(57)【要約】本発明は、内燃機関（１２）及び補助エネルギー供給装置を備えた自動車であって、該補助エネルギー供給装置が燃料電池（５０）を有しており、冷却循環路及び加熱循環路（１０）が設けられていることによって、内燃機関（１２）及び燃料電池（５０）のエネルギーの流れ及び／又は物質の流れが互いに連結されている形式のものに関する。本発明によれば、冷却及び加熱循環路（１０）が、第１の部分循環路（２６）と第２の部分循環路（４４）とを有しており、これらの部分循環路のうちの第１の部分循環路（２６）が内燃機関（１２）に配属されていて、第２の部分循環路（４４）が燃料電池（５０）に配属されており、２つの部分循環路（２６，４４）がフィードライン（７２）を介してフィード弁（６６）に互いに接続され、またリターンライン（６４）を介してリターン弁（６８）に互いに接続されている。
2006513688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１２）及び補助エネルギー供給装置を備えた自動車であって、該補助エネルギー供給装置が燃料電池（５０）を有しており、冷却循環路及び加熱循環路（１０）が設けられていることによって、内燃機関（１２）及び燃料電池（５０）のエネルギーの流れ及び／又は物質の流れが互いに連結されている形式のものにおいて、
冷却及び加熱循環路（１０）が、第１の部分循環路（２６）と第２の部分循環路（４４）とを有しており、これらの部分循環路のうちの第１の部分循環路（２６）が内燃機関（１２）に配属されていて、第２の部分循環路（４４）が燃料電池（５０）に配属されており、２つの部分循環路（２６，４４）がフィードライン（６２）を介してフィード弁（６６）に互いに接続され、またリターンライン（６４）を介してリターン弁（６８）に互いに接続されていることを特徴とする、
内燃機関及び補助エネルギー供給装置を備えた自動車。
【請求項２】
第２の部分循環路（４４）内に内燃機関（１２）のためのエンジンオイル熱交換器（４０）が配置されていて、このエンジンオイル熱交換器（４０）に、電気的に駆動されるエンジンオイルポンプ（１６）がエンジンオイルを供給するようになっている、請求項１記載の自動車。
【請求項３】
第２の部分循環路（４４）内にトランスミッションオイル熱交換器（４２）が設けられており、このトランスミッションオイル熱交換器（４２）に、電気的に駆動されるトランスミッションオイルポンプ（１８）がトランスミッション（１４）のトランスミッションオイルを供給するようになっている、請求項１又は２記載の自動車。
【請求項４】
エンジンオイル熱交換器（４０）とトランスミッションオイル熱交換器（４２）とが互いに並列接続されている、請求項３記載の自動車。
【請求項５】
第２の部分循環路（４４）が電気的に駆動される補助ポンプ（４６）を有しており、該補助ポンプが第２の部分循環路（４４）を通じて冷却媒体を供給する、請求項１から４までのいずれか１項記載の自動車。
【請求項６】
第２の部分循環路（４４）内にヒータ熱交換器（５４）が配置されており、該ヒータ熱交換器（５４）の貫流量が、電気的に制御されるヒータ弁（７４）によって制御可能である、請求項５記載の自動車。
【請求項７】
第２の部分循環路（４４）に補助ヒータ（５２）が接続されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の自動車。
【請求項８】
第２の部分循環路（４４）が、閉鎖された冷却システム（８８）を有しており、該冷却システム（８８）が脱イオン化された冷却媒体によって駆動され、該冷却システム（８８）に燃料電池（５０）及び／又は補助ヒータ（５２）が接続されていて、該冷却システム（８８）内に補助ポンプ（４６）が配置されており、該閉鎖された冷却システム（８８）が中間熱交換器（８４）を介して、エンジンオイル熱交換器（４０）及び／又はトランスミッションオイル熱交換器（４２）の冷却媒体循環路に接続されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の自動車。
【請求項９】
ヒータ熱交換器（５４）が第１の部分循環路（２６）に配属されていて、この第１の部分循環路の冷却媒体循環路が第２の中間熱交換器（８６）を介して第２の部分循環路（４４）の閉鎖された冷却システム（８８）に接続されている、請求項８記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、内燃機関及び補助エネルギー供給装置を備えた自動車に関する。
【０００２】
従来技術
自動車のいくつかの運転状態、例えば冷間始動前又は冷間始動時、市街地走行又は長い下り坂走行において、特に内燃機関の効率が非常に良好で僅かな熱損失しか発生しない場合に、冷却水への熱の取り込みは内燃機関によって自動的に得られないか、又は不十分である。従って内燃機関はその最適な温度を短時間で得ることができないか、又は非常に遅れてから得ることになり、ひいては燃料消費及び排ガス放出が増大する。
【０００３】
しかも自動車のウインドガラスを霜取りするか又は自動車の室内を暖房して、十分な走行安全性及び良好な走行快適性を得るためには、外気が低い場合に非常に多量の熱量が必要とされる。現在ではこのような問題はもっぱら、化学的又は電気的な補助ヒータによって解決される。化学的な補助ヒータ例えばバーナは、内燃機関の停止中においても加熱する可能性によって高い快適性を提供するが、比較的高価である。抵抗形ヒータの原理に基づく電気的な補助ヒータは出力が限定されている。何故ならば発電機及びバッテリーによって任意に多くの電流を提供することができないからである。
【０００４】
ヨーロッパ特許公開第１２０３６９７号明細書によれば、内燃機関及び補助エネルギー供給装置を備えた自動車が公知である。この補助エネルギー供給装置は、自動車の車載電装品のための、ＡＰＵ（Auxiliary Power Unit；補助パワーユニット）とも呼ばれていて、燃料電池システム及び、この燃料電池システムに接続されたバッテリーを有している。この装置によって、自動車の電力は高められ、多数の電装品を、内燃機関の作動とは無関係に独立して作動する可能性が提供される。内燃機関及び燃料電池システムは、共通の冷却及び加熱循環路に接続されており、この冷却及び加熱循環路内において冷却器が内燃機関と燃料電池システムとを同時に冷却する。これは、例えば始動段階において又はパーキングヒータにおいて、自動車走行運転時の内燃機関のために、及び自動車停止時の燃料電池システムのために必要とされる種々異なる最大冷却能力によって、促進される。
【０００５】
この場合例えば内燃機関の排ガスが、熱交換器及び／又は排ガス触媒を有するシステムを通ってガイドされることによって、発生するエネルギーの流れ及び／又は物質の流れは互いに連結される。このシステムは、燃料電池システムと熱的に連結されている。このシステムは燃料電池システムと熱的に連結されている。これによって内燃機関の排ガス熱によって燃料電池システムを予加熱することができる。燃料電池システムは内燃機関の運転中に運転温度に維持され、高いエネルギーが必要とされると、この燃料電池システムは短時間で使用可能状態となる。他方では、燃料電池システムの排熱によって、内燃機関が始動される前に排ガス触媒は予加熱され、従って内燃機関の有害物質放出は始動段階で最少にされる。さらにまた、燃料電池システムはエアコンディショナ（空調装置）及び／又はパーキングヒータに接続されているので、パーキングヒータの排熱は、必要であれば車室（自動車の室内）を暖房するために使用することができる。
【０００６】
発明の利点
本発明によれば、冷却及び加熱循環路は、第１の部分循環路と第２の部分循環路とを有しており、これらの循環路のうちの第１の部分循環路が内燃機関に配属されていて、第２の部分循環路が燃料電池に配属されている。２つの部分循環路は、フィードライン（送り管路）を介してフィード弁（供給弁）に互いに接続され、またリターンライン（戻し管路）を介してリターン弁（戻し弁）に互いに接続されている。第２の部分循環路内で、燃料電池の隣に車室のエアコンディショナのヒータ熱交換器と、エンジンオイル熱交換器と、トランスミッションオイル熱交換器とが配置されている。内燃機関の始動前に、低い外気温度において第２の部分循環路は燃料電池の冷却を行う。自動車のスタンバイ運転中に多数の電装品に電力を供給することに基づいて、燃料電池は、丁度この最大負荷の運転状態にさらされるので、燃料電池の作動中に比較的多くの排熱が発生する。この排熱は、第２の部分循環路の冷却媒体を介して短い経路で、熱を必要とする装置例えばエアコンディショナのヒータ熱交換器に搬送される。このような配置構成によって、有利な形式で非常に迅速かつ効果的に、自動車ウインドガラスを霜取りするための並びに車室を温度調節するためのエネルギーが提供される。さらに、最大のエネルギー需要を満たすことができるようにするために、及び燃料電池の暖機運転特性を改善することができるようにするために、有利な形式で、必要であれば付加的な熱を冷却媒体に放出する第２の部分循環路内に補助ヒータが配置される。さらに、２つの部分循環路によって有利な形式で、内燃機関に対する燃料電池の種々異なる、つまりより低い温度レベルを考慮することができ、これによって過熱による燃料電池の損傷は避けることができる。
【０００７】
車室の所望の温度が得られるか又は内燃機関が始動されるべき場合には、直ちに制御可能な弁が、内燃機関のエンジンオイルのためのエンジンオイル熱交換器及びトランスミッションオイル熱交換器に通じる第２の部分循環路の別の管路を開放するようになっているので、この媒体も、この第２の部分循環路の冷却媒体を介して所望に加熱されるようになっている。この場合、熱流の制御はいずれの場合においても優先的な需要に従って行われ、エアコンディショナによっても又はエンジン制御の時間設定によっても行うことができる。エンジンオイル若しくはトランスミッションオイルを早期に加熱することによって燃料消費が減少されることは公知である。燃料節約と共に、エンジンオイル若しくはトランスミッションオイルを早期に加熱することによって、内燃機関の始動時間は短縮され、耐用年数は高められる。何故ならば始動段階中の温度変動は僅かだからである。エンジンオイル熱交換器とトランスミッションオイル熱交換器とは並列接続されていて、第２の部分循環路内に組み込まれており、この場合、第１の部分循環路を第２の部分循環路に接続するフィードライン及びリターンラインは、オイル冷却器の前若しくは後で第２の部分循環路に接続されている。この冷却分岐路への冷却媒体の流入及び、この冷却分岐路からの冷却媒体の流出は、同様にエアコンディショナ及び／又は内燃機関制御を相応にプリセットすることによって必要に応じて制御弁によって調節される。従って高い冷却能力が必要とされる場合（例えば走行運転中）に、フィードライン及びリターンライン内の弁を開放することによって、エンジンオイル熱交換器及びトランスミッションオイル熱交換器に、内燃機関の部分循環路の冷却媒体が供給され、これに対して、内燃機関の始動時には、エンジンオイル熱交換器及びトランスミッションオイル熱交換器、まず第１に燃料電池及び／又は補助ヒータの冷却媒体によって貫流されるようになっている。この場合においても、冷却媒体に取り込まれた熱は、必要な箇所へ搬送されるか、又はこの部分循環路内に配置された冷却器を介して周囲に放出される。
【０００８】
電気的に駆動されるそれぞれ１つのポンプが、内燃機関の潤滑油を搬送し、オイル熱交換器若しくはトランスミッションオイル熱交換器にトランスミッションオイルを搬送する。しかも、冷却媒体を搬送するための電気的に駆動される補助ポンプが第２の部分循環路内に配置されている。これらのポンプはスタンバイ運転中に、内燃機関とは無関係に独立して自動車の車内電流源を介して駆動されるので、これのポンプを使用することによって、始動前に、エンジンオイル及びトランスミッションオイルも、また内燃機関及びトランスミッションの予加熱も可能である。加熱されたオイルの粘性が小さいことによって、内燃機関の始動は特に低い外気温度において、内燃機関の温度が著しく上昇した場合でも改善される。同時に車室を暖房することができるようにするために、ヒータ熱交換器の冷却媒体貫流が、電気的に制御可能なヒータ弁によって制御される。
【０００９】
脱イオン水（非伝導性特性のために現在のところ有利には燃料電池における冷却媒体として使用される）を使用した場合、燃料電池の冷却システムは、第２の部分循環路内で閉じたシステムとして構成されている。この構成では、この冷却システムは、燃料電池及び補助ポンプの他に、専用の中間熱交換器を有しており、この中間熱交換器は、種々異なる冷却媒体の解除するようになっていて、脱イオン水との材料融和性に基づいて特殊鋼で構成する必要がある。エンジンオイル熱交換器、トランスミッションオイル熱交換器及びヒータ熱交換器は、従来の材料より製作することができる。有利な形式で、この特殊鋼より成る専用の中間熱交換器は、エンジンルール内に任意に配置され、予加熱される種々異なる媒体流を使用することができる。
【００１０】
その他の利点は次の図面に示されている。図面には本発明の実施例が示されている。図面、実施例及び請求項には、多くの特徴の組み合わせが記載されている。当業者は、これらの特徴は、有利な形式で、それぞれ単独として見なすことも、またその他の組み合わせでまとめることも可能である。
【００１１】
図１は、補助エネルギー供給装置を備えた自動車の冷却及び加熱循環路の概略図、
図２は、図１の変化実施例である。
【００１２】
実施例の説明
自動車の内燃機関１２及びトランスミッション１４は、冷却及び加熱循環路１０の第１の部分循環路２６に接続されており、この第１の部分循環路２６内で冷却媒体ポンプ２４が冷却媒体を供給する（図１）。ポンプ２４は、制御可能な電動モータによって駆動されるか、又は供給量を調節するための装置を有している場合には、内燃機関１２によって機械的に駆動される。ポンプ２４は、内燃機関１２から供給される冷却媒体を第１の冷却媒体路３２つまりバイパス管路を介して、内燃機関１２及びトランスミッション１４に直接戻し案内する。バイパス管路３２を介して、冷却媒体には非常に僅かな熱だけが取り込まれるので、内燃機関１２及びトランスミッション１４は迅速に最適な運転温度に達する。それによって少量の燃料が消費され、ひいては有害物質排出も少なくても済む。
【００１３】
バイパス管路３２に対して平行に、冷却器２８に通じる第２の冷却媒体路が設けられており、この冷却器２８はファン３０と協働して、冷却媒体に余剰の熱を取り込ませるようになっている。さらに冷却器２８の領域内に、冷却媒体のための補償容器７８に通じる接続部が配置されている。バイパス管路３２内のサーモスタット弁３４及び、冷却器２８に通じる冷却媒体分岐路内のサーモスタット弁３６は、冷却器２８及び／又はバイパス管路３２への冷却媒体流を制御する。このために、弁３４及び３６（２方向弁／３方向弁にまとめることもできる）は、信号ライン３８を介して、図示していない空調制御又はエンジン制御のデータを得る。
【００１４】
電気式に駆動されるエンジンオイルポンプ１６と、電気式に駆動されるトランスミッションオイルポンプ１８とは、エンジンオイル若しくはトランスミッションオイルをエンジンオイル熱交換器４０若しくはトランスミッションオイル熱交換器４２に送る。これらのポンプ１６，１８は、内燃機関１２とは無関係に、自動車の車内電流源から駆動することができる。ポンプ１６，１８及びオイル熱交換器４０，４２のオイルインレットは符号２０で示されていて、アウトレットは符号２２で示されている。エンジンオイル熱交換器４０及びトランスミッションオイル熱交換器４２は、冷却及び加熱循環路１０の第２の部分循環路４４に配属されており、この第２の部分循環路４４は優先的に燃料電池５０の冷却を行う。パーキングエアコンディショニング（Standklimatisierung）の場合、燃料電池５０は切換部材と連絡して、自動車の車内電流源を供給する。燃料電池５０が駆動される場合に発生する熱エネルギーは、第２の部分循環路４４の冷却媒体を介して短い経路でエンジンオイル熱交換器４０及びトランスミッションオイル熱交換器４２に送られる。次いでこのエネルギーは熱交換器４０及び４２によってエンジンオイル若しくはトランスミッションオイルに伝達されるので、これらの媒体は内燃機関１２が始動される前に加熱されるようになっている。これによって始動過程が軽減され、装置は迅速に最適な運転温度にされる。
【００１５】
内燃機関１２の始動前に同時に自動車の室内を暖房することができるようにするために、第２の部分循環路４４の別の分岐部内に、ヒータ熱交換器５４とヒータ送風機５６とが配置されている。ここでは、熱の取り込みが、冷却媒体を介しても行われる。燃料電池５０から放出された熱エネルギーは十分ではないので、補助ヒータ５２が一時的に切換部材４８によってスイッチオンされる。他方、場合によっては部分循環路４４内への熱の取り込みを増やしたい時には、余剰の熱を、補助ファン６０を備えた補助冷却器５８を介して周囲に放出することができる。これによって第２の部分循環路４４は内燃機関１０のスタンバイ運転（待機運転）中にさらに自給自足で作業することができる。さらに、冷却媒体の温度に基づく容積変化を補償するために、部分循環路４４内に補償容器８０が設けられている。冷却媒体は部分循環路４４内で内燃機関１２とは無関係に、電気駆動される補助ポンプ４６によって供給され、この場合、弁７０，７２，７４は各分岐管路内の冷却媒体流を制御する。この場合、制御は常に優先的な需要に方向付けられている。この優先的な需要は、空調制御又はエンジン制御のデータを介して信号ライン８２によってヒータ弁７４並びにサーモスタット弁７０及び７２に伝達される。
【００１６】
フィード弁（供給弁）６６を備えたフィードライン（送り管路）６２と、リターン弁（戻し弁）６８を備えたリターンライン（戻し管路）６４とは、第１の部分循環路２６を第２の部分循環路４４に接続する。これらの接続部を介して、場合によっては、例えば自動車の走行運転中に、第１の部分循環路２６の冷却媒体がエンジンオイル熱交換器４０及びトランスミッションオイル熱交換器４２に達することができ、これによって必要な冷却効率を冷却器２８によって保証するか、又は燃料電池５０を運転温度に維持するか、又はスタンバイ運転中に冷却媒体を介して内燃機関１２及びトランスミッション１４を燃料電池５０によって前もって加熱することができる。この場合、冷却媒体容積流はフィード弁６６及びリターン弁６８によって必要に応じて調節される。
【００１７】
非伝導性の特性に基づいて、目下のところ燃料電池における冷却媒体として有利に使用される脱イオン水を使用する場合、燃料電池５０の冷却システム８８は、第２の部分循環路４４内で閉じたシステムとして構成されている。この構成では、冷却システム８８は、燃料電池５０及び補助ポンプ２６の他に専用の中間熱交換器８４，８６を有しており、この中間熱交換器８４，８６は、種々異なる冷却媒体を分離するために使用され、脱イオン水との材料融和性に基づいて、特殊鋼で構成する必要がある（図２）。エンジン熱交換器４０、トランスミッション熱交換器４２及びヒータ熱交換器５４は、従来の材料より製作することができる。有利な形式で、特殊鋼より成る専用の中間熱交換器８４，８６は任意にエンジンルーム内に配置され、予熱しようとする種々異なる媒体流に接続することができる。この構成においても燃料電池５０の冷却過程において発生する廃熱を利用することによってエンジンオイル若しくはトランスミッションオイルを予熱することができるようにするために、中間熱交換器８６は、エンジン熱交換器４０及びトランスミッションオイル熱交換器４２に熱的に接続されている。同様に、ヒータ熱交換器５４を中間熱交換器８４に接続することによって、内燃機関１２の始動前に車内を暖房することができる。この場合、制御弁７６は貫流量を制御し、それによって熱導入を規定する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】補助エネルギー供給装置を備えた自動車の冷却及び加熱循環路の概略図である。
【図２】図１の変化実施例を示す、自動車の冷却及び加熱循環路の概略図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０  冷却及び加熱循環路、  １２  内燃機関、  １４  トランスミッション、  １６  エンジンオイルポンプ、  １８  トランスミッションオイルポンプ、  ２０  オイルインレット、  ２２  オイルアウトレット、  ２４  冷却媒体ポンプ、  ２６  部分循環路、  ２８  冷却器、  ３０  ファン、  ３２  バイパス管路、  ３４，３６  サーモスタット弁、  ３８  信号ライン、  ４０  エンジンオイル熱交換器、  ４２  トランスミッション熱交換器、  ４４  部分循環路、  ４６  補助ポンプ、  ４８  切換部材、  ５０  燃料電池、  ５２  補助ヒータ、  ５４  ヒータ熱交換器、  ５６  ヒータ送風機、  ５８  補助冷却器、  ６０  補助ファン、  ６２  フィードライン、  ６４  リターンライン、  ６６  フィード弁、  ６８  リターン弁、  ７０，７２  サーモスタット弁、  ７４  ヒータ弁、  ７６  制御弁、  ７８，８０  補償容器、  ８２  信号ライン、  ８４，８６  中間熱交換器、  ８８  冷却システム
【図１】
2006513688.tif 000003
【図２】
2006513688.tif 000004
【国際調査報告】
2006513688.tif 000005
2006513688.tif 000006
2006513688.tif 000007
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