Farook Elmashaad Ammar Abdulmageed
Blekinge Tekniska Högskola Institutionen för Maskinteknik
Karlskrona 2020
Följande arbete är utfört som en obligatorisk del av utbildningen på högskoleingenjör i maskinteknik, Blekinge Tekniska Högskola.
Konstruktionsåtgärd för
lutande bränsletank
2
3
Sammanfattning
Bränsle är en viktig substans för fordon och utan bränsle så är de flesta fordon inte funktionella. I de allra flesta instruktionsböcker för fordon så
rekommenderas det att bränslet inte får nå en kritisk låg nivå av bränsle. Då man talar om den kritiska bränslenivån så handlar det om ¼ kvarliggande bränsle. Då bränslet når den kritiska nivån i bränsletanken så kan problem ske och dessa problem är direkt kopplade till bränsletanken och pumpen.
Syftet med denna kandidat examensarbete är att undersöka problemet och det befintliga bränslesystemets konstruktion för att sedan generera en eller fler lösningar till problemet. Då information för detta arbete är begränsad över nätverket så skedde en del intervjuer med verkstan och fordons företag och fabriker såsom Volvo och Scania för att få en bra mängd information som sedan användes som utgångspunkt till arbetet.
För att generera lösningar till problemet med informationen som erhållits av intervjuer och andra källor så användes vissa verktyg och metoder. Då arbetet var begränsad att utföra praktiskt så utfördes den teoretiskt med hjälp av kunskaper från materiallära, hållfasthetsberäkningar, simulations program såsom AutoCAD, NASTRAN, fysik och en mängd andra ingenjörs baserat litteratur för att åstadkomma goda resultat.
Resultat blev en enkel konstruktion som är anpassat för tillverkningen av bränsletankar och som både funkar för cylindriska och rektangulära bränsletankar.
I denna rapport så presenteras resultatet i form av några förslags modeller av ett koncept som anses vara en lämplig lösning för problemet och resultat utfört med konceptet som då visar att konceptet uppfyller en fungerande lösning för det presenterade problemet. Storlek för konstruktionen presenteras i en form av enkla beräknings steg där man utgår ifrån bränsletanks modellen man vill tillämpa konceptet i.
Nyckelord:
Lastbilar, lastbilstank, bränsle, bränsletank, bränslepump, mekanisk pump, elektrisk pump, Volvo, Scania, bränsle flödesoptimering
4
Abstract
The fuel is an important substance for vehicles and without fuel the most vehicles are not functional. In other words, they cannot move. In all instruction manuals, it is recommended that the fuel should not attain a low level in the fuel tank itself because it could lead to many consequences and these consequences are directly linked to the fuel pump and the engine itself.
The purpose of this bachelor's thesis is to investigate the issues and the existing fuel system design, then generate concepts to solve the problem. The information about the problem is limited on the world wide web, therefore we have been in contact with various truck workshops, vehicle companies and been visiting some of them. Volvo and Scania were at the top of the list. The reason was to get good and reliable information about the fuel tanks and then use it as a starting point.
Using information from interviews and sources helped very much to generate different concepts and solutions to the problem. Also, some tools and methods were very useful to build, chose and evolve the concepts. Note that some work was not performed practically because of limitations, therefore it was
theoretically done with help of knowledge from different courses like materials theory, strength of materials calculations, physics, simulation programs like AutoCAD, NASTRAN and other engineering literature to achieve good results.
The result was a simple design adapted for the production of fuel tanks for the manufacture of fuel tanks, which works for both cylindrical and rectangular fuel tanks. In this report, the results are presented in the form of some proposal models and results performed with the concept, which then shows that the concept satisfies a solution to the presented problem.
Keywords:
Semi-Trucks, fuel, fuel tanks, fuel pump, fuel tank, mechanical pump, electric pump, Volvo, Scania, fuel flow optimization
5
Förord
Det här examensarbetet som utförts är en obligatorisk del av utbildningen till Högskoleingenjör i maskinteknik vid Blekingens Tekniska Högskola under höstterminen 2019. Vi vill tacka alla som har varit inblandade och vi vill ge ett stort tack till Volvo, Scania och Vänersborgs fordonsservice för att ha
anmälbildad oss inom området för fordon och lastbilar och delat med sig av sina kunskaper, information och data som gjorde det möjligt för oss att utföra detta arbete.
Vi vill även ge ett stort tack för vår handledare Dr Mats Walter för all handledning, feedback och återkoppling genom detta arbete.
Denna rapport innehåller till viss del information om bränslesystem och funktion hos lastbilar som inte får publiceras, kopieras eller ändras.
Vänersborg 2020-06-11
Farook Elmashaad och Ammar Abdulmageed
6
7
Innehållsförteckning
Sammanfattning 3
Abstract 4
Förord 5
Innehållsförteckning 7
Notationer 10
1. Introduktion 11
1.1. Problemdefiniering 11
1.2. Syfte och mål 11
1.3. Bakgrund 12
1.4. Avgränsningar 12
2. Teori 13
2.1. Bränsletanken 13
2.2. Pumpen 14
2.3. Pumpens och tankens samspel 17
2.4. Lastbilens pump- och tankfunktion 18
2.5. Tillverkning, avfallshantering och återvinning 18 2.6. Miljöns påverkan på bränsletanken och bränslet 20
2.7. Volvo 22
2.8. Scania 27
2.9. Lastbilstank specifikation 28
3. Metod och genomförande 29
3.1. Planering 29
3.1.1. planering steg 1 - Datainsamling 29
3.1.2. Planering steg 2 - framtagning av koncept 29 3.1.3. Planering steg 3 - utveckling av koncept 30 3.1.4. Planering steg 4 - vidare testning av koncept 30
3.2. Alfa - prototyp 30
3.3. Betaprototyp 30
8
3.4. Konceptgenerering 31
3.5. Behovsanalys / datainsamling från kunder för att identifiera behov 31 3.6. Hållfasthetsberäkningar för konstruktion koncept 31
3.7. Verktyg för konceptlösningar 32
3.7.1. AutoCAD inventor 32
3.7.2. AutoCAD NASTRAN - finita elementmetoden 32
3.7.3. Spiral process 33
4. Konceptframtagning 33
4.1. Datainsamling för det definierade problemet 33
4.2. konceptval 34
4.2.1. Koncept screening 34
4.2.2. Koncept scoring 34
4.3. Koncept “Plattor” 35
4.4. Koncept “Ballong” 35
4.5. Koncept “Matta” 36
4.6. Koncept “Låda” 37
4.7. Koncept “Skål” 38
4.8. Koncept “Pendulum” 39
4.9. Val av koncept - steg 1 av 2 koncept screening 41 4.10. Val av koncept - steg 2 av 2 koncept scoring 42
4.11. “Alfaprototyp” för testning 43
4.11.1. Test av koncept “Alfaprototyp” 43
5. Resultat 45
5.1. Alfaprototyp resultat 45
5.2. Betaprototyp utvecklingsresultat 50
5.3. Tillverkning och montering hos underleverantör 51 5.4. FEM (NASTRAN) resultat för betaprototyp 54
6. Diskussion 56
6.1. Ny metod för tillverkning av bränsletankar som inte begränsar
lösningar 56
9
6.2. Påfyllning från endast en sida 56
6.3. Tömning av båda bränsletankar 57
6.4. Rengöring av bränsletank, (Tömningsluckan) 58 6.5. Cylindriska och rektangulära bränsletankar för konceptet 59
6.6. Mått och storlek för konceptet 59
7. slutsatser 62
7.1. Materialval för konceptet och bränsletank 62
7.2. Förslag på konstruktionsmått 62
8. Referenser 66
9. Bilagor 71
Bilaga 1: Alfa prototyp för koncept “Låda” 71
Bilaga 2: Hemmagjord pump 73
Bilaga 3: Alfa prototyp för koncept “Låda” utrustning 74
Bilaga 4: Alfa prototyp för koncept “Låda” 75
10
Notationer
Förkortningar
(EMS) = Engine managementsystem
(EECU) = High voltage contacts electronic engine control unit (FEM) = Finita elementmetoden
(PSI) = Pound per Square inch (tryckenhet)
11
1. Introduktion
1.1. Problemdefiniering
I fler fordons instruktionsböcker så rekommenderas det att man alltid har bränslenivån fylld till en fjärdedel av bränsletanken och att bränslet inte ska understiga en fjärdedel av bränsletanken då problem kan ske. Dessa problem har en direkt koppling till bränsletanken och bränslepumpen.
Då fordon har en låg bränslenivå och fordonen kör upp eller ner för en backe så kommer bränslet samlas i hörnet av bränsletanken. Beroende på backens vinkel så kan bränslet hamna väldigt långt in i sidan av bränsletanken som ligger långt ifrån pumpen eller silen som sträcker sig ner i tanken. Detta gör det svårt för pumpen att nå bränslet. När bränslet är svårt att nå för pumpen kommer problem att uppstå. Först och främst så kommer pumpen att överarbeta.
Pumpen använder tryck från motorn för att suga in bränslet till motorn och då pumpen enbart suger luft så kommer pumpen att överarbeta. I vissa fall då pumpen anstränger sig med ett högt tryck för att komma åt bränslet så kan den tvinga med sig så kallad “sediment” som ligger i botten av bränsletanken och som filtrerats bort från bränslet. Sediment kan komma ut till motorn eller pressas genom bränsleledningar och täpper till bränsleinsprutare. Ett annat fall är att pumpen suger inte tillräckligt med bränsle eller enbart luft, båda dessa fall leder till motorn och pumpen skadas och slits och åtgärden kan komma att bli väldigt dyr.
1.2. Syfte och mål
Problemet kan drabba alla sorters fordon med en eller fler bränsletankar. I denna rapport så är målet att hitta en lösning för lastbils bränsletankar då det är ett större problem. Varför det anses vara ett större problem beror på att
lastbilar har två bränsletankar som är kopplade till varandra delvist beroende av varandra. En ligger på vänster sida och ena ligger på höger sidan. Dom är kopplade med en slang som ligger på mitten och sidan av lastbils tanken eller i hörnet av tankarna och enbart en av dessa tankar har en pump eller en rör som sträcker sig ner i tanken och som för över bränslet till motorn. Konstruktionen för lastbilars bränsletankar är en stor konstruktion och pumpens position och storlek gör det svårt att exportera bränsle ifall bränslet hamnar långt bort från pumpen. Problemet är därmed mer komplext i lastbilar än vad det är för
vanliga fordon och därmed så är skadan större för lastbilar än för små bilar. Då trycket från pumpen är mycket högre än vad det är för små fordon så kan en större skada ske för lastbilars motorer och det är därmed mer förekommande.
12
Större motorer är i behov av mer bränsle än mindre motorer för att kunna utföra arbete. Om inte dessa stora motorerna får en rätt mängd bränsle i rätt tid så kommer motorn att skadas. Målet är då att hitta en eller fler lösningar för lastbilens bränsletankar så att det definierade problemet inte ska förekomma eller åtminstone begränsas till ett minimum. Det vill säga att konstruktionen på bränsletankarna görs om, utvecklas eller så tillämpar man en konstruktion i bränsletanken så att pumpen inte behöver anstränga sig och så att bränslet inte hamnar långt från pumpen eller silen som sträcker sig ner i tanken då lastbilar kör upp eller ner för en backe med lågt bränsle.
1.3. Bakgrund
I dagens samhälle så är vi ganska beroende av transport och transport är väldigt viktigt för oss människor. Att saker kommer i tid är viktig och för vissa gods att komma i tid så är det väldigt tidskritiskt och det krävs planering, god och säkert transportmedel. En av de största transportörer idag är lastbilar och företag såsom Volvo och Scania jobbar ständigt för att utveckla dessa fordon för att minimera risken för problem för en säkrare transport. Efter en studie av lastbilar så kom man fram till att lastbilar kan få stora problem då de går lågt på bränsle, nämligen att pumpen kommer behöva arbeta hårdare och om inte bränslet kommer in i tid till motorn kan stora problem ske särskilt då bränslet ligger en bit ifrån pumpen. De flesta lastbilsföretagen försöker att hindra detta från att hända då risken finns, lastbilar kör långa sträckor och kan träffa på fler stigande eller avtagande backar. Den komplexa tillverkningen av lastbils bränsletanken gör det svårare för ingenjörer att lösa detta problem och en lösning som kan tillämpas på alla sorters lastbils tankar vore en stor problemlösning. Både Scania och Volvo jobbar med att lösa detta problem och då tillverkningen av bränsletankar gör problemlösningen komplext så är detta en utmaning för ingenjörer att hitta en effektiv lösning.
1.4. Avgränsningar
Att hitta en lösning för varje bränsletankmodell till lastbilar vore ganska mycket av ett arbete att utföra. Att behöva gå genom många CAD ritningar för olika modeller med olika funktioner skulle behöva större ingenjörs grupper och mycket resurser från företag utan någon begränsning såsom sekretess. Då informationen som erhållits var begränsad och projektet utförs av enbart två stycken ingenjörsstudenter så begränsas arbetet och lösningen till problemet.
Istället för att studera varenda modell som finns så begränsades arbetet till att studera den mest förekommande generella lastbilstanken. Dessa modeller kommer man att utgå ifrån för att generera en eller fler lösningar till det
13
definierade problemet. Detsamma gäller för bränsleexporterings mekanismen för bränslet, det mest förekommande är två stycken system man använder i och utanför bränsletanken för att exportera bränsle till motorn, dessa är mekaniska och elektroniska bränslepumpar. När det kommer till de mest förekommande bränsletankarna så handlar det om rektangulära, cylindriska och rektangulära bränsletankar med en radie.
2. Teori
2.1. Bränsletanken
När det gäller lastbilar så har de flesta lastbilar två stycken bränsletankar. En sitter på lastbilens vänstra sida och den andra är på högra sidan av lastbilen.
Normalt sett så sitter en anslutning i form av en rör i sidan och på mitten av de två bränsletankarna eller i hörnet mellan tankarna. En av de två tankarna har en pump i sig som för över bränslet till motorn. Vissa bränsletankar skiljer sig från andra och de kan vara oberoende av varandra med en pump utanför tanken där pumpen drar lika mycket från båda tankarna och för över det till motorn. Det finns många sorters bränsletankar och pumpen sitter i olika ställen i dessa bränsletankar. Normalt sett så ligger pumpen nästan i mitten av
bränsletanken. Det finns två förekommande geometrier för bränsletankar,
“cylindriska och rektangulära bränsletankar” se figur 1. skillnaden mellan dessa är inte så stor men pumpen skiljer sig åt när det gäller form och
placering. Volym är viktigt när det gäller bränsletanken och val av material är kritiskt då det handlar om en hög säkerhetsrisk. Då bränsle är lätt antändbar så är materialet på dessa tankar oftast gjorda av aluminium, rostfritt stål eller HDPE vilket står för högdensitetspolyeten. HDPE är en plast som inte påverkar bränslet och har en hög temperaturtålighet, plasten skyddar bränslet från höga temperaturer och håller bränslet svalt. Bränsletanken är ganska enkel att konstruera och de flesta företagen brukar svetsa ihop en egen bränsletank till sina lastbilar. Form, funktion och hur pumpen sitter i eller utanför
bränsletanken skiljer sig mellan lastbilsmodeller.
Figur 1: Lastbilsbränsletank, rektangulär och cylinderform [33], [34]
14
2.2. Pumpen
Bränslepumpens uppgift är att föra över bränsle från bränsletanken till motorn.
Pumpnings processen är en linjär process som inte är så komplicerad som man tror. Den moderna pumpen är en elektrisk pump som drar in bränsle med en
likströmsmotor som befinner sig inne i pumpen och med hjälp av ett lämpligt och
koncentrerat tryck. Figur 2 visar en modell på en vanlig
bränslepump. Bränslet sugs upp med ett tryck genom en liten tub i botten av pumpen (1). När bränslet sugs in i pumpen så förs bränslet genom ett filter som befinner sig inne i början av pumpen (1). Sedan så går bränslet upp till en annan större filter. Sedan när bränslet
filtrerats ordentligt så går bränslet till en injektionsrör för att sedan sprutas in i motorn och med luft skapa en explosion som omvandlas till rörelse i motorn för att sedan föra fordonet framåt [3].
Figur 2: Elektrisk bränslepump med filter och bränslenivåmätare [35]
Pumpens design skiljer sig inte åt så mycket när det gäller stora och små bilar.
Enda skillnaden är att dom är någorlunda större och starkare. Figur 2 visar att bränslet går in och filtreras vid (1), dras in med en likströmsmotor genom (2) och sedan går ut genom (3) sedan går bränslet tillbaka in i bränsletanken vid (4). Bränslesystemet är ett slutet system som börjar med att pumpen pumpar in bränsle och det som inte sprutas genom injektionssprutan kommer tillbaka in i bränsletanken genom returbränsleledningen (4). En bränslenivåmätare brukar vara kopplad med den elektriska pumpen (5) [4], [3].
15
Figur 3 visar hur den slutna kretsen kan se ut. Trycket regleras av en tryckregulator (5) som är direkt kopplad till motorn. När det gäller dubbla bränsletankar som är kopplade till varandra så ser kretsen annorlunda ut men den har ungefär samma struktur.
Figur 3: Bränslesystem krets [36]
Det finns två typer av bränslepumpar, den mest förekommande och moderna pumpen är den elektriska pumpen, se figur 2. Den elektriska pumpen
förekommer i alla sorters fordon, sen så finns det den mekaniska pumpen (1) se figur 4. Den mekaniska pumpen är för större och eller äldre fordon, sällan förekommande i nya fordon men dom är förekommande i större typer av fordon såsom lastbilar. Den mekaniska pumpen drivs av kamaxeln i motorn och använder ett koncentrerat tryck för att suga upp bränslet till motorn (2) se figur 4. Den mekaniska bränslepumpen (1) har två fjädrar, en tryckfjäder och en returfjäder. När tryckfjädern trycks av kamaxelns rörelse så kommer returfjädern att tryck tillbaka membran och en pumprörelse kommer ske som då suger upp bränslet till motorn. Den mekaniska pumpen sitter monterad på sidan av fordonets motor med en rör som sträcker sig vidare ner till botten av bränsletanken. Då den mekaniska pumpen använder kraft från motorn för att suga bränsle så kan den generera ett mycket högre tryck än den elektriska pumpen. Livslängden för en pump är cirka fyra år eller 200 000 mil av körning. För att förlänga livslängden för en pump krävs det att man inte får den att överarbeta på en nästan tom tank. Det rekommenderas att man alltid har tanken till en fjärdedel full som minimalt [2], [1], [5], [6].
16
Figur 4: mekanisk pump och kamaxel [37], [38]
Den elektriska pumpen som ligger i bränsletanken på vissa lastbilsmodeller, så är allt kopplat till en rund platta (8) se figur 5. Den elektriska pumpen består av fler delar som är beroende och oberoende av varandra och det är möjligt och enkelt att separera visa delar såsom pumpen och bränslenivåmätaren och ha det på olika platser i bränsletanken. Kopplingen och plattan kan skilja sig för olika bränsletanksmodeller och bränslepumpar.
Figur 5: Elektriska pumpens delar [39][40]
17
2.3. Pumpens och tankens samspel
Den moderna pumpen, elektriska pumpen, ligger vanligtvis i mitten av tanken.
När tanken är fylld med bränsle så hjälper bränslet att hålla ett stabilt tryck på grund av bränslets vikt, samtidigt så kyler bränslet ner pumpen och håller den från att överarbeta och överhettas. Vid låg bränslenivå så kommer pumpen behöva arbeta mer då trycket från bränslets vikt blir lägre, då kommer pumpen att arbeta mycket hårdare för att generera ett tryck som kan suga upp bränslet och ta det vidare till motorn. Då även bränslet är låg så har pumpen inget som kyler ner den och med hög arbetstemperatur så kan problem förekomma. Detta påverkar endast den elektriska pumpen se figur 6 [7].
Figur 6: Bränsletank och elektrisk pump [41]
18
2.4. Lastbilens pump- och tankfunktion
Bränslesystemet på en dieselmotor är en mycket specialiserad uppsättning där komponenter måste leverera rätt mängd bränsle till injektionscylindern i det exakta ögonblicket det behövs. Ett väl utformat bränslesystem gör det möjligt för motor att producera maximal effekt med maximal verkningsgrad med minimalt avgasutsläpp. Dagens dieselinjektorer måste utveckla mycket höga injektionstryck för funktion med moderna motorkonstruktioner med högt komprimeringsförhållande. De måste också kontrollera start och varaktighet av injektionen inom millisekunder för att utföra den nivå som efterfrågas av motor kunder. Dessa precisions injektorer kräver en adekvat tillförsel av rent, stabilt bränsle för korrekt drift. Detta krav i sin tur kräver noggrann
uppmärksamhet på system för lagring och hantering. Det grundläggande bränslesystem kan beskrivas så här, bränslet sugs från tanken av en reglerad låg tryckpump via ett förfilter med en vattenavskiljare och via kylkretsen för motor hanteringssystemet till de viktigaste bränslefiltren. Pumpen levererar bränsle via inlopps doseringsventil till högtrycks bränslepumpen. Pumparna som är integrerade i en enhet tillsammans med bränslemätning ventilen drivs av motorns tidgivnings växlar. Högtryckspumpen levererar bränsle under driftstryck till skenan, d.v.s. ackumulatorn kör längden på motorn på den svala sidan. Arbetstrycket regleras av den mängd bränsle som tillförs inloppet doseringsventil, från ett tomgångs tryck på cirka 500 bar till en topp tryck på 2400 bar. Det genomsnittliga arbetstrycket är cirka 1800 bar. Inlopps
doseringsventiler styrs elektroniskt av motorhanteringssystemet via en sluten slinga från en trycksensor i skenan. En mekanisk dumpning [8].
2.5. Tillverkning, avfallshantering och återvinning
De flesta lastbilstankar är gjorda av aluminium, stål, rostfritt stål och HDPE plast. Det är viktigt att kunna avfallshantera och återvinna dessa material då dessa är värdefulla. För att tillverka den mest optimala och billigaste lösningen för den definierade problemet så krävs det en förstudie av material och
avfallshantering [18].
HDPE är ett bra exempel på ett material som är tålig och som man kan tillverka stora konstruktioner med. HDPE anses vara väldigt viktigt att återvinna.
Återvinningen av HDPE plast är dock begränsad och förlorar sin kvalitet för varje gång den bryts ner och återvinns. Anledningen till att det är begränsad antal gånger HDPE kan återanvändas är på grund av processen plasten går
19
genom då den bryts ner och återvinns. HDPE står för “high density
polyethylene” vilket på svenska betyder “plast med hög densitet”, tas fram av olja vilket betyder att tillverkningen av denna plast använder en råvara som anses vara viktig i dagens samhälle och därmed kan konstruktionen kosta mer än andra alternativa material för att tillverka [20].
Stål är ett alternativt material som används för att tillverka bränsletankar. Stål är ganska enkel att avfallshantera, återvinna och tillverka med. Rostfritt stål är idag det mest använda materialet för bränsletankar. Rostfritt stål är en legering av flera metaller som har huvudelementet järn och cirka tio procent krom eller mer. Stålet kan innehålla många olika legeringar tillsatser utöver järn och krom som syfte ska förbättra stålets mekaniska och eller korrosions motverkande egenskaper. Stål kan återvinnas fler gånger utan att det förlorar sin kvalitet. Stål smälts för att återvinnas och oftast så kan man sortera skrotmixen för att kunna utnyttja de befintliga legeringsämnena till andra produkter se figur 7, [19].
Figur 7: Ståltillverkning, avfallshantering och återvinning [42]
20
En annan vanlig typ av material som används för konstruktion av bränsletankar är aluminium. Nackdelen med aluminium är att återvinningsprocessen är komplex då aluminiumet måste separeras och renas från orenheter och andra legeringar. Den komplexa återvinningsprocessen innebär inte att aluminium återvinns dåligt. 75 procent av aluminiumet som någonsin skapats används än idag världen runt i nya produkter [22], [21]. Då aluminium nästan inte
innehåller järn så sker inte korrosion dock så sker oxidation. Aluminium bildar ett skyddande lager som kallas aluminiumoxid som skyddar den från vidare korrosion att ske. Oxidation sitter hårt på aluminium och skulle man skrapa bort oxidationen så förstör man aluminiumet och bildar hål som inte går att laga.
Denna kemiska reaktionen sker då aluminiumet är utsatt för syre eller vatten.
En annan typ av korrosion som sker hos aluminium är galvanisering.
Galvanisering sker då aluminium är elektriskt anslutet till en mer ädel metall och båda är i kontakt med samma elektrolyt. Kort sammanfattat så är
aluminium en väldigt bra alternativ för konstruktioner. Legeringen är lätt och korrosions motstående, därmed så är den väldigt återvinningsbar och erhåller en låg kostnad. Aluminium är en passiv och reaktiv legering, nackdelen är att man måste ta hänsyn till vart aluminium används och vilket material det ska
kombineras med då risken för galvanisering kan ske. Aluminium är en ganska svår legering att svetsa och om man vill svetsa aluminium med andra metaller så kan det bli väldigt svårt och i vissa fall omöjligt. Just varför aluminium är svår att svetsa beror på att aluminium är en legering med olika kemiska och fysikaliska egenskaper som man måste förstå i detalj innan man börjar arbeta med det [23], [24], [25], [26].
2.6. Miljöns påverkan på bränsletanken och bränslet
Kvaliteten på bränsletanken kan ha en påverkan på bränslet och vice versa. I lastbilars fall så pratar man om diesel när det gäller bränsle. Det är viktigt att bränsletanken är ren och inte har några öppna luckor. En bränsletank med öppna luckor kan innebära att bränsle kan komma att läcka ut men det man borde oroa sig över är att vatten kan tränger sig in i bränsletanken. Då vatten tränger sig in i bränsletankar så kan korrosion och andra saker ske som båda leder till att bränslet och bränsletanken påverkas negativt [9].
Det finns fyra olika sorters korrosion som kan ske.
● Gropfrätning sker längs de horisontella ytorna i bränsletankarna, tankens botten och där vatten samlas. När vattnet som samlar sig blir en tredjedel så tjock som vägg djupet på bränsletanken så kan externa problem uppstå.
21
● Svetsning av metall kan leda till korrosion på grund av elektrolytisk handling då metall som ligger i bränsletanken integrerar med bränsletankens konstruktions metall.
● Allmän korrosion kan ske var som helst i tanken och påskyndas av hög temperatur, lågt pH-värde, klorider, oxidationsmedel och typ av
legering. Korrosionen sker utan särskiljande anodiska och katodiska områden.
● Lokal korrosion sker där vatten samlas eller rinner [10].
Bränslet har ingen effekt på bränsletanken på så sätt däremot så attraherar bränslet mikrober som bakterier och svampar. Deras närvaro leder till syror och frätande biprodukter som med tiden kommer att leda till frätande skador i bränsletanken. Korrosion kan även påverka bränslet genom kemisk reaktion som bryter ner bränslet. Korrosion sker oftast på insidan av bränsletanken och det är då svårare att upptäcka. Korrosion kan alltså förkorta livslängden på bränsletanken såsom bränslet och bör tas på allvar, därför är det viktigt att använda rätt material och kontrollera bränsletanken med sex månaders
mellanrum. Där med så är det viktigt att kunna avfallshantera bränsletanken på ett miljövänligt sätt genom att återvinna det mesta och säga till att rena det ordentligt från kvarliggande bränsle och orenheter [11].
Figur 8: korrosion och rost [43]
22
2.7. Volvo
Volvos bränsletanksystem skiljer sig inte så mycket ifrån det generella
bränslesystemet kopplingen dock så har varje fordons företag en eller fler olika kopplade delar som skiljer sig ifrån andra bränslesystem. Volvos
bränslesystem är elektroniskt styrt (EMS). Bränsleinsprutningen sker med enhetsinsprutare, en för varje cylinder, under högt tryck. Det höga trycket skapas mekaniskt via den överliggande kamaxlar och vipparmar. Regleringen av bränslemängd och insprutningstidpunkt sker elektroniskt via
motorstyrenheten (EECU), som tar emot signaler från ett antal givare.
Figuren 9 visar:
1. Matarpump 2. Sil, takarmatur 3. Bränslefilter hus 4. Förfilter med
vattenavskiljare 5. Bränslefilter 6. Kylslinga för
motorstyrenhet
7. Överströmningsventil 8. Enhetsinsprutare 9. Bränslekanal i
cylinderhuvudet 10. Avluftningsventil
Figur 9: Volvo bränsletank och motor (Bränslesystem)
23
Figur 10: Volvo bränslesystem
Figur 10 visar att bränslet sugs med hjälp av matarpumpen (1) genom silen (2) i tankarmaturen, upp genom motorstyrenhetens kylslinga (6) och därefter ner till bränsle filterhuset (3). Bränslet passerar där en backventil (11) för
handpumpen (12) samt förfiltret (4) med vattenavskiljaren (13). Backventilens uppgift är att förhindra bränslet från att rinna tillbaka till tanken när motorn stängs av.
Matarpumpen (1) trycker bränslet till bränslefilter huset (3) och genom huvudfilteret (5) upp till cylinderhuvudets längsgående bränslekanal (9).
Denna kanal förser varje enhetsinsprutare (8) med bränsle via en ringformad kanal runt varje insprutare i cylinderhuvudet. Överströmningsventilen (7) reglerar trycket för bränslematningen till insprutarna.
Retur bränslet från cylinderhuvudets bränslekanal (9) går via överströmningsventilen (7) tillbaka till bränslefilterhus (3). I
bränslefilterhusets genomgående kanal blandas retur bränslet med bränsle från tanken och sugs vidare till matarpumpens inlopp (sug sida).
24
I matarpumpen finns två ventiler. Säkerhetsventilen (14) låter bränslet strömma tillbaka till sugsidan när trycket blir för högt. Till exempel när bränslefiltret är igensatt. Backventilen (15) öppnar när den manuella
bränslepumpen (12) används, så att man lättare kan pumpa fram bränsle för hand.
Bränslesystemet avluftas automatiskt när motorn startar. Avluftningsventilen (10) är placerad i bränslefilter huset och ansluten till returledningen till bränsletanken, så att eventuell luft i systemet tillsammans med liten mängd bränsle kan strömma tillbaka till tanken via returledningen.
Vid filterbyte stänger ventilkäglorna (18 och 19) så att inget bränsle läcker ut när bränslefiltren skruvas bort. Luftningen av filter vid filterbyte styrs av ventilerna (18 och 20) i filterhuset.
På bränslefilter huset finns en bränsletrycksgivare (21) som mäter matartrycket efter bränslefiltret. En felkod visas på instrumentpanelen om matartrycket understiger värde enligt felkod boken. Det pluggade uttaget (22) på
bränslefilter huset används vid matartryckmätning med extern tryckgivare.
I vattenavskiljaren (13) finns en nivågivare (23) som ger signal till föraren om det finns vatten i systemet. Dräneringen gör med en spak (24) på
instrumentbrädan. Via motorstyrenheten öppnas då en elektrisk avtappningsventil (25).
Som extra tillbehör finns även bränslevärmare (26) monterad i vattenavskiljarens nedre del.
Handpumpen (12) är placerad på bränslefilter huset och används för att pumpa fram bränsle (med stillastående motor) då bränslesystemet tömts.
Handpumpen får inte användas när motorn är igång.
25
Figur 11: Volvos bränsletankar, koppling mellan tankarna
Tankarna sitter ihop med en slang i sidan av tankarna och med ledningar och kablar på ovansidan av de bägge tankarna. Teoretiskt sett så ligger
reservtanken lite högre än andra tanken för att bränslet ska rinna ner med ett litet tryck till andra tanken.
Figuren 11 visar
1. Tankaggregat, primärtank, största (inkl. bränslenivåsensor, avluftningsventil (roll-over) och kablage för nivåsensor).
2. Tankaggregat, sekundär tank, mindre.
3. Luftningsslang och eventuellt luftfilter.
4. Tillförselledning, och eventuellt returledning, värmare.
5. Matar- och returledningar, motor.
6. Anslutnings slang.
Sekundär tankens tankaggregat (2) har ingen nivåsensor och ingen luftningsventil (Roll-over). Det är av största vikt för korrekt funktion, att avslutningsslang (6) mellan primär tankens förskruvning och sekundärtankens anslutning, är korrekt monterade. Motorn suger bränsle från tanken med högsta bränslenivå och returnerar bränslet till tanken med lägst nivå.
26
Figur 12: Volvos dubbeltankar, koppling mellan tankarna Figuren 12 visar hur ledningarna mellan tankarna sitter. Figuren ovan visar
1. Tankaggregat, primärtank, största (inkl. bränslenivåsensor, avluftningsventil (Roll-over) och kablage för nivåsensor).
2. Tankaggregat, sekundär tank, mindre.
3. Luftningsslang och luftfilter.
4. Matarledning, värmare.
5. Matar- och returledningar, motor.
Den sekundära tankens tangaggeregat (2) har ingen nivåsensor. Nivåsensor är i primär tanken tillsammans med silen (se första figuren i denna text).
Varför Volvo har valt att bränslet ska pumpas uppifrån från tanken ut till motor är för att minimera risken för att sot och smuts ska sugas med. Hade till exempel tanken sugit bränslet nedifrån så kommer smuts att hänga med i bränslet vilket är oönskat. Smuts lägger sig i botten av bränsletanken och enligt intervjun med Volvo så måste man ha en servicerengöring av tankarna minst en gång per år. Varje år så tömmer man tankarna genom en lucka som sitter i botten av tanken, därefter så påbörjar man en reningsprocess för att rena tanken med en slang som kopplas i botten av tanken. Det brukar kvarstå tio procent bränsle ovanpå smutsen som inte kommer att sugas med till motorn då dessa tio procent anses vara oren [12].
27
2.8. Scania
Scanias lastbilar brukar ha en eller två bränsletankar, lastbilarna som har två bränsletankar kallar man för dubbelmonterade tankar. Den ena ligger på högersidan och den andra på vänster sida. Själva tanken är tillverkad av
aluminium eller stål, de flesta brukar vara i aluminium. Figur 13 visar en typ av Scanias bränsletank och även vad den har för komponenter.
Figur 12 visar:
1. Bränsletank 2. Bränsletank locket 3. Dräneringspumpen 4. Bränslenivå sensor
Figur 13: Scania bränsletank
Scania lastbilar levereras med en eller två bränsletankar. Bränsleledningen till motorn är ansluten till den högra tanken. Lastbilar med två tankar har därför en plast förbindningsrör mellan de två tankarna. Det finns en bränsle
uppsamlingsenhet i bränsletanken. Denna bränsleupptagnings enhet är ansluten till injektions pumpen genom sug- och returledningar. En tredje rad
tillhandahåller en eventuell extravärmare. Returledningen från injektions pumpen är vinklad mot silen i botten av bränsleupptagnings enheten så att det varma returbränslet kan bidra till att förhindra vaxning i kallt väder.
Följande figur visar bränsleflödet på Scanias bränslesystem
Bränslesystemet består av en bränsletank (2) med bränsleupptagnings enhet (1), bränsleledningar (10), en bränslepump (4), ett bränslefilter (5) en
injektionspump (6) utrustad med en bränsleventil (7) och en returventil (11), samt injektorer (9) och returledningar (12) se figur 14.
Bränslepumpen suger bränsle genom bränsleupptagningen och tvingar det
28
sedan genom bränslefiltren till injektions pumpen.
Injektions Pumpen fördelar bränslet genom tillförselrören till injektorerna och sedan till förbrännings kamrarna när rätt tryck uppnås [30].
Figur 14: Scania bränsletank och bränslesystem
2.9. Lastbilstank specifikation
Alla lastbilar byggs normalt med en eller flera bränsletankar som är gjorda av aluminium, rostfritt stål och även plast. Den ena är monterad på höger sida och den andra är på vänster sida. Bränslet hos tunga fordon brukar vanligtvis förvaras i en eller flera tankar för att ha så mycket bränsle som möjligt.
Volymen på dessa tankar brukar vara upp till ungefär 1200 liter. Bränsle kapaciteten är olika beroende vad det är för modell och vad motorn har för prestanda. På grund av en teknisk anledning brukar dessa tankar vara
symmetriskt uppbyggda där de består av två gavlar och en mantelyta som parar ihop dessa. Bränsletanken har en tankarmatur monterad på ovansida av tanken som även består av ett rör som har sugsil där den suger bränsle från tankens botten. Detta rör är monterad en bit från tankens botten delvis på grund av en teknisk anledning och delvis för att undvika att det kommer in skräp och andra orenheter när bränslet sugs upp [30].
29
3. Metod och genomförande
3.1. Planering
För att kunna utföra arbetet på rätt sätt så krävs planering. Med en planering så kan man uppnå goda resultat för ett projekt och just därför är det viktigt med noggrann planering.
3.1.1. planering steg 1 - Datainsamling
Första steget i planerings planen är att samla in data och analysera det. Då projektet förlitar sig på datainsamling och analysering av data så kan man inte angripa problemet utan att få fram rätt information för just det definierade problemet. Projektet är ett problem som kan uppstå i alla sorters motordrivna fordon. Utan rätt data så kan problemlösningen för problemet bli ganska fel och det är då viktigt från början att samla in rätt data. Projektet siktar just på
lastbilstankar. Det finns en stor mängd olika sorters lastbilar och lastbilstankar.
Just att det finns så många olika sorter gör detta problem lite mer komplext att hitta en lösning som går att tillämpa hos de flesta förekommande
bränsletankarna. Lastbilar använder olika metoder för att överföra bränslet från lastbilstankarna till motorn och de har samma problem då en lutning sker och bränslet hamnar långt ifrån pumpen.
Att hitta en lösning för varje lastbilstank vore ganska mycket av ett arbete att utföra. En lösning på detta problem är då att göra alla dessa problem till en och ett enda stort problem som ska lösas och kan tillämpas på nästan alla sorters bränsletankar för lastbilar. Ett sätt som gjorde det tydligare att tillämpa lösningen för problemet är att intervjua företag och verkstan som jobbar med lastbilar. En intervju gjordes med Scania och Volvo angående deras modeller av lastbilsbränsletankar och funktion, och fler intervjuer gjordes med
fordonsverkstäder och återförsäljare för att få en klarare bild av vad just den mest förekommande generella lastbilstanken är och hur dess funktion ser ut.
Med informationen som erhålls så kan man tillämpa lösningen på den generella lastbilstanken för problemdefinieringen och ha en mer konkret mål.
3.1.2. Planering steg 2 - framtagning av koncept
Efter att en mängd information samlats så kan man med informationen som utgångspunkt börja generera koncept. Brainstorming, konceptscreening och koncept scoring är verktyg som användes för att komma fram till en lämplig ide som lösning till det presenterade problemet.
30
3.1.3. Planering steg 3 - utveckling av koncept
Efter att man valt ett koncept så går man över till utvecklingsfasen. Saker som material, geometri och hållfasthet är saker som man utvecklar för att optimera produkten från en alfaprodukt till en betaprodukt och till slut till en färdig produkt.
3.1.4. Planering steg 4 - vidare testning av koncept
För att vidare kunna undersöka koncepten och om lösningsmodellen faktiskt är en möjlig lösning så krävs det att man utför tester. Då tester för detta projekt är begränsad praktiskt då tillgång till material saknas så får undersökningen bli en teoretisk undersökning. Genom att använda program och litteratur såsom AutoCAD, hållfasthetsberäkningar och materiallära så kan man erhålla goda undersökningsresultat. Viktiga punkter att undersöka är konstruktionens tålighet mot inre tryck, konstruktionens temperaturtålighet, konstruktionens förmåga att inte påverka bränslet på ett kemiskt sätt, konstruktionens förmåga att tåla bränslets vikt och andra påverkande krafter såsom vibrationer och tryck som bildas inne i bränsletanken.
3.2. Alfa - prototyp
För att undersöka om konceptet faktiskt fungerar och uppfyller produktkravspecifikationer så krävs det prototyper av någon form. En alfaprototyp är det första steget man tar när man skapar en prototyp för undersökning av funktion och för visuell bild av design. Alfa Prototypen använder material som ska likna konstruktionens tänkta material. Det är alltså inte nödvändigt att alfa prototypen ska ha det tänkta materialet för den slutliga produkten. Till Exempel istället för att använda aluminium så kan man börja utföra undersökningen med plast som alfaprototyps material, så länge det uppfyller eller simulerar ungefär samma funktion. Med alfa prototypen så kan man börja utveckla konceptet och sakta bygga mot en färdig produkt. Enkelt beskrivet så är alfa prototypen en undersöknings prototyp för att få en visuell bild av funktionen för vidare utveckling.
3.3. Betaprototyp
Beta prototypen är en utvecklat och finslipad version av alfa prototypen. Beta prototypen använder produktens slutliga material och ska i denna fas uppfylla produktens tänkta funktioner och ska vara redo för feedback och validering.
31
3.4. Konceptgenerering
Första steget som togs vid konceptgenerering är brainstorming. Med
brainstorming så tänker man på möjliga lösningar till problemet. Lösningarna är direkt kopplade till typ av pump, lastbilsbränsletankens design, placering av pump, formen av bränsletanken och pumpen. All konceptgenerering är kring hur man skulle kunna hindra bränslet att komma ifrån bränslepumpen vid lutning då bränslet har en låg nivå. För att kunna generera en ide så tog man hänsyn till hur en pump fungerar och om man skulle kunna utveckla pumpen samt om det är möjligt att leka med bränsletankens konstruktion och geometri eller om man kan tillämpa något i bränsletanken som hindrar bränslet att komma bort ifrån bränslet vid lutning. Det finns inte mycket dokumentation av gamla lösningar till detta problem och det som finns är sekretess så kreativitet krävs för att generera en lösning och mycket datainsamling kring lastbils bränsletankar.
3.5. Behovsanalys / datainsamling från kunder för att identifiera behov
En Intervju gjordes med Volvo och Scania för att få en helhetsbild av hur hela bränslesystemet fungerar i lastbilar. Av Volvo och Scania erhölls en mängd filer med information och även en muntlig informationsdelning. Vissa saker är sekretess och delades inte ut. Informationen som erhållits av Volvo och Scania anses vara tillräckligt för att förstå och kunna angripa det presenterade
problemet.
Intervjuer av fordonsverkstäder, återförsäljare och lastbils kunder utnyttjades också för att få veta vad som är mer eller mindre viktigt att hålla koll på. Saker såsom pris, material och andra önskningar är viktigt att samla information om och vilket erhölls från fordonsverkstan som har erfarenheter om lastbilar och dess delar.
3.6. Hållfasthetsberäkningar för konstruktion koncept
Vid behov så görs beräkningar för hand med kunskaper av hållfasthetslära och med hjälp av FEM programmet NASTRAN, som ingår i programmet AutoCAD inventor, så utnyttjades simuleringen av stress och deformation av pålagda krafter för att dimensionera konstruktionen för konceptet. Formler för hållfasthetsberäkningar hämtas ur boken: (Formler och tabeller för mekanisk konstruktion: mekanik och hållfasthetslära 8. uppl.)
32
3.7. Verktyg för konceptlösningar 3.7.1. AutoCAD inventor
För att kunna få en visuell bild av koncepten och samla in viktig data såsom tålighet av olika krafter och tryck så används programmet AutoCAD inventor.
Dataprogrammet ger möjligheten att kunna rita, konstruera, sätta ihop och simulera tredimensionella konstruktioner som man själv skapar i programmet.
Dataprogrammet används i detta projekt för koncepten som tagits fram. Då en stor del av arbetet utförs teoretiskt så är programmet ett verktyg som är till stor hjälp för detta projekt. Då koncepten kan moduleras i tredimensionella former och simuleras med olika last fall och stresspunkter så kan man snabbt se vad som funkar mer och vad som funkar mindre och om figuren är
överdimensionerad. Med hjälp av programmet så kan man enkelt välja mellan att utveckla koncepten vidare eller konstruera om konceptet för att erhålla god hållfasthet.
3.7.2. AutoCAD NASTRAN - finita elementmetoden
NASTRAN är ett program som ingår i AutoCAD inventor. Programmet har till syfte att med pålagda laster, krafter och randvillkor simulera enskilda och eller sammansatta tredimensionella figurer som importeras in från AutoCAD
programmet. Programmet ger en analytisk bild av hur modellen påverkas av de pålagda krafterna där programmet använder värden och en färgskala som går från blått till rött och som visar vart spänningen och formförändring är som högst.
Om nödvändigt så används finita elementprogrammet tillsammans med hållfasthetsberäkningar för att direkt undersöka hur konceptets konstruktion påverkas av krafter eller till exempel vikten från bränslet för att bestämma rätt dimensioner för konstruktionen. Krafter som påverkar konstruktionen beräknas antingen för hand eller erhålls från information av Volvo och eller Scania där det till exempel framgår hur mycket vikt som en full tank av bränsle är och då kan man utgå från dessa värden.
33
3.7.3. Spiral process
När ett projekt är stort, då konstruktioner behöver kanske ändras på spontant, då projektet är beroende av feedback av kunder, när risk och kostnadsutvärdering är viktig eller då kraven är oklara och
komplexa så är spiral processen en metod man kan använda för att komma från en prototyp design till en färdig produkt se figur 15. Spiral processen går ut på att med hjälp av metoden ta konceptet genom olika mål och test faser där prototypen
analyseras och studeras noggrant för att identifiera möjlig utveckling inför en färdig produkt som är redo att bli tillverkad [27], [28].
Figur 15: spiralprocess [44]
4. Konceptframtagning
4.1. Datainsamling för det definierade problemet
För att kunna börja generera idéer och veta hur vi ska angripa problemet så krävs det att man samlar in information och data för problemet. Detta görs genom att intervjua personer som jobbar inom fordonsindustrin. Lite punkter som man behöver ta hänsyn till när man börjar generera lösningar är
● Vägar är raka och det är sällan att man kör uppför uppförsbackar och nedför nedförsbackar, detta problem sker då sällan men det är dyrt att laga skadan om den sker. Risken för att problemet ska uppstå finns och Scania och Volvo jobbar med att minimera denna risk.
● Lastbils bränsletankar är olika i storlek och form, därmed så kan pumpen ligga i en av tankarna eller så ligger den utanför tankarna med en pump som är kopplad till motorn och som suger bränslet genom en slang som är kopplad i ovansidan av tankarna, detta gör att man behöver ta hänsyn till lösningen och därmed kunna hitta en lösning som är lämplig till båda situationer.
● Bränsletanken är oftast en enkel konstruktion och därmed har en lämplig pris för att vara enbart en bränsletank med funktionen att enbart bära bränsle och klara av tryck. Detta säger oss att konceptet måste erhålla en lämplig pris som inte gör bränsletanken dyr i samband med konceptet.
34
● Material är viktigt när det gäller bränsletanken. Den måste ha ett material som är styvt (högt E-modul), har låg densitet, tål vibrationer, temperaturtålig, material med låg konduktivitet (låg
värmeöverföringsförmåga), rostfritt och icke reaktivt. Det är viktigt att konceptet kan enkelt sammanfogas med bränsletanken utan att ha någon negativ effekt på bränslet eller bränsletanken.
4.2. konceptval
För att kunna välja en lämplig lösning så måste man först komma på några.
När man har hittat ett antal bra idéer så kan man börja jämföra dessa idéer med varandra för att kunna se vilken ide som passar bäst som lösning. Kriterier som en idé måste uppfylla för att vara just bäst skiljer sig olika, beroende på vad kundens behov är gällande en lösning. Det kan handla om saker såsom material, kostnad och säkerhet. För att kunna välja den bästa iden så används olika metoder och verktyg.
4.2.1. Koncept screening
Konceptscreening är en konceptvalsmetod som tillämpas i början av koncept processen. Man jämför alla koncept som genererats med den originella befintliga produkten. Om konceptet visar en förbättring så sätter man ett plus under kriteriet som förbättras. Om konceptet är mindre bra än originalet så sätter man ett minus. Om konceptet och originalet är varken sämre eller bättre, det vill säga lika för en eller fler kriterier, så sätter man en nolla under detta kriterium. Efter man har satt värden på alla koncept så väljer man ett par koncept som visar goda betyg, dessa koncept väljer man att gå vidare med till nästa fas [13].
4.2.2. Koncept scoring
För att ytterligare kunna välja ut ett koncept att fortsätta med som lösning så kan man efter konceptscreenings processen gå vidare med att använda metoden koncept scoring. Koncept scoring är ungefär samma som Koncept screening men här så kollar man mer detaljerat och noggrant på kriterierna. Här så jämför man också koncepten som gått vidare från konceptscreenings metoden men med ett mer exakt poängsystem. Det är från koncept scoring man går vidare med en eller fler idéer att utveckla eller använda som en lösning till problemet [14].
35
4.3. Koncept “Plattor”
För att undvika att bränslet hamnar fast i hörnet av bränsletanken och långt ifrån pumpen vid lutning så är en lösning att få bränslet att alltid nå bränsleledningen oavsett tankens lutning genom att minska risken för att en vinkel skapas i hörnen på bränsletanken. Två skivor kommer att svetsas inuti tanken. Storleken på plattorna och höjden på vart dessa skivor ska svetsas kommer att beräknas för hand se figur 16.
Figur 16: Koncept plattor
4.4. Koncept “Ballong”
Ett koncept som kommer från stridsflygplan är en ballong på insidan av bränsletanken. Ballongen består av ett expanderande material men mera tålig och slits inte lika enkelt, därmed är den skyddad av ett lager av kevlar vilket är ett dyrt material men denna lager tas bort då tanken med kevlar-lagret är att skydda stridsflygplanens bränsletank från att skadas och förlora bränsle. När man fyller på tanken så kommer ballongen att expanderas med bränslets volym. Då lastbilen drar bränsle så kommer ballongen sakta att sjunka i volym och tvinga ut bränslet då pumpen och ballongens geometri kommer att tvinga ut varenda droppe ut genom bränsletankens utgång som går vidare till pumpen och sedan till motorn se figur 17. En tub fortsätter lite längre in i ballongen för att optimera bränsleupptagningsförmågan och så att bränslet sugs in då
ballongen blir väldigt liten. För att mäta hur mycket bränsle det är i ballongen så kan man göra det med trycksensorer inne i ballongen. Detta är en avancerad lösning som kan medföra svårigheter med rening av tanken [15].
36
Figur 17: Koncept ballong
4.5. Koncept “Matta”
Detta koncept är genererad genom att man tittar på självaste bränsletanken.
Problemet ligger i att utgången för bränslet ligger i mitten där pumpen har sin position och när det bildas en lutning så kan bränslet hamna långt ifrån pumpen som ligger i tanken, alternativt silen som sträcker sig ner i bränsletanken. En lösning skulle kunna vara en matta i botten av bränsletanken med flera små hål i. Bränslet ska åka genom dessa hål med ett lämpligt tryck från pumpen. Mattan kommer kopplas antingen till den elektriska pumpen, genom en enkel
omkonstruktion av pumpens botten, eller den mekaniska pumpens slang där slangen kopplas direkt till mattan som en skruv. På det sättet även om en lutning skulle ske så kommer bränslet åka igenom de små hålen med ett lämpligt reglerat tryck från pumpen. Pumpen kommer att utföra sitt jobb som normalt sett bara att bränslet åker igenom mattans hål istället för pumpens bränsleingångs röret se figur 19, [31].
Figur 18: förekommande bränsletanks modell
37
I figur 18 så ser vi en vanligt förekommande lastbils bränsletank. Tanken är då att man lägger in en rektangulär formad matta i samma mått av tanken. Mattan är av ett material som skall tåla bränsle samtidig bestå av ett böjbart material som tål en hög temperatur och tryck.
Figur 19: koncept matta
Figur 19 förklarar konceptet med en visuell bild inne i tanken där mattan kommer att befinna sig. Som förklarat så kommer mattan att ha många små hål över hela mattan och mattan kommer vara direkt kopplad till silen som är kopplad till pumpen som sitter vid motorn. Tanken är att mattan kommer att ha en högre tryck enligt Bernoulli’s Theorem då volymen är ganska kompakt, därmed suger den bränslet mer effektivt. Ett rutnät kommer täcka mattan för att filtrera bort smuts. Mattan kommer även ligga lite ovan botten för att smutsen ska hamna under mattan för att underlätta rengöringsprocessen.
Konstruktionen på tanken ska kunna öppnas på ovansidan för att underlätta underhållning och byte av matta, [16].
4.6. Koncept “Låda”
Detta koncept beskriver ett genomtänkt ide där man bygger en låda som är labyrint formad. Problemet som beskrevs tidigare var att förhindra pumpen från att gå torr och enbart suga luft då lastbilar kör upp eller ned för en backe med en lutning som gör att bränslet kommer att hamna långt ifrån pumpen.
Detta koncept har till syfte att hindra bränslet från att komma bort ifrån pumpen. Detta koncept består av två lådor i bränsletankens botten. Varje låda har en liten öppning för att bränslet ska kunna gå in och ur lådorna se figur 20.
Anledningen att man inte gjorde en stängd låda var för att bränslet ska kunna rinna över för att den ska hamna in i lådan då tanken är full. Lådorna ska ha en
38
öppning på sidan för att när man kör i en uppförsbacke eller nedförsbacke kommer vätskan jämna ut sig hela tiden i lådan. När man har en bränslenivå i tanken så bildas det samma nivå in i lådan för bränslet tar sig in genom öppningen. Nivån i tanken blir nivån i lilla lådan. Man kommer under färden ha bränsle i den lilla låda som pumpen alltid kommer att nå och man
minimerar risken för att pumpen ska gå torr vid dessa tillfällen då det bildas en lutning då lådan kommer att hindra bränslet från att komma ut ifrån lådan vid lutning. Man gör den så stor så man har bränsle för att klara av en backe med låg bränsle kvar i tanken. Väggarna i lådan kommer att fånga bränslet oavsett om den kör upp eller ner, hur man än lutar bränsletanken så kommer det alltid finnas fyra väggar som håller vätskan kvar i lådan.
Figur 20: koncept låda
4.7. Koncept “Skål”
Konceptet “skål” består av ett fat som ligger i botten av bränsletanken. Tanken är att fatet kommer sitta bredvid två små lådor där rör sticker ut på sidorna, i lådorna så finns det en liten pump som har till uppgift att fylla fatet med bränsle hela tiden se figur 21. Pumpen eller silen som ska suga bränsle till motorn ligger i fatet. På detta sätt kommer det alltid finns bränsle i ett fat.
Även då det finns en låg bränslenivå och en vinkel sker så kommer pumpen nå bränslet som pumpas in i fatet. Bränsletanken måste kunna öppnas på
ovansidan då det underlättar byte av elektriska pumpen vid behov se figur 22.
39
Figur 21: koncept ”skål” funktion förklaring
Figur 22: koncept ”skål”, konstruktions förklaring
4.8. Koncept “Pendulum”
Koncept “pendulum” kommer från inspiration av en pendulum. I tanken så konstruerar man om pumpen med en tung boll och en rörlig metallbit på ovansidan där pumpen eller silen kopplas till. Den tunga bollen kommer som fysikens lagar förklarar följa med vinkeln som sker på grund av
gravitationslagen som drar ner den se figur 24. I tanken så kommer det finnas en liten mindre tank se figur 23. Utseendet på konstruktionen på insidan av tanken spelar roll och i detta fall så optimerar man mängden bränsle att komma in i den mindre lådan då bränslet är lågt och med den rörliga pumpen så
underlättar man för pumpen att nå bränslet [17].
40
Figur 23: koncept pendulum, konstruktion
Figur 24: koncept pendulum, ny konstruktion av pump
41
4.9. Val av koncept - steg 1 av 2 koncept screening
Koncept “Plattor” “Ballong” “Matta” “Låda” “Skål” “Pendulum”
Tid
(tillverkning) - - - + 0 -
Kostnad + - - + + -
Tålighet (Miljötålighet, tryck,
bränsle)
- 0 0 + + +
Montering av koncept i tanken (svårighetsgrad)
- - + + 0 -
Lagning/underh
ållning - 0 - 0 + 0
Volym/ plats behov
+ + - + + +
sum “+” 2 1 1 4 3 2
sum “-” 4 3 4 0 0 3
sum “0” 0 2 1 1 2 1
Netto -2 -2 -3 3 1 1
Rankning av ide 4 5 6 1 2 3
Fortsätt? NEJ NEJ NEJ JA NEJ NEJ
Tabell 1: koncept screening
42
4.10. Val av koncept - steg 2 av 2 koncept scoring
Koncept
“plattor”
Koncept
“ballong”
Koncept
“matta”
Koncept
“låda”
Koncept
“skål”
Koncept
“pendulum”
Urvalskriterier W R W.S R W.S R W.S R W.S R W.S R W.S
Enkel montering
20% 2 0.4 1 0.2 1 0.2 4 0.8 2 0.4 2 0.4
Enkel användning
25% 3 0.75 2 0.5 2 0.5 4 1 3 0.75 3 0.75
Hållbarhet 20% 2 0.4 2 0.4 2 0.4 4 0.8 4 0.8 3 0.6
Underhållning 5% 1 0,05 1 0.05 1 0.05 2 0.1 2 0.1 2 0.1
Enkel
Tillverkning 15% 4 0.6 2 0.3 1 0.15 5 0.75 3 0.45 2 0.3
Säkerhet 15% 2 0.3 2 0.3 2 0.3 4 0.6 3 0.45 3 0.45
Total betyg
2.5 1,75 1.7 4,05 2.95 2.35
Fortsätt??
NEJ NEJ NEJ JA NEJ NEJ
Tabell 2: koncept scoring Förkortningar:
w weight
w.
s
weighted score
R rating
Tabell 3: förklaring av förkortningar för tabell 2 (koncept scoring)
43
4.11. “Alfaprototyp” för testning
För att se om konceptet fungerar så gjordes en alfaprototyp med hjälp av få material som till syfte ska simulera den tänkta funktionen som konceptet ska uppfylla. En plastlåda användes som referens till lastbils bränsletanken och tjock plast klipptes och limmades till lådans botten som ska simulera konceptet
“låda” se figur 20. Alfaprototypen, plastlådan gick sedan genom ett par tester med fyllt vatten. Då en pump inte kunde erhållas så gjordes en egen pump genom att använda en dränkbar likströmsmotor på 5 volt. Likströmsmotorn gjordes om och med hjälp av ett plaströr som applicerades till likströmsmotorn så kunde man skapa en pump som kunde simulera den verkliga pumpen.
Pumpen testades för att se om man kunde erhålla bra resultat innan testning av prototypen kunde utföras då pumpens förmåga att exportera vätska är viktigt data. Se Bilaga 1 till 4 för bilder av alfaprototyps konceptet.
4.11.1. Test av koncept “Alfaprototyp”
Ett par tester utfördes på alfa prototypen konceptet “låda” för att få en visuell feedback av konceptets funktions uppfyllande. Här så utsattes konceptet för olika lutningar och mängd vatten som ska då representera bränslet. Först utfördes testet utan konceptet och sedan utfördes samma tester med konceptet
“låda” för att se om konceptet “låda”, se figur 20 faktiskt uppfyller det tänkta kraven för lösningen. Målet är att tömma så mycket kvarliggande bränsle som bara möjligt under olika vätskevolym nivåer i samband med lutningar.
Innan testerna kan utföras så utfördes lite matematiska uträkningar för att erhålla rätt resultat vid undersökning med prototypen. Det är viktigt att pumpen hamnar på rätt nivå för att erhålla rätt data vid exportering av bränsle. Enligt Volvo och Scania så ska det alltid ligga tio procent bränsle kvar då det tioprocentiga bränslet är icke rent. För att veta hur högt pumpen ska ligga så utgick man ifrån att det ska ligga tio procent vätska kvar i lådan. För att erhålla hur mycket tio procent är för lådan som användes så räknade man ut hur mycket tio procent är av den totala volymen.
Figur 25: Bränsletanks mått
44 följande beräkningar gav:
Ͷͳܿ݉ כ ͵ͳܿ݉ כ ʹܿ݉ ൌ ͵Ͷ͵ͳܿ݉ଷ
ͳܿݑܾ݅ܿܿ݁݊ݐ݅݉݁ݐ݁ݎ ൌ ͲǤͲͲͳ݈݅ݐ݁ݎ ՜ ͵Ͷ͵ͳܿ݉ଷכ ͲǤͲͲͳ ൌ ͵ͶǤ͵ͳ݈݅ݐ݁ݎ ͳͲݎܿ݁݊ݐܽݒ͵ͶǤ͵ͳ݈݅ݐ݁ݎ ൌ ͵ǡͶ͵ͳ݈݅ݐ݁ݎ
kontroll av höjd för 3,4317 liter av den totala lådans volym
݄ ൌ௪ככ
௪כ כ ͲǡͳͲ ൌସଵכଷଵכଶ
ସଵכଷଵ כ ͲǡͳͲ ൌ ʹǡܿ݉
Pumpen ska alltså ligga över gränsen 3,4317 liter av vätska i lådan eller 2,7 cm från botten av lådan för att det alltid ska finnas tio procent kvar i lådan som då ska simulera den verkliga bränsletanken hos lastbilar se figur 26.
Figur 26: Alfaprototyp beräkningar (10 procent gränsen)
Första undersökningen som utfördes bestod endast av påfyllning av vatten. Här så är målet att erhålla pumpens förmåga att exportera vätska utan någon lutning eller konceptet “låda”. Lådan fylldes upp till 3,4 liter, 4 liter, 5 liter och 6 liter.
Efter denna undersökning så utförde man samma undersökning utan konceptet
“låda” men med lutning se figur 27.
Figur 27: Låda med lutning
45
Efter att ha utfört de två första undersökningarna så utfördes samma undersökningar fast med konceptet se figur 28.
Figur 28: Undersökning med konceptet
Med resultaten av de två första undersökningen som var utan konceptet “låda”
så kan man jämföra dessa resultat av samma undersökning fast med konceptet
“låda” för att sedan i procent se hur mycket bränsle som exporteras utan och med konceptet “låda”. Om resultatet visar en ökning i exportering med
konceptet då det görs med lutning och konceptet inte påverkar exportering utan lutning så uppfyller konceptet kraven som lösning till det introducerade
problemet.
5. Resultat
5.1. Alfaprototyp resultat
Här så presenteras testresultatet som gjordes med alfa prototypen vars syfte vara att se hur prototypen betedde sig och om lösningen gav de resultat som man förväntat sig vilket är att konceptet ska hjälpa pumpen att nå bränslet. Figur 29 visar en låda med beteckningarna l, w och h. Lådans mått är l = 42, w=31 och h=27 (cm). Lådan användes som referens till en lastbils bränsletank.
