JP5831430B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関に係り、特にターボチャージャと燃料電池を備えた内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to an internal combustion engine provided with a turbocharger and a fuel cell.
内燃機関に燃料電池を組み合わせることが提案されている。例えば特許文献１は、燃料電池からのアノードオフガスを過給機のタービンハウジングに供給することを開示している。 It has been proposed to combine a fuel cell with an internal combustion engine. For example, Patent Document 1 discloses supplying anode off gas from a fuel cell to a turbine housing of a supercharger.
ターボチャージャを有する内燃機関に燃料電池を組み合わせる場合、燃料電池の排ガスをターボチャージャ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、燃料電池の排ガスをタービンの駆動に有効利用して効率およびターボレスポンスを高められるからである。 When a fuel cell is combined with an internal combustion engine having a turbocharger, it is advantageous to configure the exhaust gas of the fuel cell to be supplied to the turbine of the turbocharger. This is because the exhaust gas of the fuel cell can be effectively used for driving the turbine to improve efficiency and turbo response.
一方、燃料電池の排ガスをタービン上流側の排気マニホールドに供給することが考えられる。しかしこうすると次の問題がある。すなわち、内燃機関（具体的にはエンジン本体）が停止中で且つ燃料電池が作動中であるときに、燃料電池の排ガスを排気マニホールドに供給すると、燃料電池の排ガスに含まれる水分が排気マニホールド内で凝縮し、凝縮水を発生させる場合がある。一方、内燃機関の停止中にいずれかの気筒の排気弁が開いている場合、排気マニホールド内の凝縮水が排気ポートを通じて当該気筒のシリンダ内に浸入する可能性がある。すると、凝縮水がシリンダ内でオイル希釈を生じさせ、またウォーターハンマーの原因となる可能性がある。 On the other hand, it is conceivable to supply the exhaust gas from the fuel cell to the exhaust manifold on the upstream side of the turbine. However, this has the following problems: That is, when the exhaust gas of the fuel cell is supplied to the exhaust manifold when the internal combustion engine (specifically, the engine body) is stopped and the fuel cell is operating, the moisture contained in the exhaust gas of the fuel cell is contained in the exhaust manifold. May condense and generate condensed water. On the other hand, when the exhaust valve of any cylinder is open while the internal combustion engine is stopped, the condensed water in the exhaust manifold may enter the cylinder of the cylinder through the exhaust port. Then, the condensed water may cause oil dilution in the cylinder and may cause a water hammer.
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、燃料電池の排ガスを排気マニホールドに供給する場合に排気マニホールド内での凝縮水の発生を抑制し得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 thereof is an internal combustion engine that can suppress the generation of condensed water in the exhaust manifold when supplying exhaust gas from a fuel cell to the exhaust manifold. Is to provide.
本発明の一の態様によれば、
ターボチャージャと、
前記ターボチャージャのタービン上流側に配置された排気マニホールドと、
燃料電池と、
前記燃料電池の排ガスを前記排気マニホールドに供給する排気路と、
エンジン本体、前記排気マニホールドおよび前記燃料電池に接続された冷却水経路と、
前記冷却水経路を切り替えるための切替手段であって、前記エンジン本体の停止中で且つ前記燃料電池の作動中に、前記燃料電池を通過した後の前記冷却水を前記排気マニホールドに供給するよう前記冷却水経路を切り替える切替手段と、
を備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,
Turbocharger,
An exhaust manifold disposed upstream of the turbocharger turbine;
A fuel cell;
An exhaust passage for supplying exhaust gas of the fuel cell to the exhaust manifold;
A cooling water path connected to the engine body, the exhaust manifold and the fuel cell;
Switching means for switching the cooling water path, wherein the cooling water after passing through the fuel cell is supplied to the exhaust manifold while the engine body is stopped and the fuel cell is operating. Switching means for switching the cooling water path;
An internal combustion engine is provided.
好ましくは、前記切替手段は、前記エンジン本体の停止中で且つ前記燃料電池の作動中に、前記冷却水を、前記エンジン本体をバイパスさせて前記燃料電池に供給するよう前記冷却水経路を切り替える。 Preferably, the switching means switches the cooling water path so that the cooling water is supplied to the fuel cell by bypassing the engine main body while the engine main body is stopped and the fuel cell is operating.
好ましくは、前記切替手段は、前記エンジン本体の停止時間が所定時間以上となった時に前記エンジン本体をバイパスさせるよう、前記冷却水経路を切り替える。 Preferably, the switching means switches the cooling water path so that the engine main body is bypassed when the stop time of the engine main body reaches a predetermined time or more.
好ましくは、前記切替手段は、前記エンジン本体の停止中で且つ前記燃料電池の停止中に、前記冷却水を、前記燃料電池をバイパスさせて前記排気マニホールドに供給するよう前記冷却水経路を切り替える。 Preferably, the switching unit switches the cooling water path so as to bypass the fuel cell and supply the cooling water to the exhaust manifold while the engine main body is stopped and the fuel cell is stopped.
好ましくは、前記切替手段は、前記燃料電池の温度が所定温度以下となった時に前記燃料電池をバイパスさせるよう、前記冷却水経路を切り替える。 Preferably, the switching unit switches the cooling water path so as to bypass the fuel cell when the temperature of the fuel cell becomes a predetermined temperature or lower.
好ましくは、前記エンジン本体の停止がアイドルストップ制御によって実行されるものである。 Preferably, the engine body is stopped by idle stop control.
本発明によれば、燃料電池の排ガスを排気マニホールドに供給する場合に排気マニホールド内での凝縮水の発生を抑制し得る内燃機関を提供することができるという、優れた効果が発揮される。 According to the present invention, it is possible to provide an internal combustion engine that can suppress the generation of condensed water in the exhaust manifold when the exhaust gas of the fuel cell is supplied to the exhaust manifold.
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment 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、ターボチャージャ３および燃料電池４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は図示しない車両に搭載されており、具体的にはトルクコンバータおよび自動変速機を備えるオートマチック車に搭載されている。ターボチャージャ３は「Ｔ／Ｃ」とも表記され、エンジン本体２は「Ｅ／Ｇ」とも表記され、燃料電池４は「Ｆ／Ｃ」または「ＦＣ」とも表記される。
As shown in FIG. 1, an internal combustion engine (engine) 1 includes an
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は複数の気筒を含み、各気筒には燃料噴射用インジェクタと点火プラグとが設けられている。本実施形態のエンジン本体２は直列４気筒の構成を有する。
The
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、吸気通路５の途中にターボチャージャ３のコンプレッサ３Ｃが、また排気通路６の途中にターボチャージャ３のタービン３Ｔがそれぞれ配設されている。
An
吸気通路５において、コンプレッサ３Ｃ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、コンプレッサ３Ｃ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。
In the
排気通路６において、タービン３Ｔの下流側には排気浄化触媒１０が設けられている。図には一つの排気浄化触媒１０しか示されていないが、排気浄化触媒１０は複数設けられてもよい。本実施形態の場合、排気浄化触媒１０は三元触媒からなる。但し排気浄化触媒１０の種類は任意である。
In the
また排気通路６において、タービン３Ｔの上流側には排気マニホールド１９が配置されている。周知のように排気マニホールド１９は、エンジン本体２のシリンダヘッドに形成された各気筒の排気ポートを合流させるためのものである。本実施形態の排気マニホールド１９はエンジン本体２と別体に形成され、シリンダヘッドに取り付けられている。但し排気マニホールド１９はエンジン本体２、特にシリンダヘッドと一体に形成されていてもよい。
In the
また、タービン３Ｔをバイパスするバイパス通路１１が排気通路６に設けられ、エンジン本体２からの排気ガス（エンジン排気という）をタービン３Ｔを迂回してその下流側に流せるようになっている。バイパス通路１１は排気浄化触媒１０の上流側で排気通路６に合流される。バイパス通路１１にはウェイストゲート弁１２が設けられ、ウェイストゲート弁１２の開閉作動により過給圧が調節可能である。なお、このバイパス通路１１とウェイストゲート弁１２の代わりに、タービン入口部に可変ベーンあるいは可変ノズル（ＶＮ）を設けてもよい。
Further, a
ターボチャージャ３に冷却水と潤滑油とを供給すべく、それぞれ電動式の冷却水ポンプ１３と潤滑油ポンプ１４とがそれぞれ設けられる。
In order to supply cooling water and lubricating oil to the
またエンジン本体２と燃料電池４に燃料を供給すべく、電動式の燃料ポンプ１５が設けられる。燃料ポンプ１５はエンジン本体２と燃料電池４に共用とされるが、別体とされてもよい。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調量弁１６が設けられる。
An electric fuel pump 15 is provided to supply fuel to the
その他、車両の各電気部品に電力を供給するためのバッテリ１７と、主にエンジン本体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モータすなわちスタータモータ１８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１８は、エンジン本体２のクランクシャフトを適宜回転駆動する。
In addition, a
燃料電池４に空気を供給するための給気路２０が設けられる。給気路２０は、コンプレッサ下流側の吸気通路５から分岐して燃料電池４に接続する。これにより、コンプレッサ３Ｃから吐出された空気を燃料電池４に供給することができ、モータコンプレッサ等の空気源を別途設けなくて済む。なお給気路２０の分岐位置Ａはインタークーラ８の上流側である。
An
また給気弁２１が設けられる。給気弁２１は、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気をエンジン本体２および燃料電池４の一方または両方に導くよう切替可能である。本実施形態の場合、給気弁２１は、単一の三方弁で構成され、給気路２０の分岐位置Ａすなわち給気路２０と吸気通路５の接続位置に設けられている。しかしながら、給気弁は少なくとも二つの二方弁で構成されてもよい。この場合、分岐位置Ａより下流側の給気路２０と吸気通路５にそれぞれ二方弁を設ければよい。
An
給気弁２１は、コンプレッサ３Ｃ側の吸気通路５に接続される入口ポートと、エンジン本体２側の吸気通路５に接続される第１の出口ポートと、燃料電池４側の給気路２０に接続される第２の出口ポートとを有する。入口ポートが第１の出口ポートのみに接続されているとき、給気弁２１は第１の位置にあり、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気はエンジン本体２側のみに導かれる。入口ポートが第２の出口ポートのみに接続されているとき、給気弁２１は第２の位置にあり、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気は燃料電池４側のみに導かれる。給気弁２１が第１の位置と第２の位置との間の中間位置にあるとき、コンプレッサ３Ｃからの吐出空気はエンジン本体２側と燃料電池４側の両方に導かれる。こうして給気弁２１は、エンジン本体２および燃料電池４に対する空気流量比を０：１００（％）から１００：０（％）まで無段階で調節可変である。
The
また、燃料電池４の排ガス（ＦＣ排気という）を排気マニホールド１９に供給する排気路２２が設けられる。排気路２２は、燃料電池４から延びて排気マニホールド１９に接続する。
Further, an
エンジン１および車両を制御すべく、制御装置あるい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制御プログラム、データ、マップ等が記憶されており、ＥＣＵ１００はこれら制御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
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３１、アクセル開度センサ３２、キースイッチ３３、ブレーキスイッチ３４、車速センサ３５、ＦＣ温度センサ３６、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、点火プラグ、スロットルバルブ９、ウェイストゲート弁１２、冷却水ポンプ１３、潤滑油ポンプ１４、燃料ポンプ１５、調量弁１６、スタータモータ１８および給気弁２１に対し制御信号を出力し、これらを制御する。
In addition to the
ＥＣＵ１００には、エアコン、ヘッドライト、ワイパー、リヤデフォッガー等の複数の電気負荷３７（一つのみ図示）も接続され、ＥＣＵ１００はこれら電気負荷３７の作動状態をモニターする。またＥＣＵ１００は、ターボチャージャ３の作動中に冷却水ポンプ１３および潤滑油ポンプ１４をオンする。
A plurality of electric loads 37 (only one is shown) such as an air conditioner, a headlight, a wiper, and a rear defogger are connected to the
ここで燃料電池４について詳しく説明する。燃料電池４は、周知のように、空気と燃料（水素）との電気化学反応により発電する発電装置である。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 is a power generation device that 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、燃料極（アノード）、空気極（カソード）、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。空気極には、コンプレッサ３Ｃ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 a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and an electrolyte sandwiched between these electrodes with a separator interposed therebetween. Yes. The air electrode is substantially supplied with oxygen O 2 contained in the air sent from the compressor 3C. Hydrogen H 2 obtained by reforming liquid fuel (in this embodiment, gasoline) is substantially supplied to the fuel electrode. 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 of 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３Ｔ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
(2) Since the operating temperature is high, the fuel can be reformed inside, the reformer can be omitted, and the liquid fuel can be directly supplied.
(3) Power generation efficiency is relatively high (45 to 65%) and compact.
本実施形態の場合、燃料電池４は、主電源としてのバッテリ１７を充電するための発電装置、もしくは主電源を補助する補助電源として機能する。それ故、一般的なエンジンと異なり、本実施形態のエンジン１は、クランクシャフトによって機械的に駆動される発電機すなわちオルタネータを備えていない。このオルタネータの代わりに燃料電池４が設けられている。このように機械式発電機を省略することでエンジンのメカニカルロスを低減し、燃費を向上できる。もっとも、燃料電池４を機械式発電機と併用する実施形態や、燃料電池４を動力用等の他の用途に使用する実施形態も可能である。
In the case of this embodiment, the fuel cell 4 functions as a power generation device for charging the
ところで本実施形態において、ＥＣＵ１００は次の如きアイドルストップ制御を行う。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が起動される。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。
By the way, in this embodiment, ECU100 performs the following idle stop controls. In general, the idle stop control is a control in which the engine is automatically stopped when a predetermined stop condition is established such that the vehicle is idled and then the engine is automatically restarted when a predetermined release condition is satisfied. is there. When the stop condition is satisfied, the fuel injection in the
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３４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３２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３５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
(2) The accelerator pedal is not depressed (determined by the output of the accelerator opening sensor 32).
(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 35).
(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、上記条件（１）〜（４）の少なくとも一つが不成立となったときに成立する。 For example, the release condition is satisfied when at least one of the above conditions (1) to (4) is not satisfied.
次に、本実施形態のエンジン１の冷却システムを図２を参照して説明する。 Next, the cooling system of the engine 1 of this embodiment is demonstrated with reference to FIG.
当該冷却システムは、冷媒としての冷却水を各部に循環させて冷却を行うよう構成されている。冷却システムは、冷却対象としてのエンジン本体２、排気マニホールド１９および燃料電池４と、これらエンジン本体２、排気マニホールド１９および燃料電池４に接続された冷却水経路４０と、冷却水経路４０に設けられて冷却水を循環駆動するウォータポンプ４１と、冷却水経路４０に設けられて冷却水を適宜冷却するラジエータ４２とを備える。
The cooling system is configured to perform cooling by circulating cooling water as a refrigerant to each part. The cooling system is provided in the engine
エンジン本体２においては、シリンダヘッド２Ａおよびシリンダブロック２Ｂの内部に形成されたウォータジャケットに冷却水が流通され、シリンダブロック２Ｂからシリンダヘッド２Ａへと冷却水が流通されるようになっている。排気マニホールド１９はここで分かるように水冷式であり、その肉厚内部に冷却水通路が画成されている。燃料電池４もその内部に冷却水通路を有し、作動時に発熱する燃料電池４を冷却水で冷却するようになっている。ウォータポンプ４１は電動式で且つ可変容量型であり、ＥＣＵ１００（図１参照）により制御される。
In the
冷却水経路４０は、ウォータポンプ４１を出発してシリンダブロック２Ｂ、シリンダヘッド２Ａ、燃料電池４、排気マニホールド１９、ラジエータ４２を順に通過しウォータポンプ４１に戻るようなメイン通路４３と、エンジン本体２をバイパスするようにメイン通路４３に接続されたエンジンバイパス通路４４と、燃料電池４をバイパスするようにメイン通路４３に接続されたＦＣバイパス通路４５と、ラジエータ４６をバイパスするようにメイン通路４３に接続されたラジエータバイパス通路４６とを備える。
The cooling
エンジンバイパス通路４４は、ウォータポンプ４１の下流側且つシリンダブロック２Ｂの上流側でメイン通路４３から分岐され、シリンダヘッド２Ａの下流側且つ燃料電池４の上流側でメイン通路４３に合流される。エンジンバイパス通路４４の分岐位置にはエンジンバイパス弁４７が設けられる。エンジンバイパス弁４７は、ウォータポンプ４１からの冷却水をエンジン本体２側（メイン通路４３側もしくは非バイパス側）および燃料電池４側（エンジンバイパス通路４４側もしくはバイパス側）の一方に導くよう切替可能である。前者の切替位置を第１の位置、後者の切替位置を第２の位置という。本実施形態のエンジンバイパス弁４７は単一の三方弁で構成されるが、前記給気弁２１と同様、少なくとも二つの二方弁で構成されてもよい。エンジンバイパス弁４７の設置位置も任意である。
The
ＦＣバイパス通路４５は、シリンダヘッド２Ａの下流側且つ燃料電池４の上流側（特にエンジンバイパス通路４４の合流位置の上流側）でメイン通路４３から分岐され、燃料電池４の下流側且つ排気マニホールド１９の上流側でメイン通路４３に合流される。ＦＣバイパス通路４５の分岐位置にはＦＣバイパス弁４８が設けられる。ＦＣバイパス弁４８は、シリンダヘッド２Ａからの冷却水を燃料電池４側（メイン通路４３側もしくは非バイパス側）および排気マニホールド１９側（ＦＣバイパス通路４５側もしくはバイパス側）の一方に導くよう切替可能である。前者の切替位置を第１の位置、後者の切替位置を第２の位置という。本実施形態のＦＣバイパス弁４８も単一の三方弁で構成されるが、前記給気弁２１と同様、少なくとも二つの二方弁で構成されてもよい。ＦＣバイパス弁４８の設置位置も任意である。
The
ラジエータバイパス通路４６は、排気マニホールド１９の下流側且つラジエータ４６の上流側でメイン通路４３から分岐され、ラジエータ４６の下流側且つウォータポンプ４１の上流側でメイン通路４３に合流される。ラジエータバイパス通路４６の分岐位置にはサーモスタット４９が設けられる。サーモスタット４９は、周知のように、冷却水温度に感応して通路を切り替える弁である。本実施形態のサーモスタット４９は三方弁の如く機能し、排気マニホールド１９からの冷却水をラジエータ４６側（メイン通路４３側もしくは非バイパス側）およびウォータポンプ４１側（ラジエータバイパス通路４６側もしくはバイパス側）の一方に導くよう切替可能である。前者の切替位置を第１の位置、後者の切替位置を第２の位置という。
The
エンジンバイパス弁４７とＦＣバイパス弁４８はＥＣＵ１００（図１参照）により切替制御される。そしてエンジンバイパス弁４７、ＦＣバイパス弁４８およびサーモスタット４９の切替状態に応じて冷却水経路４０が切り替えられる。よってＥＣＵ１００、エンジンバイパス弁４７、ＦＣバイパス弁４８およびサーモスタット４９は、冷却水経路４０を切り替えるための切替手段を構成する。
The
なおサーモスタット４９は、冷却水温度が所定温度（例えば８２℃）以下のときには第２の位置に切り替わり、冷却水をラジエータバイパス通路４６に送ってウォータポンプ４１に直接戻す。またサーモスタット４９は、冷却水温度が所定温度より高いときには第１の位置に切り替わり、冷却水をラジエータ４２に送って冷却させた後にウォータポンプ４１に戻す。
The
上記冷却システムの構成によれば、冷却水経路４０をエンジン本体２および排気マニホールド１９のみならず燃料電池４にも接続している。よって燃料電池４の冷却系をエンジン本体２等の冷却系と一体化ないし共通化することができ、燃料電池４の冷却系を別個独立に設けないで済む。これにより構成のシンプル化を図ることができる。
According to the configuration of the cooling system, the cooling
また、燃料電池４を通過した後の冷却水をメイン通路４３を介して排気マニホールド１９に供給することができる。これによる利点は後に詳述する。
Further, the coolant after passing through the fuel cell 4 can be supplied to the
さて、図１に示した如く燃料電池４の排ガスを排気マニホールド１９に供給するようにした場合、次の問題がある。すなわち、エンジン本体２が停止中で且つ燃料電池４が作動中であるときに、燃料電池４の排ガスを排気マニホールド１９に供給すると、燃料電池４の排ガスに含まれる水分が排気マニホールド１９内で凝縮し、凝縮水を発生させる場合がある。一方、本実施形態のような直列４気筒エンジンの場合は特に、エンジン本体２の停止中に排気弁が開いている気筒がある。すると、排気マニホールド１９内の凝縮水が当該気筒の排気ポートを通じてシリンダ内に浸入する可能性がある。そして凝縮水がシリンダ内でオイル希釈を生じさせ、またウォーターハンマーの原因となる可能性がある。
When the exhaust gas of the fuel cell 4 is supplied to the
そこで本実施形態において、ＥＣＵ１００は、エンジン本体２の停止中で且つ燃料電池４の作動中に、燃料電池４を通過した後の冷却水を排気マニホールド１９に供給するよう冷却水経路４０を切り替える。これにより排気マニホールド１９内での凝縮水の発生を抑制することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
以下、この点について詳細に説明する。まずエンジン本体２の運転中で且つ燃料電池４も作動中だと、ＥＣＵ１００は、エンジンバイパス弁４７およびＦＣバイパス弁４８を共に基準位置としての第１の位置、つまりメイン通路４３側に切り替える。するとウォータポンプ４１から吐出された冷却水はシリンダブロック２Ｂ、シリンダヘッド２Ａ、燃料電池４、排気マニホールド１９を順に通過する。その後冷却水は、サーモスタット４９の位置に応じて、ラジエータ４２を通過するかまたはラジエータ４２をバイパスしてウォータポンプ４１に戻る。
Hereinafter, this point will be described in detail. First, when the
ここで、燃料電池４の作動・停止はＥＣＵ１００によって制御される。すなわちＥＣＵ１００は、バッテリ残量が所定値以下である場合や電気負荷３７による消費電力量が所定値以上である場合等、燃料電池４に対する作動要求があるときに、燃料電池４を作動させ、燃料電池４による発電を行わせる。またＥＣＵ１００は、作動要求がないときに燃料電池４を停止させる。なお作動要求を構成する条件は適宜設定可能である。燃料電池４の作動中、ＥＣＵ１００は、燃料電池４に供給される空気量および燃料量が最適となるように給気弁２１および調量弁１６を制御する。
Here, the operation / stop of the fuel cell 4 is controlled by the
この状態からエンジン本体２のみが、特にアイドルストップ制御の要請により一時的に、停止されたとする。燃料電池４は引き続き作動中である（ウォータポンプ４１も同様）。このエンジン本体２の停止中且つ燃料電池４の作動中、ＥＣＵ１００は、エンジンバイパス弁４７およびＦＣバイパス弁４８の切替状態を維持するよう、これらを第１の位置つまりメイン通路４３側に切り替える。
From this state, it is assumed that only the engine
すると、作動中の燃料電池４により加熱され比較的高温となった冷却水が排気マニホールド１９に供給され、排気マニホールド１９を加熱あるいは保温することができる。これにより、排気マニホールド１９内での凝縮水の発生を抑制することができ、凝縮水によるオイル希釈やウォーターハンマーを抑制することができる。なおエンジン本体２の停止中でも、作動中の燃料電池４から排出される冷却水は８０〜９０℃前後の温度を有し、排気マニホールド１９を加熱あるいは保温するのに十分である。
Then, the cooling water heated to a relatively high temperature by the operating fuel cell 4 is supplied to the
ここで、エンジン本体２の停止中且つ燃料電池４の作動中には、燃料電池４の排ガスが排気路２２、排気マニホールド１９および排気通路６を介してタービン３Ｔに供給され、タービン３Ｔを回転駆動する。するとコンプレッサ３Ｃも回転駆動され、コンプレッサ３Ｃからの空気が吸気通路５および給気路２０を介して燃料電池４に供給される。併せて燃料ポンプ１５が作動され、調量弁１６が開弁され、燃料電池４に燃料も供給される。これにより、エンジン本体２（クランクシャフト）が停止されながらもターボチャージャ３が作動され、燃料電池４が継続的に運転および発電し続ける自立運転状態が実現される。すなわち、自立運転状態とは、燃料電池の排ガスによってタービンおよびコンプレッサを回転させ、燃料電池への空気供給をできるようにし、併せて燃料供給を行うことにより燃料電池が運転し続ける状態をいう。
Here, when the
こうして、エンジン本体２の停止中に燃料電池４による発電を継続的に実行できる。またエンジン本体２の停止中にターボチャージャ３が作動されているので、エンジン本体の再始動時、特にドライバがアクセルペダルを踏み込んでアイドルストップ制御の解除と同時に発進加速を行ったとき、過給圧が急速に上昇し、ターボレスポンスを改善できる。
Thus, power generation by the fuel cell 4 can be continuously performed while the
ところで、エンジン本体２の停止中に、停止前（運転中）と同じく、冷却水にエンジン本体２を通過させることは、次の理由によりあまり得策ではない。
By the way, while the engine
すなわち、エンジン本体２の停止中に冷却水にエンジン本体２を通過させると、エンジン本体２が冷却水で徐々に冷却されてしまい、次回のエンジン始動、特にアイドルストップ制御におけるエンジン再始動に不利である。冷却水がラジエータ４２を通過されている場合は尚更である。またエンジン本体２から受熱して昇温された冷却水が燃料電池４に供給されてしまい、燃料電池４の冷却効率を低下させる原因となる。
That is, if the engine
そこで本実施形態では、エンジン本体２の停止中で且つ燃料電池４の作動中には、冷却水を、エンジン本体２をバイパスさせて燃料電池４に供給するよう、冷却水経路４０を切り替える。具体的には、ＥＣＵ１００が、エンジンバイパス弁４７を、第２の位置すなわちエンジンバイパス通路４４側に切り替える。すると図３に矢印で示すように、ウォータポンプ４１から吐出された冷却水がエンジンバイパス通路４４を経由して燃料電池４に供給されるようになり、冷却水がエンジン本体２を流れること、およびこれによるエンジン本体２の冷却と冷却水昇温とが抑制される。よって次回のエンジン始動、特にアイドルストップ制御におけるエンジン再始動を有利に行えるようになり、燃料電池４の冷却効率の低下も抑制できる。
Therefore, in the present embodiment, while the engine
なお、このときＦＣバイパス弁４８は、エンジン本体２の停止前と同じく第１の位置（メイン通路４３側）に維持されるが、代替的に、敢えて第２の位置（ＦＣバイパス通路４５側）に切り替えられてもよい。いずれの場合も、エンジンバイパス通路４４を通過した後の冷却水がエンジン本体２側およびＦＣバイパス通路４５側に向かうことはないからである。図３は冷却水がラジエータ４２を通過する例を示すが、ラジエータ４２を通過しないでバイパスする例も当然に可能である。
At this time, the
次に、本実施形態の好ましい制御を図４を参照して説明する。図４に示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
Next, preferable control of the present embodiment will be described with reference to FIG. The routine shown in FIG. 4 is repeatedly executed by the
ステップＳ１０１では、エンジン本体２の停止中で且つ燃料電池４の作動中か否かが判断される。ノーの場合にはステップＳ１０４に進み、イエスの場合にはステップＳ１０２に進む。
In step S101, it is determined whether the
ステップＳ１０４では、エンジンバイパス弁４７が第１の位置すなわちメイン通路４３側（非バイパス側）に切り替えられる。そしてルーチンが終了される。
In step S104, the
ステップＳ１０２では、エンジンバイパス弁４７を第２の位置に切り替える際の前提条件であるエンジンバイパス条件が成立しているか否かが判断される。このエンジンバイパス条件は、例えば、エンジン本体２の停止時間が所定時間以上になると成立する。エンジン本体２の停止時間が長期化すると、エンジン本体２の温度が下がって次回始動に不利となり、また冷却水温度が上がって燃料電池４の冷却効率も低下する。そこで、これら始動性と冷却効率の観点から所定時間が設定される。
In step S102, it is determined whether an engine bypass condition, which is a precondition for switching the
ステップＳ１０２がノーの場合にはステップＳ１０４に進んでエンジンバイパス弁４７が第１の位置に切り替えられる。すなわち、エンジン本体２の停止時間が所定時間以上になる前はエンジンバイパス弁４７が第１の位置に維持される。
When step S102 is NO, the process proceeds to step S104, and the
ステップＳ１０２がイエスの場合にはステップＳ１０３に進み、エンジンバイパス弁４７が第２の位置すなわちエンジンバイパス通路４４側（バイパス側）に切り替えられる。そしてルーチンが終了される。このようにエンジン本体２の停止時間が所定時間以上になった時にはエンジンバイパス弁４７が第２の位置に切り替えられる。
When step S102 is YES, the process proceeds to step S103, and the
なお、エンジンバイパス弁４７が第１および第２の位置のいずれにあっても、燃料電池４から排出された比較的高温の冷却水が排気マニホールド１９に供給されるので、排気マニホールド１９の加熱効果もしくは保温効果を達成し、凝縮水の発生を抑制できる。
Note that, regardless of whether the
本制御の実行中、ＦＣバイパス弁４８は第１の位置（メイン通路４３側）に維持される。
During execution of this control, the
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、以下相違点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and the differences will be mainly described below.
この第２実施形態は、概して、第１実施形態にＦＣバイパス弁４８の作動を加えたものである。すなわち、エンジン本体２の停止中で且つ燃料電池４の停止中に、冷却水に燃料電池４を通過させると、燃料電池４が冷却水で徐々に冷却されてしまい、次回の燃料電池４の起動に不利である。冷却水がラジエータ４２を通過されている場合は尚更である。
In the second embodiment, the operation of the
そこで本実施形態では、エンジン本体２の停止中で且つ燃料電池４の停止中には、冷却水を、燃料電池４をバイパスさせて排気マニホールド１９に供給するよう、冷却水経路４０を切り替える。具体的には、ＥＣＵ１００が、ＦＣバイパス弁４８を、第２の位置すなわちＦＣバイパス通路４５側に切り替える。すると図５に矢印で示すように、冷却水がＦＣバイパス通路４５を経由して排気マニホールド１９に供給されるようになり、冷却水が燃料電池４を流れること、およびこれによる燃料電池４の冷却が抑制される。よって次回の燃料電池４の起動を有利に行えるようになる。
Therefore, in the present embodiment, when the
なお、図５は冷却水がラジエータ４２を通過する例を示すが、ラジエータ４２を通過しないでバイパスする例も当然に可能である。
Although FIG. 5 shows an example in which the cooling water passes through the
本実施形態の好ましい制御を図６を参照して説明する。図６に示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
A preferred control of this embodiment will be described with reference to FIG. The routine shown in FIG. 6 is repeatedly executed by the
ステップＳ２０１では、エンジン本体２が停止中か否かが判断される。ノーの場合、ステップＳ２１１に進んでエンジンバイパス弁４７が第１の位置（非バイパス側）に切り替えられ、ステップＳ２１２でＦＣバイパス弁４８が第１の位置（非バイパス側）に切り替えられ、ルーチンが終了される。
In step S201, it is determined whether or not the
ステップＳ２０１がイエスの場合、ステップＳ２０２に進み、燃料電池４が作動中か否かが判断される。 When step S201 is YES, it progresses to step S202 and it is determined whether the fuel cell 4 is operating.
イエスの場合、ステップＳ２０３〜Ｓ２０５が実行される。これらステップはステップＳ１０２〜１０４と同様である。ステップＳ２０４とＳ２０５の何れかが実行された後、ステップＳ２０６においてＦＣバイパス弁４８が第１の位置（非バイパス側）に切り替えられ、ルーチンが終了される。
In the case of yes, steps S203 to S205 are executed. These steps are the same as steps S102 to S104. After either step S204 or S205 is executed, the
ステップＳ２０２がノーの場合、燃料電池４は停止中であることを意味する。このときにはステップＳ２０７に進んで、ＦＣバイパス弁４８を第２の位置（バイパス側）に切り替える際の前提条件であるＦＣバイパス条件が成立しているか否かが判断される。このＦＣバイパス条件は、例えば、ＦＣ温度センサ３６（図１参照）により検出された燃料電池４の温度（特にセルスタックの温度）が所定温度以下になると成立する。燃料電池４の温度があまりに低下すると次回起動に不利であるため、この再起動性を考慮して最適な所定温度が設定される。所定温度は、例えば燃料電池４の最低作動温度（例えば４５０℃）より若干高い温度（例えば５００℃）に設定することができる。
If step S202 is NO, it means that the fuel cell 4 is stopped. At this time, the routine proceeds to step S207, where it is determined whether an FC bypass condition, which is a precondition for switching the
ステップＳ２０７がノーの場合にはステップＳ２０９に進んでＦＣバイパス弁４８が第１の位置（非バイパス側）に切り替えられる。すなわち、燃料電池４の温度が所定温度より高い場合にはＦＣバイパス弁４８が第１の位置に維持される。
When step S207 is NO, the process proceeds to step S209, and the
ステップＳ２０７がイエスの場合にはステップＳ２０８に進み、ＦＣバイパス弁４８が第２の位置（バイパス側）に切り替えられる。そしてルーチンが終了される。このように燃料電池４の温度が所定温度以下になった時にはＦＣバイパス弁４８が第２の位置に切り替えられ、燃料電池４の温度低下が抑制される。
If step S207 is YES, the process proceeds to step S208, and the
ステップＳ２０８とＳ２０９の何れかが実行された後、ステップＳ２１０においてエンジンバイパス弁４７が第１の位置（非バイパス側）に切り替えられ、ルーチンが終了される。
After either step S208 or S209 is executed, the
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。アイドルストップ制御のない内燃機関および車両にも本発明は適用可能である。つまりエンジン本体の停止はアイドルストップ制御によるものでなくてもよい。例えばドライバがエンジン本体の停止中にキースイッチをアクセサリオンの位置にし、電気負荷（エアコン等）を使用し、この最中に燃料電池が作動されている場合に本発明を適用できる。上記の数値はあくまで一例であり変更も可能である。 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. The present invention is also applicable to an internal combustion engine and a vehicle without idle stop control. That is, the engine main body does not have to be stopped by idle stop control. For example, the present invention can be applied to the case where the driver sets the key switch to the accessory-on position while the engine body is stopped, uses an electric load (such as an air conditioner), and the fuel cell is activated during this time. The above numerical values are merely examples and can be changed.
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
３ ターボチャージャ
３Ｃ コンプレッサ
３Ｔ タービン
４ 燃料電池
５ 吸気通路
６ 排気通路
１９ 排気マニホールド
２２ 排気路
３６ ＦＣ温度センサ
４０ 冷却水経路
４３ メイン通路
４４ エンジンバイパス通路
４５ ＦＣバイパス通路
４７ エンジンバイパス弁
４８ ＦＣバイパス弁
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
1 Internal combustion engine
2
Claims (6)
前記ターボチャージャのタービン上流側に配置された排気マニホールドと、
燃料電池と、
前記燃料電池の排ガスを前記排気マニホールドに供給する排気路と、
エンジン本体、前記排気マニホールドおよび前記燃料電池に接続された冷却水経路と、
前記冷却水経路を切り替えるための切替手段であって、前記エンジン本体の停止中で且つ前記燃料電池の作動中に、前記燃料電池を通過した後の前記冷却水を前記排気マニホールドに供給するよう前記冷却水経路を切り替える切替手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 Turbocharger,
An exhaust manifold disposed upstream of the turbocharger turbine;
A fuel cell;
An exhaust passage for supplying exhaust gas of the fuel cell to the exhaust manifold;
A cooling water path connected to the engine body, the exhaust manifold and the fuel cell;
Switching means for switching the cooling water path, wherein the cooling water after passing through the fuel cell is supplied to the exhaust manifold while the engine body is stopped and the fuel cell is operating. Switching means for switching the cooling water path;
An internal combustion engine comprising:
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。 The switching means switches the cooling water path so that the cooling water is supplied to the fuel cell by bypassing the engine main body while the engine main body is stopped and the fuel cell is operating. The internal combustion engine according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 2, wherein the switching means switches the cooling water path so as to bypass the engine body when a stop time of the engine body reaches a predetermined time or longer.
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。 The switching means switches the cooling water path so that the cooling water is supplied to the exhaust manifold by bypassing the fuel cell while the engine body is stopped and the fuel cell is stopped. The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。 5. The internal combustion engine according to claim 4, wherein the switching unit switches the cooling water path so as to bypass the fuel cell when the temperature of the fuel cell becomes equal to or lower than a predetermined temperature.
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the stop of the engine body is executed by idle stop control.
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