 2 is stopped, the high-pressure turbocharger 3H is operated or used. That is, the FC exhaust discharged from the fuel cell 4 is discharged to the upstream side exhaust passage 6 of the HP turbine 3HT through the first exhaust passage 27A in the same manner as in the operation region or low rotation region of the HP turbo 3H. Then, the HP turbine 3HT is rotationally driven using the discharged FC exhaust gas.

そして、HPタービン3HTに同軸連結されたHPコンプレッサ3HCを回転させ、HPコンプレッサ3HCから空気を吐出させる。この吐出された空気を、第1の給気路25Aを通じて燃料電池4に供給する。   And HP compressor 3HC coaxially connected with HP turbine 3HT is rotated, and air is discharged from HP compressor 3HC. The discharged air is supplied to the fuel cell 4 through the first air supply path 25A.

併せて、燃料電池4に対し燃料供給を行う。   At the same time, fuel is supplied to the fuel cell 4.

すると継続的に、燃料電池4から排出されたFC排気によりHPタービン3HTおよびHPコンプレッサ3HCを回転駆動し、燃料電池4に空気を供給し、燃料電池4を自立運転させることができる。ここで「燃料電池が自立運転する」とは、燃料電池の排気によってタービンおよびコンプレッサを回転させ、これらをエンジン排気や他の外力により回転させなくても、すなわちエンジン本体2を作動させなくても、燃料電池への空気供給が可能となり、併せて燃料供給を行うことにより燃料電池が作動し、発電し続ける状態をいう。言い換えれば、燃料電池の排気のみによってタービンおよびコンプレッサを回転させ、燃料電池自らを作動させる状態をいう。   Then, continuously, the HP turbine 3HT and the HP compressor 3HC are rotationally driven by the FC exhaust discharged from the fuel cell 4, and air is supplied to the fuel cell 4 so that the fuel cell 4 can be operated independently. Here, “the fuel cell operates independently” means that the turbine and the compressor are rotated by the exhaust of the fuel cell, and these are not rotated by the engine exhaust or other external force, that is, the engine body 2 is not operated. In this state, air can be supplied to the fuel cell, and when the fuel is supplied, the fuel cell operates and continues to generate power. In other words, the fuel cell itself is operated by rotating the turbine and the compressor only by the exhaust of the fuel cell.

ところで、低圧段ターボ過給機3Lではなく高圧段ターボ過給機3Hを作動させる理由は次の通りである。   By the way, the reason for operating not the low-pressure turbocharger 3L but the high-pressure turbocharger 3H is as follows.

低圧段ターボ過給機3Lは高圧段ターボ過給機3Hに比べて大型かつ大容量であり、エンジン本体2の最高出力点で必要な空気量を賄えるようなサイズに設定されている。しかし、エンジン本体停止中に燃料電池4の発電に必要な空気量を送るには、低圧段ターボ過給機3Lは大きすぎ、これを作動させてもターボ効率の低いところでしか作動させることができない。よってシステム全体としての効率も低下してしまう。   The low-pressure stage turbocharger 3L is larger and larger in capacity than the high-pressure stage turbocharger 3H, and is set to a size that can cover the required air amount at the highest output point of the engine body 2. However, the low-pressure stage turbocharger 3L is too large to send the amount of air necessary for power generation of the fuel cell 4 while the engine body is stopped, and even if it is operated, it can be operated only at low turbo efficiency. . Therefore, the efficiency of the entire system is also reduced.

図3は、低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hとでコンプレッサの特性を比較したコンプレッサマップである。横軸はコンプレッサ空気流量、縦軸は圧力比を示す。一点鎖線は低圧段ターボ過給機3Lの特性を示し、実線は高圧段ターボ過給機3Lの特性を示す。図から分かるように、高圧段ターボ過給機3Lの特性は低圧段ターボ過給機3Lの特性に対し低流量側且つ低圧力比側にずれている。   FIG. 3 is a compressor map in which the characteristics of the compressor are compared between the low pressure turbocharger 3L and the high pressure turbocharger 3H. The horizontal axis represents the compressor air flow rate, and the vertical axis represents the pressure ratio. A one-dot chain line indicates the characteristics of the low-pressure turbocharger 3L, and a solid line indicates the characteristics of the high-pressure turbocharger 3L. As can be seen from the figure, the characteristics of the high pressure turbocharger 3L are shifted to the low flow rate side and the low pressure ratio side with respect to the characteristics of the low pressure turbocharger 3L.

ηL、ηHはそれぞれ、低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hにおいてコンプレッサ効率が比較的高い閾値以上となる高効率領域を示す。SL、SHはそれぞれ、低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hのサージ限界を示す。NL、NHはそれぞれ、低圧段ターボ過給機3Lと高圧段ターボ過給機3Hにおいて同一のタービン回転数であるときの作動線を示す。星印で示すXは、エンジン本体停止中に燃料電池4を作動させたときの作動点を示す。 η L and η H indicate high efficiency regions in which the compressor efficiency is equal to or higher than a relatively high threshold in the low pressure turbocharger 3L and the high pressure turbocharger 3H, respectively. S L, S H, respectively, shows the surge limit of the low-pressure stage turbocharger 3L and high-pressure stage turbocharger 3H. N L and N H respectively indicate operation lines when the low-speed turbocharger 3L and the high-pressure turbocharger 3H have the same turbine speed. X indicated by an asterisk indicates an operating point when the fuel cell 4 is operated while the engine body is stopped.

図から分かるように、エンジン本体停止中に低圧段ターボ過給機3Lを作動させても、作動点Xが高効率領域ηLから外れてしまい、高いターボ効率を得ることができない。これに対し、エンジン本体停止中に高圧段ターボ過給機3Hを作動させると、作動点Xが高効率領域ηHに入るようになり、高いターボ効率を得ることができる。 As can be seen, even by operating the low-pressure stage turbocharger 3L while stopping the engine body, the operating point X is deviates from a high efficiency region eta L, it is impossible to obtain a high turbo efficiency. In contrast, when operating the high-pressure stage turbocharger 3H during stoppage engine body, now operating point X enters the high efficiency region eta H, it is possible to obtain a high turbo efficiency.

よって、エンジン本体停止中、燃料電池4の作動に必要な空気量を送るには、低圧段ターボ過給機3Lよりもむしろ高圧段ターボ過給機3Hの方がサイズ的に適している。それ故、高圧段ターボ過給機3Hを作動させることによりターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができ、有利である。   Therefore, in order to send the amount of air necessary for the operation of the fuel cell 4 while the engine body is stopped, the high-pressure stage turbocharger 3H is more suitable in size than the low-pressure stage turbocharger 3L. Therefore, by operating the high-pressure stage turbocharger 3H, it is possible to increase the turbo efficiency and thus the overall system efficiency, which is advantageous.

第2に、エンジン本体2の停止中に燃料電池4を作動させるときには、低圧段コンプレッサ3LCの上流側の吸気をLPコンプレッサバイパス通路37に導くようLPコンプレッサバイパス弁38を切り替える。   Second, when the fuel cell 4 is operated while the engine body 2 is stopped, the LP compressor bypass valve 38 is switched so as to guide the intake air upstream of the low-pressure stage compressor 3LC to the LP compressor bypass passage 37.

すると、吸気が低圧段コンプレッサ3LCを通過せず、LPコンプレッサバイパス通路37を通過して高圧段コンプレッサ3HCに供給されるようになる。これにより流路抵抗を低減すると共に、吸気が低圧段コンプレッサ3LCを駆動することによる損失を低減し、吸気を効率良く高圧段コンプレッサ3HCに供給することができる。そして結果的にターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができる。   Then, the intake air does not pass through the low-pressure stage compressor 3LC but passes through the LP compressor bypass passage 37 and is supplied to the high-pressure stage compressor 3HC. As a result, the flow resistance is reduced, and loss due to the intake air driving the low-pressure compressor 3LC is reduced, and the intake air can be efficiently supplied to the high-pressure compressor 3HC. As a result, it is possible to increase the turbo efficiency and thus the efficiency of the entire system.

このように本実施形態によれば、エンジン本体2の停止中に燃料電池4を作動させる際、最適なターボ過給機を高効率で作動させることが可能である。   As described above, according to this embodiment, when the fuel cell 4 is operated while the engine body 2 is stopped, it is possible to operate the optimum turbocharger with high efficiency.

以下、本実施形態における制御をより詳細に説明する。まず本実施形態で実行可能なアイドルストップ制御について説明する。   Hereinafter, the control in the present embodiment will be described in more detail. First, idle stop control that can be executed in the present embodiment will be described.

アイドルストップ制御とは、概して、車両がアイドル停車するような所定の停止条件が成立したときにエンジン本体2を自動停止し、その後所定の解除条件が成立したときにエンジン本体2を自動的に再始動する制御である。停止条件が成立したとき、エンジン本体2における燃料噴射および点火は停止され、解除条件が成立したとき、エンジン本体2における燃料噴射および点火が再開され、スタータモータ18がオンされてエンジン本体2が再始動される。なおアイドルストップ制御は、スタートアンドストップ制御、またはアイドルリダクション制御とも称される。   In general, the idle stop control means that the engine body 2 is automatically stopped when a predetermined stop condition is established such that the vehicle is idle stopped, and then the engine body 2 is automatically restarted when a predetermined release condition is satisfied. This is the control to start. When the stop condition is satisfied, the fuel injection and ignition in the engine body 2 are stopped, and when the release condition is satisfied, the fuel injection and ignition in the engine body 2 are restarted, the starter motor 18 is turned on, and the engine body 2 is restarted. It is started. Note that the idle stop control is also referred to as start-and-stop control or idle reduction control.

例えば、停止条件は次の各条件が全て成立したときに成立する。
(1)ブレーキペダルが踏み込まれている(ブレーキスイッチ54等の出力により判断)。
(2)アクセルペダルが踏み込まれていない(アクセル開度センサ52の出力により判断)。
(3)車速が、ゼロより若干高い所定車速(例えば8km/h)以下となっている(車速センサ55の出力により判断)。
(4)エンジン回転数が、目標アイドル回転数(例えば800rpm)より若干高い所定回転数(例えば1000rpm)以下となっている(エンジン回転数はクランク角センサ31の出力に基づき計算される)。
For example, the stop condition is satisfied when all of the following conditions are satisfied.
(1) The brake pedal is depressed (determined by the output of the brake switch 54, etc.).
(2) The accelerator pedal is not depressed (determined by the output of the accelerator opening sensor 52).
(3) The vehicle speed is equal to or less than a predetermined vehicle speed (for example, 8 km / h) slightly higher than zero (determined by the output of the vehicle speed sensor 55).
(4) The engine speed is equal to or lower than a predetermined speed (for example, 1000 rpm) slightly higher than the target idle speed (for example, 800 rpm) (the engine speed is calculated based on the output of the crank angle sensor 31).

また例えば、解除条件は、エンジン本体2の停止中に上記条件(1)〜(3)の少なくとも一つが不成立となったときに成立する。   Further, for example, the release condition is satisfied when at least one of the above conditions (1) to (3) is not satisfied while the engine body 2 is stopped.

次に、エンジン本体2の停止中に燃料電池4を作動もしくは自立運転させるときの制御について、図4〜6を参照しつつ説明する。   Next, control when the fuel cell 4 is operated or operated independently while the engine body 2 is stopped will be described with reference to FIGS.

図4は、エンジン本体停止前後における各弁等の作動を示す。ここでは、エンジン本体停止前にエンジン本体2がアイドル運転され、且つ燃料電池4が作動されており、その最中に前記アイドルストップ制御の実行によりエンジン本体2が停止され、燃料電池4は引き続き作動されている例を説明する。図4において、t1は車両が停止された時点、t2はエンジン本体が停止された時点である。エンジン本体停止前には前述の低回転領域のときの作動状態、すなわちHPターボ3Hのみが実質的に作動されている状態となっている。   FIG. 4 shows the operation of each valve and the like before and after the engine body is stopped. Here, the engine body 2 is idled before the engine body is stopped, and the fuel cell 4 is operated. During this time, the engine body 2 is stopped by the execution of the idle stop control, and the fuel cell 4 continues to operate. An example is described. In FIG. 4, t1 is the time when the vehicle is stopped, and t2 is the time when the engine body is stopped. Before the engine main body is stopped, the operation state in the low rotation region described above, that is, only the HP turbo 3H is substantially operated.

図4(A)に示すように、エンジン本体が停止されたとき、エンジン回転数はアイドル回転数Niからゼロに変化する。また図4(B)に示すように、エンジン本体が停止されたとき、LPタービン回転数はアイドル時の速度NtLiから徐々にゼロに変化する。   As shown in FIG. 4A, when the engine body is stopped, the engine speed changes from the idle speed Ni to zero. Further, as shown in FIG. 4B, when the engine body is stopped, the LP turbine rotation speed gradually changes from the idling speed NtLi to zero.

一方、図4(C)に示すように、エンジン本体が停止されたとき、HPタービン回転数は、アイドル時の速度NtHiから、より低速の回転数NtH1(>0)へと徐々に変化し、この回転数NtH1を維持する。前述したようにHPターボ3Hが自立運転されるからである。   On the other hand, as shown in FIG. 4C, when the engine main body is stopped, the HP turbine rotational speed gradually changes from the idle speed NtHi to a lower rotational speed NtH1 (> 0). This rotational speed NtH1 is maintained. This is because the HP turbo 3H is independently operated as described above.

図4(D)に示すように、スロットルバルブ9は、エンジン本体停止前にはアイドル時の開度THiに制御されているが、エンジン本体停止後にはアイドル時の開度THiよりも少ない開度に制御され、本実施形態では吸気通路5を完全に閉じるような全閉位置(開度=0)に制御される。   As shown in FIG. 4D, the throttle valve 9 is controlled to the opening degree THi at the time of idling before the engine body stops, but the opening degree is smaller than the opening degree THi at the time of idling after the engine body stops. In this embodiment, the fully closed position (opening degree = 0) is set so that the intake passage 5 is completely closed.

図4(E)に示すように、EGR弁47は、エンジン本体停止前にはアイドル時の開度Vegriに制御されているが、エンジン本体停止後にはアイドル時の開度Vegriよりも少ない開度に制御され、本実施形態ではEGR通路45を完全に閉じるような全閉位置(開度=0)に制御される。   As shown in FIG. 4E, the EGR valve 47 is controlled to the opening degree Vegri at the time of idling before the engine body stops, but after the engine body stops, the opening degree is smaller than the opening degree Vegri at the time of idling. In this embodiment, the fully closed position (opening degree = 0) is set so that the EGR passage 45 is completely closed.

図4(F)に示すように、HPコンプレッサバイパス弁21は、エンジン本体停止前後において全閉とされる。   As shown in FIG. 4F, the HP compressor bypass valve 21 is fully closed before and after the engine body is stopped.

図4(G)に示すように、給気制御弁26は、エンジン本体停止前後において、空気をHPコンプレッサ3HCの下流側から抽出するような位置、言い換えれば給気路25を第1の給気路25Aに切り替えるような位置に制御される。この位置をHP側位置と称し、図中「HP」で表記する。   As shown in FIG. 4G, the air supply control valve 26 is located at a position where air is extracted from the downstream side of the HP compressor 3HC before and after stopping the engine body, in other words, the air supply passage 25 is provided with the first air supply. The position is controlled to switch to the path 25A. This position is referred to as the HP side position and is represented by “HP” in the figure.

なお、空気をLPコンプレッサ3LCの下流側且つHPコンプレッサ3HCの上流側から抽出するような位置、言い換えれば給気路25を第2の給気路25Bに切り替えるような位置をLP側位置と称し、図中「LP」で表記する。   A position where air is extracted from the downstream side of the LP compressor 3LC and the upstream side of the HP compressor 3HC, in other words, a position where the air supply path 25 is switched to the second air supply path 25B is referred to as an LP side position. Indicated in the figure as “LP”.

図4(H)に示すように、ウェイストゲート弁12は、エンジン本体停止前には全閉位置に制御されているが、エンジン本体停止後には開放され、特に全閉より大きい開度、好ましくは全開位置に制御される。   As shown in FIG. 4 (H), the waste gate valve 12 is controlled to a fully closed position before the engine main body is stopped, but is opened after the engine main body is stopped, and particularly, an opening larger than the fully closed, preferably It is controlled to the fully open position.

図4(I)に示すように、LPタービン遮断弁39は、エンジン本体停止前には全開位置に制御されているが、エンジン本体停止後には閉止され、特に全閉位置に制御される。   As shown in FIG. 4 (I), the LP turbine shut-off valve 39 is controlled to the fully open position before the engine main body is stopped, but is closed after the engine main body is stopped, and is particularly controlled to the fully closed position.

図4(J)に示すように、HPタービンバイパス弁19は、エンジン本体停止前後において全閉とされる。   As shown in FIG. 4J, the HP turbine bypass valve 19 is fully closed before and after the engine body is stopped.

図4(K)に示すように、排気制御弁28は、エンジン本体停止前後において、FC排気をHPタービン3HTの上流側に供給するような位置、言い換えれば排気路27を第1の給気路27Aに切り替えるような位置に制御される。この位置をHP側位置と称し、図中「HP」で表記する。   As shown in FIG. 4 (K), the exhaust control valve 28 is located at a position where FC exhaust is supplied to the upstream side of the HP turbine 3HT before and after stopping the engine body, in other words, the exhaust passage 27 is connected to the first air supply passage. The position is switched to 27A. This position is referred to as the HP side position and is represented by “HP” in the figure.

なお、FC排気をHPタービン3HTの下流側LP且つLPタービン3LTの上流側に供給するような位置、言い換えれば排気路27を第2の排気路27Bに切り替えるような位置をLP側位置と称し、図中「LP」で表記する。   A position where FC exhaust is supplied to the downstream side LP of the HP turbine 3HT and the upstream side of the LP turbine 3LT, in other words, a position where the exhaust passage 27 is switched to the second exhaust passage 27B is referred to as an LP side position. Indicated in the figure as “LP”.

図4(L)に示すように、LPターボ3L用の潤滑用オイルと冷却水は、エンジン本体停止前にはLPターボ3Lに供給(ON)されるが、エンジン本体停止後には供給停止(OFF)される。エンジン本体停止に伴ってLPターボ3Lが停止されるからである(図4(B)参照)。   As shown in FIG. 4L, the lubricating oil and cooling water for the LP turbo 3L are supplied (ON) to the LP turbo 3L before the engine body stops, but the supply is stopped (OFF) after the engine body stops. ) This is because the LP turbo 3L is stopped when the engine body is stopped (see FIG. 4B).

図4(M)に示すように、HPターボ3H用の潤滑用オイルと冷却水は、エンジン本体停止前後においてHPターボ3Hに供給(ON)される。エンジン本体停止後も引き続きHPターボ3Hが作動されるからである(図4(C)参照)。   As shown in FIG. 4M, the lubricating oil and cooling water for the HP turbo 3H are supplied (ON) to the HP turbo 3H before and after the engine body is stopped. This is because the HP turbo 3H is continuously operated even after the engine body is stopped (see FIG. 4C).

図2に示すように、エンジン本体停止前には、オイル供給ポンプ62と冷却水供給ポンプ72が作動され、LPオイル供給弁65、HPオイル供給弁66、LP冷却水供給弁75およびHP冷却水供給弁76はいずれも開とされる。他方、エンジン本体停止後には、オイル供給ポンプ62と冷却水供給ポンプ72が作動され、LPオイル供給弁65およびLP冷却水供給弁75が閉とされる一方、HPオイル供給弁66およびHP冷却水供給弁76は開とされる。   As shown in FIG. 2, before the engine main body is stopped, the oil supply pump 62 and the cooling water supply pump 72 are operated, and the LP oil supply valve 65, the HP oil supply valve 66, the LP cooling water supply valve 75, and the HP cooling water. Both supply valves 76 are opened. On the other hand, after the engine body is stopped, the oil supply pump 62 and the cooling water supply pump 72 are operated, and the LP oil supply valve 65 and the LP cooling water supply valve 75 are closed, while the HP oil supply valve 66 and the HP cooling water are closed. The supply valve 76 is opened.

図4(N)に示すように、LPコンプレッサバイパス弁38は、エンジン本体停止前には、LPコンプレッサ3LCの上流側の吸気をLPコンプレッサ3LCに導くような位置に制御される。この位置をLP側位置と称し、図中「LP」で表記する。   As shown in FIG. 4N, the LP compressor bypass valve 38 is controlled to a position that guides the intake air upstream of the LP compressor 3LC to the LP compressor 3LC before the engine body stops. This position is referred to as the LP side position and is represented by “LP” in the figure.

他方、LPコンプレッサバイパス弁38は、エンジン本体停止後には、LPコンプレッサ3LCの上流側の吸気をLPコンプレッサバイパス通路37に導くような位置、言い換えればHPコンプレッサ3HCに供給するような位置に制御される。この位置をHP側位置と称し、図中「HP」で表記する。   On the other hand, the LP compressor bypass valve 38 is controlled to a position where the intake air on the upstream side of the LP compressor 3LC is guided to the LP compressor bypass passage 37, in other words, a position where it is supplied to the HP compressor 3HC after the engine main body is stopped. . This position is referred to as the HP side position and is represented by “HP” in the figure.

これらの各弁等の作動に対応した、エンジン本体停止前(アイドル運転時)における空気、エンジン排気およびFC排気の流れは、図5に示す通りである。   The flow of air, engine exhaust, and FC exhaust before the engine main body stops (during idle operation) corresponding to the operation of these valves and the like is as shown in FIG.

エンジン排気は、HPタービン3HTに供給されてHPタービン3HTを駆動した後、LPタービン3LT、排気浄化触媒10を順次通過して外部に排出される。   The engine exhaust is supplied to the HP turbine 3HT to drive the HP turbine 3HT, and then sequentially passes through the LP turbine 3LT and the exhaust purification catalyst 10 and is discharged to the outside.

また吸気(空気)は、LPコンプレッサ3LCを通過してHPコンプレッサ3HCに供給され、ここで若干昇圧された後、インタークーラ8、スロットルバルブ9を順次通過してエンジン本体2に供給される。   The intake air (air) passes through the LP compressor 3LC and is supplied to the HP compressor 3HC, where it is slightly boosted, and then passes through the intercooler 8 and the throttle valve 9 in order to be supplied to the engine body 2.

エンジン排気の一部であるEGRガスは、EGR弁47を通過して吸気通路5に至る。   EGR gas which is a part of engine exhaust passes through the EGR valve 47 and reaches the intake passage 5.

FC排気は、第1の排気路27Aを通じて排気マニホールド18に供給され、ここでエンジン排気と合流された後、HPタービン3HTの駆動に供される。   The FC exhaust is supplied to the exhaust manifold 18 through the first exhaust passage 27A, where it is merged with the engine exhaust, and then used for driving the HP turbine 3HT.

FC空気は、HPコンプレッサ3HCの下流側から抽出され、第1の給気路25Aを通じて燃料電池4に供給される。   The FC air is extracted from the downstream side of the HP compressor 3HC and supplied to the fuel cell 4 through the first air supply path 25A.

次に、エンジン本体停止後もしくは停止中における空気およびFC排気の流れは、図6に示す通りである。ここでエンジン本体2が停止されているので、エンジン排気の流れはない。   Next, the flow of air and FC exhaust after or after the engine main body is stopped is as shown in FIG. Since the engine body 2 is stopped here, there is no flow of engine exhaust.

FC排気は、エンジン本体停止前と同様、第1の排気路27Aを通じて排気マニホールド18に供給され、その後HPタービン3HTに供給されてHPタービン3HTを駆動する。そして、ウェイストゲート弁12が全開、LPタービン遮断弁39が全閉となっているので、FC排気は、LPタービン3LTに供給されず、LPタービンバイパス通路11を通過して排気浄化触媒10に至り、その後外部に排出される。   The FC exhaust is supplied to the exhaust manifold 18 through the first exhaust passage 27A and then supplied to the HP turbine 3HT to drive the HP turbine 3HT, as before the engine main body is stopped. Since the waste gate valve 12 is fully open and the LP turbine shut-off valve 39 is fully closed, the FC exhaust is not supplied to the LP turbine 3LT, but passes through the LP turbine bypass passage 11 and reaches the exhaust purification catalyst 10. And then discharged to the outside.

このように、FC排気のLPタービン3LTへの供給がLPタービン遮断弁39により阻止されるので、HPタービン3HTから排出されたFC排気をスムーズに外部に排出することができ、HPタービン3HTもしくはHPターボ3Hの駆動効率を高めることができる。またこれによりLPターボ3Lを非作動もしくは停止状態にすることができる。   In this way, the supply of FC exhaust to the LP turbine 3LT is blocked by the LP turbine shut-off valve 39, so that the FC exhaust discharged from the HP turbine 3HT can be smoothly discharged to the outside, and the HP turbine 3HT or HP The driving efficiency of the turbo 3H can be increased. In addition, the LP turbo 3L can thereby be deactivated or stopped.

また、EGR弁47が全閉とされるので、排気マニホールド18から吸気通路5へのFC排気の漏れ出しを阻止することができ、これによってもHPタービン3HTもしくはHPターボ3Hの駆動効率を高めることができる。   Further, since the EGR valve 47 is fully closed, leakage of FC exhaust from the exhaust manifold 18 to the intake passage 5 can be prevented, and this also increases the drive efficiency of the HP turbine 3HT or HP turbo 3H. Can do.

一方、LPコンプレッサバイパス弁38がHP側位置とされるので、吸気(空気)は、LPコンプレッサ3LCを通過せず、LPコンプレッサバイパス通路37を通過してHPコンプレッサ3HCに直接的に供給される。これにより流路抵抗を低減すると共に、吸気がLPコンプレッサ3LCを駆動することによる損失を低減し、吸気を効率良くHPコンプレッサ3HCに供給することができる。そして結果的にターボ効率ひいてはシステム全体の効率を高めることができる。   On the other hand, since the LP compressor bypass valve 38 is at the HP side position, the intake air (air) does not pass through the LP compressor 3LC but passes through the LP compressor bypass passage 37 and is directly supplied to the HP compressor 3HC. As a result, the flow resistance is reduced, and loss due to the intake air driving the LP compressor 3LC is reduced, and the intake air can be efficiently supplied to the HP compressor 3HC. As a result, it is possible to increase the turbo efficiency and thus the efficiency of the entire system.

その後吸気は、HPコンプレッサ3HCにより若干昇圧された後、インタークーラ8側に向かわず、その全量が第1の給気路25Aに直接的に供給される。スロットルバルブ9が、吸気通路5を完全に閉じるよう全閉とされているからである。これにより、吸気のエンジン本体2側への漏れ出しを阻止することができ、吸気を効率的に燃料電池4に供給することができる。   After that, the intake air is slightly boosted by the HP compressor 3HC, and does not go to the intercooler 8 side, but the entire amount is directly supplied to the first air supply path 25A. This is because the throttle valve 9 is fully closed so as to completely close the intake passage 5. As a result, it is possible to prevent the intake air from leaking to the engine body 2 side, and the intake air can be efficiently supplied to the fuel cell 4.

その後吸気は、FC空気として第1の給気路25Aを通過され、燃料電池4に供給される。   Thereafter, the intake air passes through the first supply passage 25 </ b> A as FC air and is supplied to the fuel cell 4.

なお、エンジン本体2および燃料電池4の停止状態から、燃料電池4のみを起動することが可能である。このときECU100は、比較的短い所定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、HPターボ3Hに初動を与える。このときHPコンプレッサ3HCから排出される空気により、燃料電池4が起動される。その後は、FC排気によりHPターボ3Hを作動させ続け、燃料電池4の自立運転を行う。このときにも、上記のようなエンジン本体停止後の作動が適用可能である。   It is possible to start only the fuel cell 4 from the stop state of the engine body 2 and the fuel cell 4. At this time, the ECU 100 turns on the starter motor 48 for a relatively short predetermined time, causes the engine body 2 to perform a motoring operation, and applies an initial motion to the HP turbo 3H. At this time, the fuel cell 4 is activated by the air discharged from the HP compressor 3HC. Thereafter, the HP turbo 3H is continuously operated by FC exhaust, and the fuel cell 4 is operated independently. Also at this time, the operation after stopping the engine body as described above is applicable.

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.

前記実施形態では、エンジン本体停止後、吸気がLPコンプレッサ3LCを通過せず、LPコンプレッサバイパス通路37のみを通過するよう、LPコンプレッサバイパス弁38を完全にHP側に切り替えた。しかしながら、吸気の一部がLPコンプレッサ3LCを通過し、吸気の残部がLPコンプレッサバイパス通路37を通過するよう、LPコンプレッサバイパス弁38をLP側とHP側の中間位置に切り替えてもよい。こうしても、流路抵抗の少ないLPコンプレッサバイパス通路37の方に吸気の大部分が流れ、前記同様の作用効果を得られると考えられるからである。   In the embodiment, after the engine main body is stopped, the LP compressor bypass valve 38 is completely switched to the HP side so that the intake air does not pass through the LP compressor 3LC but passes only through the LP compressor bypass passage 37. However, the LP compressor bypass valve 38 may be switched to an intermediate position between the LP side and the HP side so that a part of the intake air passes through the LP compressor 3LC and the remaining intake air passes through the LP compressor bypass passage 37. This is because most of the intake air flows to the LP compressor bypass passage 37 having a low flow resistance, and the same effect as described above can be obtained.

また前記実施形態では、エンジン本体停止後、FC排気がLPタービン3LTを通過せず、LPタービンバイパス通路11のみを通過するよう、LPタービン遮断弁39を全閉とした。しかし、LPタービン遮断弁39は必ずしも全閉とする必要はなく、FC排気の大部分をLPタービンバイパス通路11に導けるのであれば、僅かに開いていてもよく、FC排気の一部がLPタービン3LTを流れるのを許容してもよい。同様に、ウェイストゲート弁12は必ずしも全開とする必要はなく、全開より少ない開度であっても構わない。   In the embodiment, after the engine main body is stopped, the LP turbine shut-off valve 39 is fully closed so that the FC exhaust does not pass through the LP turbine 3LT but passes through only the LP turbine bypass passage 11. However, the LP turbine shut-off valve 39 does not necessarily need to be fully closed, and may be slightly opened as long as most of the FC exhaust gas can be guided to the LP turbine bypass passage 11, and part of the FC exhaust gas may be part of LP It may be allowed to flow through 3LT. Similarly, the waste gate valve 12 does not necessarily need to be fully opened, and may have an opening smaller than that of the fully opened state.

同様の考え方で、エンジン本体停止後、スロットルバルブ9を全閉より僅かに開いた開度としてもよいし、EGR弁47を全閉より僅かに開いた開度としてもよい。但しこれらは、アイドル時の開度よりは少ない開度とするのが好ましい。   In the same way, after the engine main body is stopped, the throttle valve 9 may be opened slightly more than fully closed, or the EGR valve 47 may be opened slightly more than fully closed. However, it is preferable to set these to an opening smaller than the opening at the time of idling.

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
9 スロットルバルブ
11 LPタービンバイパス通路
12 ウェイストゲート弁
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
37 LPコンプレッサバイパス通路
38 LPコンプレッサバイパス弁
39 LPタービン遮断弁
45 EGR通路
47 EGR弁
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 9 Throttle valve 11 LP turbine bypass passage 12 Waste gate valve 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 Air supply path 25A First air supply path 25B Second air supply path 26 Air supply control valve 27 Exhaust path 27A First exhaust path 27B Second exhaust path 28 Exhaust control valve 31 First air path 32 Second Air passage 33 Third air passage 34 First exhaust passage 35 Second exhaust passage 36 Third exhaust passage 37 LP compressor bypass passage 38 LP compressor bypass valve 39 LP turbine shut-off valve 45 EGR passage 47 EGR valve 51 Crank angle sensor 52 Accelerator open Degree sensor 100 Electronic control unit ( ECU)

Claims (5)

エンジン本体に接続された吸気通路および排気通路と、
前記排気通路の上流側に設けられた高圧段タービンおよび前記吸気通路の下流側に設けられた高圧段コンプレッサを有する高圧段ターボ過給機と、
前記排気通路の下流側に設けられた低圧段タービンおよび前記吸気通路の上流側に設けられた低圧段コンプレッサを有する低圧段ターボ過給機と、
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給すべく、前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路から分岐して前記燃料電池に接続する給気路と、
前記燃料電池の排気を排出すべく、前記燃料電池から延びて前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路に接続する排気路と、
前記低圧段コンプレッサを迂回すべく、前記低圧段コンプレッサの上流側の前記吸気通路から分岐して前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサの間の前記吸気通路に合流する低圧段コンプレッサバイパス通路と、
前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサと前記低圧段コンプレッサバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段コンプレッサバイパス弁と、
前記エンジン本体および前記低圧段コンプレッサバイパス弁を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段コンプレッサの上流側の吸気を前記低圧段コンプレッサバイパス通路に導くよう前記低圧段コンプレッサバイパス弁を切り替える
ことを特徴とする内燃機関。
An intake passage and an exhaust passage connected to the engine body,
A high-pressure stage turbocharger having a high-pressure stage turbine provided upstream of the exhaust passage and a high-pressure stage compressor provided downstream of the intake passage;
A low-pressure stage turbocharger having a low-pressure stage turbine provided downstream of the exhaust passage and a low-pressure stage compressor provided upstream of the intake passage;
A fuel cell;
An air supply path branched from the intake passage downstream of the high-pressure stage compressor and connected to the fuel cell to supply air to the fuel cell;
An exhaust passage extending from the fuel cell and connected to the exhaust passage upstream of the high-pressure turbine to exhaust the fuel cell exhaust;
A low-pressure compressor bypass passage that branches from the intake passage upstream of the low-pressure compressor and joins the intake passage between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor to bypass the low-pressure compressor;
A low pressure stage compressor bypass valve that is switchable to direct intake air upstream of the low pressure stage compressor to at least one of the low pressure stage compressor and the low pressure stage compressor bypass passage;
A control unit for controlling the engine body and the low-pressure compressor bypass valve;
With
The control unit switches the low-pressure stage compressor bypass valve to guide the intake air upstream of the low-pressure stage compressor to the low-pressure stage compressor bypass passage when the fuel cell is operated while the engine body is stopped. An internal combustion engine.
前記低圧段タービンを迂回すべく、前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路から分岐して前記低圧段タービンの下流側の前記排気通路に合流する低圧段タービンバイパス通路と、
前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンと前記低圧段タービンバイパス通路の少なくとも一方に導くよう切替可能な低圧段タービンバイパス弁と、
をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記低圧段タービンの上流側の排気を前記低圧段タービンバイパス通路に導くよう前記低圧段タービンバイパス弁を切り替える
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
A low-pressure turbine bypass passage that branches from the exhaust passage upstream of the low-pressure turbine and joins the exhaust passage downstream of the low-pressure turbine to bypass the low-pressure turbine;
A low-pressure turbine bypass valve that is switchable to guide exhaust upstream of the low-pressure turbine to at least one of the low-pressure turbine and the low-pressure turbine bypass passage;
Further comprising
The control unit switches the low-pressure stage turbine bypass valve to guide the exhaust gas upstream of the low-pressure stage turbine to the low-pressure stage turbine bypass passage when operating the fuel cell while the engine body is stopped. The internal combustion engine according to claim 1.
前記低圧段タービンバイパス弁は、前記低圧段タービンバイパス通路に設けられたウェイストゲート弁と、前記低圧段タービンバイパス通路の分岐位置より下流側で且つ前記低圧段タービンの上流側の前記排気通路に設けられた低圧段タービン遮断弁とを含み、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記ウェイストゲート弁を開放し、前記低圧段タービン遮断弁を閉止する
ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関。
The low-pressure stage turbine bypass valve is provided in a waste gate valve provided in the low-pressure stage turbine bypass passage, and in the exhaust passage downstream of the branch position of the low-pressure stage turbine bypass passage and upstream of the low-pressure stage turbine. A low-pressure stage turbine shut-off valve,
The internal combustion engine according to claim 2, wherein the control unit opens the waste gate valve and closes the low-pressure turbine shut-off valve when operating the fuel cell while the engine body is stopped. .
前記給気路の分岐位置より下流側の前記吸気通路に設けられたスロットルバルブをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記スロットルバルブをアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関。
A throttle valve provided in the intake passage downstream from the branch position of the air supply path;
4. The control unit according to claim 1, wherein when the fuel cell is operated while the engine main body is stopped, the control unit controls the throttle valve to an opening smaller than an opening during idling. The internal combustion engine according to one item.
前記高圧段タービンの上流側の前記排気通路から前記高圧段コンプレッサの下流側の前記吸気通路に延びるEGR通路と、前記EGR通路に設けられたEGR弁とをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記エンジン本体の停止中に前記燃料電池を作動させるとき、前記EGR弁をアイドル時の開度よりも少ない開度に制御する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の内燃機関。
An EGR passage extending from the exhaust passage upstream of the high-pressure turbine to the intake passage downstream of the high-pressure compressor; and an EGR valve provided in the EGR passage;
5. The control unit according to claim 1, wherein when the fuel cell is operated while the engine main body is stopped, the control unit controls the EGR valve to an opening smaller than an opening during idling. The internal combustion engine according to one item.
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