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Die Erfindung betrifft eine Hohlleitung für Betriebsflüssigkeiten in Straßenkraftfahrzeugen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Eine solche Hohlleitung und ein solches Verfahren ist jeweils aus der
DE 103 12 942 A1 bekannt. Elektrisch leitende Hohlleitungen sind darüber hinaus per se, beispielsweise aus der
DE 198 54 819 A1 bekannt.
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Die aus der
DE 103 12 942 A1 bekannte Hohlleitung ist eine Kraftstoffleitung, die aus drei Schichten besteht. Dabei ist eine Trägerschicht mit einer Innenschicht ausgekleidet und außen mit einer Außenschicht belegt. Die Innenschicht besteht aus einem Polymerisat, das Fluorpolymer, Polyamide, Polyethylene oder andere kraftstoffbeständige Polymere aufweist. Die Innenschicht ist in Sperrabschnitte und in elektrisch leitfähige Abschnitte unterteilt, die sich jeweils in streifenförmigen Abschnitten in Längsrichtung der Hohlleitung erstrecken. Über den Umfang betrachtet wechseln sich die Sperrabschnitte und die elektrisch leitfähigen Abschnitte ab, wobei sie jeweils ineinander übergehen.
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Die Sperrwirkung bezieht sich auf eine Diffusion von Kohlenwasserstoffen. Um diese zu verhindern, werden der inneren Schicht bei ihrer Herstellung Fluorwirkstoffe zugegeben. Dies gilt sowohl für die Sperrabschnitte als auch für die elektrisch leitfähigen Abschnitte.
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Die elektrische Leitfähigkeit wird durch eine Zugabe von elektrisch leitfähigen Substanzen erzeugt. Als mögliche Dotiermaterialen werden in diesem Zusammenhang Kohlenstoffe in Form von Ruß oder Kohlenstofffibrillen, Metallspäne, Metallpulver und Nanopartikel genannt.
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Die elektrische Leitfähigkeit soll elektrostatische Aufladungen verhindern, die durch den Flüssigkeitsstrom durch die Leitung hervorgerufen werden können und die durch Funkenbildung zu einer Beschädigung der Leitung und, bei brennbaren Flüssigkeiten, auch zu Fahrzeugbränden führen könnten. Beim Gegenstand der
DE 103 12 942 A1 erstrecken sich die innen liegenden leitfähigen Abschnitte in radialer Richtung bis zur Trägerschicht. Sofern die Trägerschicht elektrisch leitfähig ist, kann ihr Querschnitt ebenfalls zur Abführung elektrostatischer Aufladungen genutzt werden. Wenn zusätzlich noch die Außenschicht elektrisch leitfähig ist, kann elektrische Ladung unmittelbar radial über die gesamte Wandstärke abgeführt werden.
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Das Problem der elektrischen Aufladung einer mit Kunststoff ummantelten Hohlleitung tritt insbesondere bei Kraftstoffleitungen in Straßenkraftfahrzeugen auf. Die Problematik der Aufladung wächst mit zunehmendem Kraftstoffmassenfluss und zunehmender Dicke der Kunststoffummantelung, da letztere einen Abfluss elektrischer Ladung über Halterungen der Kraftstoffleitungen erschwert. Die Kunststoffummantelung dient dem Schutz der Kraftstoffleitung vor mechanischen Beschädigungen durch Steinschläge und zum Schutz vor Korrosion. Um diesen Schutz zu verbessern, ist die Wandstärke der Kunststoffummantelung über die letzten Fahrzeuggenerationen hinwegangestiegen. Der Kraftstoffmassenfluss ist ebenfalls angestiegen, da modernen Verbrennungsmotoren mehr Kraftstoff zugeführt wird als diese verbrauchen. Der überschüssige Kraftstoff kühlt die motornah angeordneten Teile des Kraftstoffsystems und wird über eine Rücklaufleitung zum Tank zurückgeführt.
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Die Neufassung der Spezifikation SAE 1645 empfiehlt in diesem Zusammenhang, kraftstoffführende Teile zu erden. Erdungsmaßnahmen sind insbesondere dann erforderlich, wenn einzelne Abschnitte einer unter Umständen mehrere Meter langen Kraftstoffleitung zwischen einem Tank im Fahrzeugheck und einem vorn eingebauten Motor durch Verbinder aus nichtleitendem Kunststoff zusammengekoppelt werden. Selbst wenn die eigentliche Hohlleitung aus einem guten Leiter wie Aluminium besteht, ergibt sich in einem solchen Fall kein durchgehender Erdungspfad entlang der gesamten Länge der Kraftstoffleitung, der über metallische Komponenten des Einspritzsystems an eine elektrische Fahrzeugmasse angeschlossen wäre. Die einzelnen Abschnitte müssen daher jeweils separat geerdet, d. h. mit einer elektrischen Fahrzeugmasse verbunden werden.
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In diesem Zusammenhang wurde für den speziellen Fall einer Kraftstoffleitung aus einer mit Polyamid (PA) beschichteten Hohlleitung aus Aluminium eine gleichmäßige Beschichtung mit leitfähigem Polyamid diskutiert. Eine elektrostatische Aufladung des Aluminiums könnte dann radial über die Querschnitte des Aluminiums, der leitfähigen Polyamidbeschichtung und eines vorzugsweise metallischen Halters, der mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist, an Masse abfließen.
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Nach Auskunft von Zulieferern, die Kraftstoffleitungen herstellen, wäre eine solche Modifikation der Polyamid-Beschichtung jedoch vergleichsweise teuer.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer mit Kunststoff ummantelten Hohlleitung für den Einsatz in Straßenkraftfahrzeugen, die eine Realisierung eines solchen Erdungspfades mit geringeren Kosten erlaubt. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen mit Kunststoff ummantelten Hohlleitung.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Durch die Unterteilung der Kunststoffummantelung in die mehreren ersten Bereiche und den dazu komplementären zweiten Bereich und die vergleichsweise höhere elektrische Leitfähigkeit der ersten Bereiche, die die innere, elektrisch leitfähige Hohlleitung mit der Außenseite der Kunststoffummantelung verbinden, ergeben sich radial nach außen führende, elektrisch leitende Pfade, die eine Abfuhr elektrostatischer Aufladungen der inneren Hohlleitung über die Kunststoffummantelung ermöglichen. Der Entladestrom kann von der Kunststoffummantelung abgenommen werden, ohne dass ihr eigentlicher Zweck, nämlich ein Schutz der Hohlleitung vor mechanischer Beschädigung und Korrosion, beeinträchtigt wird.
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Durch die radial nach außen führenden Erdungspfade können die Abschnitte von Hohlleitungen, die durch Kunststoffverbinder miteinander verbunden sind, separat geerdet werden. Es ist dann unproblematisch, wenn kein durchgehender Erdungspfad mehr existiert, der sich über die ganze Länge einer Kraftstoffleitung zwischen Tank und Einspritzsystem erstreckt und der über metallische Komponenten des Einspritzsystems an die elektrische Fahrzeugmasse angeschlossen war.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 eine elektrisch leitende Hohlleitung mit einer Ummantelung aus Kunststoff, die lokal elektrisch leitende und nicht leitende Bereiche aufweist; und
- 2 eine unter dem Unterboden eines Kraftfahrzeugs montierte Kraftstoffleitung mit verschiedenen Ausgestaltungen elektrisch leitfähiger Bereiche in der Ummantelung aus Kunststoff.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine elektrisch leitende Hohlleitung 10 für Betriebsflüssigkeiten in Straßenkraftfahrzeugen. Die Hohlleitung 10 weist eine Ummantelung 12 aus Kunststoff auf, die in wenigstens einen ersten Bereich 14 und einen komplementären zweiten Bereich 16 aufgeteilt ist. Der erste Bereich 14 weist eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf als der zweite Bereich 16 und erstreckt sich in radialer Richtung von der elektrisch leitfähigen Hohlleitung 10 bis zu einer Außenseite 18 der Ummantelung 12.
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Als Betriebsflüssigkeiten kommen insbesondere Kraftstoff, Schmier- oder Hydraulik-Öle sowie Bremsflüssigkeit in Frage, wobei insbesondere Kraftstoffleitungen wegen des vergleichsweise hohen Massendurchsatzes elektrostatisch aufgeladen werden und daher geerdet werden müssen. Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich daher dadurch aus, dass die mit der Ummantelung 12 aus Kunststoff versehene Hohlleitung 10, also der Verbund aus Leitung 10 und Ummantelung 12, eine Kraftstoffleitung ist. Die Hohlleitung 10 besteht in einer Ausgestaltung aus Metall, zum Beispiel aus Aluminium oder Stahl oder weist eine solche Metallleitung auf. Die letztgenannte Alternative ergibt sich zum Beispiel bei einer innen liegenden Metallisierung eines Kunststoffrohres.
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In einer alternativen Ausgestaltung weist die Hohlleitung 10 eine elektrisch leitfähige Kunststoffleitung auf oder besteht aus einer ein- oder mehr-lagigen Kunststoffleitung, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Elektrisch leitfähige Kunststoffe sind per se bekannt, zum Beispiel aus der bereits eingangs genannten
DE 198 54 819 A1 . In einer weiteren Ausgestaltung besteht die Ummantelung 12 aus Polyamid als Kunststoff. Damit ist jedoch keine Beschränkung auf Polyamid als Kunststoff verbunden. Vielmehr können für die Ummantelung auch andere Kunststoffe verwendet werden.
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Zur Herstellung von Hohlleitungen 10 mit einer Ummantelung 12 und lokalen, elektrisch leitfähigen Bereichen 14, wird wenigstens ein erster Bereich 14 der Ummantelung 12 mit einer Dotierung versehen, die ihm eine elektrische Leitfähigkeit verleiht oder diese vergrößert, wenn das nicht dotierte Ausgangsmaterial bereits eine gewisse elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Dotierung erfolgt durch Zugabe elektrisch leitfähiger Stoffe und/oder Strukturen wie Ruß, Kohlenstofffibrillen, Metallspänen, Metallpulver und Nanopartikeln. Auch Kombinationen dieser oder anderer Dotierstoffe sind möglich. Bevorzugt werden längliche Strukturen verwendet, da diese eine Entstehung durchgehender Leitfähigkeitspfade begünstigen.
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Bei der Verwendung einer Metallleitung als elektrisch leitfähiger Hohlleitung 10 wird die Ummantelung 12 aus Kunststoff in einer Ausgestaltung durch ein elektrostatisches Pulverbeschichtungsverfahren erzeugt Dabei erfolgt die lokale Dotierung durch eine zusätzliche Düse, mit der die Dotierstoffe oder ein Gemisch aus Dotierstoffen und dem Basisprodukt des Kunststoffes in pulverisierter Form räumlich begrenzt dosiert wird.
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Bei der Verwendung einer einlagigen oder mehrlagigen Kunststoffleitung als Hohlleitung 10 wird die Ummantelung 12 aus Kunststoff bevorzugt zusammen mit der Hohlleitung 10 unter Verwendung lagen- und schicht-individueller Extruder extrudiert. Die Herstellung mehrlagiger Kunststoffleitungen durch Extrusion (beziehungsweise Co-Extrusion) ist dem Fachmann bekannt und muss daher hier nicht im Einzelnen dargestellt werden.
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Die Dotierung erfolgt in diesem Fall bevorzugt dadurch, dass dem Extruder, der die Ummantelung 12 erzeugt, immer dann Dotierstoffe oder ein Gemisch aus Dotierstoffen und dem Granulat des Kunststoffs zugeführt wird, wenn ein erster Bereich extrudiert wird. Die ersten und zweiten Bereiche bestehen daher aus dem gleichen Grundmaterial. Eine scharfe Trennung optimiert die elektrische Leitfähigkeit in den ersten Bereichen bei gleichzeitig minimalem Verbrauch von unter Umständen teueren Dotierstoffen wie Nanoröhrchen. Die Trennschärfe kann über die zeitliche Steuerung der Dotierstoffzugabe, zum Beispiel durch rampenförmiges Auf- und Ab-Steuern der Dotierstoffzugabe, beeinflusst werden. Um neben den elektrischen Eigenschaften auch andere Eigenschaften, zum Beispiel mechanische Eigenschaften, beim Übergang zwischen ersten Bereichen 14 und zweiten Bereichen 16 zu verbessern, sieht eine andere Ausgestaltung vor, einen weniger abrupten Übergang zwischen den ersten Bereichen 14 und den zweiten Bereichen 16 zu erzeugen. Gleiche Einflüsse der Dotierstoffzugabe auf die Trennschärfe zwischen den ersten Bereichen 14 und den zweiten Bereichen 16 können auch durch eine entsprechende zeitliche Steuerung der Dotierstoffzugabe bei elektrostatischen Beschichtungsverfahren erzielt werden.
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Alle Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass die einzelnen Lagen, Schichten und Bereiche lückenlos und ohne Unterbrechung eines strukturellen Zusammenhangs ineinander übergehen, oder, im Falle einer Beschichtung von Metall mit Kunststoff, in inniger, flächiger Berührung aneinander haften.
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Dadurch ergibt sich insbesondere der gewünschte elektrisch leitfähige Pfad von der Hohlleitung 10 über den Querschnitt der Ummantelung 12 bis zu ihrer Außenseite 18. Dabei ist der Pfad auf den jeweiligen ersten Bereich 14 beschränkt, wobei sich im Fall mehrerer erster Bereiche 14 auch mehrere elektrisch leitfähige Pfade ausbilden können. Die zweiten Bereiche 16 besitzen dagegen keine elektrische Leitfähigkeit oder nur eine um mehrere Zehnerpotenzen geringere elektrische Leitfähigkeit und tragen daher nicht zur Abfuhr einer elektrostatischen Aufladung bei.
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2 zeigt zwei Abschnitte 20.1, 20.2 einer Kraftstoffleitung, die unter einen Unterboden 24 eines Straßenkraftfahrzeugs montiert sind. Weitere Abschnitte sind in ihrer Längsrichtung durch einen nicht elektrisch leitfähigen Verbinder 26 aus Kunststoff miteinander verbunden, so dass sich kein durchgehender Erdungspfad über den Verbinder 26 ergibt.
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Jeder Abschnitt 20.1, 20.2 weist erste elektrisch leitfähige Bereiche 14 und komplementäre elektrisch nicht oder weniger leitfähige Bereiche 16 auf. Die leitfähigen Bereiche 14 im Abschnitt 20.1 zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Ausdehnung in Umfangsrichtung, also tangential zur Querschnittsfläche der Hohlleitung 10, größer ist als ihre Ausdehnung in Längsrichtung, also senkrecht zur Leitungsquerschnittsfläche. In der Darstellung der 2 wird der mittlere erste Bereich 14 von einem Halter 28.1 umfasst, mit dem der Abschnitt 20.1 der Kraftstoffleitung am Fahrzeugunterboden 24 befestigt ist. Der Fahrzeugunterboden 24 stellt eine elektrische Masse dar. Der Halter 28.1 besteht aus elektrisch leitfähigem Metall oder einem Metall enthaltenden Verbundwerkstoff oder einem anderen elektrisch leitenden Werkstoff und verbindet die Außenseite des mittleren elektrisch leitenden ersten Bereichs 14 des Abschnitts 20.1 elektrisch mit der Fahrzeugmasse.
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Die in Umfangsrichtung große Ausdehnung des ersten Bereichs 14 im Abschnitt 20.1 sorgt für eine großflächig leitende Übergangsfläche vom ersten Bereich 14 auf den Halter 28.1. Dies setzt jedoch voraus, dass der zur Erdung dienende erste Bereich 14 relativ zu Enden der Hohlleitung 10, in diesem Falle also zu Enden des Abschnitts 20.1, so angeordnet ist, dass seine Position im montierten Zustand eine leitende Verbindung mit dem Halter 28.1 erlaubt. Der Halter 28.1 definiert insofern einen vorgesehenen Anschlusspunkt, an dem ein Massepotential des Fahrzeugs liegt.
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Die passende Anordnung wird in einer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass die Leitungsabschnitte 20.1, 20.2 bei ihrer Herstellung passend abgeschnitten werden, wobei die Position des zur Erdung vorgesehenen ersten Bereichs 14 als Bezugspunkt dient. Der Bezugspunkt kann durch Messung seiner elektrischen Leitfähigkeit identifiziert werden. Alternativ oder ergänzend sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, den ersten Bereich 14 bei der Herstellung farbig zu markieren oder mit einer Oberflächenstruktur zu kennzeichnen. Dadurch wird eine visuelle und/oder optische Information bereitgestellt, die einem Monteur oder einer Maschine ein korrektes Zuschneiden und/oder eine korrekte Montage im Fahrzeug erleichtert.
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Alternativ zu einer genauen Positionierung eines ersten Bereichs 14 in Bezug auf die Enden des betreffenden Abschnitts können auch mehrere erste Bereiche 14 erzeugt werden, die in Längsrichtung der Hohlleitung 10 voneinander getrennt über die Länge der Hohlleitung 10 angeordnet sind. Dies wird in der 2 durch die insgesamt drei ersten Bereiche 14 verdeutlicht, die in dem Abschnitt 20.1. angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung erhöht sich die Wahrscheinlichkeit dafür, dass einer der Bereiche 14 auch ohne eine genaue Positionierung bei der Herstellung später der Position eines Halters 28.1 entspricht.
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Die Wahrscheinlichkeit kann noch dadurch erhöht werden, dass die Ausdehnung der Bereiche 14 in Längsrichtung der Leitung vergrößert wird. Eine solche Ausgestaltung ist in der rechten Seite der 2 dargestellt, die einen Abschnitt 20.2 einer Kraftstoffleitung zeigt. Der Abschnitt 20.2 der Kraftstoffleitung in der 2 unterscheidet sich vom Abschnitt 20.1 dadurch, dass die Ausdehnung des ersten Bereichs 14 in Längsrichtung, das heißt senkrecht zur Leitungsquerschnittsfläche der Hohlleitung 10, größer ist als die Ausdehnung des ersten Bereichs 14 in Umfangsrichtung, das heißt tangential zur Querschnittsfläche der Hohlleitung 10. Selbstverständlich können die Ausgestaltungen der ersten Bereiche 14 auch miteinander kombiniert werden, so dass sich Überdeckungen der eher streifenförmigen Bereiche 14 aus dem Abschnitt 20.2 mit den eher ringförmigen Bereichen 14 aus dem Abschnitt 20.1 ergeben.