WERKING VAN BRANDSTOFSYSTEMEN

Transcriptie

1 WERKING VAN BRANDSTOFSYSTEMEN

2 BRANDSTOFSYSTEMEN Het brandstofsysteem is het belangrijkste, kostbaarste en meest complexe van alle motorsystemen. De prestaties, brandstofverbruik, emissies en duurzaamheid van de motor zijn afhankelijk van de goede werking van het brandstofsysteem. Door het gebruik van de juiste en schone brandstof kunnen de onderdelen van het brandstofsysteem goed blijven functioneren tot de volgende controlebeurt van de motor. De mogelijke problemen met brandstofsystemen beperken zich voornamelijk tot versnelde (abrasieve) slijtage of vastlopende pompverstuivers. Het vastlopen van verstuivers kan ook bijkomende schade veroorzaken aan onderdelen van de klepaandrijving. De meest voorkomende problemen: De pompverstuiver gaat korter dan de verwachte standtijd mee, doordat de brandstof te veel abrasieve deeltjes bevat. Microscopische abrasieve deeltjes beschadigen oppervlakken in de verstuiver. Hierdoor lekt er onder hoge druk brandstof door en neemt het motorvermogen af. Abrasieve deeltjes komen voor in de meeste brandstoffen. Sommige brandstoffen bevatten zeer grote hoeveelheden schurende deeltjes. In deze whitepaper willen we u meer informatie geven over de manier waarop brandstofsystemen werken, wat verontreiniging met een brandstofsysteem kan doen en wat u kunt doen om dit te voorkomen. Het primaire brandstofsysteem Het primaire brandstofsysteem, dat voor alle Caterpillar dieselmotoren hetzelfde is, bestaat uit een motorisch aangedreven brandstofopvoerpomp, een secundair brandstoffilter, brandstofpompverstuivers en een brandstofdrukregelaar. Optionele onderdelen voor het brandstofsysteem die door Caterpillar worden geleverd zijn onder meer slangen, een handmatig bediende brandstofopvoerpomp, en een dubbel uitgevoerd secondair (duplex) filter voor de brandstof. Onderstaande afbeelding geeft een overzicht van een primair brandstofsysteem. Overzicht brandstofsysteem De aangehangen pomp stuwt de brandstof via de secundaire brandstoffilter naar de pompverstuivers. De pomp is voorzien van een op de pomp gemonteerde veiligheidsklep om extreme drukopbouw door problemen in het systeem te verkomen. De mechanische of hydraulisch aangedreven pompverstuiver combineert de functies van pompen, doseren en inspuiten in één enkel onderdeel. Door deze gecombineerde werking zijn bijvoorbeeld geen hogedrukbrandstofleidingen nodig tussen pomp en

3 verstuiver. De pompverstuivers zitten per cilinder gemonteerd in de cilinderkop, tussen de tuimelaars vlakbij het midden van de verbrandingskamer. De brandstof circuleert voortdurend door de verstuivers en de overtollige brandstof, die niet gebruikt wordt voor de verbranding, koelt de verstuivers en wordt teruggevoerd naar de brandstoftank via de drukregelklep. Doordat de brandstof de verstuivers koelt, verzamelt zich warmte in de brandstoftank. Afhankelijk van de systeemlayout en brandstoftemperatuur kan het nodig zijn de brandstof voor deze naar de motor gaat, te koelen. Deze overtollige brandstof helpt ook bij het ontluchten van het systeem. De brandstoftoevoerdruk op de verstuivers wordt geregeld door een drukregelklep. De drukregelaar moet bij het monteren zo worden ingesteld, dat de verstuivers de juiste brandstofdruk krijgen om bijvoorbeeld cavitatie in de pompverstuivers te voorkomen. De handmatig bediende brandstofopvoerpomp wordt aanbevolen als er geen elektrische opvoerpomp beschikbaar is. De handpomp helpt om lucht uit de brandstofleiding te verwijderen voordat de motor voor het eerst wordt gestart, en na motoronderhoud, zoals vervanging van het filterelement en verstuivers. Caterpillar adviseert tevens het gebruik van een dubbele uitgevoerd primair brandstoffilter. Dit filter moet vóór de aangehangen pomp worden gemonteerd. Indien er een dubbel primair brandstoffilter wordt gebruikt, dan wordt deze in de aanzuigleiding van de brandstofopvoerpomp gemonteerd. HEUI-brandstofsysteem Hydraulisch aangedreven elektronisch gestuurde verstuivers (Hydraulically actuated Electronically controlled Unit Injectors - HEUI) gebruiken een hydraulische pomp en motorolie om de inspuitdruk voor de brandstof te genereren. Een elektronische regelmodule (ECM) regelt via een elektronische klep de brandstofdruk en de hoeveelheid brandstof die in de cilinders wordt gespoten. De werking van het HEUI brandstofsysteem is volledig anders dan die van alle andere typen mechanisch aangedreven brandstofsystemen. Het HEUI-brandstofsysteem hoeft niet te worden ingesteld. Veranderingen in de werking worden bewerkstelligd door andere software in het ECM te installeren. Dit type brandstofsysteem zullen we verderop in deze whitepaper belichten. MEUI-brandstofsysteem De mechanisch aangedreven en elektronisch geregelde verstuivers (Mechanically actuated Electronically controlled Unit Injectors - MEUI), voorheen bekend als elektronische verstuivers (Electronic Unit Injectors - EUI) gebruiken de nokkenas en de stoterstangen om de inspuitdruk van de brandstof te genereren, maar gebruiken ook een elektronische regelmodule (Electronic Control Module - ECM) om de ingespoten hoeveelheid brandstof in de cilinders te regelen. De signalen van de ECM bekrachtigen de magneetklep op elke verstuiver. De verstuivers zullen alleen brandstof inspuiten zolang de magneetklep van de verstuiver wordt bekrachtigd. De ECM regelt hoeveel brandstof er wordt ingespoten door de duur van de signalen naar de verstuivers te wijzigen. Door de timing en van het spanningssignaal te regelen, kan de ECM de timing van de brandstof inspuiting regelen. Dit om het verbrandingsproces naar gelang vermogensvraag, uitstooteisen en rendement te optimaliseren. Common-rail brandstofsysteem. In tegenstelling tot de MEUI en HEUI-brandstofsystemen, wordt de inspuitdruk in een leiding buiten de pompverstuivers gegenereerd in een centrale hogedrukbrandstofpomp, die door de motor wordt aangedreven. De pomp bouwt een hoge druk op in een verdeelleiding (de common rail), die langs weerszijden van de motor loopt en de verstuivers onder hoge druk van brandstof voorziet. De ECM regelt ook hier middels een magneetklep op de elektronische verstuivers op elke cilinder de dosering en timing van de brandstofinspuiting(en). Net als sommige andere systemen, is het common-rail brandstofsysteem nodig om meerdere inspuitingen per arbeidsslag te verzorgen om zo een betere verbranding te krijgen. De belangrijkste onderdelen van een common-rail systeem zijn de hogedrukpomp, de hogedrukleidingen, het ringleidingsysteem en de verstuivers. Het lagedrukbrandstofsysteem gebruikt soortgelijke onderdelen als het pompverstuiverbrandstofsysteem. In tegenstelling tot het pompverstuiverbrandstofsysteem, laat het common-rail brandstofsysteem niet voortdurend brandstof door het hele systeem circuleren. In plaats daarvan worden kleine hoeveelheden brandstof omgeleid tijdens de inspuiting. Door de zeer hoge druk in de brandstofverdeelleiding, wordt de brandstof warmer dan in andere systemen. Doordat de brandstof warmer wordt, is het van essentieel belang dat de inlaattemperatuur van de brandstof binnen de richtlijnen voor het betreffende motortype blijft. Het gebruik van een brandstofkoeler wordt aanbevolen, en is soms verplicht, om de inlaattemperatuur van de brandstof op het juiste niveau te houden. Anders zal de oververhitte brandstof een zeer lage

4 viscositeit en en dus filmsterkte hebben, waardoor de onderdelen van het brandstofsysteem, vooral de verstuivers, eerder beschadigd zullen raken door verontreinigingen in de brandstof en slijtage. Vandaar het belang van een goede filtering voor common-rail motoren. BRANDSTOFINSPUITING De prestaties van dieselmotoren worden sterk beïnvloed door het ontwerp van hun brandstofinspuitsysteem. Feitelijk is de meest opmerkelijke vooruitgang die is geboekt op het gebied van dieselmotoren rechtstreeks het resultaat van een verbeterd ontwerp van het brandstofinspuitsysteem. Hoewel het belangrijkste doel van het systeem is om de cilinders van een dieselmotor te voorzien van brandstof, wordt het verschil in motorprestaties, uitstoot en geluidskenmerken, veroorzaakt door de manier waarop de brandstof wordt aangeleverd. In tegenstelling tot zijn tegenhanger met vonkontsteking, spuit het dieselinspuitsysteem de brandstof in onder extreem hoge druk. Dit houdt in, dat er bij de selectie van ontwerpen en materialen voor de systeemonderdelen moet worden gelet op de hogedrukbestendigheid. Daarnaast moeten ze zo lang meegaan dat ze de verwachte onderhoudsintervallen evenaren. De zeer hoge drukken de gewenst nauwkeurigheid en de gewenste betrouwbaarheid van het systeem vereisen een extra grote productieprecisie en zeer lage maattoleranties. Naast dure materialen en productiekosten, worden dieselinspuitsystemen gekenmerkt door zeer complexe besturingsvereisten. Al deze kenmerken leiden tot een systeem, waarvan de kosten maar liefst 30% van de totale kosten van de motor vertegenwoordigen. VERBRANDING In dieselmotoren wordt de brandstof tegen het einde van de compressieslag in de cilinder gespoten. Tijdens een fase die de ontstekingsvertraging wordt genoemd, wordt de ingespoten brandstof verneveld in kleine druppeltjes om vervolgens te verdampen en zich te vermengen met lucht. Als de zuiger dichter bij het bovenste dode punt komt, bereikt de temperatuur van het mengsel door compressie het ontbrandingspunt van de brandstof, waardoor een voorgemengde hoeveelheid brandstof en lucht spontaan ontbrandt. De resterende brandstof, die niet is verbruikt in de voorgemengde verbranding, wordt verbruikt in de gecontroleerde verbrandingsfase, ook wel diffusieverbranding genoemd. De fase tussen het brandstofinspuitsysteem en het daadwerkelijke verbrandingsproces is de brandstofnevel. In feite zou je kunnen zeggen dat de complexiteit en verfijning van de besturing van het brandstofinspuitsysteem voornamelijk dienen om een goede nevel in de cilinder te krijgen. Hoe beter de verneveling, hoe meer oppervlak van de brandstofmoleculen die in aanraking komen met lucht/zuurstof, hoe beter de verbranding verloopt. Het onderdeel dat verantwoordelijk is voor de daadwerkelijke verneveling van de brandstof is de verstuiver. De nevel wordt gevormd door de brandstof onder hoge druk door de gaatjes in de verstuiver te persen. De brandstof wordt hierdoor tot een fijne nevel opgebroken. Het gedrag van nevel is erg belangrijk voor de vorming van het brandstofmengsel en het begin van de ontsteking. Daarnaast is het gedrag van de nevel aan het einde van de inspuiting en na het afsluiten van de brandstoftoevoer doorslaggevend bij de vorming van uitstoot. HEUI-BRANDSTOFSYSTEEM Geavanceerde technologie geeft hogere opbrengst. Het HEUI (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector) brandstofsysteem overstijgt veel van de beperkingen van mechanische en conventionele elektronische verstuivers, en stelt nieuwe normen voor brandstofefficiency, betrouwbaarheid en uitstootbeperking. In samenwerking met de ECM (Electronic Control Module) van de motor, zorgt het HEUI-systeem voor een buitengewoon nauwkeurige besturing van de brandstofdosering en -timing, wat resulteert in ongeëvenaarde motorprestaties en zuinigheid. Nauwkeurige inspuitdruk bij elke motorsnelheid In het HEUI-systeem blijft de brandstofdruk laag tot het moment van inspuiting in de cilinder. De brandstofdruk wordt hydraulisch opgebouwd in reactie op een signaal van de elektronische regeleenheid (ECM). De HEUI regelt de inspuitdruk elektronisch. Deze unieke eigenschap betekent dat de regeling van de inspuitdruk volledig onafhankelijk is van de snelheid van de krukas. Een extra

5 hoge inspuitdruk kan dus bijvoorbeeld al worden bereikt tijdens acceleratie en tijdens het belasten van de motor op lagere toerentallen tijdens bijvoorbeeld slepen. Dit zorgt voor een zuiniger brandstofverbruik, betere reactie en minder rook. Het HEUI-systeem nader bekeken Het HEUI-brandstofsysteem bestaat uit vier basisonderdelen: Vier basisonderdelen werken samen om het HEUI brandstofsysteem nauwkeurig, betrouwbaar en onderhoudsarm te maken. 1. HEUI-verstuiver Maakt voor de inspuiting gebruik van de hydraulische energie van motorolie onder druk (in tegenstelling tot de mechanische energie van de nokkenas van de motor). De druk van de motorolie wordt van de normale smeeroliedruk door een aparte pomp verhoogd tot 800 tot 3300 psi. Met deze druk wordt een plunjer in de verstuiver verplaatst welke de brandstof verpompt en zo de inspuitsnelheid bepaald. De hoeveelheid ingespoten brandstof wordt bepaald door de ECM. 2. Elektronische regeleenheid (Electronic Control Module -ECM) Deze intelligente boordcomputer regelt nauwkeurig de brandstofinspuiting en andere motorsystemen. De magneetklep van de HEUI-verstuiver wordt bekrachtigd door een elektronisch signaal, dat wordt gegenereerd in de ECM. Door gebruik te maken van de input van verschillende sensoren, gebruiken de dubbele microprocessors van de ECM eigen software en door de klant aangeleverde prestatieparameters om de motor onder alle omstandigheden optimaal te laten presteren. 3. Hogedruk oliepomp (hydraulische pomp) De variabele axiale verdringerpomp bevat een ingebouwd reservoir om direct olie te kunnen leveren bij een koude start. 4. Injector Actuation Pressure Control Valve (IAPCV) Deze drukregelklep op de hogedruk oliepomp is een elektronisch bediende klep, die druk van de van de oliepomp en dus de inspuitdruk van de verstuiver regelt.

6 HEUI verhoogt de investeringswaarde van uw motoren en apparatuur. Motoren uitgerust met HEUI-verstuivers reageren uitstekend en werken beter op grote hoogte. Het vermogen om brandstof in te spuiten bij elke stand van de krukas resulteert in een brandstofverbruik dat tot 2,7 % zuiniger is dan bij mechanische verstuivers. Een optimaal zuinig brandstofverbruik betekent ook minder uitlaatgassen en minder rook tijdens de koude start. De regeling van de brandstoftoevoer tijdens de ontstekingsvertraging en hoofdinspuiting, ook wel rateshaping genoemd (vormgeving van het inspuitpatroon), wordt mogelijk gemaakt doordat de HEUI onafhankelijk van het motortoerental kan werken. Rateshaping wijzigt de kenmerken van de warmteafgifte door de motor, wat ook bijdraagt tot minder uitstoot en lawaai. Rateshaping optimaliseert de motorprestaties door de kenmerken bij stationaire toerentallen en lichte belasting te variëren, onafhankelijk van de nominale en hogere belastingen. Aangezien de prestaties van de HEUI-verstuiver niet afhankelijk zijn van het toerental, kan deze de hoge inspuitdruk over een breed werkingsbereik vasthouden. Elektronische regeling van deze drukwaarden helpt om uitstoot te verminderen en de motorreactie bij lage snelheid te verbeteren. Een gesplitste inspuiting leidt tot een meer gecontroleerde verbranding en lagere geluidsniveaus. Bijkomende voordelen zijn verminderde schokbelasting en minder slijtage aan onderdelen van de aandrijflijn. VERONTREINIGING Stop verontreiniging, voordat de verontreiniging u laat stoppen Verontreinigingen kunnen net zo abrasief zijn als de materialen die gebruikt worden om onderdelen te bewerken in het productieproces, dus het is belangrijk om zoveel mogelijk verontreinigingen te verwijderen, voordat de brandstof kritieke onderdelen bereikt. Verontreiniging van het brandstofsysteem kan bijvoorbeeld leiden tot vroegtijdige slijtage van verstuivers wat direct invloed heeft op de verneveling van de brandstof en dus de prestaties van de motor. Daarnaast zullen onderdelen minder lang meegaan en onderdelen van de verstuivers kunnen plotseling vastlopen. Schurende verontreinigingen van slechts 5-10 micron en groter kunnen verstuivers beschadigen doordat deze door de vloeistoffilm tussen de bewegende delen heen breken en hiermee de plunjers en zuigerhuizen van de verstuivers bekrassen, waardoor er metaal-op-metaalcontact ontstaat en de verstuiver vastloopt. Slechts één eetlepel vuil op een tank ongefilterde brandstof kan de brandstofverstuiver in minder dan 8 uur vernielen. In de moderne brandstofsystemen met hun zeer hoge drukken en dus zeer kleine spelingen wordt het voorkomen van verontreiniging steeds belangrijker om een optimale levensduur van brandstofsystemen te kunnen garanderen. De druk in sommige Cat brandstofsystemen is hoger dan psi (2150 bar) om optimale prestaties te kunnen leveren, om te zorgen voor een zuiniger brandstofverbruik en minder uitstoot. Dit vereist dat de toleranties tussen de onderdelen kleiner zijn dan vijf micron. Deze toleranties en inspuitdruk maken brandstofsystemen kwetsbaarder voor slijtage en krassen. Verstuivers - Verontreinigingen verplaatsen zich snel in hogedruksystemen, en veroorzaken daarbij schade, slijpen openingen verder uit, en leiden tot onvolledige verneveling van brandstof en toevoer van te veel brandstof. Dit schaadt de prestaties en de zuinigheid. Verontreinigingen leiden ook tot startproblemen en een verhoogde uitstoot. Grotere verontreinigingen kunnen zelfs gaatjes verstoppen.

7 Verstuiverplunjers en -schachten - Schurende deeltjes veroorzaken slijtage tussen de plunjer en de schacht van de verstuiver. Verontreinigingen schuren metalen oppervlakken en veroorzaken metaal-op-metaalcontact, zodat de verstuiver uiteindelijk vastloopt. Regelkleppen - Verontreinigingen beschadigen de kleppen die de brandstofdruk regelen, en slijpen de op elkaar aansluitende onderdelen van de kleppen af. Deze buitensporige slijtage veroorzaakt lekkages en uiteindelijk een verlies aan motorvermogen. Omvang van de vervuiling Een deeltje met een doorsnede van vijf micron kan brandstofsystemen al beschadigen. Een micron is 1 miljoenste deel van een meter. Om een idee te geven van hoe klein dat is: de gemiddelde mensenhaar heeft een doorsnede van 80 micron. De toleranties in Caterpiller brandstofverstuivers zijn 1/20e deel van de doorsnede van een mensenhaar. Het is eenvoudig te begrijpen dat zelfs kleine verontreinigingen de moderne brandstofsystemen kunnen beschadigen. Oorzaken van verontreiniging Er kunnen verontreinigingen in de brandstof terechtkomen tijdens de opslag of het transport van brandstof. Een betrouwbare leverancier, transferfilters en regelmatige monsterafname en tests garanderen een constante kwaliteit. Tijdens bedrijf - In de lucht zwevende deeltjes kunnen in uw brandstoftank worden gezogen via de tankontluchting. Via een niet goed afgesloten luchtgat in de brandstoftank kan er stof binnenkomen. Extern - Er kunnen verontreinigingen binnenkomen tijdens onderhoud en reparaties, en zelfs bij filtervervanging. Verontreiniging meten Verontreiniging wordt gemeten door deeltjes te tellen, en deze resultaten worden dan weergegeven aan de hand van een code van de International Standards Organization (ISO). Deze ISO-code heeft betrekking op het aantal deeltjes in drie verschillende maatcategorieën in een monster van één milliliter. Het eerste getal verwijst naar het aantal verontreinigingen dat groter is dan 4 micron, het tweede getal verwijst naar de deeltjes die groter zijn dan 6 micron en het derde getal naar deeltjes die groter zijn dan 14 micron. Een ISO-getal van 18/15/13 zou betekenen dat een monster van één milliliter brandstof deeltjes groter dan 4 micron bevat (ISO-code 18), deeltjes groter dan 6 micron (ISO-code 15), en deeltjes groter dan 14 micron (ISO-code 13). Als het verontreinigingsniveau met één ISO-code stijgt, dan verdubbelt het aantal deeltjes van dat formaat. Verontreinigingen filteren De precisieonderdelen in de hedendaagse brandstofsystemen vereisen speciaal ontworpen brandstoffilters. Het belangrijkste onderdeel is een superfijn filtermedium, dat meer dan 98 procent van de deeltjes van 2 micron of groter verwijdert. Kenmerken van kwaliteitsfilters: Maximale motorprestaties en brandstofbesparing Minder last van schurende delen Minder slijtage van verstuivers en pompen

8 Minder aanpassingen van het brandstofsysteem Gemakkelijker starten Filter gaat langer mee HOUD HET SCHOON EN BLIJF DRAAIEN MET OPTIMALE EFFICIËNTIE Tijdens opslag en brandstoftransport. Laat alle brandstofcontainers regelmatig leeglopen en spoel ze om, om eventueel bezinksel te verwijderen. Laat de brandstoftanks van machines regelmatig leeglopen; wekelijks bij zeer stoffige omstandigheden, om de drie maanden onder normale omstandigheden. Houd alle brandstofapparatuur schoon Zorg voor goed onderhoud van alle slangen, pakkingen en dichtingsmaterialen van de brandstofopslag en eventuele transportapparatuur. Gebruik lijnfilters in alle brandstoftransportapparatuur. Vervoer brandstof nooit in open containers. Koop alleen brandstof uit betrouwbare bron, en eis dat de brandstof regelmatig getest wordt om zeker te zijn van de kwaliteit. Herstel eventuele lekken in de brandstofleiding direct. Zorg dat de ontluchtingskanalen van de brandstoftank open blijven en goed functioneren. Gebruik de juiste ontluchter. Laat een machine nooit draaien zonder dat de tankdop op zijn plaats zit. Als een tankdop niet goed sluit, vervang deze dan direct. Bij filtervervanging Houd het aanbevolen filtervervangingsschema aan. Laat de filters in de originele verpakking zitten totdat ze geplaatst worden. Vul een nieuwe filter nooit voor. Hierdoor kan er wat vloeistof langs de filter lopen. Zorg voor een maximale filterbescherming door brandstoffilters van goede kwaliteit te gebruiken. Bij motoronderhoud Verwijder eventueel puin en vuil van het motorcompartiment voordat u de filters en andere onderdelen van het brandstofsysteem verwijdert. Gebruik bij grondverzetapparatuur een hogedrukspuit om aangekoekt vuil van de motor te spuiten voordat u de motor opent voor reparatie. Sluit alle openingen goed af tijdens reparaties, zelfs al is het maar voor enkele minuten. Reinig herbruikbare onderdelen met oplosmiddelen, volgens de juiste reinigings- en droogmethodes. Bewaar nieuwe onderdelen in de originele verpakking totdat u ze nodig heeft. Leg onderdelen nooit direct op de vloer. Gebruik pakkingen niet opnieuw, maar vervang ze. Voer routine-inspecties uit op de aansluitingen van de brandstofleiding tussen de tank en de brandstofpomp. Neem bij vragen over brandstofsystemen, verontreinigingen of brandstoffilters gerust contact op met Pon Power, op telefoonnummer: +31 (0)