نوشته‌ها

مخزن سوخت پلاستیکی چند لایه

مخزن سوخت پلاستیکی ۶ لایه خودرو ، پاسخگوی الزامات زیست محیطی

در بخش قبلی این مقاله با ویژگی های کلی و تاریخچه پیدایش مخازن سوخت پلاستیکی در خودروها آشنا شدیم. در حال حاضر و در سال ۲۰۱۹ میلادی، آخرین نسل مخازن سوخت پلاستیکی، مخزن های ۶ لایه بر پایه پلی اتیلن/ اتیلن وینیل الکل در حال استفاده در خودروهای مختلف هستند. علاوه بر وجود پیچیدگی های فنی در انتخاب پلیمرهای مناسب، فرایند تولید چنین مخزنی بسیار پیچیده است و به روزترین فناوری ها در خطوط تولید آن به کار می رود. این محصول به روش قالبگیری دمشی (Blow molding) یا ترموفرمینگ تولید می شود. برای مثال در روش قالبگیری دمشی که استفاده بیشتری نیز دارد، سه تا شش اکسترودر ( باتوجه به نوع خط تولید) پلیمرهای لایه های مختلف را به قالب میرسانند و در قالب علاوه بر فرایند دمش، قرار دادن شیر و اتصالات مخزن نیز به صورت همزمان انجام می شود.

مخزن سوخت پلاستیکی چند لایه

پلی اتیلن دانسیته بالا (HDPE) و اتیلن وینیل الکل (EVOH) دو لایه اصلی این مخازن را تشکیل می دهند. HDPE تعیین کننده خواص مکانیکی و نگهدارند سوخت و EVOH لایه سدگر و مانع در برابر هیدروکربن ها در ساختار مخزن هستند. برای مثال یک مخزن دارای یک لایه چند میکرونی EVOH در هر روز تنها ۱۰ mg و در مورد یک مخزن تک لایه HDPE، ۳۰۰۰ mg هیدرو کربن انتشار به محیط دارد. در فناوری مخازن سوخت چند لایه، علاوه بر اینکه امکان استفاده همزمان از لایه های HDPE و EVOH مهیا است، می توان بخشی از HDPE را با انواع بازیافتی مناسب آن جایگزین کرد. بدین ترتیب علاوه بر کنترل میزان انتشار گازهای آلاینده در این مخازن و رعایت استانداردهای زیست محیطی، با استفاده از پلاستیک های بازیافتی می توان در راستای توسعه پایدار صنایع خودروسازی حرکت کرد. هر چند بایستی در استفاده از پلاستیک های بازیافتی برای چنین محصول مهندسی جانب احتیاط را رعایت کرد و از گریدهای بازیافتی گواهینامه دار (Certified grades) و مناسب برای این کاربری استفاده کرد.

پس از انتخاب گرید مناسب HDPE و EVOH برای تولید مخزن چند لایه ( برای مثال EVOH با ۲۴ و ۳۲ درصد مولی اتیلن و HDPE مناسب برای اکستروژن)، مهمترین چالش پیش رو ایجاد اتصال بین این دو لایه است. چرا که HDPE طبیعت غیر قطبی و EVOH طبیعت قطبی دارد و در حالت عادی این دو لایه با یکدیگر سازگار نیستند. برای ایجاد سازگاری و اتصال بین دو لایه، از چسب های بین لایه ای (Tie layer) استفاده می شود. چسب بین لایه ای مناسب برای این کاربری پلی اتیلن های عامل دار شده با مالئیک انیدرید (PE grafted maleic anhydride) هستند. لایه چسب بین لایه های EVOH و HDPE قرار می گیرد و از یک سو با EVOH پیوند شیمیایی و از سمت دیگر با HDPE سازگاری فیزیکی دارد و در مجموع یک ساختار یکپارچه ایجاد می شود. این ساختار یکپارچه خواص مکانیکی و ضربه پذیری مشابه HDPE و خواص نفوذ ناپذیری در برابر هیدروکرین ها مانند EVOH دارد. برای مثال ترتیب لایه ها به همراه درصد آن ها از ضخامت کلی در مخزن سوخت پلاستیکی چند لایه به صورت زیر است:

مخزن سوخت چند لایه

Black HDPE (13%)/ Regrind HDPE (40%)/ Tie layer (2%)/ EVOH (3%)/ Tie layer (2%)/ HDPE (40%)

لایه Black HDPE به عنوان لایه بیرونی مخزن، حاوی دوده سیاه به منظور حفاظت از مخزن در برابر اشعه فرابنفش است.

مخزن سوخت پلاستیکی

جایگزینی مخازن سوخت پلاستیکی با انواع فلزی در خودرو

اولین مخزن سوخت به کار رفته در خودروها از جنس فولاد پوشش داده شده با قلع – سرب بوده است. این نوع مخازن در معرض خوردگی سطح داخلی قرار داشتند و همچنین سطح بیرونی آن ها نیز در تماس با مواد شیمیایی موجود در محیط، نمک، گل، لای و شن دچار آسیب می شود. باتوجه به حساسیت این قطعه و امکان انفجار خودرو در صورت وجود نقص در این قطعه، تلاش های زیادی جهت توسعه نسل های بعدی مخازن سوخت صورت گرفت. مهمترین اهداف بهبود عملکرد مخازن سوخت، افزایش زمان سرویس دهی این قطعه، کاهش عبور پذیری آن در برابر بخارات سوخت، کاهش وزن، افزایش ایمنی و کاهش بهای تمام شده آن است.

باتوجه به روند رو به رشد استفاده از پلاستیک ها در تولید قطعاتی خودرو، OEM ها در دهه ۸۰ میلادی تلاش هایی برای استفاده از پلاستیک ها در تولید مخازن سوخت کردند. در ادامه تا سال ۱۹۹۳ میلادی ۸۰ درصد خودروهای اروپایی به مخازن سوخت پلاستیکی مجهز شدند. افزایش استفاده از مخازن سوخت پلاستیکی در کشورهای مختلف، متفاوت است و برای مثال کشور ژاپن کمترین سهم استفاده از مخازن سوخت پلاستیکی را دارد.

سیستم سوخت رسانی یک خودرو شامل اجزای مختلف مانند مخزن، پمپ، سنسور سنجش ارتفاع سوخت، سیستم کنترل بخارات و لوله های انتقال دهنده سوخت به موتور است. یکپارچه بودن این سیستم و حفظ این یکپارچگی در زمان کاربری یا تصادفات احتمالی، اولین معیار طراحی یک سیستم سوخت کارا است. علاوه بر این نکته، معیارهای زیست محیطی نیز، مانند عدم نشت سوخت و سبک بودن مجموعه سوخت رسانی، در طراحی این مجموعه مورد نظر است. پلاستیک منتخب برای تولید مخازن سوخت، پلی اتیلن با دانسیته بالا، HDPE، است. HDPE در برابر محیط های شیمیایی خورنده مقاوم است و همچنین می توان به منظور کاهش ریسک انفجار، شارژ الکتریسیته ساکن را در آن به حداقل رساند. اما مهمترین ویژگی مخازن سوخت تولید شده با HDPE، عاری بودن آن ها از خطوط جوش است. علیرغم ورق های فلزی که به کمک فرایند جوشکاری به قطعه نهایی مخزن سوخت تبدیل می شوند، مخازن HDPE به روش قالبگیری دمشی (Blow Molding) تولید می شوند و ساختار فیزیکی آن ها به صورت یکپارچه است. این روش تولید امکان طراحی هندسه های پیچیده را نیز مهیا می کند و منجر به استفاده بهینه از فضای خودرو می شود.

به صورت متوسط  مخازن سوخت پلاستیکی حداقل ۲۰ درصد از انواع فلزی سبک تر هستند. این نکته مزایای زیست محیطی فراوانی برای این نوع مخازن در پی دارد. همچنین پلاستیک ها امکان تغییر شکل در صورت وارد آمدن تنش را دارند و در صورت وقوع تصادفات احتمالی ضریب انفجار آن ها پایین تر از انواع فلزی است. اما مخازن فلزی نیز همچنان مهندسین طرفدار فراوانی دارند. مهمترین مزیت این مخازن قیمت تمام شده پایین تر و امکان بازیافت آسان آن ها در مقایسه با پلاستیک ها است. امروزه نسل دوم مخازن پلاستیکی، مخازن پلاستیکی چندلایه، توسعه داده شده اند. در بخش های بعدی این مقاله با ویژگی های این مخازن آشنا خواهیم شد.