DE10192212B4

DE10192212B4 - Durchdringungs- und auslauffeste Konstruktion für Kraftstofftank-Anbaugeräte

Info

Publication number: DE10192212B4
Application number: DE10192212T
Authority: DE
Inventors: Mark West Bloomfield Nulman; Giuseppe Dearborn Rossi
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: DE10192212T1; GB0201087D0; GB2368111A; US6289915B1; JP2003536023A; WO2001094819A1; GB2368111B

Abstract

Kunststoffkraftstofftank-Anbaugerät zur Verwendung in einem Mehrschichtkunststoffkraftstofftank (10), wobei das Anbaugerät aufweist:
Einen Kunststoffbarrierenabschnitt, wobei der Kunststoffbarrierenabschnitt (101) zumindest einen Hohlraum (102a– 102e) aufweist; und
einen Kunststoffüberformungsabschnitt (116), der auf dem Barrierenabschnitt (101) geformt ist, wobei der Kunststoffüberformungsabschnitt (116) in der Lage ist, in dem zumindest einen Hohlraum (102a–102e) aufzuquellen, wenn er einem Kohlenwasserstoff permanent ausgesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffkraftstofftank-Anbaugerät und einen Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau mit einem derartigen Anbaugerät.
Kraftstofftanks für motorisierte Fahrzeuge sind im Laufe zahlreicher Jahre zum Einsatz gekommen. Typische Kraftstofftanks sind kastenförmig mit rechteckiger oder zylindrischer Form und sie können von 38 bis 1135 1 (10 bis 300 Gallonen) oder mehr von einem flüssigen Kraftstoff enthalten. Die meisten der geläufigen Kraftstofftanks, die in aktuellen Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, bestehen typischerweise aus Kunststoff oder Metall. Kraftstoff kann jedoch durch Verbindungen zwischen Metallabschnitten verloren gehen, ausgehend von einer Instrumentensensoröffnung, von der Kraftstoffleitung, die zu dem Motor und von diesem wegführt oder von dem Kraftstoffeinfüllstutzen während nach Tankvorgängen. Im Fall von Kunststofftanks kann Kraftstoff über den Kunststoff selbst verloren gehen.

Aus US 4 560 718 ist es bekannt, aufquellende Polymerschichten als Dichtung für Behälter, in denen Kohlenwasserstoffe gelagert werden, zu verwenden.

Verbesserungen betreffend die Kraftstofftanktechnik sind kürzlich auf die Herstellung von Kraftstofftanks aus Thermokunststoff-, Verbundstoff- oder thermoaushärtenden Materialien gerichtet worden unter der Verwendung einer Vielfalt von Lami nat- bzw. Schicht- oder Verbundstoffstrukturen. Ein Problem, das bei der Verwendung dieser Materialien in einem Kraftstofftank auftritt, betrifft die erhöhte Durchdringung bzw. Permeabilität von Kraftstoff im Vergleich zu Metalltanks.

Um die Emission von Kraftstoff aus diesen Kunststofftanks zu verringern, sind Verbesserungen auf zusätzliche Barrierenschichten fokussiert worden, die zu Tanks mit Mehrschichtwänden führen. Beispielsweise lehrt das auf Harr erteilte US-Patent Nr. 3 616 189 einen verbesserten Behälter mit mehreren Schichten, einschließlich einer Nylon-Barrieredünnschicht. Die Herstellung von Mehrschicht- oder Laminat- bzw. Schichtmaterialien bringt jedoch häufig komplexe, teure Verarbeitungsschritte und teure Materialien mit sich.

Eine weitere Möglichkeit, Barriereneigenschaften von Mehrschichtstrukturen zu verbessern, sehen den zusätzlichen Einsatz spezieller chemischer Barrierenmaterialien auf der Oberfläche der Tanks oder der thermoplastischen Verbundstoffe vor, die zur Herstellung der Tanks verwendet werden. Beispielsweise lehren das auf Walles erteilte US-Patent Nr. 3 740 258 und das auf Shefford erteilte US-Patent Nr. 4 371 574, dass der Anbau von Schwefelsäure oder Sulfonatgruppen auf der Oberfläche der Tankmaterialien Barriereneigenschaften verbessern kann. Das auf Wood erteilte US-Patent Nr. 5 928 745 sieht die zusätzliche Verwendung einer Cyclodextrin-Barriere zusätzlich zu einem thermoplastischen Material vor, das in zumindest einer Schicht eines thermoplastischen Mehrschicht-Kunststofftanks verwendet wird. Während zahlreiche dieser Systeme Barriereneigenschaften verbessern, steht eine signifikante Verbesserung weiterhin aus.

Während die vorstehend angeführten Lösungen die Barriereneigenschaften von Mehrschicht-Kraftstofftanksystemen verbessert haben, sind diese Systeme nicht mit den restlichen Durchdringungsproblemen befasst, die in Anbaugerätbereichen auf dem Tank auftreten. Kraftstoff oder Kraftstoffdampf kann durch Leckpfade zwischen Schichten des Kunststoff-Kraftstofftanks oder entlang freiliegender Oberflächen zwischen den Anbaugeräten und dem Überformteil auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Aufquelleigenschaften von überformten Anbaugeräten an einem Mehrschicht-Kraftstofftank auszunutzen, um mögliche Leckage- bzw. Auslaufpfade an der Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen Materialien zu schließen, welche die überformten Anbaugeräte bilden, und die Barriereneigenschaften der Materialien auszunutzen, die in überformten Anbauteilen verwendet werden, um die Länge des Diffusionspfads für die Kohlenstoffwassermoleküle zu vergrößern.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.

Es werden die Hohlräume oder Nuten ' zusätzlich für die Konstruktion des Barrierenabschnitts der Mehrschichtkonstruktion vorgesehen, die es erlauben, dass das hochdichte Polyethylen-Überformteil innerhalb des Hohlraums oder der Nut aufquillt und den Leckpfad an der Grenzfläche zwischen den zwei Materialien verschließt.

Vorteilhafterweise wird das Polyethylen-Überformungsteil in dem Bereich entsprechend der Tankwand konisch anstatt zylindrisch geformt, um eine Schweißnaht zwischen dem konischen Teil des Überformungsmaterials und der Tankwand zu erzeugen. Dies stellt sicher; dass keine Spalte zwischen der Tankwand und dem Anbaugerät vorliegen.

Es wird der Diffusionspfad von Kohlenwasserstoffmolekülen in dem hochdichten Polyethylen-Überformteil verlängert, um das Hindurchdringen von Kohlenwasserstoffmolekülen durch das Anbaugerät zu verringern.

Vorteilhafterweise werden Barrierenkerne zusätzlich am Fuß des Anbaugeräts vorgesehen, um Druckspannungen in der Polyethylenschicht zu erzeugen, um die Polyethylenschicht gegen die Barrierenschicht zu pressen, um jeglichen Leckagepfad in diesen Bereichen zu unterbrechen. Das Vorliegen von Barrierenkernen erbringt einen bestimmten zusätzlichen Schutz gegenüber Durchdringung.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
1 zeigt einen Mehrschicht-Kunststofftank mit einem Überrollventil-Anbaugerät gemäß dem Stand der Technik;
2 zeigt ein Überrollventil in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 zeigt die Tanköffnungsgeometrie von 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Mehrschicht-Kunststoff tank 10 gezeigt, der üblicherweise in der Kraftstoffindustrie zum Einsatz kommt. Der Tank 10 wird typischerweise in einem kontinuierlichen Blasformprozess weitgehend in derselben Weise wie kleine Kunststoffflaschen hergestellt. Die Wände 12 des Tanks 10 bestehen aus mehreren Kunststoffschichten. Die innerste Schicht 14 und die äußerste Schicht 24 der Wände 12 sind aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) hergestellt; typischerweise ist eine kleine Menge an Carbon-Black mit dem HDPE in der äußersten Schicht 24 im Verbund zusammengesetzt. Eine dicke wiedergemahlene Schicht 22 ist hauptsächlich aus HDPE hergestellt, weil wiedergemahlenes Material aus Abfall erhalten wird, der beim Herstellungsprozess erzeugt wird. Eine dünne Ethylenvinylalkohol(EVOH)-Copolymerschicht 18 in der Mitte der Wand 12 stellt die Barriere bereit, die im Wesentlichen ein Durchdringen von Kohlenwasserstoff verhindert. Ein Klebstoff 20 mit funktionalisiertem niedrigdichtem Polyethylen (LDPE) ist auf jeder Seite der EVOH-Schicht 18 angeordnet, um sicherzustellen, dass die EVOH-Schicht mit der innersten Schicht 14 und der wiedergemahlenen Schicht 22 eine Verbindung eingeht. Andere Materialien können selbstverständlich entweder als Außenschichten oder Barrierenschichten verwendet werden. Beispielsweise kann Nylon als Barrierenschicht verwendet werden.
1 zeigt als Anbaugerät 60 ein Überrollventil, das typischerweise an einem Kraftstofftank 10 angebracht ist. Das Überrollventil 60 weist eine Schicht aus HDPE 62 auf, die über einer Acetalschicht 64 gebildet ist. Die HDPE-Schicht 62 ist typischerweise 1 bis 2 mm dick. Das Überrollventil weist einen . Flansch 66 zum Schweißen des Überrollventils 60 an die äußerste Schicht 24 der Kraftstofftankwand 12 auf.
Die aktuelle Konstruktion des Überrollventils 60 leidet an zwei Nachteilen. Als erstes existiert deshalb, weil keine Klebstoffverbindung zwischen der Acetalschicht 64 und der HDPE-Schicht 62 vorliegt, ein Leckagepfad für Kohlenwasserstoffe beginnend mit einem Punkt 68 und sich erstreckend bis zu einem Punkt 70 und einem Punkt 74. In ähnlicher Weise startet ein zweiter Leckagepfad an einem Punkt 72 und erstreckt sich bis zu einem Punkt 74 und dem Punkt 70. Kohlenwasserstoffkraftstoff kann ohne weiteres durch diese beiden Kanäle hindurch auslecken bzw. auslaufen und durch die HDPE-Schicht 62 an den Punkten 70, 72 und 74 austreten, weil HDPE eine unzureichende Durchdringungsschicht darstellt.
Als zweites existiert ein großer Spalt 76 zwischen der Kraftstofftankwand 12 und dem Überrollventil 60 an seinem Befestigungspunkt. Der Polyethylenflansch 66 ist dadurch direkt Kraftstoff während Überrollsituationen ausgesetzt und Kraftstoff dampf während normaler Betriebsbedingungen. Da HDPE eine unzureichende Durchdringungsbarriere darstellt, tritt wiederum ein signifikantes Durchdringen von Kohlenwasserstoffen durch den Polyethylenflansch 66 auf.
Die 2 und 3 zeigen eine verbesserte Strategie zum Anbringen bzw. Befestigen eines Überrollventils 100 an der Tankwand 12 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform zum Verringern von Kohlenwasserstoffemissionen aus dem Kunststoffkraftstofftank durch das Überrollventil 100. Die neue Strategie modifiziert die alte Konstruktion in vier grundsätzlichen Weisen. Ais erstes sind eine Reihe von Hohlräumen 102a, 102b, 102c, 102d, 102e oder Nuten (nicht gezeigt) an verschiedenen Steilen zusätzlich an einem Kunststoffbarrierenabschnitt 101, im folgenden Acetalkern 101 genannt, vorgesehen. Ein Kunststoffüberformungsabschnitt 116, im folgenden HDPE-Überformteil 116 genannt, ist Kohlenwasserstoffdampf ausgesetzt, dadurch quillt das Überformteil 116 in den Hohlräumen 102a, 102b, 102c, 102d, 102e oder den Nuten auf, um Blockaden bereitzustellen, die den Leckagepfad an der Grenzfläche zwischen dem Acetalkern 101 und dem HDPE-Überformteil 116 zu verschließen. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwei Reihen von Hohlräumen 102a, 102b zusätzlich in dem Abschnitt des Überrollventils 100 zwischen dem Flansch 108 und der Tankwand 12 vorgesehen, der als Befestigungspunkt an der Tankwand 12 dient. Die Hohlräume 102c, 1024, 102e sind außerdem auf dem gegenüberliegenden Ende des Flansches 108 in demjenigen Bereich angeordnet, der als Befestigungspunkt für eine (nicht gezeigte) Kraftstoffleitung dient. Die Größe und die Position dieser Hohlräume oder Nuten kann selbstverständlich abhängig von den Erfordernissen des Systems modifiziert werden.
Als zweites ist das Polyethylen-Überformteil 116 in dem Bereich entsprechend der Tankwand 12 konisch geformt anstatt zylindrisch geformt. Wie am besten aus 3 hervorgeht, ist die Tankwand 12 unter einem Winkel α zu dem Überrollventil 100 geschnitten anstatt senkrecht wie in 2. Bevorzugt beträgt dieser Winkel o. zwischen 8 und 40° relativ zu einer Mittenlinie 120. Um das Überrollventil 100 an dem Kraftstofftank 10 anzubringen, wird ein konischer Abschnitt 106 im wesentlichen mit einem Abschnitt der Tankwand 12 zusammengepasst. Der konische Abschnitt 106 ist dazu ausgelegt, dass der Winkel β entsprechend dem Winkel des konischen Abschnitts 106 relativ zu einer Mittenlinie 120 geringfügig kleiner als der Winkel α ist. Diese geringe Differenz bezüglich der Winkel stellt sicher, dass der konische Teil 106 an der Wand 12 in einer Position 109 abgedichtet ist, wodurch sichergestellt ist, dass kein Spalt für eine Kohlenwasserstoffdurchdringung vorliegt, wie in der 2.
Als drittes ist die Länge des Acetalabschnitts 104 in den Flansch 108 hinein verlängert. Der überformte Abschnitt 116 ist entsprechend verlängert, um einen überformten Flanschabschnitt 116a zu enthalten, um den Acetalabschnitt 104 zu umgeben. Diese Verlängerung erhöht die Länge des Diffusionspfads von Kohlenwasserstoffmolekülen in dem überformten Abschnitt 116 und dem überformten Flanschabschnitt 116a des Überrollventils 100. Dies führt zu geringeren Kohlenwasserstoffemissionen durch das Überrollventil 100.
Als viertes sind Acetalfüße 110, 112 zusätzlich zu den Füßen des Flansches 108 vorgesehen. Die Füße 110, 112 erfüllen zwei Ziele. Als erstes erzeugen die Füße 110, 112, wenn sie Kraftstoff oder Kohlenwasserstoffdampf ausgesetzt sind, Druckspannungen auf das überformte Polyethylen 116 zwischen Punkten 122 und 124 und zwischen Punkten 124 und 126. Diese Spannungen veranlassen das überformte Polyethylen 116 dazu, gegen die Acetalkerne 101 zu pressen, um den Leckagepfad von Kohlenwasserstoffdampf zusätzlich zu unterbrechen. Als zweites stellt das Vorhandensein der Füße 110, 112 einen zusätzlichen Barrierenschutz gegenüber Kohlenwasserstoffdurchdringung dar.
Während jede der vier Modifikationen, die vorstehend aufgelistet sind, restliche Dampfemissionen einzeln verringert, kann die eingesetzte Strategie unter kollektiver Verwendung dieser Modifikationen eine signifikante Auswirkung auf das Minimieren von Dampfemissionen aufgrund sowohl von Leckage wie von Durchdringen haben. Untersuchungen zeigen, dass die Implementierung der vier Modifikationen in einem kollektiven Ansatz Emissionen in einem Anbaugerät um den Faktor 10 oder einen größeren Faktor verringern können.
Während die Erfindung im Hinblick auf Verbesserungen eines Überrollventils 100 erläutert wurde, das in einem Kunststoffkraftstofftank 10 zum Einsatz kommt, wird bemerkt, dass die vorstehend angeführten Lehren auf die meisten weiteren Anbaugeräte an einem Mehrschichtkunststofftank 10 selbstverständlich angewendet werden können. Beispielsweise können die Lehren gemäß der vorliegenden Erfindung auf Abschaltschläuche, Filter, Rohre oder Stopfen angewendet werden, die verwendet werden, um Löcher zu verschließen, die durch einen Blasstift oder eine Blasnadel erzeugt sind.
Während die vorstehend erläuterte Erfindung im Hinblick auf Acetalkerne und Polyethylenschichten erläutert wurde, ist die Erfindung dazu bestimmt, jegliche andere Konstruktion abzudecken, die die vorliegend gelehrten Prinzipien verkörpern, bei Modifikationen durch den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik vorgenommen werden können, insbesondere angesichts der vorstehend angeführten Lehren. Beispielsweise können Nylonkerne anstelle von Acetalkernen 101 verwendet werden.

Claims

Kunststoffkraftstofftank-Anbaugerät zur Verwendung in einem Mehrschichtkunststoffkraftstofftank (10), wobei das Anbaugerät aufweist: Einen Kunststoffbarrierenabschnitt, wobei der Kunststoffbarrierenabschnitt (101) zumindest einen Hohlraum (102a– 102e) aufweist; und einen Kunststoffüberformungsabschnitt (116), der auf dem Barrierenabschnitt (101) geformt ist, wobei der Kunststoffüberformungsabschnitt (116) in der Lage ist, in dem zumindest einen Hohlraum (102a–102e) aufzuquellen, wenn er einem Kohlenwasserstoff permanent ausgesetzt ist.
Anbaugerät nach Anspruch 1, wobei der Kunststoffüberformungsabschnitt (116) einen konischen Bereich (106) aufweist, wobei der konische Bereich mit einer Kraftstofftankwand (12) des Mehrschichtkunststoffkraftstofftanks (10) verbunden ist, um den Kunststoffüberformungsabschnitt (116) mechanisch an dem Mehrschichtkunststoffkraftstofftank (10) abzudichten.
Anbaugerät nach Anspruch 2, wobei der Kunststoffüberformungsabschnitt (116) außerdem einen Flansch (108) aufweist, der mit einer Außenseite des Mehrschichtkunststofftanks (10) verbunden ist, wobei der Flansch (108) zusätzlich ein Austreten von Kunststoff und aus dem Mehrschichtkraftstofftank (10) in die Atmosphäre verhindert.
Anbaugerät nach Anspruch 3, wobei der Kunststoffbarrierenabschnitt (101) sich in den Flansch (108) hinein erstreckt.
Anbaugerät nach Anspruch 4, wobei der Kunststoffbarrierenabschnitt (101) zumindest einen Fuß (110, 112) aufweist, der in dem Flansch (108) angeordnet ist und eng mit der Außenseite des Mehrschichtkunststoffkraftstofftanks (10) verbunden ist.
Anbaugerät nach Anspruch 1, wobei der Kunststoffüberformungsabschnitt (116) aus hochdichtem Polyethylen besteht, und wobei der Kunststoffbarrierenabschnitt (101) aus einem Acetalharz besteht.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau, aufweisend: Ein Anbaugerät (60) mit einem inneren Barrierenabschnitt (101) und einem äußeren Überformungsabschnitt (116), wobei der äußere Überformungsabschnitt (116) einen konischen Abschnitt (106) aufweist, der einen ersten Winkel β relativ zu der Mittenachse des Anbaugeräts (60) aufweist; und einen Mehrschichtkunststoffkraftstofftank (10) mit einer Tankwand (12), wobei ein Abschnitt der Tankwand (12) unter einem zweiten Winkel α relativ zu der Mittenachse des Anbaugeräts (60) geschnitten ist, wobei der Abschnitt der Tankwand (12) mechanisch mit dem konischen Abschnitt (106) verbunden ist, um den äußeren Überformungsabschnitt (116) an dem Mehrschichtkunststoffkraftstofftank (10) abzudichten.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau nach Anspruch 7, wobei der zweite Winkel α zwischen 8 und 40° relativ zu der Mittenachse des Anbaugeräts beträgt.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau nach Anspruch 7, wobei der äußere Überformungsabschnitt (116) außerdem einen Flansch (106) aufweist, der mit der Außenseite der Tankwand (12) verbunden ist, wobei der Flansch (106) zusätzlich ein Austreten von Kohlenwasserstoff aus dem Mehrschichtkunststoffkraftstofftank in die Atmosphäre verhindert.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau nach Anspruch 9, wobei der innere Barrierenabschnitt (101) sich innerhalb des Flansches (106) erstreckt.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau nach Anspruch 10, wobei der innere Barrierenabschnitt (101) zumindest einen Fuß (110, 112) aufweist, der innerhalb des Flansches (106) angeordnet und unmittelbar mit der Außenseite der Tankwand (12) verbunden ist.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau nach Anspruch 7, wobei der äußere Überformungsabschnitt (116) aus hochdichtem Polyethylen, und der Barrierenabschnitt (101) aus Acetalharz besteht.
Mehrschichtkunststoffkraftstofftankaufbau nach Anspruch 7, wobei das Anbaugerät (60) aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein Überrollventil, einen Abschaltschlauch, ein Füllrohr und einen Verschlussstopfen bzw. einen Tankverschlussdeckel aufweist.