JP5724935B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明はエンジンシステムに関する。

内燃機関（エンジン）の排気を利用する過給機が用いられている。エンジンの排気によりタービンを回転させ、コンプレッサが空気を圧縮しエンジンに供給する。例えば特許文献１には、エンジンの排気と共に燃料電池の排気をタービンに供給する技術が開示されている。燃料電池が発電する電力は、バッテリの充電に用いられる。バッテリの劣化を抑制するため、バッテリの過充電を回避することが好ましい。例えば特許文献２及び３には、車両の制動時にモータから回生された電力によりバッテリを充電できるように、バッテリの充電量を制御する技術が開示されている。

特開２００７−１６６４１号公報 特開２０１０−７００３０号公報 特開昭６３−２６５５２７号公報

エンジンの停止状態から動作状態への過渡性を向上させるため、エンジンの停止中においてもタービンは回転することが好ましい。しかし従来の技術では、エンジンのアイドリングストップ（以下、アイドルストップ）時にタービンの回転が大きく低下することがある。これにより過渡性が悪化する。本発明は上記課題に鑑み、過渡性を改善することが可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。

本発明は、バッテリと、前記バッテリを充電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排気が供給される過給機と、前記過給機から空気が供給される内燃機関と、所定の停止条件が成立した場合は前記内燃機関を自動的に停止させ、所定の復帰条件が成立した場合は前記内燃機関を自動的に始動させる内燃機関制御部と、前記燃料電池を制御する燃料電池制御部と、を具備し、前記内燃機関の動作中に前記燃料電池が駆動し、かつ前記バッテリの残存容量が第１制限値以上である場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池による前記バッテリの充電を停止させ、又は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を前記バッテリの放電量以下に制限し、前記内燃機関制御部によって前記内燃機関が停止され、かつ前記残存容量が前記第１制限値より大きい第２制限値以上である場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池による前記バッテリの充電を停止させる、又は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を前記バッテリの放電量以下に制限し、前記内燃機関制御部によって前記内燃機関が停止され、かつ前記残存容量が前記第２制限値より小さい場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を制限しないエンジンシステムである。

上記構成において、前記内燃機関制御部によって前記内燃機関が停止され、前記残存容量が前記第２制限値になったことにより前記燃料電池が前記バッテリの充電を停止した後、前記内燃機関の停止中でかつ前記残存容量が前記第１制限値より小さくなった場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を制限しない構成とすることができる。

本発明によれば、過渡性を改善することが可能なエンジンシステムを提供することができる。

図１は実施例１に係るエンジンシステムを例示する概略図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）はエンジンシステムのタイミングチャートを例示する図である。 図３はＥＣＵの構成を例示する機能ブロック図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）はエンジンシステムの制御を例示するフローチャートである。 図５はエンジンシステムの制御を例示するフローチャートである。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

実施例１は残存容量の制限値を変更する例である。図１は実施例１に係るエンジンシステム１００を例示する概略図である。

図１に示すように、エンジンシステム１００は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０、バッテリ１２、燃料電池１４、エンジン１６、過給機１８を備える。エンジンシステム１００は例えばハイブリッド車等の車両に搭載されている。

バッテリ１２は、不図示のポンプ、バルブ、空調及びモータ等の電源として機能する。従ってエンジンシステム１００はオルタネータを備えなくてもよい。燃料電池１４はバッテリ１２と同様に電源として機能し、かつバッテリ１２を充電する。燃料電池１４はアノードである燃料極とカソードである空気極と電解質を含むセルとを連結した構造を有し、燃料と空気との電気化学反応によって発電する。つまり燃料電池１４は例えばＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell：固体酸化物形燃料電池）とすることができる。過給機１８は、タービン２０、及びシャフト２４によりタービン２０に連結されたコンプレッサ２２を備える。

エンジン１６が排出する排気は排気経路２６を通じてタービン２０に供給される。排気経路２６と排気経路２８とは連結されており、燃料電池１４が排出する排気は排気経路２６及び２８を通じてタービン２０に供給される。タービン２０は排気により回転する。排気は排気経路３０を通じて車両の外部に排出される。コンプレッサ２２はタービン２０と同期して回転する。吸気経路３２を通じてコンプレッサ２２に空気が供給される。コンプレッサ２２は空気を圧縮し吸気経路３４に供給する。吸気経路３４には吸気経路３６が連結されている。コンプレッサ２２により圧縮された空気は吸気経路３４を通じてエンジン１６に供給され、吸気経路３４及び３６を通じて燃料電池１４に供給される。破線で示すように、ＥＣＵ１０はエンジン１６の運転状態、及びバッテリ１２の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を取得し、燃料電池１４を制御する。次に、エンジン１６が動作している状態から、エンジン１６がアイドルストップし、再びエンジン１６が動作を開始するまでを例に、エンジンシステム１００の動作について説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）はエンジンシステム１００のタイミングチャートを例示する図である。横軸は時間である。縦軸は上から順にＳＯＣ、エンジン１６のＯＮ／ＯＦＦ、燃料電池１４のＯＮ／ＯＦＦ、長期停車フラグのＯＮ／ＯＦＦを表す。図２（ａ）において時間は０からｔ５に向けて流れ、図２（ｂ）において時間は０からｔ８に向けて流れる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、制限値として第１制限値Ｗ１、及び第１制限値Ｗ１より大きい第２制限値Ｗ２が定められている。制限値とはＳＯＣの上限であり、ＳＯＣが制限値に達すると燃料電池１４のバッテリ１２充電のための発電量（以下、充電量）は制限される。第１制限値Ｗ１はエンジン１６の動作中（ＯＮ）における制限値であり、第２制限値Ｗ２はエンジン１６のアイドルストップ中（ＯＦＦ）における制限値である。

図２（ａ）に示すように、時間０からｔ１までにおいてエンジン１６は動作している（ＯＮ）。ＥＣＵ１０は第１制限値Ｗ１を制限値とする。ＳＯＣは第１制限値Ｗ１より小さい。従って、燃料電池１４は駆動する（ＯＮ）。つまり燃料電池１４は発電を行い、バッテリ１２を充電する。ＯＮ状態においては、燃料電池１４の充電量が制限されておらず、バッテリ１２の放電量より多くなる。時間ｔ１においてＳＯＣは第１制限値Ｗ１となるため、燃料電池１４はＯＦＦとなる。ＯＦＦ状態とは、例えば燃料電池１４がバッテリ１２を充電しない状態、又は燃料電池１４の充電量がバッテリ１２の放電量以下である状態を意味する。アイドルストップ中において、バッテリ１２は例えば補機（ポンプ、エアコン等）を運転するための電力を放電する。

時間ｔ２においてエンジン１６は停止する（ＯＦＦ）。制限値は第２制限値Ｗ２となる。時間ｔ２においてＳＯＣは第２制限値Ｗ２より小さい。このため、燃料電池１４はＯＮになる。時間ｔ３においてＳＯＣは第２制限値Ｗ２となるため、燃料電池１４はＯＦＦになる。このときＥＣＵ１０は長期停車フラグＯＮにする。長期停車フラグは、例えば駐停車、渋滞において車両が長期間停止していることを示す。長期停車フラグについて詳しくは図４（ａ）〜図５において後述する。

時間ｔ４においてエンジン１６が動作を再開する。これは例えばエンジン１６がアイドルストップから再始動したことに対応する。エンジン１６の再始動に伴い、制限値は第１制限値Ｗ１となる。ＳＯＣは第１制限値Ｗ１より大きいため、燃料電池１４はＯＦＦになる。時間ｔ５において、ＳＯＣは第１制限値Ｗ１より小さくなるため、燃料電池１４はＯＮになる。

図２（ｂ）を参照し、車両が図２（ａ）の例よりも長期間停車する例について説明する。図２（ｂ）の時間０〜ｔ３は図２（ａ）の例と同じである。時間ｔ３から時間ｔ６までエンジン１６は停止している。時間ｔ６は、例えば図２（ａ）の時間ｔ４より長い時間である。時間ｔ６においてＳＯＣは第１制限値Ｗ１より小さくなる。このとき長期停止フラグがＯＮであっても、燃料電池１４はＯＮになる。時間ｔ７においてエンジン１６は動作を再開する。ＳＯＣは第１制限値Ｗ１より大きいため、燃料電池１４はＯＦＦになる。時間ｔ８においてＳＯＣは第１制限値Ｗ１より小さくなるため、燃料電池１４はＯＮになる。

エンジンシステム１００の動作についてさらに説明する。図３はＥＣＵ１０の構成を例示する機能ブロック図である。図３に示すように、ＥＣＵ１０はＳＯＣ取得部４０、燃料電池制御部４２及び内燃機関制御部４４として機能する。ＳＯＣ取得部４０はバッテリ１２のＳＯＣを取得する。エンジン１６の運転状態及びバッテリ１２のＳＯＣ等に基づき、燃料電池制御部４２は燃料電池１４の発電のＯＮ／ＯＦＦを制御する。内燃機関制御部４４は、所定の停止条件が成立した場合はエンジン１６を自動的に停止（アイドルストップ）させ、所定の復帰条件が成立した場合はエンジン１６を自動的に始動させる。停止条件とは、例えばアクセル開度、車両の速度、エンジン１６の回転数が所定の値を下回ることなどである。復帰条件とは例えば車両のドライバがブレーキペダルから足を離す、シフトチェンジを行うことなどである。

図４（ａ）から図５はエンジンシステム１００の制御を例示するフローチャートである。

図４（ａ）に示すように、ＳＯＣ取得部４０はＳＯＣを取得する（ステップＳ１０）。燃料電池制御部４２はＳＯＣが第１制限値Ｗ１以上であるか判定する（ステップＳ１１）。Ｎｏの場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＮにする（ステップＳ１２）。これは図２（ａ）及び図２（ｂ）における時間０〜ｔ１、図２（ａ）の時間ｔ５、及び図２（ｂ）の時間ｔ８に対応する。ステップＳ１２の後、制御は終了する。終了後、制御はステップＳ１０から再開する。

ステップＳ１１においてＹｅｓの場合、燃料電池制御部４２は長期停車フラグがＯＮであるか判定する（ステップＳ１３、図４（ａ）及び図４（ｂ）のＡ参照）。Ｙｅｓの場合は後述する。Ｎｏの場合、燃料電池制御部４２はＳＯＣが第２制限値Ｗ２以上であるか判定する（ステップＳ１４）。Ｎｏの場合、制御はステップＳ１５に進む。

燃料電池制御部４２はエンジン１６がＯＮであるか判定する（ステップＳ１５）。Ｙｅｓの場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＦＦにする（ステップＳ１６）。これは時間ｔ１〜ｔ２に対応する。ステップＳ１６の後、制御は終了する。ステップＳ１５においてＮｏの場合、制御は終了する。これは時間ｔ２〜ｔ３に対応し、燃料電池１４はＯＮである。ステップＳ１５又はＳ１６の後、制御は終了する。

ステップＳ１４においてＹｅｓの場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＦＦにする（ステップＳ１７）。燃料電池制御部４２は長期停車フラグをＯＮにする（ステップＳ１８）。これは時間ｔ３に対応する。ステップＳ１７の後、制御は終了する。

ステップＳ１８において長期停車フラグがＯＮになった後に制御を再開すると、ステップＳ１３においてＹｅｓとなる。この場合、燃料電池制御部４２はエンジン１６がＯＮであるか判定する（ステップＳ１９、図４（ｂ）及び図５のＢ参照）。Ｎｏの場合、制御は終了する。これは図２（ａ）の時間ｔ３〜ｔ４、又は図２（ｂ）の時間ｔ３〜ｔ６のように、内燃機関制御部４４がエンジン１６を自動的に停止させている期間に対応する。Ｙｅｓの場合、燃料電池制御部４２は長期停車フラグをＯＦＦにする（ステップＳ２０）。これは時間ｔ４又はｔ７のように、内燃機関制御部４４がエンジン１６を自動的に始動させた場合に対応する。ステップＳ２０の後、制御は終了する。

ステップＳ２０において長期停車フラグがＯＦＦになった後に制御を繰り返した場合、ステップＳ１３においてＮｏとなる。ステップＳ１４においてＮｏかつステップＳ１５においてＹｅｓの場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＦＦにする（ステップＳ１６）。これは時間ｔ４〜ｔ５に対応する。またステップＳ１８の後に制御を繰り返し、ステップＳ１１においてＮｏであれば、長期停車フラグがＯＮであっても、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＮにする（ステップＳ１２）。これは図２（ｂ）の時間ｔ６〜ｔ７に対応する。

エンジン１６は、例えばＯＮ状態において排気を排出し、ＯＦＦ状態においては排気を排出しない。燃料電池１４は、例えばＯＮ状態において排気を排出し、ＯＦＦ状態においては排気を排出しないか又は微量の排気を排出する。例えば第１制限値Ｗ１のみを制限値として用いる場合、時間ｔ２〜ｔ４において燃料電池１４はＯＦＦになる。長時間にわたって燃料電池１４及びエンジン１６からの排気がタービン２０に供給されないか又は排気の量が減少するため、タービン２０の回転が大きく低下する。これに対し実施例１によれば、時間ｔ２〜ｔ３、ステップＳ１４及びＳ１５に示すように、エンジン１６のアイドルストップ中にＳＯＣが第１制限値Ｗ１以上であっても燃料電池１４はＯＮであり、充電量は制限されない。このため、アイドルストップ中であっても、燃料電池１４からの排気がタービン２０に供給される。これによりタービン２０の回転の低下が抑制されるため、過渡性が向上する。

タービン２０の回転を維持するためには、エンジン１６及び燃料電池１４がＯＦＦになる期間（時間ｔ３からｔ４までの期間）が短いことが好ましい。つまり時間ｔ２からｔ３までの時間Δｔが長いことが好ましい。時間Δｔを、車両が信号待ちをしている場合における一般的な停車時間（アイドルストップ時間）とする。これにより、時間ｔ３が時間ｔ４に近付く、又はｔ４に一致する。この結果、燃料電池１４からの排気によりタービン２０の回転が維持され、過渡性が改善する。なお例えば車両が用いられる状況等を事前に調査することにより、上記の一般的なアイドルストップ時間を定めることができる。

第１制限値Ｗ１と第２制限値Ｗ２との差が小さい場合、ＳＯＣは速やかに第２制限値Ｗ２に達し、燃料電池１４はＯＦＦになる。このため、Δｔが小さくなり、排気が供給されない時間、又は排気の減少する時間が長くなる。この結果、過渡性が悪化する。過渡性を改善するために、上記のようにΔｔを一般的なアイドルストップ時間とし、第１制限値Ｗ１をΔｔに基づいて定めることが好ましい。第１制限値Ｗ１は例えば次式により定まる。

Ｗ３は燃料電池１４の発電量である。過渡性を維持するために要求されるタービン２０の回転を生じさせる程度の排気を燃料電池１４が排出するように、Ｗ３の大きさは定められる。Ｗ４は補機の消費電力である。Ｃはバッテリ１２の定格充電容量である。Ｖはバッテリ１２の出力電圧である。上記の式から第１制限値Ｗ１を定めることにより、エンジン１６がＯＦＦになった後も燃料電池１４のＯＮが継続し、過渡性が改善する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）の時間ｔ１〜ｔ２のように、エンジン１６のＯＮ期間中に燃料電池１４がＯＮで、かつＳＯＣが第１制限値Ｗ１以上である場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＦＦにする。また、時間ｔ３〜ｔ４のように、内燃機関制御部４４がエンジン１６をＯＦＦにし、かつＳＯＣが第２制限値Ｗ２以上である場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４をＯＦＦにする。従ってエンジン１６のＯＮ及びＯＦＦ両方の期間中において、過充電は抑制される。第２制限値Ｗ２は、例えばバッテリ１２の定格充電容量でもよいし、定格充電容量の９５％又は９０％の容量等とすることができる。第２制限値Ｗ２を定格充電容量未満とすることにより、車両の制動時に回生により充電をすることができる。例えば第２制限値Ｗ２を設定しなくてもよい。この場合、アイドルストップ中にＳＯＣが第１制限値Ｗ１を超えていても燃料電池１４は充電を行うため、過渡性が改善する。

図２（ａ）の時間０〜ｔ１のように、エンジン１６の動作中であって、ＳＯＣが第１制限値Ｗ１より小さい場合、燃料電池１４はＯＮである。また、図２（ａ）の時間ｔ２〜ｔ３のように、ＳＯＣが第２制限値Ｗ２より小さい場合、燃料電池１４はＯＮである。つまり、これらの場合、燃料電池制御部４２は燃料電池１４の充電量を制限しない。従って、エンジン１６のＯＮ及びＯＦＦ両方の期間中において、ＳＯＣの不足は抑制される。前述の時間ｔ３のように、アイドルストップ中にＳＯＣが第２制限値Ｗ２になったことにより燃料電池１４はＯＦＦになる。その後、図２（ｂ）における時間ｔ６〜ｔ７のように、アイドルストップ中でかつＳＯＣが第１制限値Ｗ１より小さくなった場合、長期停車フラグがＯＮであっても燃料電池１４はＯＮになる。従って、車両が長期間にわたって停車していてもＳＯＣの不足は抑制される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ＥＣＵ
１２ バッテリ
１４ 燃料電池
１６ エンジン
１８ 過給機
２０ タービン
２２ コンプレッサ
２４ シャフト
２６、２８、３０ 排気経路
３２、３４、３６ 吸気経路
４０ ＳＯＣ取得部
４２ 燃料電池制御部
４４ 内燃機関制御部
１００ エンジンシステム

Claims (2)

1. バッテリと、
   前記バッテリを充電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される排気が供給される過給機と、
   前記過給機から空気が供給される内燃機関と、
   所定の停止条件が成立した場合は前記内燃機関を自動的に停止させ、所定の復帰条件が成立した場合は前記内燃機関を自動的に始動させる内燃機関制御部と、
   前記燃料電池を制御する燃料電池制御部と、を具備し、
   前記内燃機関の動作中に前記燃料電池が駆動し、かつ前記バッテリの残存容量が第１制限値以上である場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池による前記バッテリの充電を停止させ、又は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を前記バッテリの放電量以下に制限し、
   前記内燃機関制御部によって前記内燃機関が停止され、かつ前記残存容量が前記第１制限値より大きい第２制限値以上である場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池による前記バッテリの充電を停止させる、又は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を前記バッテリの放電量以下に制限し、
   前記内燃機関制御部によって前記内燃機関が停止され、かつ前記残存容量が前記第２制限値より小さい場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を制限しないことを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記内燃機関制御部によって前記内燃機関が停止され、前記残存容量が前記第２制限値になったことにより前記燃料電池が前記バッテリの充電を停止した後、前記内燃機関の停止中でかつ前記残存容量が前記第１制限値より小さくなった場合、前記燃料電池制御部は前記燃料電池の前記バッテリ充電のための発電量を制限しないことを特徴とする請求項１記載のエンジンシステム。

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