Топливопроводы: малоэкстрагируемые многослойные трубки топливных систем

Топливопроводы: малоэкстрагируемые многослойные трубки топливных систем

Разработка, тестирование и обработка малоэкстрагируемых многослойных трубок для топливопроводов биогазолинового топлива типа E10, и совершенство автомобильных систем впрыска топлива, привели к некоторым изменениям. В частности, спецификации на бензиновые топливопроводы становятся иными. Очевидный момент: извлекаемые компоненты автомобильной системы способны забивать топливные форсунки в отдельных случаях эксплуатации транспорта, провоцировать критические ситуации. Чтобы устранить эти проблемы, разработаны новые малоэкстрагируемые многослойные трубки для топливопроводов.

Малоэкстрагируемые многослойные трубки автомобильных топливопроводов

Практика применения пластиковых топливопроводов отмечает, что полиамид 12 (PA12) имеет длительный срок службы, благодаря высокой ударной прочности в условиях низких температур. Также отмечается хорошая химическая стойкость и общие механические свойства топливопроводов на базе материала этого класса. Ещё в 1990-х годах законы, направленные на сокращение выбросов углеводородов, способствовали началу применения топливопроводов на основе многослойных труб с барьерным слоем. Например, топливопроводы на основе трубок из фторполимера:

  1. Поливинилиденфторид (PVDF).
  2. Этилен-виниловый спирт (EVOH).

Наибольшее распространение (на европейском рынке), начиная с 2000 годов, получили многослойные системы топливных трубок с барьерным слоем EVOH. К этой категории топливопроводов относятся серии многослойных труб 4000 (MLT):

  • MLT 4300,
  • MLT 4500,
  • MLT 4540.

Все отмеченные топливопроводы разработаны компанией «Evonik Industries AG». Представленная серия топливопроводов MLT отвечает следующим требованиям:

  • хорошая ударная вязкость при низких температурах,
  • низкая проницаемость топлива через стенку,
  • высокая стойкость к агрессивным компонентам топлива,
  • высокая стойкость к растрескиванию под напряжением,
  • лёгкая обработка при коэкструзии и термоформовании,
  • простота и быстрая установка пластика на разъёмах.

Новые виды топлива: влияние на сопротивление извлечению

Появление спиртосодержащего бензина Е10 показало изменение ситуации на территории Европы. Спиртосодержащее топливо способно извлекать (выщелачивать) компоненты из стенки трубок топливопроводов, которые при неблагоприятных условиях концентрируются в объёме топлива при первой заправке автомобиля. Параллельно необходимость снижения расхода и улучшения сгорания топлива привели к появлению нового типа топливных форсунок.

ФОРСУНКА

Топливопроводы и конструкции топливных форсунок
Конструкции форсунок: A – нормально атмосферная; B – дополненная эффектом турбонаддува; 1 – выход инъекционной смеси; 2, 3, 14 – вход воздуха; 4 – щит; 5 – экран; 6 – калибровочное отверстие; 7, 10 – вход топлива; 8 – идентификатор форсунки; 9 – муфта; 11 – сопло; 12 – жиклёр; 13, 15 – уплотнительное кольцо

Старые модели форсунок с несколькими относительно большими отверстиями были заменены соплами с мелкими порами, которые генерируют дисперсное состояние бензина и воздуха. При определенных неблагоприятных условиях окружающей среды, обе тенденции приводят к более высокому риску дефектов. В частности, отверстия топливных форсунок, установленных на двигателях новых машин, способны быстро засоряться. Соответственно, двигатель автомобиля попросту не запускается.

По причине низкого уровня заправки после сборки транспортного средства и более длительного времени неиспользования, этот риск является самым высоким. Как правило, за новое транспортное средство несёт ответственность производитель оригинального оборудования (OEM) до момента доставки заказчику.

Даже если эти явления встречаются очень редко, современные спецификации качества многих производителей оборудования требуют полного исключения риска. С этой целью и была разработана новая серия малоизвлекаемых многослойных трубок для топливопроводов бензина.

Методы экстракции совместно изготовленных трубок топливопроводов описаны в международных стандартах:

  1. SAE J2260 (11-2004),
  2. VW TL 52712 (08-2016).

Определение извлекаемых компонентов в соответствии с EN ISO6427 происходит непосредственно на гранулах. Для этого образец полимера экстрагируют метанолом и повторно взвешивают после последующей сушки. Полное содержание экстракта определяется по снижению массы без различия между растворимыми и нерастворимыми экстрактами.

Определение содержания экстракта из коэкструдированных полуфабрикатов

В отличие от метода экстракции на гранулах, многослойные системы топливных труб используются для испытаний на уровне применения согласно SAE J2260 или VWTL 52712. С этой целью часть трубы полностью заправляется определённым испытательным топливом, без наличия пузырьков воздуха, плотно закрывается и хранится при 60°C в течение 48 часов (по SAE J2260) или 96 часов (по VWTL 52712), в зависимости от используемого метода.

ТОПЛИВНЫЙ

Топливопроводы - структура инновационных изделий
Структура топливопровода упрощённым показом трёх главных слоёв: 1 – внутренний слой на основе PA12; 2 – средний слой на основе PA9T; 3 – внешний слой на основе ETFE

Затем экстрагент сливают в герметичный стеклянный сосуд, кусок трубки промывают определённым количеством свежего испытательного топлива и также сливают эту часть жидкости в стеклянный сосуд. После хранения в течение 24 часов при определённой температуре (0°C для SAE J2260) и 23°C (для VWTL 52712), растворимые и нерастворимые компоненты отделяют друг от друга и определяют гравиметрически каждый. Для воспроизводимых результатов необходимо соблюсти условия сушки.

Стандарт SAE J2260 указывает топливный полуфабрикат CE10, как подлежащий испытанию. Согласно стандарту ASTM D471, топливный полуфабрикат CE10 содержит:

  •  90% топлива C (50% Толуола + 50% Изооктана);
  •  10.% Этанола.

В отличие от этого, в методе испытаний, описанном «Volkswagen», полуфабрикат FAM B используется в качестве топлива для испытаний. Продукт содержит:

  • 84,5% FAM A (50% Толуола + 30% Изооктана + 15% Диизобутилена);
  • 5% Этанола,
  • 15% Метанола,
  • 0,5% Воды.

По причине высокого содержания спирта, в частности, относительно большой доли метанола, продукт FAM B считается более критичным, чем CE10, в отношении свойств экстракции, проницаемости и набухания.

Внутри многослойной трубки топливопровода все внутренние слои, вплоть до барьерного слоя, способствуют извлечению. Классификация экстрактов по количеству и растворимости, следовательно, значительно сложнее, чем в случае экстракции из гранул. С гранулами обычно тестируется только одно формовочное соединение, а не все формовочные составы всей системы многослойной топливной трубки.

Параметры для действительных результатов испытаний

Метод испытания, описанный VW (TL 52712), а также процедура, описанная в SAE J2260 для определения сопротивления извлечению соэкструдированной топливной магистрали, представляют прагматический подход. Обе методики позволяют относительно быстро определить, подходит ли коэкструдированная многослойная трубка для использования в качестве топливопровода. Основное внимание здесь уделяется квалификационным испытаниям, относящимся к приложениям, а не полному аналитическому отчету о качестве и количестве извлекаемых компонентов.

НАСОС

Топливопроводы: малоэкстрагируемая многослойная трубка - схема
Малоэкстрагируемая многослойная топливная трубка: 1 – материал EVOH толщина 0,15 мм; 2, 5 – материал PA толщина 0,10 мм; 3, 4 – материал PA12 толщина 0,325 мм

Однако для получения воспроизводимых и, следовательно, действительных результатов испытаний, некоторые моменты процедуры испытаний должны рассматриваться критически. Среди наиболее важных влияющих параметров:

  • природа и количество растворителей,
  • температура, используемая для экстракции,
  • осаждение экстрагированных компонентов.

Эти влияющие параметры также определяют этапы, на которых в вышеописанных методах испытаний может наблюдаться особое влияние на воспроизводство результатов испытаний.

Топливопроводы и последовательное развитие технологии

Когда вышеописанные испытания выполняются на существующих многослойных трубных системах MLT 7440 (используется в течение многих лет), отмечается очень низкая экстракция. Серия MLT7440 — топливопровод с электропроводящим барьерным слоем EFEP (этилен-фторэтиленовый сополимер).

Европейская практика в основном демонстрирует использование серии MLT 4300 с барьером из EVOH. Структура этого материала послужила основой для разработки нового поколения малоэкстрагируемых топливопроводов. Пластифицированный наружный слой PA12 демонстрирует высокую химическую стойкость, высокие механические свойства:

  • удлинение при растяжении,
  • стойкость к воздействию низких температур.

Высокая эффективность всей системы зависит от подходящего включения барьера проникновения путём ко-экструзии с использованием выбранных промоторов адгезии. Материал EVOH также использовался в качестве основы для барьерного слоя в недавно разработанных топливных линиях. Таким образом, проницаемость сравнительно низкая, как и в случае систем серии MLT 4000, которые используются уже около десяти лет.

Полимерная композиция имеет решающее значение

Как уже упоминалось для описания испытания, экстракты из многослойной топливной магистрали главным образом определяются слоями, лежащими внутри барьерного слоя. Это определяется основным полимером. Экстрагируемые олигомеры представляют собой, главным образом, димеры и тримеры, а для полиамидов на основе лактама также мономеры, например, капролактам в случае PA6. Все чаще эти материалы представляют собой циклические молекулы.

Тенденция к циклизации возрастает с увеличением расстояния между концами молекулы. Проще говоря, содержание олигомера увеличивается с уменьшением длины цепи (уменьшением числа атомов C в повторяющейся единице). Кроме того, полимеры с одним мономером, таким как PA6, показывают более высокое содержание олигомеров, чем полимеры с несколькими мономерами, такими как PA66.

МАНОМЕТР

Топливопроводы: многослойная трубка серии -4840
Структура многослойной трубки топливопровода на примере продукта серии MLT4840

Также важно, встречаются ли экстракты в виде осадка в топливе. По сравнению с полиамидами на основе лактамов или аминокислот, алифатический PA612 демонстрирует значительное снижение нерастворимых экстрактов после хранения в топливе. Если ароматические компоненты интегрированы в полимерную цепь, модифицированный таким образом полиамид PA612 показывает пониженное содержание нерастворимого экстракта.

Помимо основного полимера, другие добавки в полимере, такие как пластификаторы и стабилизаторы, также играют важную роль в общем содержании экстракта. Присадки при различных температурах должны быть тщательно подобраны для долговременного сопротивления при контакте с топливом. С дополнительной разработкой низкоэкстрагируемого промотора адгезии были созданы две новые системы:

  1. MLT 4800 с внутренним слоем на основе алифатического PA612.
  2. MLT 4900 с модифицированным внутренним слоем на основе ароматического PA612.

Содержание нерастворимых и растворимых экстрактов, а также всех экстрактов удалось значительно снизить .

Обработка штампами без термического разделения

Для изготовления многослойных трубок топливопроводов, помимо экструдеров для обработки расплава и вспомогательных агрегатов для калибровки расплавленной трубки, используется экструзионная головка. Эта деталь является особенно важным компонентом экструзионной линии топливных труб.

Плашки со спиральным распределителем оправки пригодны для обработки EVOH. Таким образом, многослойные системы труб, такие как MLT 4300 и MLT 7440, могут быть изготовлены в стабильном процессе при высоких скоростях экструзии.

Это также относится к новой серии малоэкстрагируемых многослойных трубных систем. Сопоставимые коммерчески доступные комбинации материалов являются проблематичными из-за относительно больших различий в температуре расплава различных типов полимеров во время обработки.

Конструкция новых систем позволяет, кроме очень низкой степени извлечения, также осуществлять точный контроль температуры между слоями. Также уменьшается разница температур расплава между смежными потоками расплава. Использование штампов с термическим разделением уже не является необходимым.

Для отделки многослойные трубки серий 4800 и 4900 допускается термоформовать с использованием температур и сред, обычных для PA12. Поскольку топливопроводы PA12 традиционно соединяются с помощью штепсельных муфт, усилие разборки фитинга согласно SAE J2044, помимо термоформования – ещё один критерий при разработке этих систем. Все системы подобного типа успешно изготовлены, прошли многочисленные клиентские испытания и соответствуют требуемым спецификациям.

Топливопроводы — заключительный штрих

В результате совершенства автомобильного топлива и оптимизации систем впрыска двигателей, требования к бензиновым топливным системам значительно изменились. Эти изменения потребовали разработки новых, малоэкстрагируемых многослойных трубок топливных трубопроводов.

Так на рынке появилась серия многослойных трубных систем, которые по сравнению с системами материалов, ранее доступных, демонстрируют крайне низкие уровни извлечения. В зависимости от спроса на топливопроводы транспортных средств, производители автомобилей отныне могут выбирать между малоэкстрагируемыми многослойными трубными системами типа MLT4800, MLT4900, MLT7440 и другими.


При помощи информации: Evonik