-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mehrschichtige Leitung aus elastomerem
Material und insbesondere zur Zufuhr von Hochdruck-Kraftstoff aus
einer Pumpe zu einem Fahrzeugmotor.
-
Wie
bekannt ist, bestehen Fahrzeug-Kraftstoffzufuhrleitungen aus einem
thermoplastischen oder elastomeren Material und umfassen vorzugsweise
eine Anzahl von Schichten aus. Materialien mit verschiedenen chemischen
Zusammensetzungen. Aus Sicherheitsgründen muss eine mehrschichtige
Kraftstoffleitung gegenüber
Kraftstoffdampf undurchlässig
sein, sowohl gegenüber
hohen als auch tiefen Temperaturen beständig und flammbeständig sein.
-
Aus
dem Deutschen Patent
DE19633133 ist
auch eine mehrschichtige Leitung zum Transport von Kraftstoff bekannt,
die aus zwei Schichten besteht, wobei die erste eine Sperrschicht
mit einer niedrigen Kraftstoffdurchlässigkeit bildet und die zweite
ein Thermoplast ist. Der Thermoplast der zweiten Schicht wird mit
Polyethylenimid als Klebstoff behandelt und/oder vermischt.
-
Leitungen
aus elastomerem Material umfassen normalerweise eine innere Schicht,
eine Verstärkungsschicht
aus Kunststofffasern und eine Deckschicht aus elastomerem Material.
-
Solche
Leitungen werden aufgrund der inneren Schicht aus elastomerem Material,
die die Verbindung erleichtert, weil die speziellen Dichtringe,
die für
entsprechende Leitungen aus thermoplastischem Material benötigt werden,
nicht erforderlich sind, und aufgrund der hervorragenden Hochtemperatur- und Flammbeständigkeit
der Außenschicht
weithin verwendet.
-
Solche
Leitungen stellen auch eine Sperrschicht dar, wodurch eine Durchdringung
durch Kraftstoffdampf verhindert wird.
-
Es
sind Leitungen vorgeschlagen worden, deren innere Schicht aus fluoriertem
Kautschuk, z.B. VITON®, und deren Sperrschicht
aus TEFLON® besteht.
Die die innere Schicht bildenden Mischungen weisen unter kalten
Arbeitsbedingungen jedoch Probleme auf, wobei die Leitungen selbst
extrem teuer herzustellen sind.
-
Moderne
Direkteinspritzsysteme benötigen
auch die Zufuhr von Hochdruck-Kraftstoff,
z.B. mit mehr als 100 bar. Bisher ist dies unter Verwendung von
Metallleitungen erfolgt, die dazu fähig sind, Hochdruck zu widerstehen,
während
sie gleichzeitig gegenüber
Dampf undurchlässig
sind. Weil Metallleitungen jedoch im wesentlichen starr sind, stellen
sie hinsichtlich der Vibrationsbeständigkeit ein Problem dar, ergeben
im wesentlichen keine Dämpfung
von pulsierendem Druck, sind schwierig zu montieren und beeinflussen
die Konstruktion des Motorraums.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Leitung, die dazu fähig
ist, gegenwärtig
verwendete, gegenüber
Niederdruck beständige
Kunststoffleitungen zu ersetzen, die aber auch bei Drücken von über 100
bar verwendet werden kann, um auch Metallleitungen zu ersetzen,
und daher gegenüber
Kraftstoffdampf undurchlässig
ist, gegenüber
hohen und tiefen Temperaturen beständig, flammbeständig und
biegsam ist.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine mehrschichtige Leitung zur
Durchleitung von Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 1 oder 4 verfügbar gemacht.
-
Insbesondere
wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine mehrschichtige Leitung verfügbar gemacht,
umfassend wenigstens eine innere Schicht, die ein Material umfasst, das
aus der aus Acrylnitril/Butadien, hydriertem Acrylnitril/Butadien,
chlorsulfoniertem Polyethylen und EPDM bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
eine Sperrschicht, die ein Material umfasst, das aus der aus aliphatischen
oder aromatischen Polyamiden, Polyamidmischungen und Polyamid- und
Polyolefinmischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, eine verstärkende Schicht
aus gesponnenem Gewebe, das aus Fasern aus einem Material besteht,
das aus der aus aliphatischen Polyamiden, aromatischen Polyamiden
und Polyestern bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und eine Deckschicht,
die ein Material umfasst, das aus der aus chlorsulfoniertem Polyethylen,
chloriertem Polyethylen, Acrylnitril/Butadien und PVC-Mischungen,
Epichlorhydrin, EPDM, Chloropren, EVA und EVM bestehenden Gruppe
ausgewählt
ist.
-
Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung beschrieben, die einen Teilschnitt einer mehrschichtigen
Leitung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
Die
Leitung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Verwendung des bekannten Verfahrens zur Herstellung
von Leitungen aus elastomerem Material zur Durchleitung von Kohlenwasserstoffen,
aber unter Verwendung von innovativen Materialien und Materialkombinationen
hergestellt.
-
Insbesondere
umfasst die Leitung 1 wenigstens eine innere Schicht 2 aus
elastomerem Material, eine Kraftstoffdampf-Sperrschicht 3,
eine zweite innere Schicht 4, ein gesponnenes Verstärkungsgewebe 5 zur
Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Leitung, und eine Deckschicht 6.
Die Leitung 1 ist nur eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und kann zusätzliche Schichten umfassen,
und die zweite innere Schicht kann entfallen, und die Dicke der
Schichten kann variieren, und dies alles, ohne vom Rahmen der Erfindung
abzuweichen.
-
Insbesondere
ist die Hauptkomponente der Mischung für die innere Schicht 2 aus
elastomerem Material ein Polymer, das aus der aus Acrylnitril/Butadien,
hydriertem Acrylnitril/Butadien, chlorsulfoniertem Polyethylen,
EPDM und chloriertem Polyethylen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Sogar noch mehr bevorzugt besteht die innere Schicht 2 aus
Mischungen aus Acrylnitril/Butadien und hydriertem Acrylnitril/Butadien
oder aus chlorsulfoniertem Polyethylen.
-
Als
Acrylnitril/Butadien werden beispielsweise Polymere der EUROPRENE®-Familie von ENICHEM verwendet,
und als hydriertes Acrylnitril/Butadien können beispielsweise Polymere
der ZETPOL®-Familie
von Nippon Zeon verwendet werden. Die innere Schicht 2 kann
unter Verwendung von Extrusionsverfahren gebildet werden, mit denen
jeder Techniker in diesem speziellen Gebiet vertraut ist. Die Dicke
der inneren Schicht kann in Abhängigkeit
von dem als Grundmaterial ausgewählten
Polymer variieren und reicht durchschnittlich von 1 bis 2 mm, vorzugsweise
zwischen 1,2 und 1,8 mm und beträgt
sogar noch mehr bevorzugt etwa 1,4 mm. Der Innendurchmesser von
Leitung 1 kann vorzugsweise von 5 bis 8 mm, noch mehr bevorzugt
von 6 bis 7 mm und sogar noch mehr bevorzugt von 6,35 bis 6,65 mm
reichen, während
der Außendurchmesser
von 12 bis 16 mm, vorzugsweise von 14 bis 15 mm und sogar noch mehr
bevorzugt von 14,4 bis 14,6 mm reicht.
-
Die
innere Schicht 2 kann herkömmliche Additive wie Verstärkungsmittel,
Füllmittel,
Pigmente, Stearinsäure,
Beschleuniger, Härtungsmittel,
Oxidationsschutzmittel, Aktivatoren, Initiatoren, Weichmacher, Wachs,
Vorhärtungsinhibitoren
und Ähnliches
enthalten. Zum Beispiel kann Ruß,
der normalerweise in von 5 bis 200 phr reichenden Mengen zugegeben
wird, als Füllmittel
verwendet werden. Talk, Calciumcarbonat, Siliciumdioxid und Ähnliches
kann in Mengen, die normalerweise von 5 bis 150 phr reichen, zugegeben
werden, oder Füllmittel
enthaltende Öldispersionen
können
ebenfalls zugegeben werden. Organosilane können in Mengen, die von 0,1
bis 20 phr reichen, verwendet werden. Als Härtungsmittel können diejenigen
verwendet werden, die jedem Techniker auf dem Gebiet bekannt sind,
wie freier Schwefel oder schwefelspendende Härtungsmittel, z.B. Aminodisulfid
und Polymerpolysulfide. Die zugegebene Menge variiert nach dem Kautschuktyp
und dem verwendeten Härtungsmittel
und reicht normalerweise von 0,1 bis 10 phr. Die am üblichsten
in der Mischungszusammensetzung verwendeten Zersetzungs schutzmittel
umfassen mikrokristalline Wachse, Paraffinwachse, Monophenole, Bisphenole,
Thiophenole, Polyphenole, Hydrochinonderivate, Phosphite, Phosphitmischungen,
Thioester, Naphthylamine, Diphenolamine, substituierte und unsubstituierte
Diarylaminderivate, Diarylphenylendiamine, Paraphenylendiamine,
Chinoline und Aminmischungen. Zersetzungsschutzmittel werden normalerweise
in Mengen verwendet, die von 0,1 bis 10 phr reichen. Repräsentativ
für die
Verfahrensöle,
die verwendet werden können,
sind Dithiobisbenzanilid, Polyparadinitrosobenzol, Xylylmercaptane,
Polyethylenglycol, mineralische Öle,
gehärtete
pflanzliche Öle,
Phenol-Formaldehyd-Harze,
synthetische Öle,
Petrolharze und Polymerester. Verfahrensöle können in herkömmlichen
Mengen von 0 bis 140 phr verwendet werden. Als Initiator wird herkömmlicherweise
Stearinsäure
in Mengen verwendet, die von 1 bis 4 phr reichen. Herkömmliche
Additive wie Calciumoxid, Zinkoxid und Magnesiumoxid können ebenfalls
normalerweise in Mengen, die von 0,1 bis 25 phr reichen, verwendet
werden. Herkömmliche
Beschleuniger oder Beschleunigerkombinationen wie Amine, Disulfide,
Guanidin, Thioharnstoff, Thiazole, Mercaptane, Sulfenamide, Dithiocarbamate
und Xanthate, normalerweise in Mengen, die von 0,1 bis 100 phr reichen,
werden ebenfalls verwendet.
-
Eine
Schicht aus einem thermoplastischen Material, insbesondere eine
Sperrschicht (3), die aus wenigstens einem Polyamid besteht,
wird auf die inneren Schichten aus elastomerem Material extrudiert
und umfasst vorzugsweise die Polyamide 6/6.6, d.h. Mischungen von
Polyamid 6.6 und Polyamid 6, die auch bekannte Additive wie Weichmacher,
z.B. Polyamidmischungen, enthalten, die von ELF ATOCHEM als RILSAN® EM
067 HSP vermarktet werden, oder Polyamid- und Polyolefin-Mischungen
wie diejenigen, die von ELF ATOCHEM als ORGALLOY® vermarktet
werden; noch mehr bevorzugt Polyamid- und Polypropylen-Mischungen,
z.B. ORGALLOY® RDG 113,
Polymere mit physikalisch-chemischen Merkmalen, die Polyamidmischungen
und insbesondere Polyamiden 6/6.6 nahezu entsprechen und die daher
auch mit diesen vergleichbar sind, wenn sie für Sperrschichten verwendet
werden. Die Dicke der Sperrschicht hängt vom Typ des verwende ten
Polyamids ab, reicht normalerweise aber vorteilhaft von 0,1 bis
0,3 mm und vorzugsweise von 0,15 bis 0,25 mm.
-
Dann
kann ein antiadhäsives
Mittel vom FLOUOZINC-Typ zugegeben werden, und dann werden Garne
vorzugsweise aus synthetischen Fasern um die innere Schicht 2 und
die Sperrschicht 3 und gegebenenfalls um eine zweite innere
Schicht 4 gesponnen, wodurch das verstärkende, gesponnene Gewebe 5 zur
Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Leitung gebildet wird.
Hauptsächlich
werden eng gewobene, verknäuelte
oder geflochtene Garne mit einer Grundfaser aus einem Polyester
oder einem aliphatischen oder aromatischen Polyamid verwendet. Vorzugsweise
werden Aramidfasern wie diejenigen, die von du Pont de Nemours als
KEVLAR® vermarktet
werden, oder Fasern aus TWARON®, einer Marke von Akzo
Nobel, verwendet.
-
Eine
zweite innere Schicht 4 ist gegebenenfalls zwischen der
Sperrschicht 3 und dem gesponnen, verstärkenden Gewebe 5 angeordnet
und umfasst ein Polymer mit einer chemischen Beschaffenheit, die
dieselbe wie die der inneren Schicht 2 oder davon verschiedenen
ist und vorzugsweise aus der aus Acrylnitril/Butadien, hydriertem
Acrylnitril/Butadien, chlorsulfoniertem Polyethylen, EPDM und chloriertem
Polyethylen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Die Dicke von Schicht 4 variiert
offensichtlich in Abhängigkeit
vom verwendeten Polymer, bewegt sich normalerweise aber zwischen
0,25 und 1,50 mm und vorzugsweise zwischen 0,45 und 0,65 mm.
-
Die äußere oder
Deckschicht 6 aus elastomerem Material wird direkt auf
die darunterliegende Struktur extrudiert und umfasst vorteilhaft
Polymere, die aus der aus chlorsulfoniertem Polyethylen, chloriertem
Polyethylen, Acrylnitril/Butadien und PVC-Mischungen, EPDM, Chloropren,
EVA und EVM bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Bei den verwendeten
Elastomeren handelt es sich vorzugsweise um chloriertes Polyethylen oder
EPDM und noch mehr bevorzugt um chloriertes Polyethylen. Die Dicke
der Deckschicht 6 hängt
offensichtlich von der Beschaffenheit des verwendeten Polymers ab
und kann sich zwischen 0,5 und 2,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,7
und 1,2 mm und sogar noch mehr bevorzugt zwischen 0,85 und 1,05
mm bewegen.
-
Sobald
alle Schichten gebildet sind, wird Leitung 1 auf herkömmliche
Weise bei Temperaturen, die sich zwischen 150 °C und 200 °C bewegen, vorzugsweise für 1 bis
2 h gehärtet.
-
Eine
Leitung 1 mit der oben beschriebenen Struktur ist im Gegensatz
zu gegenwärtig
verwendeten Kraftstoffleitungen aus elastomerem Material, das eine
Arbeitsdruckbeständigkeit
von etwa 10 bar und einen Berstdruck von weniger als 100 bar aufweist,
dazu fähig,
Arbeitsdrücken
von über
100 bar zu widerstehen.
-
Insbesondere
vereinigt die Struktur der mehrschichtigen Leitung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine hervorragende Druckbeständigkeit mit einer sehr niedrigen
Durchlässigkeit
gegenüber
Kraftstoffdampf. Wie in den folgenden Beispielen gezeigt wird, weist
eine Leitung gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Berstdruck von über
400 bar auf und kann daher in Direkteinspritzsystemen, bei denen
Arbeitsdrücke
von über 100
bar erforderlich sind, verwendet werden.
-
Darüber hinaus
ist sie preiswert herstellbar und zur leichten Montage biegsam,
wodurch eine umfassende Freiheit bei der Konstruktion von Motorraum-Komponenten
erhalten wird.
-
Darüber hinaus
erfordert die erfindungsgemäße Leitung
keine edlen, an sich teuren Polymere wie fluorierte Polymere, die
im bekannten Stand der Technik verwendet werden.
-
Offensichtlich
können
an der hier beschriebenen und veranschaulichten mehrschichtigen
Leitung, insbesondere an den prozentualen Anteilen der chemischen
Komponenten der verschiedenen Schichten, an den relativen Dicken
der Schichten und an der Anzahl der verwendeten Schichten Änderungen
vorgenommen werden, ohne jedoch vom Rahmen der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Zum Beispiel können
eine weitere innere Schicht und eine weitere Verstärkungsschicht
aus Textilmaterial vorgesehen werden.
-
Die
Erfindung wird jetzt durch eine Reihe ausschließlich nicht einschränkender
Beispiele beschrieben.
-
Beispiel 1
-
Eine
mehrschichtige Leitung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Anwendung bekannter Techniken und unter bekannten
Bedingungen durch das Extrudieren einer Mischung aus 80 Gew.-Teilen
des Acrylnitril/Butadiens EUROPRENE® N
3345 von ENICHEM S.p.A. und 20 Gew.-Teilen des hydrierten Acrylnitril/Butadiens
ZETPOL® 2020L
von NIPPON ZEON Ltd., wozu oben aufgeführte herkömmliche Additive gegeben wurden,
als innere Schicht hergestellt. Eine Sperrschicht aus RILSAN® EM
067 HSP von ELF ATOCHEM, bestehend aus Nylon 6/6.6, wird dann durch
einen zweiten Extruder auf die erste Schicht extrudiert; die Leitung wird
dann einem dritten Extruder zugeführt, wo eine zweite Schicht
aus elastomerem Material hinzugefügt wird, die aus PARACRIL® BJLT-M50
(von ENICHEM S.p.A.) besteht, und schließlich wird die so gebildete
Leitung in einer Vertikal-Flechtmaschine von OMA mit 24 Spindeln
mit Aramid-Fasergarn umflochten. Insbesondere bestehen die Hauptgarne
aus TWARON® 1680
von AKZO NOBEL; für
24 Spindeln werden 3 Garne verwendet; die Spindelspannung wird auf
1,1 kg und die Teilung auf etwa 28,7 mm fixiert, und der Enddurchmesser
der resultierenden Litze beträgt
12,6 (± 0,3
mm).
-
Die
Leitung wird dann mit einer Deckschicht aus chloriertem Polyethylen
(TYRIN® CM
0730, hergestellt von DU PONT DOW ELASTOMERS) bedeckt, wodurch ein
Durchmesser der fertigen Leitung von 14,4 mm erhalten wird.
-
Darauf
folgt ein Härtungsschritt
bei 157 °C ± 3 °C für etwa 75
min.
-
Die
Schichtzusammensetzung einer Leitung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in Tabelle 1 aufgeführt.
-
-
Vergleichsbeispiel 2
-
Zum
Vergleich ist in Tabelle 2 die Zusammensetzung einer bekannten elastomeren
Kraftstoffleitung mit einer inneren Schicht aus VITON®, einem
aus einem Terpolymer aus Vinylfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen
bestehenden Fluorelastomer, dargestellt. Dieser Leitungstyp ist
für den
bekannten Stand der Technik typisch; er wird zur Durchleitung von
Kohlenwasserstoffen verwendet und ist gegenüber Dampf undurchlässig und
gegenüber
einem niedrigen Druck beständig.
-
-
Beispiel 3
-
In
Tabelle 3 sind die chemisch-physikalischen Eigenschaften der Polymere
aufgeführt,
die in der Sperrschicht einer Leitung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden.
-
-
Beispiel 4
-
Die
Durchlässigkeit
wurde mittels des Verfahrens SAE J1737 gemessen, wobei die mit einem
konstanten Kraftstoffstrom gespeiste Leitung in einem versiegelten
Behälter
angeordnet wird, dem trockener Stickstoff zugeführt wird; der trockene Stickstoff
fängt Dämpfe auf
und transportiert sie in einen mit Aktivkohle gefüllten Behälter, der
die Kraftstoffdämpfe
adsorbiert und zurückhält. Der
Behälter
wird periodisch gewogen; die erfasste Gewichtszunahme wird durch
die durchgelassenen Dämpfe
verursacht, die von der Aktivkohle adsorbiert werden; somit entspricht
die Durchlässigkeit
der Gewichtzunahme der Aktivkohle, die auf einen linearen Meter der
Leitung bezogen und auf einen Zeitraum von 24 h bezogen ist. Die
Testbedingungen sind in Tabelle 4 aufgeführt.
-
-
In
Tabelle 5 sind die jeweiligen Durchlässigkeitswerte der Leitung
gemäß der vorliegenden
Erfindung (als 1 bezeichnet) mit der in Beispiel 1 beschriebenen
Zusammensetzung, die Vergleichsleitung (als 2 bezeichnet) mit der
in Beispiel 2 beschriebenen Zusammensetzung und eine einschichtige
Leitung aus Polyamid 12 (als 3 bezeichnet) aufgeführt.
-
-
Der
Durchlässigkeitswert
der Leitung gemäß der vorliegenden
Erfindung beträgt
daher 1/6 derjenigen der Vergleichsleitungen.
-
Beispiel 5
-
Verschiedene
Proben (wenigstens drei) aus einer mehrschichtigen Leitung, die
mit der in Beispiel 1 hergestellten Zusammensetzung hergestellt
wurde, wurden auf die Beständigkeit
und den Hochdruckbetrieb getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle
6 dargestellt, in der die Mittelwerte der verschiedenen Proben und auch
die Werte für
die Ozonbeständigkeit
und die Biegsamkeit bei tiefen Temperaturen veranschaulicht sind.
-