JP2014098334A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
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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