Mobility 1/2022

BIOHYBRIDE KRAFTSTOFFE

BIOHYBRIDE KRAFTSTOFFE NEUE HERAUSFORDERUNGEN AN DICHTUNGSWERKSTOFFE IM HINBLICK AUF BIO-HYBRIDE KRAFTSTOFFE Im Rahmen CO 2 -neutraler Antriebskonzepte werden im Exzellenzcluster „The Fuel Science Center“ bio-hybride Kraftstoffe als Alternative zu konventionellen Kraftstoffen wie Diesel oder Benzin diskutiert. Dabei stellt sich die Frage, ob diese Kraftstoffe direkt in herkömmlichen Verbrennungsmaschinen als Drop-In Kraftstoff eingesetzt werden können. Können Dichtungsmaterialien nach dem aktuellen Stand der Technik für bio-hybride Kraftstoffe verwendet werden? Welche Anpassungen sind notwendig, um die geforderte Haltbarkeit der Dichtungen zu gewährleisten? Der Beitrages geht zunächst auf die Methoden ein, mit denen die Materialverträglichkeit untersucht wird, bevor die Ergebnisse und das Potential von Verbunddichtungen im Kontext von bio-hybriden Kraftstoffen thematisiert werden. 44 MOBILITY 2022

BIOHYBRIDE KRAFTSTOFFE EINLEITUNG Innerhalb des Exzellenzclusters „The Fuel Science Center“ (FSC) werden an der RWTH Aachen University neuartige Methoden untersucht, die bei der Auswahl alternativer und zukunftsweisender Kraftstoffe helfen sollen. Ziel ist es, neue sogenannte „maßgeschneiderte“ Kraftstoffe zu designen, die sowohl technischen als auch ökonomischen und ökologischen Anforderungen gerecht werden. Ein wichtiger Punkt ist dabei die Kompatibilität mit vorhandenen Motoren und Einspritzsystemen. Hier kommt vor allem der Materialverträglichkeit mit den in der Automobilindustrie gängigen Dichtungswerkstoffen eine hohe Bedeutung zu. Voruntersuchungen haben bereits gezeigt, dass herkömmliche Kraftstoffdichtungen deutlich anders auf die neuartigen Kraftstoffe reagieren, als dies bei Benzin oder Diesel der Fall ist. Aus diesem Grund sollen im folgenden Beitrag ausgewählte Kraftstoffe aus dem FSC genauer betrachtet und hinsichtlich ihrer Materialverträglichkeit mit Hilfe eines Einlegeversuches nach DIN ISO 1817 bewertet werden. Dazu werden zunächst verschiedene Dichtungswerktstoffe, die in der Automobilindustrie verwendet werden und eine Auswahl der im FSC untersuchten bio-hybriden Kraftstoffe, vorgestellt. Anschließend wird der verwendete Versuchsaufbau für den Einlegeversuch beschrieben. Dabei soll vorrangig auf Besonderheiten und Abweichungen zur Norm DIN ISO 1817 eingegangen werden, die sich aus den von konventionellen Kraftstoffen abweichenden Fluideigenschaften ergeben. Außerdem werden die Methoden beschrieben, mit denen vor und während des Einlegeversuchs die Dichtungsparameter Volumen und Härte bestimmt werden. Abschließend werden die Ergebnisse des Einlegeversuchs präsentiert und auf Grundlage dieser das Potential von Verbunddichtungen im Zusammenhang mit neuartigen synthetischen Kraftstoffen diskutiert. VERSUCHSAUFBAU Der Versuchsaufbau für die Untersuchung der Materialverträglichkeit orientiert sich an der Norm DIN ISO 1817, welche die Bewertung der Beständigkeit von Elastomeren und Thermoplasten gegenüber Flüssigkeiten durch einen Einlegeversuch beschreibt. In der Norm werden Handlungshinweise für die Durchführung des Versuchs gegeben. Im Folgenden soll auf einige der in der DIN ISO 1817 genannten Punkte und deren Umsetzung in diesem Experiment eingegangen werden /DIN16a/ VERWENDETE FLÜSSIGKEITEN Bei den im Einlegeversuch verwendeten Flüssigkeiten handelt es sich einerseits um die konventionellen Kraftstoffe Diesel und Benzin sowie eine Auswahl an bio-hybriden Kraftstoffen, die im Rahmen des FSC untersucht werden und deren Strukturformeln in zu sehen sind. Als bio-hybride Kraftstoffe werden Kraftstoffe bezeichnet, für deren Herstellung sowohl regenerativ gewonnene elektrische Energie als auch Biomasse genutzt wird, wobei auf fossile Energieträger verzichtet wird. Wie in Bild 01 zu sehen ist, verfügen alle bio-hybriden Kraftstoffe polaren Gruppen in Form von Sauerstoffbrücken und Carbonylgruppen und grenzen sich somit deutlich vom unpolaren Benzin und Diesel ab. Durch den polaren Charakter der Flüssigkeiten werden auch die Wechselwirkungen zwischen Dichtung und Kraftstoff beeinflusst. PRÜFKÖRPER 01 Übersicht bio-hybrider Kraftstoffe 02 Volumenmessung nach archimedischem Prinzip 01 02 In PKW-Einspritzsystemen werden sowohl statische Dichtungen, wie etwa O-Ringe, als auch dynamische Dichtungen in Form von Radialwellendichtringen verwendet. Gängige Dichtungsmaterialien sind hier im Allgemeinen Fluorkautschuk-Mischungen (FKM) und Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) /Hei15/. Zielgröße sind eine geringe Quellung der Dichtung und eine geringe Veränderung der mechanischen Eigenschaften. Quellen führt beispielsweise zu einer Abnahme der Vorspannkraft bei Radialwellendichtringen oder zu einer Extrusion von O-Ringen /Ric15/; /Ric16/. Eine Abnahme der Härte kann, ähnlich wie starkes Quellen, zu einer Reduzierung der Vorspannkraft bei Radialwellendichtringen führen /Ric15/. Quellen und Härteabnahme können im Betrieb zu einem Versagen der Dichtstelle und unerwünschter Leckage führen. Konventionelle Kraftstoffe, wie Diesel oder Benzin, verursachen bei den verwendeten FKM- und NBR-Dichtungen nur geringe Eigenschaftsänderungen, die den Betrieb nicht beeinträchtigen. Für bio-hybride Kraftstoffe konnten hingegen konnte in Voruntersuchungen bereits ein starker Einfluss auf diese Dichtungsmaterialien festgestellt werden. Eine Verwendung von medienresistentem Polytetrafluorethylen (PTFE) als Dichtungsmaterial ist im Automobilbereich unüblich, da die im Vergleich zu FKM und NBR hohe Härte die Montage erschwert und in vielen Fällen geteilte Dichtsitze voraussetzt, was wiederum erhöhte Montagekosten mit sich bringt. Ein weiterer Nachteil von PTFE als Thermoplast ist sein Kaltflussverhalten, was bei andauernder mechanischer Belastung zu einer plastischen Verformung der Dichtung und einem Verlust der Dichtwirkung führen kann /Dom08/. Neben PTFE existieren außerdem Verbunddichtungen aus einer Fluorethylenpropylen(FEP)-Hülle, die ähnlich resistent ist wie PTFE, und einem FKM-Kern bestehen. Ähnlich wie PTFE neigt FEP zum Kaltfließen /Dom08/. Durch die Kombination mit FKM, welches über einen hohen Druckverfor- MOBILITY 2022 45