JP2023019927A - 水素エンジン用水素配管の車体支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】水素エンジン用水素配管の車体支持構造において、水素配管の振動を抑制すると共に、水素エンジンシステムの構成部材の設置位置の自由度を高くする。【解決手段】水素エンジン用水素配管の車体支持構造２０は、水素タンク１６から供給される水素を水素エンジン１４に供給する水素配管２１，２２の車体支持構造２０であって、水素配管２１，２２を保持し車体７０に支持される保持部材３０と、保持部材３０と車体７０との複数の固定位置に設けられた複数の防振ゴム５１，５２とを含む。複数の防振ゴム５１，５２は、バネ定数が互いに異なっている。【選択図】図２

Description

本発明は、水素エンジン用水素配管の車体支持構造であって、水素配管の振動抑制に関する。

水素エンジンシステムでは、水素タンクに貯留された水素が水素エンジンに供給される。このとき、水素タンクと、水素エンジンの気筒数で決まる複数のインジェクタとが水素配管を用いて接続される。

特許文献１には、燃料電池車の水素配管に、インジェクタによる振動の発生を抑制するために、圧力センサ等の燃料電池システムの構成部材を振動抑制用の重量部として取り付けることが記載されている。

特開２００９－２１１５０号公報

水素エンジンの場合、水素配管内の圧力が１０ＭＰａ等、燃料電池車の場合に比べてかなり高くなり、さらにエンジンの気筒数が多くなることで水素配管の下流側に接続されるインジェクタの数が増えることにより、配管の振動が大きくなりやすい。これにより、水素配管の振動抑制が望まれる。特許文献１に記載された構造のように配管に圧力センサ等のシステム構成部材を重量部として取り付ける場合、システムの構成要素の位置が過度に制限される可能性がある。

本発明の目的は、水素エンジン用水素配管の車体支持構造において、水素配管の振動を抑制すると共に、水素エンジンシステムの構成部材の設置位置の自由度を高くすることである。

本発明に係る水素エンジン用水素配管の車体支持構造は、水素タンクから供給される水素を水素エンジンに供給する水素配管の車体支持構造であって、前記水素配管を保持し車体に支持される保持部材と、前記保持部材と前記車体との複数の固定位置に設けられた複数の防振ゴムと、を備え、前記複数の防振ゴムは、バネ定数が互いに異なっている、水素エンジン用水素配管の車体支持構造である。

本発明に係る水素エンジン用水素配管の車体支持構造によれば、バネ定数が異なる複数の防振ゴムによって、水素配管の振動における共振周波数を分散でき、それによってそれぞれの共振周波数での振動ピークを低くできるので、水素配管の振動を抑制できる。また、水素エンジンシステムの構成要素を水素配管の振動抑制用の重量部として用いないので、システム構成部材の設置位置の自由度を高くできる。

また、本発明に係る水素エンジン用水素配管の車体支持構造において、前記保持部材は、前記水素配管を差し込む溝部を有するクランプと、前記クランプの前記溝部と反対側に固定されたプレートとを含み、前記複数の防振ゴムは、前記クランプを挟んで前記プレートの両側に支持された２つの防振ゴムを含み、前記２つの防振ゴムのそれぞれは、前記プレート及び前記防振ゴムを貫通したボルトとナットとにより、前記プレートと前記車体とで前記防振ゴムを挟んだ状態で前記車体に固定される構成としてもよい。

上記の構成によれば、車体に保持部材が防振ゴムを介してより安定して支持される。これにより、水素配管の振動を防振ゴムにより安定して抑制しやすくなるので、水素配管の振動抑制効果を高くできる。

本発明に係る水素エンジン用水素配管の車体支持構造によれば、水素配管の振動を抑制できると共に、水素エンジンシステムの構成部材の設置位置の自由度を高くできる。

本発明の実施形態の水素エンジン用水素配管の車体支持構造を含む車両の下から見た模式図である。 図１のＡ－Ａ拡大断面図である。 図２の斜め後側から見た図である。 図２のＢ部拡大断面図である。 図２のＣ－Ｃ断面図である。 比較例の水素エンジン用水素配管の車体支持構造において、図２に対応する図である。 実施形態において、水素配管における振動の周波数と振動レベルとの関係の１例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の水素エンジン用水素配管の車体支持構造を説明する。この説明において、具体的な形状、材料、配置位置、個数等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、仕様に応じて適宜変更することができる。また、各図に示すＦｒ、Ｕｐ、Ｌｈは、車両の前方向、上方向、左方向をそれぞれ示している。また、Ｆｒ，Ｕｐ，Ｌｈの反対方向は、それぞれ車両の後方向、下方向、右方向を意味する。

図１は、実施形態の水素エンジン用水素配管の車体支持構造２０を含む車両１０の下から見た模式図である。水素エンジンシステム１２は、水素エンジン１４と、２つの水素タンク１６と、各水素タンク１６及び水素エンジン１４を接続し、水素タンク１６から供給された水素を水素エンジン１４に供給する水素エンジン用水素配管２１，２２とを含んで構成される。以下、水素エンジン用水素配管２１，２２は、水素配管２１，２２と記載する。

水素エンジン１４は、水素を燃料として、空気との混合気を複数のシリンダ内で、点火プラグでの点火等により燃焼させる。水素エンジン１４は、その燃焼エネルギーでピストンを往復運動させることにより、クランクシャフトを回転させる。このために、複数のシリンダに対応する複数の燃焼室には、水素タンク１６に水素配管２１，２２及びデリバリーパイプ１８を介して接続された複数のインジェクタ１９から水素が噴射される。

水素タンク１６は水素を高圧状態で貯蔵する。水素タンク１６から排出された水素は、水素配管２１，２２を通じて、インジェクタ１９に向かって流れる。その際、水素配管２１，２２内の圧力は、レギュレータ（図示せず）で減圧される。また、水素配管２１，２２内の圧力や温度を測定するために、水素配管２１，２２に圧力センサや温度センサの検出部（図示せず）が設けられる。

水素エンジン１４は、車両前部のエンジン室６０に配置され、水素タンク１６は、車両後部の燃料供給口の近くに配置される。これにより、水素配管２１，２２は、後側の水素タンク１６から、車体７０を構成するフロアパネル６１の下側を通って、前側のエンジン室６０内に延びている。このため、水素配管２１，２２は長くなり、適切に車体７０に支持されなければ振動しやすくなる。また、水素配管２１，２２内の圧力はレギュレータで減圧されるが、減圧後の配管内圧力は約１０ＭＰａ程度であり、燃料電池システムの場合の減圧後の配管内圧力（例えば１ＭＰａ）に比べてかなり高くなる。これによっても水素配管２１，２２は車体７０に適切に支持されなければ振動しやすくなる。実施形態の車両１０では、このような水素配管２１，２２を車体７０に適切に支持して水素配管２１，２２の振動を抑制するために、水素配管の車体支持構造２０を備えている。以下、車体支持構造２０を詳しく説明する。

図２は、図１のＡ－Ａ拡大断面図である。図３は、図２の斜め後側から見た図であり、図４は、図２のＢ部拡大断面図である。図５は、図２のＣ－Ｃ断面図である。車体支持構造２０は、水素配管２１，２２を保持しフロアパネル６１に支持される保持部材３０と、保持部材３０とフロアパネル６１との２つの固定位置に設けられた２つの第１防振ゴム５１，５２とを含んでいる。保持部材３０には２つの水素配管２１，２２が保持される。このために、保持部材３０は、略Ｍ字形であるブロック状のクランプ３１と、クランプ３１の各溝部３２と反対側（図２の上側）に固定されたプレート４０とを含んでいる。

具体的には、クランプ３１は、左右方向の両側の下側に、前後方向に延びるように開口した２つの断面略円弧形の溝部３２を有する。各溝部３２には、円筒状の第２防振ゴム４８，４９が嵌合固定される。２つの水素配管２１，２２は、それぞれ第２防振ゴム４８，４９の内側に締め付けるように嵌合された状態で、溝部３２に差し込まれている。クランプ３１の下端部で各溝部３２の左右両側の開口縁部には、溝部３２内に向かって斜め上方に延びる係止片３３，３４が設けられる。これにより溝部３２からの水素配管２１，２２の脱落が防止されている。

クランプ３１の上面は略平面であり、その略中心部には、略円柱状の突起３５が形成される。突起３５の外周面の２つの位置には、係止突部３６が形成され。各係止突部３６は、突起３５をプレート４０の略中央部に形成した断面円形の中央穴（図示せず）から上方に貫通させた状態で、突起３５が中央穴の下側に抜けることを防止する。また、各係止突部３６は、クランプ３１の上面がプレート４０の下面に接触した状態でプレート４０の上面に係止突部３６を係合させることで、クランプ３１をプレート４０に固定する。突起３５をプレート４０の中央穴に貫通させるときには、各係止突部３６を弾性的に圧縮する。クランプ３１は、例えば樹脂により形成される。

プレート４０は、長尺な矩形板状の金属板を曲げ加工することにより形成され、長手方向両端寄り部分で、左右方向に延びる２つの外板部４１と、２つの外板部４１の内端部に接続され外板部４１より下側に略Ｕ字形に窪むように形成された中間板部４２とを含んでいる。中間板部４２の中間部は、左右方向に延びる平板状となっており、その略中央部に板厚方向に貫通した上記の中央穴が形成される。また、各外板部４１には、板厚方向に貫通した後述のボルト８０貫通用の断面円形の端穴４１ａ（図４）が形成される。

２つの第１防振ゴム５１，５２は、上下に分かれた２つの筒状部分５３，５４が、筒状部分５３，５４の一部と軸方向に重なる形状の柱部５５（図５）で連結された構造を有する。これにより、各第１防振ゴム５１，５２は、軸方向中間部に溝部５６を有する形状となっている。柱部５５の内側面は、溝部５６の底面である。２つの第１防振ゴム５１，５２の形状は、互いに略同一である。各第１防振ゴム５１，５２の溝部５６には、プレート４０の各外板部４１が嵌め込まれる。各外板部４１の端穴４１ａ及び第１防振ゴム５１，５２の中心穴５７（図４）を下側から上方に貫通したボルト８０と、フロアパネル６１の上面に溶接等で固定したナット８１とがネジ結合される。これにより、プレート４０とフロアパネル６１とで第１防振ゴム５１，５２の上側の筒状部分５３を挟んだ状態で、フロアパネル６１に各第１防振ゴム５１，５２が固定される。この状態で、プレート４０とボルト８０の頭部８０ａとで、第１防振ゴム５１，５２の下側の筒状部分５４が挟まれる。これにより、２つの第１防振ゴム５１，５２は、クランプ３１を挟んでプレート４０の両側に支持される。

また、２つの第１防振ゴム５１，５２のバネ定数は互いに異なっている。防振ゴムを有する物体の防振支持構造では、固有振動数は、物体の重量と防振ゴムのバネ定数とから決定される。これにより、防振支持構造である車体支持構造２０において、２つの第１防振ゴム５１，５２を有する場合に、２つの第１防振ゴム５１，５２のバネ定数が互いに異なる場合には、車体支持構造における固有振動数が２つとなり、それぞれの固有振動数に対応して各水素配管２１，２２の振動における共振周波数が２つに分散される。このため、それぞれの共振周波数での振動ピークを低くできるので、水素配管２１，２２の振動を抑制できる。また、水素エンジンシステム１２の圧力センサや温度センサ等のシステム構成部材を水素配管２１，２２の振動抑制用の重量部として用いないので、システム構成部材の設置位置の自由度を高くできる。

２つの第１防振ゴム５１，５２の材質は特に限定しないが、例えば、天然ゴム、ニトリルゴム、ハイダンピングラバー、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムにより構成される一群のゴム材料から、異なるバネ定数を持つ２種類のゴム材料の組み合わせを選択する。

また、ゴム材料は、同じ種類でも、硬度が異なることによってバネ定数が異なることが分かっている。このため、２つの第１防振ゴム５１，５２の材質として、同じゴム材料で硬度が異なる２つの材料の組み合わせが選択されてもよい。

また、図４に第１防振ゴム５２を用いて示すように、各第１防振ゴム５１，５２の各筒状部分５３，５４の軸方向である上下方向の互いに対向する内面、すなわち、溝部５６の内面の半径方向中間部には円環状の溝部５３ａ、５４ａが形成される。これにより、各筒状部分５３，５４の内面の内周部５３ｂ、５４ｂは、径方向の厚みが小さくなって弾性変形しやすくなり、プレート４０の外板部４１の板厚方向両面に弾性的に押し付けられる。

さらに、クランプ３１の内側で水素配管２１，２２を内側に嵌合させた各第２防振ゴム４８，４９のバネ定数は、各第１防振ゴム５１，５２のバネ定数と異ならせている。２つの第２防振ゴム４８，４９のバネ定数は、互いに同じとしてもよく、または互いに異ならせてもよい。これにより、各水素配管２１，２２の振動における共振周波数をさらに分散でき、それによって、それぞれの共振周波数での振動ピークをさらに低くできるので、水素配管２１，２２の振動をさらに抑制できる。

さらに、実施形態では、保持部材３０は、水素配管２１，２２を差し込む溝部３２を有するクランプ３１と、クランプ３１の溝部３２と反対側に固定されたプレート４０とを含み、２つの第１防振ゴム５１，５２は、クランプ３１を挟んでプレート４０の両側に支持される。また、各第１防振ゴム５１，５２は、プレート４０及び第１防振ゴム５１，５２を貫通したボルト８０とナット８１とにより、プレート４０と車体７０とで第１防振ゴム５１，５２を挟んだ状態で車体７０に固定される。これにより、車体７０に保持部材３０が第１防振ゴム５１，５２を介してより安定して支持される。このため、水素配管２１，２２の振動を第１防振ゴム５１，５２により安定して抑制しやすくなるので、水素配管２１，２２の振動抑制効果を高くできる。

図６は、比較例の水素配管の車体支持構造において、図２に対応する図である。比較例では、図１～図５の構成と異なり、プレート４０とフロアパネル６１との２つの固定位置に防振ゴムを設けず、プレート４０をフロアパネル６１の下面に直接に接触させて、ボルト８０及びナット８１の結合によりプレート４０を車体７０に固定している。このような比較例では、各水素配管２１，２２の振動の共振周波数を分散させることができないので、水素配管２１，２２の振動抑制の面から改善の余地がある。

図７は、実施形態において、水素配管２１，２２における振動の周波数と振動レベルとの関係の１例を実線ａで示している。図１～図５に示した実施形態の場合には、上記のように２つの第１防振ゴム５１，５２のバネ定数が異なっており、さらに、各第１防振ゴム５１，５２と各第２防振ゴム４８，４９とでバネ定数が異なっている。このため、図７の実線ａのように、水素配管の車体支持構造での、水素配管２１，２２の振動周波数について、例えば、共振周波数を、各第１防振ゴム５１，５２のバネ定数に基づく固有振動数に応じた共振周波数ｆａ、ｆｂと、第２防振ゴム４８，４９のバネ定数に基づく固有振動数に応じた共振周波数ｆｃとに分散させることができる。図７の例では、第２防振ゴム４８，４９のバネ定数が各第１防振ゴム５１，５２のバネ定数より高い場合を示している。

一方、図７の一点鎖線ｂは、上記の図６の構成を有する比較例の場合を示している。この場合には、共振周波数ｆｄが、第２防振ゴム４８，４９のバネ定数に基づく１つのみとなるので、振動レベルのピークがＰ４と高くなっている。図７の実線ａで示す実施形態の場合には、上記のように振動の共振周波数を分散できるので、各共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃでの振動レベルのピークＰ１，Ｐ２，Ｐ３を、比較例のピークＰ４より低くできる。これにより、実施形態によれば、水素配管２１，２２の振動を抑制できる。図７では、説明を分かりやすくするために、各共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃでの振動レベルのピークＰ１，Ｐ２，Ｐ３が異なる場合を示している。

なお、図２～図５に示した実施形態と異なり、フロアパネル６１の上面に溶接等によりボルトの頭部を固定し、フロアパネル６１を下側に貫通したボルトの軸部に第１防振ゴム５１，５２とプレート４０とを貫通させ、その下側に設けたナットをボルトの軸部にネジ結合してもよい。

また、図２～図５に示した実施形態では、プレート４０の両端部のそれぞれを１つの第１防振ゴム５１，５２の２つの筒状部分５３，５４で挟む場合を説明したが、プレート４０の両端部のそれぞれを、互いに分離した２つの防振ゴムで挟む構成としてもよい。この場合、図２～図５で示した第１防振ゴム５１，５２の上側及び下側の筒状部分が互いに接続されず、分離したような構成となる。そして、この構成において、プレート４０の両端部のそれぞれを挟む位置に設けた２つの防振ゴムで互いにバネ定数を異ならせてもよい。この構成によれば、各水素配管２１，２２の振動における共振周波数をさらに分散でき、それによって、それぞれの共振周波数での振動ピークをさらに低くできるので、水素配管２１，２２の振動をさらに抑制できる。

なお、上記の実施形態では、クランプ３１が２つの水素配管２１，２２を保持する場合を説明したが、クランプ３１は１つのみ、または３つ以上の水素配管を保持する構成としてもよい。また、プレート４０は、図２、図３のような中間部で下側に窪んだ形状とせず、例えば略矩形の平板状としてもよい。また、上記の実施形態の水素配管の車体支持構造は、フロアパネル６１の下側の複数位置等、車体の下側の複数位置に設けてもよい。

また、上記の実施形態では、車体としてフロアパネル６１に水素配管２１，２２を、車体支持構造２０で支持する場合を説明したが、水素配管２１，２２を支持する部分は、これに限定せず、例えば後輪側のホイールハウスの周辺部や、水素タンク１６の近く等の車体、または車体に固定した部分としてもよい。

１０ 車両、１２ 水素エンジンシステム、１４ 水素エンジン、１６ 水素タンク、１８ デリバリーパイプ、１９ インジェクタ、２０ 車体支持構造、２１，２２ 水素エンジン用水素配管（水素配管）、３０ 保持部材、３１ クランプ、３２ 溝部、３３，３４ 係止片、３５ 突起、３６ 係止突部、４０ プレート、４１ 外板部、４１ａ 端穴、４２ 中間板部、５１，５２ 防振ゴム、５３，５４ 筒状部分、５３ａ、５４ａ 溝部、５３ｂ、５４ｂ 内周部、５５ 柱部、５６ 溝部、５７ 中心穴、６０ エンジン室、６１ フロアパネル、７０ 車体、８０ ボルト、８０ａ 頭部、８１ ナット。

Claims (2)

1. 水素タンクから供給される水素を水素エンジンに供給する水素配管の車体支持構造であって、
   前記水素配管を保持し車体に支持される保持部材と、
   前記保持部材と前記車体との複数の固定位置に設けられた複数の防振ゴムと、を備え、
   前記複数の防振ゴムは、バネ定数が互いに異なっている、
   水素エンジン用水素配管の車体支持構造。
2. 請求項１に記載の水素エンジン用水素配管の車体支持構造において、
   前記保持部材は、前記水素配管を差し込む溝部を有するクランプと、前記クランプの前記溝部と反対側に固定されたプレートとを含み、
   前記複数の防振ゴムは、前記クランプを挟んで前記プレートの両側に支持された２つの防振ゴムを含み、
   前記２つの防振ゴムのそれぞれは、前記プレート及び前記防振ゴムを貫通したボルトとナットとにより、前記プレートと前記車体とで前記防振ゴムを挟んだ状態で前記車体に固定される、
   水素エンジン用水素配管の車体支持構造。
   
   

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