Ventilschaft-, O-Ring- und Simmerring-Dichtungen für alternative Kraftstoffmischungen

Grüne Aussichten

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Die Beimischung von Bio-Ethanol in Ottokraft- stoffe wirkt sich direkt auf Volumenquellung und mechanische Eigenschaften von Elastomeren aus. Für den Einsatz in Ventilschaftdichtungen, O-Ringen oder Simmerringen wurden ausgewählte FKM-Mischungen erfolgreich getestet. Damit erfüllt der Dichtungsspezialist die Forderung der Automobilhersteller nach geeigneten Dichtungswerkstoffen für den Einsatz in Flex-Fuel-Fahrzeugen.

Freudenberg bietet exakt auf Flex-Fuels abgestimmte Dichtungen. Die Beimischung von (Bio-)Ethanol in Ottokraftstoffe in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen hat direkte Auswirkungen auf die Volumenquellung sowie die mechanischen Eigenschaften wie Reißdehnung und Zugfestigkeit von Dichtungswerkstoffen. Zudem entstehen aggressivere Verbrennungs- und Blow-by-Produkte, die die Anforderungen an Dichtungsbauteile , wie Ventilschaftdichtungen, O-Ringe oder Simmerringe erhöhen. Für den Einsatz in diesen Bauteilen wurden ausgewählte FKM-Mischungen in Prüfkraftstoff-Ethanol-Blends mit unterschiedlichen Ethanol-Konzentrationen von 22% (E 22), 85% (E 85) und reinem Ethanol (E 100) erfolgreich getestet. Damit erfüllt der Hersteller schon jetzt die Forderung der Automobilhersteller nach geeigneten Dichtungswerkstoffen für den Einsatz in Flex-Fuel-Fahrzeugen.

Flexibler Bio-Ethanolanteil
Schon heute wird dem herkömmlichen Kraftstoff 5 % Ethanol beigemischt. Bis 2010 soll der Anteil auf 10 % Ethanol erhöht werden. Eine weitere Op- tion bei der Reduzierung der CO2-Emissionen stellen Flex-Fuel-Fahrzeuge dar. Da die Zusammensetzung der Flex-Fuels-Kraftstoffe variieren kann – von 10 bis 85 % (Bio-)Ethanolanteil – müssen die Elastomerwerkstoffe in allen Konzentrationen beständig sein. Allerdings beeinflussen Sauerstoff haltige Komponenten im herkömmlichen Ottokraftstoff nicht nur eine Reihe von Kraftstoffmerkmalen, sondern auch die Dichtung. Neben physikalischen Vorgängen, wie Volumenveränderung der Dichtung durch erhöhte Quellung, besteht aufgrund des Ethanolanteils in Flex-Fuels auch die Gefahr von Korrosion bei Metallen. Des Weiteren findet man einen höheren Wasser- und Säuregehalt im Kraftstoff und im Blow-By-Gas als bei herkömmlichem Ottokraftstoff. Dies kann zu einer Schädigung der Elastomere, insbesondere der Fluorelastomere führen.
Insbesondere mit Blick auf die Selbstverpflichtung der Automobilhersteller, die CO2-Emissionen der Fahrzeugflotten zu senken, hat Freudenberg seit über einem Jahrzehnt gemeinsam mit der Automobilindustrie und Kraftstoffherstellern die Verträglichkeit von Elastomeren gegenüber alternativen Kraftstoffen gezielt geprüft und weiterentwickelt. Hauptziele dieser Entwicklungen sind eine geringe Quellung in dem entsprechenden Medium sowie möglichst geringe Änderungen der mechanischen Eigenschaften, um eine dauerhafte Dichtfunktion zu gewährleisten. Neben einer guten Medienbeständigkeit müssen die für Flex-Fuel geeigneten Werkstoffe auch eine gute Tieftemperaturflexibilität aufweisen, um die Funktion der Dichtung bei niedrigeren Temperaturen zu sicherzustellen.
Aktuelle Untersuchungen
Bei aktuellen Untersuchungen wurden ausgewählte FKM-Mischungen von Freudenberg in E 22, E 85 und E 100 bei 23 °C und 60 °C bezüglich ihrer Beständigkeit getestet. Als Prüfmedium wurde eine Mischung aus Prüfkraftstoff FAM A und entsprechendem Ethanolanteil verwendet. Im Kontakt mit diesen Flex-Fuels weisen die speziell entwickelten FKM-Werkstoffe eine geringe Volumenänderung auf. So beträgt die Quellung bei allen untersuchten FKM-Werkstoffen in Kontakt mit E 85 bei 60 °C weniger als 20 %, wobei mit steigendem Fluorgehalt der FKM-Werkstoffe die Quellung abnimmt. Aber auch der Standard-Werkstoff 70 FKM 153740 verbindet eine geringe Volumenquellung in E 85 mit einem guten Tieftemperaturverhalten. Ein wesentliches Ergebnis dieser Untersuchungen ist jedoch die Erkenntnis, dass die Volumenquellung der Elastomere nicht mit steigendem Ethanolanteil des Flex-Fuels steigt, sondern ein Maximum bei einem Ethanolanteil zwischen 20 und 50 % hat.
Entsprechendes kann man bei den Änderungen der mechanischen Werte wie Reißdehnung und Zugfestigkeit beobachten. Mit steigendem Anteil an Ethanol im Kraftstoffgemisch sind die Änderungen der mechanischen Werte weniger stark ausgeprägt. Dies bedeutet, dass sowohl ein hoher Alkoholanteil im Kraftstoff als auch ein sehr geringer Alkoholanteil wie bei FAM A die Eigenschaften des Elastomers am wenigsten beeinträchtigen.
Aus Sicht des Dichtungsherstellers sind daher Kraftstoffe mit einem niedrigen Ethanol-Gehalt (< 15 %) oder mit sehr hohem Ethanolanteil, beispielsweise E 85, empfehlenswert.
FKM-Werkstoffe im Einsatz
Die neuartigen Anforderungen an Elastomere im Kontakt mit Flex-Fuels betreffen zunächst vor allem Ventilschaftabdichtungen, Simmerringe und O-Ringe. Bereits heute werden verschiedene Dichtungen aus FKM-Werkstoffen eingesetzt. Obwohl noch keine einheitlichen Definitionen zu den künftig eingesetzten Ethanol-Kraftstoffgemischen und auch keine verlässlichen Daten über deren Verbrennungs- und Blow-by-Produkte vorliegen, muss aufgrund langjähriger Erfahrungen vermutet werden, dass diese Gasgemische einen aggressiveren Charakter als bisherige Abgase haben. Dies stellt wegen der Temperaturentwicklung insbesondere für Ventilschaftabdichtungen eine Herausforderung dar. Hierfür hat Freudenberg jedoch – wie die aktuellen Untersuchungen zeigen – mit modernen Dichtungswerkstoffen aus FKM-Terpolymeren bereits heute eine Lösung zur Verfügung.
Beim Einsatz der verschiedenen Dichtungswerkstoffe in unterschiedlichen Flex-Fuel-Gemischen muss jedoch beachtet werden, dass der Wechsel zwischen verschiedenen Ethanol-Kraftstoff-Zusammensetzungen zu einem unterschiedlichen Quellverhalten führen kann. Um die Funktion aller Dichtungen bei Betankung mit unterschiedlichen Zusammensetzungen sicherzustellen, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Zudem muss der Einfluss der Blow-by-Gase analysiert und die Zusammensetzung der Kraftstoffe hinsichtlich möglicher Additive spezifiziert werden. Diese und weitere, gemeinsam mit Automobil- und Kraftstoffherstellern durchgeführten Untersuchungen dienen damit nicht nur der Qualifizierung und Optimierung von Dichtungen für Flex-Fuels. Freudenberg ist schon heute in der Lage auch für Biodiesel, CNG/LPG, BTLs, wie Sun- und Syn- Fuels, sowie für Wasserstoff geeignete Elastomerwerkstoffe in Form von statischen und dynamischen Dichtungen bereitzustellen.
Freudenberg KEM 513
Simrit KEM 514
Simmerring KEM 515
Biodiesel KEM 516
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