JP4975692B2 - 燃料タンク - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンクの強化構造に関するものである。

車両用のガソリン燃料タンク用鋼材には、燃料タンクが設置される環境における耐食性と燃料タンク形状にプレス成形するための加工性とが要求される。例えば、ガソリンを燃料として収容する燃料タンクの内部環境は、ガソリンの劣化により生じた「ぎ酸」や「酢酸」などの有機酸がガソリンに含有される水相に溶解した場合に、鋼材にとって厳しい腐食環境になる。一方、燃料タンクの外面腐食は、融雪塩や海塩などによる塩害が主因である。このようなタンクの内外面がさらされる腐食環境に適合する鋼材としてＰｂ−Ｓｎ合金を表面処理したターンシートが使用されている。

また、近年の環境負荷物質溶出抑制の必要性からＰｂを含有しないメッキ鋼板が使用される場合がある。例えば、特許文献１には、Ａｌ系メッキ鋼板が開示されており、特許文献２には、Ｓｎ−Ｚｎ系メッキ鋼板が開示されている。このようなメッキ鋼板を用いる場合、燃料タンクはプレス成形によって製造されるが、燃料タンクは部分的に複雑な形状をしている場合があり、鋼材にはプレス成形性が合わせて要求される。このような要求を満たすために、原板としてＩＦ鋼と呼ばれる軟鋼板を用い、加工性を確保している構成が知られる。
特開平９−１５６０２７号公報 特開２０００−１１９８６７号公報 姫木 浩明、他２名、「樹脂燃料タンク材料の疲労特性解析と耐久性評価」、社団法人自動車技術会、２００５年春季大会学術講演論文集、Ｎｏ．１９−０５、ｐ．２１−２４

非特許文献１に述べられているように、例えば自動車用の燃料タンクは、受熱および冷却の繰り返し等によるガソリン蒸気圧の変化により圧力変動を受ける。自動車等の車両に搭載される燃料タンクには軽量化が要求されるが、この圧力変動に伴う疲労による亀裂の発生を考慮すると、燃料タンクを構成する鋼板の板厚を薄くして軽量化を図ることは困難であった。

本発明は、このような状況に鑑み、燃料タンク自体の重量を大幅に増加させることなく、燃料タンクの疲労特性を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、一つの観点として、鋼板により構成されるタンク内に燃料を収容する燃料タンクであって、有限要素法を用いて前記燃料タンクのタンク内圧力を８ｋＰａとした状態での変形解析を行った場合に、複数の要素の内で、最大主歪値が、前記燃料タンクの目標疲労寿命回数に対する前記鋼板の疲労限界歪範囲の１／５以上となる要素を補強対象領域として補強したことを特徴とする。

また、本願発明は、別の観点として、鋼板により構成されるタンク内に燃料を収容し、タンク外部の温度変化に応じて膨張及び収縮する燃料タンクであって、前記温度変化における前記燃料タンクの最大内圧値での前記鋼板の最大主歪値が、前記燃料タンクの目標疲労寿命回数に対する前記鋼板の疲労限界歪範囲の１／５以上となる領域を補強対象領域として補強したことを特徴とすることができる。

また、本願発明は、別の観点として、前記補強対象領域を、該領域と同形状であり且つ板厚が前記燃料タンクの板厚の１倍以上である鋼板で補強したことを特徴とすることができる。

また、本願発明は、別の観点として、前記目標疲労寿命回数は、３．３万回であることを特徴とすることができる。

また、本願発明は、別の観点として、前記燃料タンクは、車両に搭載されるものであることを特徴とすることができる。

また、本願発明は、別の観点として、前記補強対象領域は、前記タンク部の外形における稜線上に位置し、且つタンク内部へ向けて凸となっている領域を含むことを特徴とすることができる。

本発明によれば、燃料タンクの大幅な重量増加を抑制しながら、疲労特性に優れた燃料タンクを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

本実施の形態では、一例として、本発明に係る燃料タンクが、ガソリンを燃料とする自動車に搭載される場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施の形態による燃料タンク１の外観を示す斜視図である。本実施の形態による燃料タンク１は、タンクの内圧の変動による疲労破壊等に耐え得る強度とするための補強が施されている。

まず、本実施の形態による燃料タンクにおける補強部位の特定方法について説明する。

本願の発明者らは、上記課題を解決するために基礎的な検討を実施した。質量パーセントで、Ｃを０．００１％、Ｓｉを０．０１２％、Ｍｎを０．１２％、Ｐを０．０１％含有し、引張り強さが２７０ＭＰａ級の軟鋼板を用いて、板厚の異なる普通乗用車用の燃料タンクを製作し、タンク内圧力を８ｋＰａとする圧力負荷を繰り返し加える試験を行った。ここでの、８ｋＰａという数値は、タンク外部の温度変化等のタンク内圧力を変動させる要因に起因して膨張及び収縮する燃料タンク１の内圧値の最大値を示す設計上の値である。

また、タンクを多数の要素で分割した有限要素モデルを作成し、圧力解析を行い、圧力が最大の時の各有限要素の最大主歪値ε_Ｍを求めた。以下、最大主歪値ε_Ｍについて詳細に説明する。

剪断歪がゼロである面（主応力面）の垂直歪を「主歪（principal strain）」とよぶ。これは応力の場合と同様に、歪マトリックスＥの三つの固有値（あるいは主値ともいう）ε_１、ε_２、ε_３として求まる。すなわち、主歪ε^（ｐ）は次の特性方程式の解として求まる（吉田総仁著、弾塑性力学の基礎、共立出版、４２頁参照）。

Ｄｅｔ（ε_ｉｊ−ε^（ｐ）δ_ｉｊ）＝０ ・・・ （１）

上記ε^（ｐ）の内、最大の主歪が最大主歪であり、その大きさを最大主歪値と呼び、ε_Ｍと記す。

圧力負荷前の最大主歪値は０であるから、圧力が最大時の最大主歪値ε_Ｍが歪範囲（歪量）になる。図２に示すように、最大主歪値ε_Ｍすなわち歪範囲が、燃料タンクを構成する鋼板の疲労寿命回数に対応する歪範囲を超えると疲労亀裂が発生することを突き止めた。そこで、タンク内圧力の変動による繰り返し負荷に起因する疲労亀裂の発生を防止するため、最大主歪値ε_Ｍが大きい部分に当該部分と同形状の鋼板を貼り付けることで、当該部分を補強することを発想し、貼り付ける鋼板の領域と板厚について詳細に検討した。

その結果、最大主歪値ε_Ｍが、「燃料タンクの目標疲労寿命回数に対する鋼板の歪範囲の１／５以上」となる領域を補強部材で強化することで歪量が軽減され、疲労亀裂の発生を防止できることを知見した。「目標疲労寿命回数」の算定方法については後述する。

続いて、上述のように鋼板によって補強する補強対象領域を限定する理由について以下に述べる。

図３に示すように、最大主歪値ε_Ｍが、燃料タンクの目標疲労寿命回数（３．３万回）に対する鋼板の歪範囲の１／３以上、１／４以上、１／５以上、１／６以上及び１／７以上となる領域に、当該部分と同形状でタンク板厚の１．５倍の板厚を有する鋼板を接合し、この鋼板を接合した状態での最大主歪値ε_Ｍを調査した。

なお、同図において、例えば「１／３以上」とは、最大主歪値ε_Ｍが、燃料タンクの鋼板の目標疲労寿命回数に対応する歪範囲の１／３以上となる領域に、当該部分と同形状で板厚がタンク板厚の１．５倍の鋼板を貼り付けたことを意味する。

鋼板を貼り付ける領域が、燃料タンクの目標疲労寿命回数３．３万回に対応する歪量の「１／３以上」及び「１／４以上」となる領域では、最大主歪値ε_Ｍの低減効果が小さく、「１／５以上」となる領域に貼り付けることで、最大主歪値ε_Ｍが著しく低減することを知見した。なお、目標疲労寿命回数３．３万回に対応する歪量の１／７以上となる領域に鋼板を貼り付けてもよいが、最大主歪値ε_Ｍの低減効果が収束してしまうばかりでなく、タンク重量も重くなってしまうため、鋼板の疲労寿命回数に対応する歪量の１／６以上の領域までとすることが望ましい。

なお、本実施の形態において、燃料タンクの「目標疲労寿命回数」は、１日のタンク内圧力の変動の頻度（一般的には、３回程度）と自動車の耐用年数（約１５年）とを考慮し、且つ安全係数を約２倍に設定することにより、「３．３万回」とした。もちろん、ここで示す目標疲労寿命回数の値は、１日あたりのタンク内圧力の変動頻度や耐用年数が変わることにより変動し得るものであり、必要に応じて変更可能であることは言うまでもない。

なお、補強対象領域に貼り付ける鋼板（補強部材）の板厚の上限は特に定めないが、図４に示すように、補強部材としての鋼板の板厚が燃料タンクを構成する鋼板の板厚の４倍を超えると歪量の低減効果が収束してしまうばかりでなく、重量も重くなってしまうため、４倍以下とすることが好ましい。

また、鋼板を補強対象領域に貼り付ける方法は、例えばハンダ付け等を用いれば容易に貼り付けることができるが、これに限られるものではなく、例えばロウ付けや接着等によって接合することもできる。

なお、本実施の形態において補強部材として使用される鋼板は、軟鋼板に限定されるものではなく、高張力鋼板やステンレス鋼板を採用することもできる。また、鋼板に施す表面処理はターンに限定されるものではなく、Ｓｎ−Ｚｎ系メッキ、Ａｌ系メッキ等の適用が可能である。

続いて、本発明の具体的な実施例について説明する。

本実施例では、板厚が１．０ｍｍおよび０．９ｍｍであり、引張り強さが２７０ＭＰａ級の軟鋼板を用いて図１に示す形状の燃料タンクを製作した。

本実施例による燃料タンクを形成するのに用いた軟鋼板は、質量パーセントで、Ｃを０．００１％、Ｓｉを０．０１２％、Ｍｎを０．１２％、Ｐを０．０１％含有する。

このような構成の燃料タンクについて、有限要素法を用いて、板厚が０．９ｍｍの燃料タンクのタンク内圧力を８ｋＰａとした場合の圧力解析を行った。

その結果、図１に示す破線２で描かれる閉曲線の内部（閉曲線を含む）の領域での最大主歪値が、燃料タンクの目標疲労寿命回数３．３万回に対応する歪範囲の１／５以上となった。

また、図１に示す点線３で描かれる閉曲線の内部（閉曲線を含む）の領域での最大主歪値が、燃料タンクの目標疲労寿命回数３．３万回に対応する歪範囲の１／４以上となった。ここで、燃料タンクに作用させるタンク内圧力は、燃料タンクの温度上昇によるガソリン蒸気圧を考慮して８ｋＰａとした。

ここでの「目標疲労寿命回数」は、１日のタンク内圧力の変動（通常、３回程度）、当該タンクが搭載される車両の耐用年数（約１５年）を考慮し、当該耐用年数の期間中に発生するであろうタンク内圧力の推定変動回数以上である回数を採用し、「３．３万回」とした。

補強部材としての鋼板には、板厚が１．８ｍｍ、１．３ｍｍ、０．９ｍｍおよび０．３ｍｍの軟鋼板を採用し、貼り付ける領域は後述する「領域Ａ」および「領域Ｂ」の２水準とし、図５に示すＮｏ．３〜７の組合せのタンクを製作した。

ここで、「領域Ａ」は閉曲線２上およびその内部領域とした。「領域Ｂ」は閉曲線３上およびその内部領域とした。補強部材としての鋼板はハンダ付けによって燃料タンクの外壁面に貼り付けた。図１に示す燃料タンクに対して、０ｋＰａ→８ｋＰａ→０ｋＰａといった順序で変動するタンク内圧力のパターンを１サイクルとして、３．３万サイクルの疲労試験を実施した。

図５の表に示すＮｏ．１およびＮｏ．２の構成の燃料タンクは、本発明に係る燃料タンクと比較するための比較例であり、本発明外のタンクである。

図５からわかるように、燃料タンクの板厚を１ｍｍとした場合には割れは発生しなかったが、燃料タンクの板厚を０．９ｍｍとした場合には割れが発生した。Ｎｏ．６の燃料タンクは、貼り付ける鋼板の板厚を０．３ｍｍとしたものであり、割れが発生した。Ｎｏ．７の燃料タンクは、貼り付ける鋼板の領域が本発明外であり割れが発生した。また、図５に示すＮｏ．３からＮｏ．５の構成の燃料タンクは、本発明の条件範囲のものであり、耐圧性を満足しかつ軽量化を図ることができていることがわかる。

図６は、上述のようにして特定される補強対象領域に、補強部材としての鋼板Ｓをハンダ付けした状態の燃料タンクの外観を示す斜視図である。

なお、上述の各実施の形態による燃料タンクでは、補強対象となる箇所を、燃料タンクの疲労寿命回数に対応する歪範囲の１／５以上の領域であるという基準に基づいて特定する場合を例示したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、上述のような強度特性を有する箇所の形状的特徴を抽出し、このような強度特性を有するであろう形状的特徴を有する部分を補強するようにすることもできることは言うまでもない。具体的に、上述の実施の形態にて示した一例では、車両用タンクの外形における稜線上に位置し、且つ車両用タンク内部へ向けて凸となっている領域が、補強の対象となる領域となっている。

また、上述の実施の形態では、ガソリンを燃料とする自動車に搭載される燃料タンクを例に挙げて説明したが、車両の燃料として使用され、タンク内圧力の変動を引き起こす可能性のある燃料であればこれに限られるものではない。例えば、燃料として、ディーゼル燃料やエタノール燃料を用いる車両における燃料タンクにも本発明は適用可能である。

また、上述の実施例における燃料タンクは、内燃機関のみを動力源とした車両に搭載することができるが、これに限られるものではなく、内燃機関と二次電池又は燃料電池とを動力源として兼用する、いわゆるハイブリッド車両に搭載することもできる。

また、本発明に係る燃料タンクは、自動車に搭載される場合だけでなく、自動二輪車、航空機、特殊車両等の移動体や建造物等にも搭載可能であり、当該燃料タンクが加熱と冷却とを交互に繰り返し受け且つ燃料タンク自体の軽量化を図るべき環境下において使用される場合に効果を奏することができる。

また、上述の実施例では、有限要素法を用いて最大主歪値ε_Ｍを求める場合を例に挙げたが、必ずしもこれに限られるものではなく、実際に燃料タンクの内圧を上昇させ、そのときの最大主歪値ε_Ｍを直接的に或いは間接的に測定して求めるようにすることもできる。また、シミュレーションによって最大主歪値ε_Ｍを求める場合においても、必ずしも有限要素法を利用する必要はなく、例えば、境界要素法や有限差分法等の他の手法によって求めることも可能である。

このように、上述の実施例による燃料タンクによれば、タンクの大幅な重量増加を伴うことなく、タンク内圧力の変動に対する疲労強度特性を高めることができるという効果を奏する。また、本発明によれば、所定の疲労強度を実現するためのタンク重量を従来の構成の燃料タンクよりも軽くすることができるため、自動車等の車両に搭載される場合における燃料消費量の削減にも効果を奏する。

上述の実施例では、燃料タンクの内圧値の最大値を８ｋＰａに設定したが、これに限定されるものでなく、燃料タンクの外部の温度条件に応じて適宜変更することができる。例えば、寒暖差の大きい地域で使用される燃料タンクについては、８ｋＰａよりも大きい値に設定することができる。反対に寒暖差の小さい地域で使用される燃料タンクについては、８ｋＰａよりも小さい値に設定することができる。

本発明を特定の態様により詳細に説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱しないかぎり、様々な変更および改質がなされ得ることは、当業者には自明であろう。

本発明の実施の形態による燃料タンクの形状を示す外観斜視図である。 疲労試験での割れに及ぼす歪振幅の影響を示した図である。 歪範囲に及ぼす補強版を貼り付ける領域の影響を示した図である。 歪範囲に及ぼす補強版板厚の影響を示した図である。 互いに異なる条件下における燃料タンクの疲労破壊に対する強度を比較するための表である。 補強対象領域に、補強部材としての鋼板をハンダ付けした状態の燃料タンクの外観を示す斜視図である。

符号の説明

１ 燃料タンク、２ 閉曲線、３ 閉曲線。

Claims (6)

1. 鋼板により構成されるタンク内に燃料を収容する燃料タンクであって、
   有限要素法を用いて前記燃料タンクのタンク内圧力を８ｋＰａとした状態での変形解析を行った場合に、複数の要素の内で、最大主歪値が、前記燃料タンクの目標疲労寿命回数に対する前記鋼板の疲労限界歪範囲の１／５以上となる要素を補強対象領域として補強したことを特徴とする燃料タンク。
2. 鋼板により構成されるタンク内に燃料を収容し、タンク外部の温度変化に応じて膨張及び収縮する燃料タンクであって、
   前記温度変化における前記燃料タンクの最大内圧値での前記鋼板の最大主歪値が、前記燃料タンクの目標疲労寿命回数に対する前記鋼板の疲労限界歪範囲の１／５以上となる領域を補強対象領域として補強したことを特徴とする燃料タンク。
3. 前記補強対象領域を、該領域と同形状であり且つ板厚が前記燃料タンクの板厚の１倍以上である鋼板で補強したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料タンク。
4. 前記目標疲労寿命回数は、３．３万回であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料タンク。
5. 前記燃料タンクは、車両に搭載されるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料タンク。
6. 前記補強対象領域は、前記タンク部の外形における稜線上に位置し、且つタンク内部へ向けて凸となっている領域を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料タンク。