ТОПЛИВНЫЙ БАК С ПОВЫШЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
FUEL TANK WITH HIGH MECHANICAL STRENGTH

Настоящее изобретение относится к топливному баку с повышенной механической прочностью.
Пластиковые топливные баки, предназначенные для моторных транспортных средств, должны удовлетворять техническим условиям, которые устанавливают максимальные допустимые амплитуды отклонения их нижней оболочки. Значения отклонения, установленные в этих спецификациях, обычно должны удовлетворяться во время тестов на старение, при которых топливный бак содержит определенное количество топлива в течение установленного периода времени (обычно несколько недель) и при температуре (обычно 40°C). Назначение этих спецификаций состоит в том, чтобы обеспечить, чтобы транспортные средства поддерживали свой клиренс с дорогой и предотвращали контакт оболочки бака с горячими точками транспортного средства.
Традиционно топливные системы в пассажирских транспортных средствах разрабатывают так, чтобы они содержали определенное количество жидкого топлива под давлением, по существу, таким же, как и давление окружающей среды. При вводе гибридных транспортных средств и, более конкретно, подключаемых к электрической сети гибридных транспортных средств, которые разработаны таким образом, что они могут потенциально двигаться несколько месяцев, без использования топлива, именно в интересах системных разработчиков поддерживать давление внутри топливного бака, с ограничением выбросов, которые могли бы потенциально проистекать через бак с активированным углем в течение суточных циклов. Кроме того, поддержание давления обеспечивает то, что состав топлива остается одинаковым во время хранения. Однако  баки должны быть изготовлены устойчивыми к этому внутреннему давлению. Поэтому, как описано в патентной заявке WO 2010/122065 на имя данного Заявителя, может быть реализовано усиление бака путем соединения двух противоположных поверхностей бака друг с другом, используя внутреннюю колонну. Однако такое усиление должно пройти следующие 3 довольно противоречивых испытания:
- долгосрочная деформация в ходе старения под давлением, для которой требуется очень прочный столб;
- должно выдерживать падение с высоты 1 м и при окружающей температуре без какой-либо деградации функций системы;
- устойчивость к ударам с высокой скоростью без какого-либо повреждения оболочки бака во время удара; что характеризуется обычно тестом с падением с высоты 6 м при температуре -40°C или тестом SLED.
Хотя прямой столб представляет собой наиболее очевидную конструкцию, поскольку он позволяет уменьшить механические напряжения внутри столба на основе довольно большого поперечного сечения, не удалось получить хорошие результаты во время теста на удары с высокой скоростью, такие как падение или тесты SLED (то есть, в ходе испытаний, моделирующих типичные скорости во время столкновения и замедления). На втором этапе малые надрезы были добавлены внутри столба с целью инициировать разлом столба во время теста на удары с высокой скоростью, такого как падение или тест SLED. Однако это не оказало положительного влияния на результаты тестирования.
В упомянутой выше заявке на патент WO 2010/122065 установлено, что столб, предпочтительно, представляет собой столб в архитектурном смысле, то есть цилиндрическую структуру, имеющую большие поперечные сечения на его концах и меньшие поперечные сечения в его центре (другими словами: поперечное сечение, которое уменьшается от его концов к его центру).
Неожиданно было установлено, что упомянутые выше 3 требования (теста) могут быть удовлетворены с использованием столба, имеющего соотношение, по меньшей мере, 1,8 и предпочтительно, по меньшей мере, 2 между диаметром его поперечного сечения на его концах и в его центре. В зависимости от материала, из которого изготовлен столб, такое соотношение может даже составлять 5 или больше.
В соответствии с этим, изобретение относится к топливному баку, имеющему два противоположных участка стенки и, по меньшей мере, один усилительный элемент крепления, соединяющий эти два участка стенки, в которых усилительный элемент содержит полый столб, имеющий отношение, по меньшей мере, 1,8 между диаметром его поперечного сечения на его концах и диаметром его поперечного сечения, по меньшей мере, на одном промежуточном участке.
Термин "топливный бак" следует понимать как означающий непроницаемый топливный бак, который может содержать топливо в различных изменяющихся состояниях окружающей среды и использования. Примеры такого бака представляют бак, которым оборудованы моторные транспортные средства.
Топливный бак, в соответствии с изобретением, предпочтительно, изготовлен из пластика, то есть изготовлен из материала, содержащего, по меньшей мере, один полимер из синтетической смолы.
Все типы пластика могут быть пригодными. В частности, пригодны пластики, которые принадлежат к категории термопластиков.
Термин "термопластик" следует понимать как означающий любой термопластичный полимер, включая в себя термопластичные эластомеры и их смеси. Термин "полимер" следует понимать как означающий одновременно гомополимеры и сополимеры (в частности, двух или трехкомпонентные сополимеры). Примеры таких сополимеров представляют собой: статистические сополимеры, линейные блок-сополимеры, другие блок-сополимеры и привитые сополимеры.
Один часто используемый полимер представляет собой полиэтилен. Превосходные результаты были получены с использованием полиэтилена высокой плотности (ПЭВД). Предпочтительно, бак также содержит слой из непроницаемой для топлива полимерной смолы, такой как, например, EVOH (частично гидролизованный этилен/винилацетатный сополимер). В качестве альтернативы, бак может подвергаться поверхностной обработке (фторированию или сульфированию) с целью сделать его непроницаемым для топлива.
Многослойный топливный бак, содержащий слой EVOH между двумя слоями ПЭВД, успешно используется в рамках изобретения.
Бак, в соответствии с изобретением, содержит усилительный элемент, который соединяет два противоположных участка стенки, то есть два участка его стенки, которые обращены друг к другу. Предпочтительно, он представляет собой более низкий участок стенки (тот, который установлен так, что он обращен вниз в транспортном средстве, и который, вероятно, подвергается пластической деформации под весом топлива), и верхний участок стенки (тот, который установлен, будучи обращенным вверх, и подвергается малой деформации или не подвергается деформации во время использования).
Такой усилительный элемент, по определению, выполнен жестким, то есть в течение срока службы бака он не деформируется больше чем на несколько мм, в идеале, он деформируется менее чем на 1 мм. Под "деформацией" здесь понимают, фактически, расширение в том смысле, что оно могло бы разделить два участка стенки топливного бака.
В соответствии с изобретением, данный элемент имеет форму полой колонны, то есть представляет собой полое тело (стенка, разграничивающая внутренний объем, который не заполнен ее составляющим материалом), в общем, цилиндрической формы, имеющее поперечное сечение, которое изменяется по его длине и толщина стенки которого представляет незначительный процент его общего объема (обычно от 0,2 % до 0,5 %).
В одном варианте осуществления описанный выше “внутренний объем” разграничен одной внешней стенкой в форме полой колонны. Данный вариант осуществления представлен на фиг.2 в прикрепленном виде. В другом варианте осуществления “внутренний объем” может представлять собой объем между несколькими ребрами (параллельными срезами) материала, внешняя огибающая которых имеет форму полой колонны. Этот вариант осуществления показан на фиг.4 в закрепленном состоянии.
В соответствии с изобретением, упомянутая колонна имеет большое поперечное сечение на ее концах и уменьшенное поперечное сечение, по меньшей мере, в одной промежуточной части. Под "диаметром" поперечного сечения понимают диаметр круга, в который устанавливается поперечное сечение.
Предпочтительно, сечение с уменьшенным диаметром не продолжается за пределы всей длины колонны. Предпочтительно, оно располагается так, что оно охватывает местоположение максимальной механической нагрузки внутри колонны. В общем, оно продолжается максимум на 90% длины колонны, предпочтительно, максимум на 70% длины колонны и в идеале, максимум на 50% длины колонны. Предпочтительно, промежуточная точка с уменьшенным диаметром не продолжается более чем на 90% всей длины колонны и расположена так, что она покрывает местоположение максимального механического напряжения внутри колонны.
В частности, в случае, когда упомянутая колонна выполняет другую функцию, например функцию вентиляции, это местоположение может быть ограничено вплоть до максимум 20% длины колонны (так, чтобы она имела максимальный внутренний объем). Фактически, такая пропорция также зависит от длины колонны (упомянутая пропорция увеличивается, когда длина уменьшается), и, кроме того, диаметр поперечного сечения в этой области (поперечное сечение с минимальным диаметром) может быть установлен с развитием таким образом, что, фактически, минимальный диаметр достигается только в одном месте поперечного сечения (или в очень ограниченной области колонны). Другими словами: в одном варианте осуществления диаметр поперечного сечения в области промежуточной точки с минимальным поперечным сечением диаметра не является постоянным.
Также предпочтительно, чтобы на обоих концах колонны были оборудованы соединительные фланцы, то есть участки, по существу, перпендикулярные общей цилиндрической поверхности колонны и которые могут быть легко закреплены на внутренней поверхности топливного бака. В данном варианте осуществления диаметр поперечного сечения конца колонны равен внешнему диаметру соединительного фланца. В общем, фланцы выполнены полыми и содержат углубление/отверстие, имеющее, по существу, те же размеры, что и у верхней части колонны, непосредственно выше или ниже этих фланцев.
Кроме того, в данном варианте осуществления, предпочтительно, имеются два участка длины колонны, на которых происходит переход по диаметру колонны: первый участок перехода в области фланца и второй, в большей мере, в центре этой колонны. Первый переход выполнен ввиду того факта, что ширина сварного шва (или другого средства фиксации), предпочтительно, по существу, больше, чем ширина корпуса колонны, и, следовательно, предпочтительно, он находится близко к фланцу. Второй переход находится предпочтительно, по существу, посередине, с тем чтобы обеспечить равные характеристики, например, для обоих участков стенки резервуара (верхние и нижние удары).
Предпочтительно, колонна имеет ось симметрии при вращении, и имеет поперечное сечение такое, что, когда его рассматривают в вертикальной плоскости, содержащей упомянутую ось, она содержит участок, который имеет форму вогнутого катка (или две противоположные параболы, в конечном итоге, соединенные участком постоянного диаметра или диаметра, который уменьшается от вершин параболы в направлении к центру упомянутого участка). Еще более предпочтительно, параболическая поверхность с каждой стороны среднего участка такого вогнутого катка продолжается цилиндрическим участком, продолжающимся вверх до упомянутого фланца. В последнем варианте осуществления отношение между диаметром фланца и диаметром цилиндрического участка составляет, по меньшей мере, 1,25, предпочтительно, по меньшей мере, 2. Также предпочтительно, отношение между диаметром цилиндрического участка и диаметром центрального участка составляет, по меньшей мере, 1,5, предпочтительно, по меньшей мере, 2,2.
Упомянутая выше усилительная колонна, предпочтительно, закреплена на материале, устойчивом к топливу, предпочтительно на пластике, и, если колонна приварена к баку, она, предпочтительно, основана на материале, совместимом с материалом бака (по меньшей мере, на поверхности).
Может быть использован исходный материал ПЭВД или ПЭВД, заполненный стекловолокнами или любым другим типом наполнителя (натуральными или полимерными волокнами), ПОМ (полиоксиметилен), ПЭЭК (полиэфирэфиркетон), ПФА (полифталимид) и т.д. Предпочтительно, они представляют собой пластиковые колонны, изготовленные путем формования впрыском. Они также могут представлять собой колонну из двух материалов, одна часть которой изготовлена из материала, совместимого с ПЭВД и другая часть которой изготовлена из материала, имеющего ограниченную деформацию и/или текучесть (ПОМ, ПА, ПЭЭК, ПФА, металл и т.д.).
Предпочтительно, колонна состоит из двух материалов (более предпочтительно: ПЭВД и армированный и/или неармированный материал, такой как ПОМ или полиоксиметилен) с целью обеспечения сопротивления (корпус колонны) и обеспечения потребности крепления (фланцы колонны). В том варианте осуществления две части изготовлены из разных материалов, предпочтительно, сформованы поверх друг друга. Кроме того, в этом варианте осуществления, предпочтительно, используются два участка отрезков колонны, поперечное сечение/диаметр которых уменьшается/сокращается: первый участок перехода находится в области поверхностного формирования, и второй участок находится в центре колонны.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, одна часть полой колонны представляет собой составляющий элемент - приспособление, который играет активную роль в баке (дегазация, калибровка, захват горючего и т.д.). Обычно соответствующее приспособление включает в себя, по меньшей мере, один активный компонент, присутствующий в камере/корпусе, и, предпочтительно, по меньшей мере, одна часть полой колонны составляет, в этом случае, по меньшей мере, одну часть упомянутого корпуса. Другими словами: стенка полой колонны, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, одну часть корпуса приспособления, как это описано в упомянутой выше заявке на патент WO 2010/122065, содержание которой представлено по ссылке в настоящей заявке на патент.
В соответствии с первым предпочтительным вариантом данного варианта осуществления изобретения, полая колонна содержит, в ее внутреннем объеме, по меньшей мере, одну часть вентиляционной системы, которая соединяет внутреннюю часть бака с внешней частью, в общем, через канистру или другое устройство контроля за загрязнениями.
В предпочтительном подварианте разделитель жидкости/паров (или LVS), то есть полый объем имеет такую внутреннюю структуру, которая способствует уменьшению капель пара, присутствующих в парах топлива.
В другом предпочтительном подварианте приспособление представляет собой клапан типа ROV (клапан с дистанционным управлением) и/или FLVV (паровой клапан с заполнением предела), и активный компонент, интегрированный в колонну, представляет собой поплавок. В этом случае, по меньшей мере, одна часть полой колонны составляет камеру, в которой скользит поплавок.
В соответствии со вторым предпочтительным вариантом настоящего варианта осуществления, в соответствии с изобретением, полая колонна действует, как корпус для устройства предотвращения переполнения (OPD). В таком варианте, по меньшей мере, одна часть полой колонны составляет камеру, в которой расположено OPD. Различные ROV могут затем быть соединены со входным отверстием этого устройства OPD.
В одном предпочтительном подварианте возможно скомбинировать функцию LVS и функцию OPD в колонне.
В соответствии с третьим предпочтительным вариантом данного варианта осуществления изобретения, полая колонна действует, как захват для топлива (другими словами: приспособление представляет собой захват для топлива), и, с этой целью, содержит в его внутреннем объеме, по меньшей мере, одну точку всасывания для топливного насоса и, в частности, предпочтительно, фильтр, через который насос всасывает топливо.
В соответствии с четвертым предпочтительным вариантом осуществления данного варианта осуществления изобретения, полая колонна содержит емкостной датчик и действует, как защитная камера для последнего (то есть, сама по себе составляет его защитный корпус). Его функции в этом случае представляют собой следующие: фильтрация эффектов волн (из-за движения топлива) и, таким образом, уменьшение уровня шумов измерения топлива; защита измерительного элемента от паразитных емкостей (при соответствующем выборе материала); и уменьшение эффекта образования пленки топлива, которое оседает на чувствительном элементе.
Следует отметить, что различные упомянутые выше варианты могут быть скомбинированы в пределах одного и того же бака, или даже в пределах одной и той же колонны.
Изобретение поясняется более подробно со ссылкой на приложенные фиг.1-3. На фиг.1 представлена одна часть колонны, в соответствии с изобретением, с простой формой; на фиг.2 представлена 3d версия другого варианта осуществления в соответствии с изобретением; на фиг.3 показано альтернативное решение для усиления, которое не попадает в пределы объема настоящего изобретения.
На фиг.1 показана одна часть колонны, в соответствии с изобретением, с простой формой (с постоянным увеличением диаметра поперечного сечения); следующие номера ссылочных позиций обозначают следующие элементы:
1: оболочка топливного бака,
2: линия зажима топливного бака (то есть, линия сварки двух предварительно сформованных заготовок),
3: усилительный элемент.
Общая форма вогнутого катка колонны, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, показана на фиг.2 и может быть охарактеризована диаметром крепления (AD) и минимальным диаметром сечения (MSD).
Диаметр крепления выбран достаточно большим для того, чтобы захватывать довольно большую поверхность бака и ввести ограничение для практически 0 деформации, когда давление возникает внутри бака. Действительно, при малом поперечном сечении на поверхности топливного бака необходимо умножить количество колонн, как пояснялось со ссылкой на фиг.2. На этой фигуре показана прямая конструкция колонны с довольно большим расстоянием между двумя колоннами (1, 1'). Такая конфигурация позволяет обеспечить большую деформацию в центральной точке бака (2) между двумя колоннами, которые, в зависимости от значения деформации и состояния окружающей среды автомобиля, могли бы потребовать дополнительной колонны между ними.
Участок с наименьшим диаметром в форме вогнутого катка, наоборот, позволяет легко получать зону разлома во всех направлениях участка удара.
Такая конструкция не была бы очевидной, в частности, в связи с тем, что тесты с сильными ударами очень трудно моделировать. Такая конструкция, похоже, представляет собой единственную возможную для получения усиленного пластикового топливного бака, ограничивающего деформацию бака, когда бак находится под давлением в комбинации с областью легкого разлома, для защиты оболочки топливного бака от разрыва во время тестов с ударом на высокой скорости (падение и/или SLED тест).
Конечная форма усилительной колонны имеет общее отношение размеров с коэффициентом, по меньшей мере, 1,8, предпочтительно, по меньшей мере, с коэффициентом 2, между диаметром крепления (AD) и диаметром минимального сечения (MSD).
Результаты, достигнутые с использованием данного изобретения, позволяют разрабатывать топливный бак на основе усиленного пластика, что позволяет обеспечить важное уменьшение веса по сравнению со стальным топливным баком и таким образом, обеспечивает уменьшение объема выхлопных газов.
В других конструкциях колонны нет возможности ограничивать деформацию бака до обычных 10 миллиметров максимум при 350 мбар и при этом обеспечить требования высокой устойчивости к удару.
На фиг.4 показан другой вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления структура колонны состоит из последовательности ребер, сформированных таким же образом, как и в предыдущих вариантах осуществления для управления пределом прочности. Преимущество этого варианта осуществления состоит в уменьшенной сложности, требуемой для формования центрального участка детали. Поскольку все ребра находятся на одной линии вычерчивания и нет необходимости обеспечивать полое внутреннее пространство, ползуны, требуемые для формования части конечной детали, становятся значительно менее сложными.