JP2003129836A - 内燃機関と燃料電池を備えた車両 - Google Patents

内燃機関と燃料電池を備えた車両

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JP2003129836A
JP2003129836A JP2002201435A JP2002201435A JP2003129836A JP 2003129836 A JP2003129836 A JP 2003129836A JP 2002201435 A JP2002201435 A JP 2002201435A JP 2002201435 A JP2002201435 A JP 2002201435A JP 2003129836 A JP2003129836 A JP 2003129836A
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vehicle
internal combustion
combustion engine
fuel cell
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Ulrich Ohnemus
オーネムス ウルリヒ
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改善された「駆動構想及びエネルギー供給構
想」を有する車両を創作すること。 【解決手段】 内燃機関と、電気エネルギーを生成する
ための燃料電池とを有する車両において、燃料電池（１
７）が内燃機関（１２）と熱的に連結されていること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特許請求項１の前
提部に記載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】現代の中級車両及び上級車両において内
燃機関は車両縦方向に配設されている。機関の端面に
は、通常、補助ユニット駆動部が設けられている。例え
ば空気調節装置、液圧ポンプのような補助ユニットは、
機関のフロント領域或いは側方に取り付けられていて、
溝付きＶベルトを介して駆動される。変速装置は有段オ
ートマチックトランスミッション又はマニュアルトラン
スミッションであり得て、通常は機関と後車軸の間の領
域で機関の近傍に配設されている。機関と変速装置の間
には流体動力トルクコンバータ或いは乾式摩擦クラッチ
が設けられている。内燃機関のための始動機は通常は直
流モータであり、この直流モータは、スタート時、その
トルクを、遊星伝動装置、噛合機構、スタータ冠歯車を
介して何倍にも増幅し、機関のクランクシャフトに提供
する。
【０００３】後車軸駆動の車両では、変速装置出力部か
ら連結シャフトが後方に向かって動力分配装置（軸伝動
装置）へと及びそこから駆動シャフトを介して両方の後
輪へと案内されている。全輪駆動の車両では、伝達比ス
テージ（歯車比ステージ）を伴う又は伝達比ステージを
伴わない動力分配装置が変速装置の後に配設されてい
て、この動力分配装置は、前車軸に対する連結シャフト
及び後車軸に対する他の連結シャフトに駆動トルクを
「配分」する。この場合、前車軸にも、両方の前輪に対
して駆動トルクを「分配」するための動力分配装置が設
けられている。
【０００４】種々の長所に基づき、車両には将来的に電
磁バルブ駆動装置が標準的に装備されることが期待され
る。そのための前提条件は、特に性能のよい「電気エネ
ルギーを生成するための装置」である。特にデラックス
車両には将来的に他の電気システムが装備されることに
なる。この種のシステムは頻繁に「Ｘ・バイ・ワイヤ」
という概念でまとめられ、例えば、ブレーキ・バイ・ワ
イヤ・システム、シフト・バイ・ワイヤ・システム、ス
テア・バイ・ワイヤ・システム等である。両方の機能
「機関始動」と「発電」を１つにまとめるクランクシャ
フトスタートジェネレータと、バッテリとを用いて、必
要な電気エネルギーの提供が試行される場合、構成空間
の問題が生じる。更に、両方の機能「始動」と「発電」
にとって最善の効率が同時には達成され得ないという問
題がある。
【０００５】従来の車両構想の他の問題として軸荷重分
配があり、その理由は、前車軸が駆動トレインの主荷重
を支持しなくてはならないためである。特にデラックス
車両では駆動トレインが大きな重量を有し、このこと
は、持続する資源保護の要求と調和することを益々困難
なものともする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】それにより、本発明の
課題は、改善された「駆動構想及びエネルギー供給構
想」を有する車両を創作することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題は特許請求項１
に記載された特徴により解決される。有利な構成及び他
の構成は従属請求項に記載されている。
【０００８】本発明の基本原理は、内燃機関と、電気的
な車両システムを給電するための燃料電池とを有する車
両にあり、この際、燃料電池が内燃機関と熱的に「連
結」されている。簡単に表現すると、内燃機関の廃熱が
燃料電池を加熱するため、即ち、燃料電池の作動温度を
維持するために使用される。
【０００９】今日の開発状況によれば、燃料電池は、使
用される電解質に基づき、５つの基本タイプに区別され
る。即ち： − アルカリ燃料電池 − ダイヤフラム燃料電池 − リン酸燃料電池 − 溶融炭酸塩燃料電池 − 固体酸化物燃料電池
【００１０】これらの５つの基本タイプの動作温度は極
めて異なり、タイプに応じて７０°と１０００°の間に
位置する。
【００１１】本発明に従い、従来の車両では十分には利
用されず排気装置を介して周辺環境へと放出される内燃
機関の廃熱が燃料電池を「加熱」するために利用され
る。好ましくは燃料電池が内燃機関のケーシングに直接
的にフランジ接合されていて、このことは特に効果的な
熱伝導を可能とする。
【００１２】本発明の他の構成では、従来の車両におい
てマニュアルトランスミッション或いはオートマチック
トランスミッションの設けられているところに燃料電池
が配設されている。本発明による駆動構想では、変速装
置が、後方、即ち、後車軸動力分配装置の前の領域に移
され、このことは軸荷重分配に関して有利である。
【００１３】燃料電池は「追加的なエネルギー生成装
置」(auxiliary power unit)の機能を有し、例えば、電
磁バルブ駆動装置（ＥＶＴ）、車両搭載電気系統、Ｘ・
バイ・ワイヤ・システム、空気調節装置、並びに、内燃
機関の停止状態時にも作動する消費装置のような、種々
の電力消費装置を給電する。
【００１４】燃料電池の稼動のために必要な水素は例え
ば燃料改質装置（燃料リフォーマ）を用いて内燃機関の
液体燃料から獲得され得る。「水素分離」時に生じる改
質物（リフォマート）は、内燃機関のための「燃料付加
物」として使用され、例えば、冷間始動時或いは天然ガ
ス機関においてＮＯｘを減少するための「濃厚稼動」に
おいて使用される。それに対して選択的に、改質物は触
媒前においても排気ガスに供給され得て、このことは排
気ガス後処理、即ち水素を用いた酸化窒素還元を可能に
する。
【００１５】本発明に従って後車軸動力分配装置の領域
に配設（「トランスアクスル配置」）されている変速装
置は、高速で動作するトランスミッション、又は例えば
フルトロイダルトランスミッションのような無段トラン
スミッションであり得る。後車軸の領域内に変速装置を
配置することは、一方では、連結シャフトが「単に」内
燃機関のトルク領域／回転数領域に対してだけ設計され
ればよいという長所を有する。つまり、変速装置の寸法
決定に関して言えば、変速装置により出来るだけ高い回
転数で駆動出力を伝えることが有意義であり、その理由
は、変速装置回転数が高くトルクが小さい場合には変速
装置の重量減少が可能であるためである。他方では、
「トランスアクスル・変速装置配置」は直接的な機関近
傍における燃料電池の場所付けを可能とする。即ち、従
来の車両において変速装置の配設されているところにで
ある。変速装置としては特にフルトロイダルトランスミ
ッションが考慮され、その理由は、この変速装置がトル
クコンバータを伴うことなく達成され、比較的「スリム
な構造形式」を有するためである。
【００１６】内燃機関のための動力用燃料としては、水
素、天然ガス、ディーゼル、又はガソリンが使用され得
る。好ましくは機関が電磁バルブ駆動装置を有し、その
理由は、それにより多くの長所が得られるためであり、
例えば、ほぼスロットルフリーのチャージ交換、可変の
シリンダスイッチオフの可能性、冷間始動ドラグトルク
の減少などである。電磁バルブ駆動装置は好ましくは燃
料電池によって給電され、それにより良好な電気効率が
得られる。
【００１７】本発明の他の構成では、スイッチオン可能
な電気的な「追加駆動部」が設けられている。好ましく
はこの追加駆動部は「ディスク形状の」電気モータであ
る。即ち、この電気モータは比較的大きな直径と比較的
短い構成長を有し、このことは内燃機関のフロント領域
における配置を可能にする。
【００１８】追加駆動部は様々な機能を有する。一方で
はこの追加駆動部は内燃機関の「スタータ」として用い
られる。他方ではこの追加駆動部は「連結装置」或いは
「フリーホイール」及び駆動シャフトを介して前輪と連
結されていて、スイッチオン可能な前車軸駆動部として
使用され得る。進行する車両によって機関が駆動される
という車両の惰行運転において追加駆動部は「ジェネレ
ータ」として作動し、このことは制動エネルギーの回生
（回復）即ち惰行運転中に生成された電気エネルギーを
車両バッテリ内に逆供給することを可能にする。「機関
稼動」時にはこの追加駆動部は燃料電池によって給電さ
れる。
【００１９】「追加駆動部」は「受動的に」切り換えら
れ得る。この場合、この追加駆動部は受動的なトルク伝
達装置としてだけ機能し、この際、前輪のための駆動ト
ルクは内燃機関によって生成される。即ち、非活動化さ
れている追加駆動部を介して内燃機関からトルクが前輪
へと伝達される。
【００２０】車両サイズに応じて前車軸動力分配装置の
前に小さな伝動装置が配設され得て、この伝動装置は、
追加駆動部のトルクを前車軸トルクに変換する。好まし
くは「前車軸駆動トレイン」が低負荷稼動のためにだけ
設計されていて、このことは、容易で低コストの構成方
式を可能にする。
【００２１】要約すると本発明では以下の長所が達成さ
れる： − 後車軸の領域に変速装置を配置することにより軸荷
重分配が改善される。 − 前車軸のための追加駆動部が簡単且つ低コストで実
現される。 − 前車軸と追加駆動部を介して制動エネルギー回生が
達成される。 − 実質的に「増加されたトルク容量」を有するコンパ
クトなトランスミッションが達成される。 − 無段トランスミッション、特にコンバータクラッチ
を伴わないフルトロイダルトランスミッションが使用さ
れる。 − 機関停止時においても、搭載電気系統、電気的な追
加駆動部、パーキング空気調節装置、及び、他の電力消
費装置を給電するために追加的なエネルギー供給ユニッ
トとして機能する燃料電池を、直接的な機関近傍におい
て最善配置することが達成される。 − 冷間始動エミッションが減少される。 − 機関の暖機運動段階が短縮される。 − 内部空間のための追加ヒーティングが達成される。 − 最適な熱管理が達成される。 − 触媒技術におけるコスト節約が達成される。その理
由は、暖機運動段階或いは冷間始動段階において機関へ
の直接的な燃料付加、並びに、触媒前の排気ガスシステ
ム内への付加が可能であるためである。 − 発電の効率が最適化される。
【００２２】
【発明の実施の形態】次に、図面に示した実施形態に基
づき、本発明を更に詳細に説明する。
【００２３】図１には、前輪１、２及び後輪３、４を有
する車両が示されていて、これらの車輪は、付設されて
いる駆動シャフト５〜８を介してそれぞれ駆動可能であ
る。前輪１、２は、付設されている駆動シャフト５、
６、前車軸差動装置９、並びに前車軸伝動装置１０を介
して電気モータ１１と接続されている。電気モータ１１
は、比較的大きな直径及び短い構成長を有し、内燃機関
１２のフロント側に配設されている。
【００２４】内燃機関１２からは連結シャフト（例えば
プロペラシャフト）１３が後方に向かって変速装置１４
へと案内されている。変速装置１４は、例えば、マニュ
アルトランスミッション、有段オートマチックトランス
ミッション、又は、無段トランスミッション、特にフル
トロイダルトランスミッションであり得る。変速装置１
４の出力部は後車軸動力分配装置１５と接続されてい
て、この後車軸動力分配装置１５は、内燃機関１２から
提供されているトルクを両方の後輪３、４に分配する。
【００２５】従来の車両では変速装置が配設されている
内燃機関１２の後の領域１６には燃料電池１７が設けら
れている。燃料電池１７は内燃機関１２と熱的に連結さ
れている。このために燃料電池１７は内燃機関１２に直
接的にフランジ接合されている。選択的に又は追加的に
熱交換器も設けられ得て、この熱交換器は機関廃熱を燃
料電池１７に供給する。即ち、内燃機関１２の廃熱は、
利用されずに周辺環境に放出されるのではなく、燃料電
池の稼動温度を維持するために使用される。この種の
「熱管理」は効率最適化を可能とする。
【００２６】燃料電池１７は例えば改質装置（非図示）
によって水素供給され得る。この改質装置（非図示）
は、内燃機関の燃料、例えば、ガソリン、ディーゼル、
天然ガスから水素を分離し、この水素を燃料電池１７に
供給する。そして水素及び空気酸素から発電が成され
る。
【００２７】それに対して選択的に、燃料電池１７は、
車両内に配設されている水素タンクによって直接的にも
水素供給され得る。その際、内燃機関は「水素機関」で
あるか、又は、上述したように、天然ガス、ガソリン、
又はディーゼルで稼動され得る。
【００２８】燃料電池１７によって提供される電流は、
種々の電力消費装置に対する給電のために使用され、追
加的に、ここでは非図示のバッテリに給電する。特に電
気モータ１１は燃料電池１７によって給電される。燃料
電池１７は追加的に例えば空気調節装置等のような他の
電気的な「Ｘ・バイ・ワイヤ・システム」を給電する。
【００２９】電気モータ１１、前車軸伝動装置１０、及
び、前車軸動力分配装置９を介し、前輪１、２が駆動さ
れ得る。また、電気モータ１１は追加的に内燃機関１２
のためのスタータ或いは始動機として用いられる。
【００３０】進行する車両によって機関が駆動されると
いう車両の惰行運転時には、電気モータ１１を介して制
動エネルギー回生が可能である。つまり、惰行運転時に
は、前輪１、２、駆動シャフト５、６、前車軸動力分配
装置９、及び前車軸伝動装置１０を介し、電気モータ１
１によってジェネレータとして発電され得る。その際、
制動エネルギーから生成される電力は車両バッテリに供
給され、そこで化学的に蓄積される。つまり、電気モー
タ１１は、惰行運転時には「摩損のない」ブレーキを意
味し、制動エネルギーの回復を可能とする。
【００３１】図２には電気モータ１１の機能方式がより
詳細に示されている。電気モータ１１は、連結器１８、
及び、ここで一般的に「車輪伝動装置」と称される伝動
装置１９を介して両方の前輪と接続されていて、この
際、ここでは前輪１だけが描かれている。「車輪伝動装
置」１９は、図１に描かれている前車軸動力分配装置９
及び場合により設けられている前車軸伝動装置１０によ
って形成されている。
【００３２】更に、電気モータ１１は、他の連結器２０
及び「内燃機関伝動装置２１」を介して内燃機関のクラ
ンクシャフト２２と接続されている。
【００３３】追加的に電気モータ１１は、ベルト駆動部
２３〜２５を介し、場合によっては補助ユニット伝動装
置を介し、補助ユニット２６と連結されている。補助ユ
ニット２６は例えば空気調節装置、液圧ポンプ等であり
得る。
【００３４】電気モータ１１は、ここでは非図示の電気
的な供給導線を介し、燃料電池１７によって給電され
る。連結器１８が閉じていて連結器２０が開いている場
合、電気モータ１１を介してトルクが前輪に伝達され得
る。この場合には電気モータ１１は前車軸駆動部として
の機能を果たす。その反対で惰行運転時には前輪の惰行
エネルギー或いは制動エネルギーが機械的に車輪伝動装
置１９及び連結器１８を介して電気モータ１１に導入さ
れ得る。この際、電気モータ１１は、ジェネレータとし
て作動し、生成電力を例えばここでは非図示の車両バッ
テリに提供する。従って制動エネルギー回収或いは制動
エネルギー回復が可能である。
【００３５】更に「非電気的な前車軸駆動」が可能であ
る。即ち、両方の連結部１８、２０が閉じられていて、
前車軸の「１次駆動部」即ち電気モータ１１がオフされ
ている場合、電気モータ１１は「受動的なトルク伝達装
置」として使用され得る。つまり、クランクシャフト２
２、内燃機関伝動装置２１、連結器２０、電気モータ１
１、連結器１８、及び車輪伝動装置１９を介し、トルク
が内燃機関から前輪に伝達され得る。即ち、スイッチオ
ン可能であり内燃機関で駆動される前輪駆動も可能であ
る。
【００３６】更に「１次駆動部に依存しない補助ユニッ
ト駆動」が提供され得る。バッテリ又は燃料電池１７か
ら給電される電気モータ１１を介し、内燃機関が非連結
されている場合には、補助ユニット、特に空気調節装置
が機械的に駆動され得る。このことは、空気調節装置か
らパーキング空気調節装置となり得て、補助ユニット駆
動部内の伝達比（歯車比）を適切に選択することにより
機関停止時には全ての補助ユニットが固有の電気駆動部
を必要とするわけではないことを結果として導く。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う車両を示す図である。
【図２】本発明に従う追加駆動部を示す図である。
【符号の説明】
１、２ 前輪 ３、４ 後輪 ５〜８ 駆動シャフト ９ 前車軸動力分配装置 １０ 前車軸伝動装置 １１ 電気モータ １２ 内燃機関 １３ 連結シャフト １４ 変速装置 １５ 後車軸動力分配装置 １６ 内燃機関の後ろの領域 １７ 燃料電池 １８ 連結器 １９ 車輪伝動装置 ２０ 連結器 ２１ 内燃機関伝動装置 ２２ クランクシャフト ２３〜２５ ベルト駆動部 ２６ 補助ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 27/02 Ｆ０２Ｍ 27/02 Ａ Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｚ 8/04 8/04 Ｔ 8/06 8/06 Ｇ (72)発明者 ウルリヒ オーネムス ドイツ連邦共和国 デー・82285 ハッテ ンホーフェン フリューリングシュトラー セ ８ Ｆターム(参考） 3G081 BA20 3G093 AA05 AA06 AA07 BA19 BA20 EC02 5H027 AA03 AA04 AA05 AA06 BA01 CC00 DD09

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関と、電気エネルギーを生成するた
    めの燃料電池とを有する車両において、燃料電池（１
    ７）が内燃機関（１２）と熱的に連結されていることを
    特徴とする車両。
  2. 【請求項２】燃料電池（１７）が内燃機関（１２）のケ
    ーシングに直接的に配設されていることを特徴とする、
    請求項１に記載の車両。
  3. 【請求項３】燃料電池（１７）が内燃機関（１２）と車
    両後車軸（７、８）との間の領域に配設されていること
    を特徴とする、請求項１又は２に記載の車両。
  4. 【請求項４】内燃機関（１２）に供給するための動力用
    燃料から燃料電池（１７）のための燃料を分離して燃料
    電池（１７）に供給する改質装置が設けられていること
    を特徴とする、請求項２又は３に記載の車両。
  5. 【請求項５】駆動可能な後車軸（７、８）が設けられて
    いること、及び、後車軸（７、８）の領域において後車
    軸速度伝達比を変化させるための変速装置（１４）が設
    けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれ
    か一項に記載の車両。
  6. 【請求項６】変速装置（１４）が無段トランスミッショ
    ンであることを特徴とする、請求項５に記載の車両。
  7. 【請求項７】変速装置（１４）がフルトロイダルトラン
    スミッションであることを特徴とする、請求項５又は６
    に記載の車両。
  8. 【請求項８】変速装置（１４）がマニュアルトランスミ
    ッションであることを特徴とする、請求項５に記載の車
    両。
  9. 【請求項９】変速装置（１４）がオートマチックトラン
    スミッションであることを特徴とする、請求項５に記載
    の車両。
  10. 【請求項１０】内燃機関（１２）が水素機関であること
    を特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の車
    両。
  11. 【請求項１１】内燃機関（１２）が電磁バルブ制御装置
    を有し、この電磁バルブ制御装置が燃料電池（１７）で
    給電されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれ
    か一項に記載の車両。
  12. 【請求項１２】内燃機関（１２）のフロント領域にスイ
    ッチオン可能な電気的な追加駆動部（１１）が設けられ
    ていて、この追加駆動部（１１）がモータとして及びジ
    ェネレータとして稼動可能であることを特徴とする、請
    求項１〜１１のいずれか一項に記載の車両。
  13. 【請求項１３】追加駆動部（１１）が連結器（１８）と
    車輪伝動装置（１９）を介して車両の前輪（１、２）と
    接続されていることを特徴とする、請求項１２に記載の
    車両。
  14. 【請求項１４】追加駆動部（１１）が連結器（２０）と
    機関伝動装置（２１）を介して内燃機関（１２）のクラ
    ンクシャフト（２２）と接続されていることを特徴とす
    る、請求項１２又は１３に記載の車両。
  15. 【請求項１５】追加駆動部（１１）が電気的に燃料電池
    （１７）と接続されていることを特徴とする、請求項１
    ２〜１４のいずれか一項に記載の車両。
  16. 【請求項１６】追加駆動部（１１）がベルト駆動部（２
    ３〜２５）を介して電気的なエネルギー消費装置（２
    ６）と接続されていることを特徴とする、請求項１２〜
    １５のいずれか一項に記載の車両。
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