Integrering av
bränsletekniktank i Scanias bussprogram
-En utredning
OLLE BJÖRKVALL
KTH
bränsletekniktank i Scanias bussprogram
-En utredning
Olle Björkvall
Master of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2019:240 KTH Industrial Engineering and Management
Machine Design
SE-100 44 STOCKHOLM
Integration of fuel tech tank in Scania’s bus program -An investigation
Olle Björkvall
Approved
2019-06-04
Examiner
Ulf Sellgren
Supervisor
Ulf Sellgren
Commissioner
Scania CV AB
Contact person
Mats Fredholm
Abstract
Fuel Optimization Unit (FOU) is part of an new system for the low pressure fuel circuit (LPFC) designed for Scania’s combustion engines. The system replaces engine mounted, mechanically driven, fuel feed pump and pre filter. One FOU variant (Type 1) pushes fuel through the pre filter using an additional electrical fuel pump and utilizes a small volume of fuel as a buffer, mainly to increase water separation performance. The second variant (Type 3) is similar to a conventional LPFC but uses an electric feed pump. The thesis investigate prerequisites and possible limitations when introducing FOU in Scania’s bus program. The investigation also compare Type 1 with Type 3 to determine if any technology is preferable. Among others, the investigation finds:
• Type 1 is because of its size more difficult to house but is because of design less sensitive for placement in the chassis compared to Type 3.
• CAN communication with electric fuel pumps risks disturbances due to potentially long cables.
• Pressure drop in fuel lines is not identifies as an limitation for Type 1 but length is recommended to minimize on the low pressure side of the feed pump for Type 3.
• There is an risk that fuel return temperature decrease between engine and fuel tank causing clogging of pre filter due to wax formation at low temperatures.
• Number of start/stops and operating hours is a potential limitation for electrical fuel pumps.
• Drainage of engine mounted main filter to the catch tank in FOU Type 1 may work non satisfactory if the fuel lines are routed badly.
• The air conducted sound level caused by electrical fuel pumps is not identified as a problem. However, structural conducted sound may cause disturbance for passengers if the attachment is carelessly designed.
Comparison between the variants indicates that Type 1 is preferable. Type 1 catch points mainly due to the use of catch tank but loses points mainly related to size, mass and complexity which results in a presumably high cost. Type 3 is similar to present LPFC but holds a number of advantages shared with Type 1. Both Type 1 and Type 3 are identified as clear improvements compared with current LPFC.
Keywords: Fuel Optimization Unit, FOU, fuel system, feed pump, LPFC
Integrering av bränsletekniktank i Scanias bussprogram -En utredning
Olle Björkvall
Godkänt
2019-06-04
Examinator
Ulf Sellgren
Handledare
Ulf Sellgren
Uppdragsgivare
Scania CV AB
Kontaktperson
Mats Fredholm
Sammanfattning
Fuel Optimization Unit (FOU) är en del av ett nytt lågtrycksbränslesystem avsett för Scanias förbränningsmotorer. Systemet ersätter motormonterad, mekaniskt driven, matarpump och förfilter. FOU utvecklas i två varianter som har gemensamt en chassimonterad elektrisk matarpump och förfilter. Den ena varianten (Typ 1) trycker bränsle genom förfiltret med hjälp av en ytterligare elektrisk bränslepump och utnyttjar en mindre volym bränsle som buffert bl.a. för att förbättra vattenseparering. Den andra varianten (Typ 3) liknar till stor del ett konventionellt lågtrycksbränslesystem men med elektriskt driven matarpump. Examensarbetet utreder förutsättningar och möjliga hinder att introducera FOU på Scanias bussar. I utredningen jämförs även Typ 1 med Typ 3 för att avgöra om någon teknik är att föredra. Utredningen finner bl.a. att:
• Typ 1 är pga. sin storlek svårare att bereda plats för men pga. sin konstruktion mindre känslig för placering jämfört Typ 3.
• CAN-kommunikation med elektriska pumpar riskerar störningar pga. potentiellt långa ledningslängder.
• Tryckfall i bränsleledningar utgör ingen hinder hos Typ 1 men ledningslängderna bör minimeras på matarpumpens sugsida hos Typ 3.
• Det föreligger en risk att returbränsletemperaturen svalnar såpass mycket mellan motor och FOU att förfiltret sätts igen av paraffinering vid kall väderlek.
• Antal start/stopp och drifttimmar utgör möjligen en begränsning för elektriska pumpar.
• Dränering av finfiltret på motorn till catch-tanken i FOU Typ 1 riskerar att fungera otillfredsställande om bränsleledningarna dras ogynnsamt.
• Den luftburna ljudnivån från de elektriska bränslepumparna bedöms inte vara
oroväckande hög men är beroende på infästning då strukturburet ljud kan vara störande för passagerare.
Jämförelse mellan varianterna indikerar att Typ 1 är att föredra. Typ 1 får många pluspoäng i huvudsak förknippade med förekomsten av bufferttank men också med en hel del minuspoäng i huvudsak relaterade till storlek, vikt och komplexitet vilket också resulterar i ett förmodat högt pris. Typ 3 liknar till stor del befintligt lågtrycksbränslesystem men innehar en del tydliga fördelar som den till stor del delar med Typ 1. Både FOU Typ 1 och Typ 3 identifieras som tydliga förbättringar gentemot befintligt lågtrycksbränslesystem.
Nyckelord: Fuel Optimization Unit, FOU, bränslesystem, matarpump, LPFC
FÖRORD . . . . 1
NOMENKLATUR . . . . 3
KAPITEL 1 - INLEDNING . . . . 9
1.1 Bakgrund . . . . 9
1.2 Syfte och frågeställningar . . . . 12
1.3 Förväntad utgång . . . . 13
1.4 Avgränsningar . . . . 14
1.5 Läsanvisningar . . . . 14
KAPITEL 2 - METOD . . . . 15
2.1 Kravspecifikation . . . . 15
2.2 Jämförelsematris . . . . 15
2.3 Pugh-matris . . . . 16
2.4 Provmontering . . . . 17
2.5 Övriga metoder . . . . 19
KAPITEL 3 - TEORI . . . . 21
3.1 Befintligt bränslesystem . . . . 21
3.2 FOU Typ 1 . . . . 22
3.3 FOU Typ 3 . . . . 26
3.4 Scanias bussprogram . . . . 27
3.5 Extravärmare . . . . 29
3.6 Tryckfall bränsleledningar . . . . 30
3.7 Tryckfall armatur . . . . 34
3.8 Bränslefilters funktion . . . . 35
3.9 Bränslepumpars funktion . . . . 37
3.10 CAN . . . . 38
3.11 Spänningsfall . . . . 40
KAPITEL 4 - GENOMFÖRANDE . . . . 43
4.1 Jämförelsematris . . . . 43
4.2 Beräkningar . . . . 43
4.3 Övriga studier . . . . 49
4.4 Geometriska studier . . . . 56
4.5 Konceptutvärdering . . . . 62
KAPITEL 5 - DISKUSSION . . . . 65
KAPITEL 6 - SLUTSATSER . . . . 69
KAPITEL 7 - REKOMMENDATIONER . . . . 73
LITTERATURFÖRTECKNING . . . . 78
BILAGOR . . . . 79
Bilaga A Jämförelsematris i
Bilaga B Konceptutvärdering iii
Detta examensarbete genomfördes under vårterminen 2019 på Scania i Sö- dertälje. Arbetet markerar slutet på masterprogrammet Maskinkonstruktion på Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm tillika del av civilingenjörsut- bildning i Maskinteknik. Uppdragsgivaren är gruppen RBRB på Scanias bussutveckling. Gruppen ansvarar för komponenter i broms-, tryckluft- och bränslesystem samt system för avgasefterbehandling. Ett stort tack riktas till Mats Fredholm som agerat handledare på RBRB. Examensarbetet är att betrakta som en förstudie och en stor del av arbetet har bestått i att samla in, värdera och analysera information från många delar av Scania.
Detta har underlättats enormt av de många personer som bistått med råd och kunskap. Ett särskilt tack ges till Jonny Hansson på NMC som alltid varit tillgänglig för frågor angående FOU.
Olle Björkvall Södertälje juni 2019
I avsnittet förklaras förkortningar och begrepp som inte tillhör gängse stan- dard.
Akronymer
BLDC Brushless Direct Current
BMS Brake Management System
CAN Controller Area Network
CMS Chassi Management System
ECU Electronic Control Unit
EEC Exhaust Emission Control system
ELC Electronic Level Control
EMS Engine Management System
FDB Fuel Distributor Block
FOU Fuel Optimization Unit
HPP High Pressure Pump
LPFC Low Pressure Fuel Circuit
RMS Root Mean Square
SCR Selective Catalytic Reduction
TB Teknisk Bestämmelse
TR Teknisk Rapport
TRV Thermal Regulating Valve
WIF Water In Fuel
XPI Extra High Pressure (injection) Termer och begrepp
Bränslevärmare Utrustning för att värma bränsle i syfte att undvika paraffinering
Daisy chain CAN-arkitektur där noder ansluts till ryggraden ut- an stubbar
Extravärmare Utrustning som förbränner bränsle i syfte att pro- ducera värme
Gerotor Pumptyp (sammanslagning av orden Generated Ro- tor)
Koalescens Fysikalisk process där vattendroppar slås samman Matarpump Bränslepump som transporterar bränsle mellan catch-
tank och motor
P8 Elcentral för chassimonterade komponenter
Primning Fylla upp bränslesystemet mellan bulktank och Hög- tryckspump efter exempelvis filterbyte
Transferpump Bränslepump som transporterar bränsle mellan bulk- och catch-tank
Variabler
µ Dynamisk viskositet [kg/ms]
ν Kinematisk viskositet [m2/s]
ρ Densitet [kg/m3]
ρel Elektrisk resistivitet [Ωm]
Ael Kabelarea [m2]
di Innerdiameter [m]
f Fannings friktionsfaktor [−]
Lbränsle Bränsleledningslängd [m]
Lel Kabellängd [m]
Q Volymflöde [m3/s]
Re Reynolds tal [−]
u Medelhastighet hos fluid [m/s]
∆P11 tot tillåtet Maximalt tillåtet tryckfall innan transferpumpen [bar]
∆P21 tot tillåtet Maximalt tillåtet tryckfall innan matarpumpen [bar]
∆Pmax f in Maximalt tillåtet tryckfall över finfilter [bar]
∆Pmax f ör Maximalt tillåtet tryckfall över förfilter på befintligt lågtrycksbränslesystem [bar]
∆P@Q1 max ber Beräknat tryckfall per meter bränsleledning vid trans- ferpumpens maxflöde [bar]
∆P@Q1 max mät Uppmätt tryckfall per meter bränsleledning vid trans- ferpumpens maximala flöde [bar]
∆P@Q2 max ber Beräknat tryckfall per meter bränsleledning vid ma- tarpumpens maximala flöde [bar]
∆P@Q2 max mät Uppmätt tryckfall per meter bränsleledning vid ma- tarpumpens maxflöde [bar]
hmin Krav antal drifttimmar bränslepumpar (minimum) [h]
kmmin Krav antal km bränslepumpar (minimum) [km]
Lpmax Maximal tillåten ljudtrycksnivå [db(A)]
Lmax Maximal längd ryggrad CAN-bus [m]
P22 min Minsta tillåtet tryck direkt efter matarpumpen [bar]
PHP P min in Minsta tillåtna tryck in i högtryckspump [bar]
Q1 max Maximalt flöde transferpump [m3/s]
Q2 max Maximalt flöde matarpump [m3/s]
startmin Krav start/stopp av elektriska bränslepumpar (mi- nimum) [−]
Smax Maximal längd stubbe CAN-bus [m]
Tbrmax Högsta kravsatta bränsletemperatur [◦C]
Tbrmin Minsta kravsatta bränsletemperatur [◦C]
tluf t Maximal kravsatt tid för transferpumpen att gå torr [s]
Tomgmax Högsta kravsatta omgivningstemperatur [◦C]
Tomgmin Minsta kravsatta omgivningstemperatur [◦C]
Kapitel 1 innehåller bakgrund, syfte med frågeställning samt en beskrivning av den metod som använts.
1.1 Bakgrund
I takt med ett ökat miljöfokus är förbränningsmotorers emissionsnivåer ett ständigt aktuellt ämne. Ett sätt att minska denna påverkan är att minska motorns bränsleförbrukning och ett annat är att effektivisera förbränning- en så att färre och mindre skadliga partiklar släpps ut. För att åstadkomma detta minskar toleranser i motorns bränslesystem ständigt. Detta kräver till- gång till allt renare bränsle. Vanligt för tunga fordon är att bränslet förvaras i en eller flera bränsletankar på fordonets ram och sugs hela vägen till mo- torn av en matarpump. På sin väg från tanken passerar bränslet ett förfilter som används för att filtrera bort de största partiklarna och separera vatten som kan finnas i bränslet. En vanlig lösning är att matarpumpen är place- rad på motorn och är mekaniskt driven av motorns transmission. En annan konstruktionslösning är att matarpumpen drivs elektriskt. Fördelen med en elektriskt driven matarpump är att den kan styras att leverera precis den bränslemängd som krävs av motorn vid varje givet driftfall. En mekaniskt driven pump å andra sidan är kopplad till motorns transmission och levererar bränsle proportionellt till motorns varvtal. Det kritiska driftfallet är i startö- gonblicket när startmotorn drar runt motorn. Matarpumpen behöver i detta driftfall klara av att leverera nog med bränsle till motorn. Detta medför en överkapacitet av pumpad volym i de allra flesta driftfall. Tunga fordon har också normalt höga krav på livslängd både i timmar och kilometer räknat.
Det har historiskt varit svårt att tillverka elektriska matarpumpar som upp- fyller dessa krav på tillförlitlighet och de har därför tidigare inte förekommit i stor utsträckning på lastbilar och bussar. Det är också mer fördelaktigt att trycka bränsle genom ett bränslefilter än att suga det. Dessutom är det en nackdel att ha långa rörledningar och kopplingar på pumpens lågtryckssida eftersom eventuella läckage leder till att luft letar sig in i bränslesystemet och kan orsaka driftsstopp. Läckage på pumpens högtryckssida visar sig istället som bränsleläckage vilket är att föredra ur felsökningsperspektiv.
KAPITEL 1 - INLEDNING
Scanias lastbilar byggs normalt med en eller flera bränsletankar i alumini- um. Dessa tankar är av produktionstekniska skäl symmetriskt uppbyggda bestående av två gavlar och en mantelyta som förenar dessa. Volymen på dessa tankar är upp till ungefär 1200 L. På grund av sin form uppstår skvalp i tanken när fordonet rör sig. Detta motverkas delvis av skvalpskott i tan- ken som bromsar rörelserna, se Figur 1. Bränslet sugs upp av en armatur monterad i tankens ovansida som bland annat består av ett rör med sugsil som suger bränsle från tankens botten. Insuget är monterad en bit ovanför tankens botten, delvis av tillverkningstekniska skäl, delvis för att undvika att skräp, sediment och andra orenheter i bränslet sugs upp. Konsekvensen blir att en outnyttjad volym, i värsta fall upp till 150 L, blir kvar i tan- ken när motorn upplever brist på bränsle. Denna volym innebär en minskad nyttolast och en stor kostnad för Scania eftersom denna volym måste fyllas upp innan fordonet startas efter montering. Scanias bussar använder också
Figur 1: Exempel på bränsletank för lastbilar. Notera skvalpskott som motverkar rörelse hos bränslet när fordonet rör sig [1].
en liknande typ av bränsletank men som är tillverkad i plast. En annan variant är gjutna plasttankar av betydligt mindre volym placerade på och bakom fordonets hjulhus. Produktionsmetoden medger mer komplicerade former på tankarna jämfört med aluminiumtankarna. Detta är nödvändigt eftersom installationer på busschassit i hög grad konkurrerar med utrym-
men för passagerare. Därför utformas tankarna så att utrymmet utnyttjas maximalt. Busstankarna är konstruerade med en utbyggnad i botten som samlar upp en mindre mängd bränsle. Det är också här bränslet sugs ur tanken. Denna konstruktion innebär att tanken har en obetydlig outnytt- jad volym som inte anses vara ett problem. Ett exempel på bränsletankar i bussinstallationen ses i Figur 2. För att möta utmaningarna med befint-
Figur 2: Exempel på bränsletanksinstallation i buss.
ligt lågtrycksbränslesystem har ett nytt system för filtrering och pumpning av bränsle från fordonets bränsletank kallat Fuel Optimization Unit (FOU) konstruerats. Detta system finns i två varianter, paradoxalt nog kallat Typ 1 och Typ 3. FOU Typ 1 är den mer avancerade varianten. Detta system innebär att en så kallad catch-tank introduceras mellan den ordinarie bräns- letanken (bulktanken) och motorn. Catch-tanken rymmer en mindre mängd bränsle. En elektrisk så kallad transferpump flyttar bränslet från bulktank till catch-tank. Denna pump arbetar i jämn takt för att hålla catch-tanken fylld eller nära fylld. Transferpumpen trycker bränslet genom ett förfilter innan det fyller catch-tanken. Filtret är inbyggt i catch-tanken som alltså utgör en enhet. Förutom att separera grövre partiklar separeras även even-
KAPITEL 1 - INLEDNING
tuellt vatten i filtret. En ytterligare pump, matarpumpen som också den är elektrisk, är inbyggd i catch-tanken. Matarpumpen trycker bränslet till mo- torn där också ett finfilter finns placerat. De båda bränslepumparna drivs elektriskt istället för av motorns transmission. Detta medför att pumparna kan styras oberoende av motorns varvtal. Det innebär en rad fördelar som minskad bränsleförbrukning, minskat slitage och tillgång till diagnostik. Den andra varianten, FOU Typ 3, är en förenklad variant av FOU Typ 1 och be- står endast av en matarpump och ett bränsleförfilter. I denna variant suger matarpumpen bränsle genom bränsleförfiltret på konventionellt vis. Matar- pumpen är likt FOU Typ 1 elektriskt och medför därför samma fördelar vad gäller kontrollerbarhet. En skillnad jämfört med ett konventionellt system är också att komponenterna inte monteras på motorn utan dess placering är friare. FOU har primärt utvecklats för Scanias lastbilar då dessa står för en avsevärt större andel av Scanias försäljning. Ett önskemål från Scanias utvecklingsavdelning för bussar är att FOU i framtiden även skall gå att använda på bussar. Grupp RBRB, som är uppdragsgivare, är ansvarig för integreringen av FOU på bussutvecklingen. Det är emellertid inte klarlagt vad som krävs för att möjliggöra detta eftersom FOU misstänks ställa andra krav än befintligt lågtrycksbränslesystem och detta är föremål för utredning.
1.2 Syfte och frågeställningar
Utredningen syftar till att undersöka förutsättningarna för att integrera FOU på Scanias bussar. Detta innebär en sammanställning av de krav som FOU ställer på installationen. Speciellt är de krav som är relaterade till gränssnittet mellan FOU och installationen av intresse. Eftersom FOU är ett delsystem i det komplexa system som ett tungt fordon är finns det gott om interaktioner mellan delsystem. Utredningen syftar till att i första hand identifiera dessa interaktioner och belysa områden som kräver fortsatt arbe- te. Både FOU Typ 1 och Typ 3 är föremål för utredningen. FOU Typ 1 är konstruerad till en högre färdighet än FOU Typ 3 som vid tillfället för utred- ningen befinner sig i konceptstadiet. Många av de krav som är definierade för FOU är dock tillämpbara på både FOU Typ 1 och Typ 3. Utredningen består av två delar:
1.2.1 Del 1
Del 1 innebär en jämförelse av direkta och indirekta krav för FOU med förutsättningarna för efterlevnad i bussinstallationen. Denna innefattar både FOU Typ 1 och Typ 3. Huvudfrågeställningen lyder:
Finns det tekniska hinder som förhindrar införandet av Fuel Optimization Unit Typ 1 och Typ 3 på Scanias bussar, och vilka är det i så fall?
Denna bryts ned till mer specifika frågeställningar som utredningen syftar till att besvara:
1. Geometri Hur kan FOU fysiskt få plats i de berörda varianterna av busschassier och vad för konsekvenser får detta på övriga installatio- ner?
2. Konsekvenser av placering Hur påverkar placeringen i busschassit funktionen av FOU?
3. Servicebarhet Vad ställs för speciella krav vid service av FOU och hur kan dessa specifikt mötas i en bussinstallation?
4. Drift av extravärmare Vad ger införandet av FOU i bussinstallation för konsekvenser vid drift av extravärmare (utrustning för att värma passagerarutrymme)?
1.2.2 Del 2
Del 2 av utredningen syftar till att jämföra FOU Typ 1 och Typ 3 med varandra för att avgöra vilken av varianterna som har störst potential för bussinstallationen. Frågeställning lyder:
Vilken av FOU Typ 1 och Typ 3 är att föredra för Scanias bussar beaktat tekniska förutsättningar?
1.3 Förväntad utgång
Utredningen antas leda till en uppsättning avvikelser från kraven som be- höver hanteras för att möjliggöra integrering av FOU på bussutvecklingen.
Målsättningen är att utgången av utredningen innefattar:
KAPITEL 1 - INLEDNING
• En nulägesanalys innehållande beskrivning av möjliga problem, hinder och möjligheter förenade med införandet av FOU på bussutveckling.
• En rekommendation om vilken av FOU Typ 1 och Typ 3 som bedöms ha störst potential för fortsatt integrering.
1.4 Avgränsningar
Eftersom arbetet är av utredande karaktär är det naturligt att ett avvägande mellan djup och bredd sker. En första gallring av krav associerade med FOU har genomförts med syfte att endast undersöka interaktioner mellan FOU och installationen i fordonet. Detta då många krav som är framtagna för FOU förvisso är att betrakta som viktiga för den interna funktionen, men inte påverkas av själva installationen. Inga ekonomiska kalkyler beträffande lönsamhet för olika alternativ genomförs heller.
1.5 Läsanvisningar
Akronymer, termer, förkortningar och variabelnamn förklaras vid introduk- tion och återfinns i nomenklaturavsnitt. Parametrar som är av känslig natur för Scania lämnas som separat bifogad bilaga. Denna bilaga utelämnas i den publika versionen av utredningen. I separat bilaga finns också bilder och tabeller som inte har kunnat publiceras av konfidentialitetskäl.
Grunden för metoddelen var en komparativ studie. FOU är förknippad med ett stort antal krav på installationen, i huvudsak med lastbilsinstallationen i fokus. Dessa krav utgjorde referens i jämförelsen och undersökningar för att avgöra bussinstallationens efterlevnad av dessa krav utfördes.
2.1 Kravspecifikation
Kraven associerade med FOU är internt framtagna på Scania. Explicit ut- tryckta tekniska krav är samlade i så kallade TB (Teknisk Bestämmelse). TB kan vara skrivna för ett helt delsystem, som FOU, eller för specifika kompo- nenter i delsystem. TB utgjorde den största delen av informationen som låg till grund för den komparativa studien. De TB som utgör, för gränssnittet mot installationen, relevanta kravspecifikationer för FOU är:
• TB4714 General conditions for LPFC [2].
• TB4658 Fuel filter assemblies for LPFC [3].
• TB4619 Specification electric fuel feed pump [4].
Dessa TB hänvisar i sin tur till andra TB som exempelvis specificerar en testmetod eller krav förknippade med ingående standardkomponenter etce- tera. TB utgör internt materiel på Scania och kan av konfidentialitetskäl inte publiceras.
2.2 Jämförelsematris
För att identifiera och visualisera kopplingar mellan krav specifika för FOU och egenskaper unika för bussinstallationen har en jämförelsematris tagits fram, se Figur 3. I jämförelsematrisen samlades krav som ansågs vara av vikt i rader (A1, A2 och så vidare). Här samlades information om exempelvis tillåtna tryck och temperatur men även mer diffusa krav gällande exempel- vis servicebarhet av FOU. Dessa härrör huvudsakligen från TB beskrivna i Avsnitt 2.1. Dessa benämns hädanefter FOU krav. I matrisens kolumner (B1, B2 och så vidare) samlades egenskaper förknippade med installationen i bussen. Exempel på detta kan vara maximal fordonslängd. I skärnings- punkten mellan rader och kolumner visualiserades eventuell koppling med
KAPITEL 2 - METOD
en symbol som representerar den metod som användes för ett jämföra förut- sättning för efterlevnad av FOU krav beskrivet i Avsnitt 1.2.1. Syftet med
Figur 3: Jämförelsematris som användes för att identifiera samband mellan FOU krav och busspecifika egenskaper.
jämförelsematrisen var att visualisera vilka krav hos FOU som har påverkan på installationen i fordon. Vissa krav kan förvisso vara viktiga men bara ha betydelse för leverantörer av komponenter i FOU. Däremot har dessa krav lite koppling till gränssnittet mot installationen. Andra krav kan däremot ha stor betydelse för bussinstallationen. Jämförelsematrisen användes för att visualisera dessa kopplingar.
2.3 Pugh-matris
FOU Typ 1 och Typ 3 jämfördes med hjälp av en så kallad Pugh-matris.
Pugh är en kvantitativ metod som används då tekniska koncept jämförs utifrån på förhand fastställda kriterier [5]. Kriterierna viktas beroende på hur viktiga de anses vara för konceptets sammantagna funktion. Tre nivåer användes i matrisen: 1 (låg), 2 (mellan) och 3 (hög). Kriterierna betygsat- tes sedan. Betygsättningen sker relativt ett referenskoncept som får betyg 0 på alla kriterier. Konceptet kan få betyget -1 (sämre än referens), 0 (likar- tad referens) och +1 (bättre än referens). Produkten av viktning och betyg
summerades för varje koncept och konceptet med högst totalsumma är en- ligt metoden mest lämplig att vidareutveckla. Ett positivt resultat indikerar en bättre teknisk lösning än referensen utefter kriterierna och ett negativt resultat indikerar en sämre. Syftet med metoden är att på ett systematiskt sätt minska subjektiviteten vid jämförelser.
En ej ifylld Pugh-matrisen kan ses i Figur 4. Det befintliga lågtrycksbräns- lesystemet utgjorde referens i jämförelsen och FOU Typ 1 och Typ 3 ut- gjorde de utvärderade koncepten. Kolumnen Önskvärd förändring påverkar inte betygsättningen men ger en indikation för läsaren huruvida kriteriet är önskvärt att maximera eller minimera. Detta indikeras med pil uppåt eller pil nedåt. Kriterierna och viktningarna som användes i matrisen valdes i samråd med uppdragsgivaren efter diskussioner.
Figur 4: Pugh-matrisen som användes i konceptutvärderingen.
2.4 Provmontering
Eftersom FOU utgör en tydligt definierad enhet var det önskvärt att under- söka huruvida denna enhet fysiskt fick plats på busschassit. Denna under- sökning syftade till att ge förslag på placeringsalternativ och att identifiera konsekvenser av dessa. Undersökningen genomfördes i huvudsak i CAD- programvaran CATIA V5 från Dassault Systèmes som används på Scania.
Packningsgraden i busschassit är hög varför det med låg sannolikhet finns
KAPITEL 2 - METOD
utrymmen som står helt outnyttjade. Resultatet från provmonteringen skall istället ses som förslag på placeringar som kan vara intressanta att utreda vidare. Detta kommer att kräva anpassningar på övriga installationer i chas- sit. En förenklad representation av FOU Typ 1, se Figur 5(a) och Typ 3, se Figur 5(b) har tagits fram. Syftet är att inte publicera autentiska bilder på FOU då det är teknik som vid tidpunkten för utredningen ännu inte är lanserad av Scania. Representationen har i all väsentlighet samma yttre di- mensioner som den autentiska FOU. Då de geometriska studierna syftar till att undersöka var FOU fysiskt kan få plats utgör inte detta något problem.
(a) Typ 1 (b) Typ 3
Figur 5: Förenklad representation av FOU. Den halvtransparenta, gulmarkerade volymen på FOU Typ 1 representerar nödvändigt utrymme vid filterbyte.
2.5 Övriga metoder
För att avgöra om förutsättningarna i bussinstallationen möter kravspecifi- kationen för FOU har beräkningar gällande tryckfall i bränsleledningar vid laminärt och turbulent flöde samt spänningsfall i elektriska kablar utförts.
Dessa har skett i överslagsform då det finns många osäkra förutsättningar som kan komma att ändras. Ett worst case-scenario har använts liksom ett antal uppskattningar. Detta för att i första hand göra en första uppskattning som kan ligga till grund för fortsatt arbete. Andra metoder som använts är utvärderingar av tidigare gjorda prov exempelvis gällande ljudnivå och av- svalning av bränsle i ledningar. Dessa finns dokumenterade i provrapporter (TR).
Det här avsnittet innehåller en fördjupning av de komponenter och funktio- ner som utgör FOU. FOU är en avgränsad enhet som förutom en bränsle- volym rymmer två bränslepumpar, ett bränsleförfilter, bränslevärmare och ett antal givare. Kapitlet innehåller också övrig teori som är nödvändig för fortsatt läsning. Autentiska bilder föreställande FOU Typ 1 och Typ 3 visas ej i den publika versionen av utredningen men återfinns i för Scania avsedd bilaga.
3.1 Befintligt bränslesystem
Scania använder samma typ av motorer för bussar och lastbilar men moto- rerna för bussar är vanligen av mindre effekt. Det vanligaste bränslesyste- met i dagsläget är det så kallade XPI-systemet, se Figur 6. En kombinerad pumpenhet bestående av matarpump och högtryckspump (HPP) drivs av motorns transmission. Matarpumpen transporterar bränsle från bulktanken genom de båda motormonterade bränslefiltren och förser HPP med bränsle.
HPP trycksätter bränslet till i storleksordningen 2000 bar [6]. Det trycksatta bränslet mellanlagras i en ackumulator (även kallad rail). En elektriskt styrd injektor i varje cylinder sprutar in bränsle vid rätt tidpunkt [7]. Injektorer- na förses med trycksatt bränsle från ackumulatorn. HPP arbetar för att vid alla tidpunkter hålla trycket i ackumulatorn på en begärd nivå av motorns styrsystem (EMS). En ny motorgeneration, Future Powertrain Program, är under utveckling. FPP innehåller XPI-insprutning men av tidigare nämnda skäl flyttar matarpump och förfilter i och med FOU från motorn till chassit medan HPP och finfilter även fortsättningsvis är motormonterade.
KAPITEL 3 - TEORI
Figur 6: Schematisk beskrivning av XPI-bränslesystem [8].
3.2 FOU Typ 1
Grunden i FOU är en catch-tank tillverkad i plast, se Figur 7. Tanken har en form som överensstämmer med det minsta tvärsnittet på aluminiumtan- karna i lastbilsinstallationen. Detta eftersom tanken är utformad för att ta upp så lite utrymme som möjligt. Catch-tanken fortsätter som en förläng- ning av bulktanken och är i sitt vanligaste utförande monterad på fordo- nets vänstra sida strax bakom hytten. Catch-tanken är delad i två delar.
En så kallad komplex del och en enkel del. Delarna tillverkas var för sig av produktionstekniska skäl men vibrationssvetsas ihop och utgör tillsam- mans catch-tanken. I den komplexa delen finns det ingjutet en kavitet där bränsleförfiltret sitter monterat. Filterelementet är inbyggt i catch-tanken men separerat från bränslet i tanken. Syftet är att den yttre formfaktorn på FOU skall bli så liten som möjligt. I sidan av den komplexa delen finns yt- terligare ett utrymme, se Figur 7. I detta utrymme är i huvudsak all annan teknik i FOU samlad beskrivet i sektion 3.2.1, 3.2.2 och 3.2.3. Dessa kompo- nenter är samlade på något som kallas FDB (Fuel Distributor Block). När FOU är monterad på bulktanken döljs sidoutrymmet. Kvarvarande utrymme i catch-tanken är tillägnat rent bränsle som når tanken efter att ha passe- rat filter-kaviteten. Volymen på tanken är cirka 30 L [9]. Det förfiltrerade bränslet lämnar catch-tanken genom ett utsug nära tankens botten.
Figur 7: Förenklad representation av FOU Typ 1.
3.2.1 Pumpenheter
I sidoutrymmet sitter två stycken bränslepumpar monterade, se Figur 7, varav den översta benämns transferpump. Transferpumpen ansvarar för att transportera bränsle mellan bulktanken och catch-tanken. Bulktanken be- finner sig på sugsidan av transferpumpen. På trycksidan av pumpen befin- ner sig förfiltret vilket medför att bränslet trycks genom filtret. Detta är en viktig skillnad mot befintlig konstruktionslösning där förfiltret befinner sig på sugsidan av bränslefiltret, se Figur 8. Transferpumpen arbetar med ett förhållandevis jämnt varvtal som korrelerar med motorns genomsnittli- ga bränsleförbrukning. I och med volymen bränsle som finns i catch-tanken utjämnas bränslebehovet över tid vilket tillåter att transferpumpen levere- rar ett jämnt flöde. Detta är fördel eftersom vattensepareringen i förfiltret fungerar effektivare ju lägre genomströmningshastigheten är. Transferpum- pen styrs till att upprätthålla en specifik nivå i catch-tanken. En nivåvakt i catch-tanken håller ordning på nominell bränslenivå. Nivåvakten kommu- nicerar med en styrenhet (ECU) avsedd för chassisystem benämnd CMS.
Bränslenivån i catch-tanken hålls inom ett intervall kring nominell nivå. Det- ta intervall mäts inte direkt utan beräknas av motorns ECU (EMS) utifrån aktuell bränsleförbrukning.
Den nedersta bränslepumpen benämns matarpump och har till uppgift att suga bränsle från catch-tanken och trycka det vidare till motorn. Sugsidan
KAPITEL 3 - TEORI
Figur 8: Jämförelse av layout för filter, bränslepumpar och tankar i befintligt motorprogram och efter införande av FOU Typ 1.
av pumpen är mycket kort eftersom matarpumpen är hopbyggd med catch- tanken. Ledningarna som transporterar bränslet till motorn befinner sig på trycksidan av pumpen. På motorn sitter ett finfilter som filtrerar bränslet ytterligare en gång på sin väg till motorns HPP. Finfiltret utgör ett and- ra filtreringssteg med högre finhet på filterelementet jämfört med förfiltret.
HPP utgör slutet på lågtrycksbränslesystemet (LPFC). En översikt av he- la bränslesystemet kan ses i bilaga (utelämnad i den publika versionen av utredningen).
Matarpumpen arbetar, till skillnad från transferpumpen, mot ett förutbe- stämt tryck. Trycket mäts efter finfiltret, innan inloppet till HPP, och är en funktion av motorns varvtal. För att upprätthålla detta tryck så varierar matarpumpens varvtal konstant för att möta motorns faktiska bränsleför- brukning. Pumpenheterna är identiska och är uppbyggda av två delar. Dels själva pumpenheten och dels en motor som driver denna. Motorn är en borst- lös likströmsmotor (BLDC) som matas av fordonets 24 V-system. Den andra delen av pumpenheten utgörs av en så kallad gerotor-pump, se Avsnitt 3.9.
3.2.2 WIF-givare
Vatten som separerats ur bränslet av förfiltret samlas i en för ändamålet av- sedd behållare i filtrets lägsta punkt. Behållaren rymmer 400 mL. När 350 mL vatten ansamlats så aktiveras en så kallad WIF-givare (Water In Fuel).
Givaren används för att skicka en varning till föraren genom instrumentpa- nelen att vattenbehållaren börjar bli full och bör tömmas.
3.2.3 Bränslevärmare
Dieselbränsle har en tendens att paraffinera vid lägre temperaturer [10]. Det innebär att bränslet bildar en vaxliknande sörja vilket riskerar att sätta igen vitala delar av högtrycksbränslesystemet. För att undvika detta förvärms bränslet på sin väg till motorn i en bränslevärmare när utomhustemperatu- ren är låg. En variant för att göra detta är att utnyttja varmt returbränsle från motorn. Returbränsle är bränsle som inte har använts av motorn. Detta härrör från flera källor. Injektorerna och HPP använder en del av bränslet som når motorn för smörjning vilket returneras efter användning i detta syf- te. Tidigare har en andel av returbränslet också härrört från den mekaniska matarpumpen som ju arbetar med överkapacitet. Denna andel av retur- bränslet kommer att minska i och med införandet av elektrisk matarpump som bara pumpar den bränslemängd som faktiskt används till förbränning och smörjning av injektorer och HPP. I och med FOU kommer returbräns- let passera via FOU och via en så kallas TRV (Thermal Regulating Valve).
TRV öppnas vid en given temperatur. När TRV öppnar så blandas det var- ma returbränslet med bränsle från bulktanken innan det passerar förfiltret.
Detta minskar risken för att förfiltret sätter igen av paraffinerat bränsle.
Funktionen medför även att bränsletemperaturen i catch-tanken ökar med viss fördröjning vilket även minskar risken för paraffinering i finfiltret.
3.2.4 Limp home
I det fall att en eller båda de elektriska bränslepumparna havererar kan FOU försättas i ett så kallat limp home-läge. Det normala driftfallet är att matarpumpen levererar ett tryck till HPP begärt av motorns ECU. HPP i ett nytt utförande har en begränsad möjlighet att suga bränsle direkt från bulktanken. Tidigare versioner av HPP har inte haft denna funktionalitet och detta skapar en möjlighet att kunna köra fordonet även om matar- eller
KAPITEL 3 - TEORI
transferpump av någon anledning har havererat. Under limp home passerar bränslet FOU men de båda pumparna och förfiltret förbikopplas. Limp home är ett speciellt driftfall där tanken är att fordonet skall kunna användas på ett begränsat sätt för att medge transport ur farliga situationer som exempel till närmaste avfart på en motorväg.
3.3 FOU Typ 3
FOU Typ 3 är en förenklad variant av FOU Typ 1 avsedd att medge en del av dess fördelar men till en lägre komplexitet och kostnad. Typ 3 befinner sig än så länge på konceptstadiet och är utvecklad till en lägre färdighets- grad än Typ 1. Då motorplattformen FPP är konstruerad utan mekanisk matarpump och motormonterat förfilter behöver dessa komponenter sitta på chassit i någon form. Basen i FOU Typ 3 är ett chassimonterat bränsle- filterfäste monterat mellan bulktank och motor, se Figur 9. Samma typ av
Figur 9: Förenklad representation av FOU Typ 3.
bränsleförfilter och kopp för vattenavskiljning som i FOU Typ 1 används. I toppen av fästet sitter samma typ av matarpump som i FOU Typ 1. Filt- ret befinner sig på sugsidan av matarpumpen till skillnad från FOU Typ 1.
FOU Typ 3 använder sig av en istället för två bränslepumpar utan någon
catch-volym av bränsle däremellan, se Figur 10. Detta innebär att matar- pumpen tvingas förse motorn med bränsle i samma takt som det förbrukas.
Detta innebär i sin tur att bränslet som passerar förfiltret inte gör detta i samma jämna, låga takt som är fallet för FOU Typ 1. Detta medför att vattensepareringen i filtret inte är lika fördelaktig som i FOU Typ 1. Att förfiltret befinner sig på pumpens sugsida innebär likt befintlig konstruktion för LPFC en begränsning i hur igensatt förfilter som kan tillåtas, se Av- snitt 3.8. En följd av det är att bytesintervallet på filtret när det används i FOU Typ 3 bedöms vara kortare än i FOU Typ 1. En annan kompromiss av
Figur 10: Systemöversikt av FOU Typ 3.
FOU Typ 3 är att avsaknaden av catch-volym riskerar resultera i att skvalp i bulktanken leder till att matarpumpen suger luft. Detta får direkt konse- kvensen att luft transporteras till motorn och orsakar driftsproblem vilket inte är fallet med FOU Typ 1 på grund av bränslebufferten. FOU Typ 3 in- nebär ändå en tydlig förbättring jämfört med befintlig konstruktionslösning.
Matarpumpen är elektrisk vilket likt FOU Typ 1 minskar parasitförlusterna som annars är förknippade med en mekanisk pump som ständigt arbetar med överkapacitet. FOU Typ 3 är också betydligt mindre än FOU Typ 1 och mindre komplex vilket minskar produktionskostnaden.
3.4 Scanias bussprogram
Scania producerar bussar avsedda för en rad olika användningsområden.
Alltifrån bussar avsedda för stadstrafik med fokus på hög passagerarkapaci- tet och smidig på- och avstigning, till rena långfärdsbussar med högre krav
KAPITEL 3 - TEORI
på passagerarkomfort och bagageutrymmen, se Figur 11 för exempel. Det
Figur 11: Bilden visar ungefärlig storlek på några av de vanligaste bussvarianterna [11].
stora spektrum av produkter gör att variantfloran blir stor. Scania har löst detta genom att konstruera bussar i moduler. Moduler som går att kombi- nera på flera olika sätt för att täcka flera olika behov utan att antalet kom- ponenter blir orimligt stort. En modul kan vara en bakvagn innehållande en viss typ av motorinstallation och bakaxel. Denna kan sedan kombineras med en framaxelmodul innehållande hjulupphängning av olika typer. Avståndet mellan modulerna kan varieras med olika ramdelar för att producera allt mellan en hög långfärdsbuss till en lång ledbuss. Den stora variationen av bussvarianter utgör en utmaning vid konstruktion av enskilda delsystem.
Scania levererar dessutom bussar till externa företag som förser busschassi- erna med karosser. Dessa karosser är utformade på olika sätt vilket också ökar komplexiteten och variationen av slutprodukten. Vad gäller bränslesy- stemet specifikt så blir konsekvensen framför allt distributionen av bränsle mellan bränsletankar och motor. Motorn är på alla aktuella varianter av bussar placerade i bussens bakvagn. Bränsletankarna är antingen placerade i anslutning till hjulhusen på bussens framaxel eller mellan bussens båda längsgående rambalkar. I långa bussvarianter, exempelvis ledbussar, är av- ståndet mellan bränsletankar och motor av betydande avstånd. Detta utgör en skillnad jämfört med lastbilsinstallationen där motorn är placerad un- der hytten och bränsletankarna normalt monteras direkt bakom hytten. Ef-
tersom busskarosserna byggs hos påbyggare i separata fabriker så levereras alla förutom de allra kortaste varianterna av bussar med en transportlös- ning för bränslesystemet. Transportlösningen innebär att bussens bak- och framaxelmoduler byggs ihop med endast korta ramdelar däremellan. Medi- adragningar såsom ledningar för bränsle, tryckluft samt kablage levereras med betydligt längre längder än transportlösningen kräver. Hos påbyggaren separeras modulerna och längre rambalkar som förbinder dessa monteras innan karossen monteras. Chassierna behöver vara körbara även med trans- portlösning. Detta medför att delsystemen i bussen behöver fungera både i sitt korta utförande och efter att karossen monterats.
3.5 Extravärmare
För att uppnå ett behagligt klimat i bussens passagerarutrymme eller i last- bilshytten används extravärmare. Värmaren utgörs av en enhet som förbrän- ner fordonets bränsle med syftet att producera värme. För tunga fordon an- vänds oftast diesel som bränsle. Värme från värmarens avgaser överförs till motorns kylvätskesystem via en värmeväxlare. Kylvätskan passerar förutom motorn en ytterligare värmeväxlare som utvinner varmluft från den varma kylvätskan. För lastbilar avsedda för längre transporter kan värmaren star- tas manuellt under perioder när föraren vistas i hytten utan att motorn är i gång, till exempel under nattvila. Extravärmaren brukas också automatiskt av fordonets klimatanläggning under stunder då enbart motorn inte produ- cerar nog mycket värme för att vara effektiv. Detta kan vara när motorn nyss blivit startad eller då utomhustemperaturen är mycket låg.
För bussar används extravärmaren normalt sett lite annorlunda. Det är till exempel sällan aktuellt för föraren att vistas en längre tid i ett stillastå- ende fordon och därmed köra värmaren manuellt långa perioder. Däremot är det vanligt att värmarna används innan första starten för dagen för att värma upp motor och passagerarutrymme. Bussar har en, i jämförelse med lastbilar, stor innervolym. Värmare för buss har därför avsevärt högre effekt än de för lastbilar. Värmaren tar bränsle från bulktanken via en separat bränsleledning. Bränslet passerar ett för extravärmaren avsett bränslefilter.
Värmaren för buss är monterad i fordonets bakdel. Den har en integrerad bränslepump och en del av bränslet returneras till bulktanken. Maximal bränsleförbrukning för värmarna till buss är i storleksordning 3,5 L/h [12].
KAPITEL 3 - TEORI
Värmaren avsedd för lastbil är placerad bakom lyktan på höger sida i fordo- net. Värmaren förses med bränsle från bulktanken som pumpas av en extern bränslepump av kolvtyp som är monterad på lastbilens chassi i nära anslut- ning till tanken. De, jämfört med buss, mindre lastbilsvärmarna upplever en del driftsproblem i form av flamavbrott och svårstartade värmare. Gruppen ansvarig för värmaren tror att en del av orsaken är smutsigt bränsle då man inte använder något externt bränslefilter i installationen. Lastbilsvärmaren behöver också startas i produktion enligt en speciell startrutin. Detta krä- ver liksom som för motorn att en förhållandevis stor bränslevolym behöver fyllas i bulktanken. I och med införandet av FOU kommer filtrerat bräns- let tas från catch-tanken istället. Bränsleuttaget är då placerat nära botten på FOU. Detta därför att man även fortsättningsvis vill kunna använda värmaren under en längre tid även med motorn avstängd. Den tillgängliga bränslemängden är begränsad till bränslet i FOU. När motorn är avstängd är även transferpumpen avstängd. Efter en längre tids körning av värmaren kan catch-tanken vara tom på bränsle medan det fortfarande finns tillgäng- ligt i bulktanken. Situationen kan vara problematisk av flera orsaker. Dels är det ett pedagogiskt problem att extravärmaren inte kan användas med tom catch-tank samtidigt som bulktanken är full. Dels är det svårt att veta hur länge extravärmaren kan användas med volymen i catch-tanken. Detta eftersom man inte har något sätt att mäta volymen förutom när nivåvakten i FOU indikerar nominell volym. Volym mindre än den nominella beräknas indirekt genom att motorns bränsleförbrukning är känd. Man har dock inget sätt att veta extravärmarens exakta förbrukning.
3.6 Tryckfall bränsleledningar
En skillnad mellan buss- och lastbilsinstallationen är att inbördes avstånd mellan motor, FOU och bränsletankar troligen förhåller sig olika. Detta in- nebär att längden på de rörledningar som förbinder dessa varierar. Bränsle- ledningarna bidrar till ett tryckfall av bränslet som pumpas. Därtill bidrar ventiler, rörkopplingar, rörböjar etcetera till tryckfall. Snabbkopplingarna används som anslutningar mellan ledning och komponenter i bränslesyste- met men även där en skarv på bränsleledningen är nödvändig, exempelvis för att tillåta förlängning av ett busschassi hos påbyggaren. Tre typiska va- rianter av snabbkoppling för bränsle ses i Figur 12. Gruppen NMCL har
(a) rak (b) 45◦ (c) 90◦
Figur 12: Exempel på vanliga snabbkopplingar som används i bränslesystemet [13].
gjort mätningar på tryckfall i 12 mm bränsleledningar som är den vanli- gast förekommande dimensionen i bränslesystemet. Dessa presenteras i Fi- gur 13. Mätningarna är gjorda för flöden 0-7 L/min i steg om 0,5 L/min och anges per meter ledning. Tryckfall kan också beräknas analytiskt. Tryckfall
Figur 13: Uppmätta tryckfall per meter 12 mm bränsleledning [14]. Flöden från 0-7 L/min visas.
i ledningar är nära förknippat med Reynolds tal som karaktäriserar flödet.
Reynolds tal beräknas som
Re = ρudi
µ . (1)
KAPITEL 3 - TEORI
där ρ är densiteten hos fluiden, u är fluidens medelhastighet, µ är dyna- misk viskositet och di är ledningens innerdiameter [15]. Då dynamisk och kinematisk viskositet förhåller sig som
ν = µ
ρ, (2)
och u uttrycks som volymflöde kan Reynolds tal uttryckas som Re = 4Q
νπdi. (3)
I Ekvation (3) är Q volymflödet och ν fluidens kinematiska viskositet. En generell tumregel säger att för Reynolds tal över 2100 är flödet turbulent och under detta laminärt [15]. Tryckfall av inkompressibla vätskor kan beräknas som
∆p = 2Lbränslef ρu2 di
(4)
där Lbränsle är ledningens längd och f är Fannings friktionsfaktor [15]. Ek- vation (4) är giltig för både laminära och turbulenta flöden. Ekvation (4) kan för cirkulära ledningar med konstant tvärsnitt skrivas som
∆p = 32Lbränslef ρQ2
π2d5i . (5)
För laminära flöden ges f av den explicita lösningen [15]
f = 16
Re. (6)
För turbulenta flöden är beräkningen av friktionsfaktorn empiribaserad. Den beror bland annat på ytfinheten på rörväggen. Många uttryck för friktions- faktorn finns tillgängliga i litteraturen. Alla är approximationer varav vissa löser för f explicit och andra implicit. Dessutom kan olika lösningar vara mer eller mindre giltiga i särskilda intervall. En explicit lösning för f ges av Drews ekvation [15]
f = 0, 00140 + 0, 125Re−0,32. (7)
Uttrycket är giltigt för Reynolds tal mellan 3000 och 3 · 106 [15]. Nackdelen med Drews ekvation är att den förutsätter helt släta ledningar. Ett annat ex- plicit uttryck för f som tar hänsyn till ytfinheten i ledningen ges av Haaland som [15]
√1
f = −3, 6logh ε 3, 7di
1,11
+6, 9 Re
i. (8)
där ε är den så kallade relativa ytfinheten. Den ges av [15]
ε = e/di. (9)
I Ekvation (9) är e den absoluta ytfinheten. Den beror bland annat på ma- terial och tillverkningsmetod. För så kallad drawn tubing kan e uppskattas till 0,0015 mm [15]. Med Ekvation (5) och Ekvation (8) går det nu att göra förutsägelser på tryckfall som härrör från friktionsförlusten mellan fluid och rörvägg.
Tryckfall som är förknippade med passage genom ventiler och rörböjar är inte beaktade. Dessa utgör så kallade engångsförluster och tas generellt fram genom provning då beräkningar av dessa är vanskliga. Tryckfall över på Sca- nia vanligt förekommande snabbkopplingar (raka, 45◦ och 90◦) har provats tidigare, se Figur 14. Som väntat ökar tryckfallet över kopplingen med flödet.
Notera också att tryckfallet är relativt lika för en rak och en 45◦-koppling medan flödet stryps betydligt för 90◦-kopplingen. Generellt försöker Scania undvika denna typ av skarpa böjar i bränslesystemet för att reducera det totala tryckfallet.
KAPITEL 3 - TEORI
Figur 14: Tryckfall över snabbkopplingar (rak, 45◦ och 90◦) vid flöden 0-7 L/min [16].
3.7 Tryckfall armatur
Även armaturen som i förekommande fall används för att suga bränsle från bulktanken är föremål för tryckfall. Armaturen suger bränsle vertikalt varför även sughöjden ger ett bidrag till tryckfallet över armaturen. Inga tidiga- re prov av tryckfall över armaturer på bussar är kända. Däremot har ett prov på en liknande armatur som används på lastbil gjorts, se Figur 15 [17].
Armaturen som provats har en lyfthöjd om cirka 660 mm men den totala lyfthöjden inklusive bränsleledningar som använts i provuppställningen upp- går till 740 mm. Detta är i samma storleksordning som armaturerna som används för bussar och provet bedöms därför ha relevans även där.
Figur 15: Tryckfall över jämförbar bränslearmatur vid flöden 0-7 L/min [17].
3.8 Bränslefilters funktion
Scania använder en typ av bränslefilter som består av ett cylindriskt filte- relement med ett hål i som monteras i ett filterhus, se exempel i Figur 16.
Bränslet når filterhuset via en ingång och fyller upp ett utrymme mellan huset och filterelementets mantelyta. Bränslet passerar sedan genom filtret och når centrum av filterelementet där det lämnar filterhuset genom ett hål.
På vägen mellan filterhusets ytterdel och innerdel sker filtrering av partik- lar och vattenseparering [18]. Filterelement består av flera lager med olika funktioner. När bränslet når filterelementets utsida kan det vara mer eller mindre kontaminerat med smuts och vatten. Det yttersta lagret består av genomsläppliga cellulosafibrer som är veckade för att projicera så stor area som möjligt mot bränslet. Fibern släpper igenom bränsle och eventuellt vat- ten medan partiklar fastnar i fibern. Tätheten på fibern bestämmer hur stora partiklar som sorteras ut i denna grovfiltrering. De finaste partiklar- na passerar cellulosafibern. Nästa lager i filterelementet består av en typ av skummaterial. I detta lager sker så kallad koalescens. På grund av att bräns- le och vatten har olika densitet löser sig inte vatten i bränslet utan bildar
KAPITEL 3 - TEORI
Figur 16: Exempel på filterelement som utnyttjar koalescens för vattenseparering.
Figuren föreställer ej ett filterelement från Scania [18].
istället små vattendroppar. Koalescens innebär att de små vattendropparna stegvis slås ihop till allt större vattendroppar [19]. Denna del av filtret är tillverkat i en oorganisk fiber. Vattendropparna binder till fibern och bildar större droppar alltmedan bränslet passerar [20]. Nästa lager av filtret består av en bränslefylld spalt. I denna spalt sker själva vattensepareringen genom att de nu förhållandevis stora vattendropparna sjunker genom bränslet i spalten genom sin högre densitet. Dropparna sjunker ned i en kopp i filter- husets botten där vatten lägger sig underst. Nästa lager i filtret är det sista och består av ett finmaskigt nät. Kvarvarande mindre vattendroppar fångas upp av nätet och letar sig ned till koppen i botten av filtret. Bränslet som passerar nätet är nu till hög grad fritt från vatten och kan lämna filterhuset genom centrum av filterelementet.
För att koalescens skall fungera tillfredsställande behöver vattendropparna få tillräckligt med tid på sig att bildas. Därför främjas vattensepareringen av en lång genomströmningstid [20]. För en given volym på filterhus innebär det ett så lågt flöde som möjligt. I och med FOU Typ 1 kan flödet ske i jämn takt beroende på att volymen i catch-tanken fungerar som buffert för tillfälli- ga toppar i bränsleförbrukning. Detta främjar vattensepareringsprestandan.
Dessutom är systemet utformat så att returbränsle från motorn förs tillbaka till catch-tanken istället för till bulktanken som tidigare varit fallet. Retur- bränslet behöver inte filtreras ytterligare en gång vilket resulterar i att ett lägre flöde är möjligt genom förfiltret. Denna typ av vattenseparering sker på den rena sidan av filtret det vill säga efter att partiklar separerats. Tidigare varianter av bränslefilter som använts på Scanias XPI-motorer separerade
vatten på den smutsiga sidan av bränslefiltret genom att mantelytan på filt- ret är behandlad för att vara vattenfrånstötande. Detta har fungerat väl när filtret varit rent men i takt med att filtret blivit smutsigt har vattensepare- ringen tappat effektivitet. Utnyttjandet av koalescens medger en effektivare vattenseparering under hela filtrets livslängd.
Vidare är en stor mantelyta på cellulosafibern fördelaktigt vilket är anled- ningen till att denna är veckad. Med tiden blir en allt större andel av man- telytan mättad med smuts så till den grad att filterelementet anses vara förbrukat. Detta kan mätas genom att jämföra trycket före och efter fil- terhuset. I takt med att fibern mättas med smuts får bränsle allt svårare att passera vilket visar sig som ett tryckfall. Att förfiltret befinner sig på trycksidan av bränslepumpen är en stor fördel. I takt med att tryckfallet över filtret ökar måste transferpumpen arbeta upp ett högre tryck för att upprätthålla flödet genom filtret. Det finns inga fysikaliska begränsningar för vilket tryck som krävs så länge tekniska begränsningar för bränslepum- pen beaktas. I fallet då bränslefiltret befinner sig på sugsidan av pumpen uppkommer dock ett problem. Tryckfall över filtret är även här en realitet.
Dock är trycket i en konventionell bränsletank runt atmosfärtryck (cirka 1 bar). Om tryckfallet över filtret blir för stort närmar sig bränsletrycket vaku- um. Negativa tryck är inte möjligt. Istället uppstår så kallad kavitation. Det innebär att bubblor bildas där fluiden lokalt övergår till gasform på grund av det låga trycket [21]. Dessa bubblor orsakar, när de brister, erosion av mekaniska komponenter i bränslepumpen som dessutom tappar effektivitet.
Sammantaget innebär detta att det finns en fysikalisk begränsning för hur stort tryckfall som kan accepteras över ett filter på sugsidan av pumpen.
Något som inte är lika bekymmersamt i fallet med filtret på trycksidan.
3.9 Bränslepumpars funktion
En vanlig typ av bränslepump på tunga fordon är den så kallade gerotor- pumpen, se Figur 17. Den är en så kallad positiv deplacementspump vilket innebär att en fluid transporteras genom att en begränsad volym tvingas fram genom pumpen. Detta innebär att det pumpade flödet blir en direkt funktion av varvtalet och flödet är inte beroende av trycket på trycksidan av pumpen [22]. Gerotorpumpen består av en yttre och en inre rotor där den yttre har en tand mer än den inre. Den inre rotorn är drivande av en motor
KAPITEL 3 - TEORI
Figur 17: Funktionsprincip av en gerotorpump [23].
eller liknande. Den inre rotorns axel är förskjuten i förhållande till den yttre rotorn. På grund av geometrin mellan rotorerna bildas en volym som under ett pumpvarv först blir större (vilket skapar ett undertryck) för att sedan bli mindre (vilket skapar ett övertryck). Transitionen sker kontinuerligt vilket resulterar i en jämn pumpverkan.
3.10 CAN
Pumpenheterna kontrolleras via en så kallad CAN-bus (Controller Area Network) som gör det möjligt att starta, stoppa och varvtalsreglera pumpar- na fritt inom sitt arbetsområde. CAN är en kommunikationsstandard vanlig inom fordonsindustrin ursprungligen utvecklad av Bosch [24]. CAN med- ger att olika noder (ECU) kan kommunicera med varandra på ett snabbt och driftsäkert sätt. Alla ECU är anslutna parallellkopplade med två ledare benämnda CAN_low och CAN_high och signalen består av differensspän- ningen. Informationen sänds som paket och tas emot och tolkas av respek- tive ECU. Denna så kallade CAN-bus löper längs en ryggrad med början och slut bestående av så kallade termineringar, se Figur 18. Terminering- en kan antingen ske i en ECU eller genom att CAN_low och CAN_high sammankopplas med en resistor. CAN-busen kan också byggas ut med för- greningar som kallas stubbar [25]. Ett fordon kan ha flera CAN-busar och de kan ha olika hastighet beroende på hur tidskritiska signalerna är. Signaler
till exempelvis säkerhetssystem eller bränsleinsprutning kräver vanligen en hög överföringshastighet.
Figur 18: Schematisk beskrivning av en CAN-bus.
De elektriska bränslepumparna i FOU ligger i lastbilsinstallationen på en så kallad sub-CAN från motorstyrenheten (EMS), se systemöversikt i Fi- gur 19. Denna CAN-bus går i en så kallad daisy chain i serie till de båda bränslepumparna och vidare till ECU för avgasefterbehandling (EEC). Ter- mineringen sker i EEC men de elektriska bränslepumparna är förberedda för att kunna utgöra terminering i CAN-busen om detta blir aktuellt i fram- tiden [4]. Daisy chain innebär att alla komponenter ligger i serie på CAN-
Figur 19: En översikt av CAN-bus och spänningsmatning för FOU i lastbilsinstal- lationen [9].
KAPITEL 3 - TEORI
busen helt utan stubbar. Stubbar utgör potentiella felkällor i CAN-busen då risken för störningar är större än i ryggraden. Störningar kan också vara ett problem vid långa ledningslängder och därför finns det maxlängder för ryggrad och stubbar definierade i generella standarder för CAN. Scania har egna definierade standarder för maxlängder. Dessa specificerar maxlängden på ryggraden (Lmax) och maxlängden på stubbar (Smax), se Figur 18 [26].
Placeringen av EMS, EEC och CMS i busschassit framgår av Figur 20.
Figur 20: Översikt över var EMS, EEC och CMS är placerade i busschassit (vy från sidan).
3.11 Spänningsfall
En strömkabel utgör i sig själv en resistens i en elektrisk krets [27]. Den- na resistens resulterar i att kabeln orsakar ett spänningsfall. Resistensen och därmed spänningsfallet ökar med längre och tunnare kablar och kan resultera i att spänningen över övriga komponenter i kretsen inte räcker till.
Spänningsfallet per ledare beräknas med Ohms lag som
Udif f = RI. (10)
Resistensen för en kabel med elektrisk resistivitet ρel, längden per ledare Lel och tvärsnittsarean Ael ges av
R = ρelLel Ael
. (11)
Totalt spänningsfall ges bidrag av både ledare och återledare. I lastbilar och bussar är det vanligt jordning sker via chassits rambalkar som på grund av grova dimensioner resulterar i låg resistens och därmed lågt spänningsfall.
Det är därför möjligt att bortse från detta spänningsfall i praktiska beräk- ningar.
Bränslepumparna i FOU är kravsatta att arbeta vid en nominell spänning om 24 V vid avstängd motor och 28 V med påslagen motor (Då laddning med generator sker) [4]. Ett spänningsintervall kring nominell spänning ges av den interna standarden TB1901 [28]. Där definieras hur en elektrisk enhet skall testas för att möta standarden. Vad gäller vilka störningar av driftspänning som enheten skall klara definieras två funktionsklasser [28]:
• Klass A: Alla funktioner hos enheten/systemet beter sig enligt speci- fikation under och efter störningen.
• Klass B: Alla funktioner hos enheten/systemet beter sig enligt spe- cifikation under störningen, men en eller flera funktioner tillåts vara utanför tolerans. Alla funktioner återgår till normala specifikationer efter störningen.
Standarden kräver för 28 V nominell spänning att funktionsklass A skall upprätthållas i intervallet 22-32 V och funktionsklass minst B i intervallet 16-22 V. Detta i temperaturer mellan -40◦C och maximal drifttemperatur för enheten eller systemet som testas.
I lastbilsinstallationen matas de elektriska bränslepumparna i FOU med spänning via en elcentral benämnd P8 i fordonets front. Detta framgår av Figur 19. Elcentral P8 är avsedd att förse chassimonterade ECU med avsäk- rad spänning, jord och Wake up (aktivering av ECU i stand by för att spara ström) [29]. Elcentral P8 finns även i bussinstallationen och är där belägen i motorrummet, se Figur 21. WIF-givare och nivåvakt i FOU förses med ström direkt från CMS och har därmed ingen separat matning. Scania har också en intern riktlinje som säger att spänningsfallet i den elektriska kretsen fram
KAPITEL 3 - TEORI
Figur 21: Översikt över komponenter för spänningsmatning i busschassit. Notera elcentral P8 i anslutning till motorn [29].
till en komponent inte bör överstiga 3 % av den nominella spänningen [30].
Denna består förutom av kabel av andra elektriska komponenter. Interna riktlinjer för ett urval av dessa kan se i Tabell 1.
Tabell 1: Riktlinjer för resistens hos ett urval av elektriska komponenter [30].
Komponent Resistens
Kontakt <2 mΩ
Säkring med hållare <15 mΩ
Detta kapitel beskriver genomförandet av utredningen.
4.1 Jämförelsematris
Resultatet från urvalsprocessen av FOU krav beskrivet i Avsnitt 2.2 har samlats i en jämförelsematris. Denna återfinns i sin helhet i Bilaga A. Vissa av de identifierade interaktionerna i matrisen är av en sådan karaktär att de inte kan undersökas vidare i detta skede av utvecklingsarbetet. I dessa fall är dessa krav markerade i matrisen och lämnas som information vid fortsatt konstruktionsarbete. De interaktioner som är identifierade som möjliga att undersöka förutsättningarna för är markerade med en symbol som represen- terar vilken metod som använts för undersökningen. Dessa undersökningar återfinns i följande avsnitt.
4.2 Beräkningar
Avsnittet innehåller överslagsberäkningar på busspecifika förutsättningar och jämförelse med FOU krav. För att underlätta användandet av variabelnamn används vidare två index varav det första representerar transferpump (1) eller matarpump (2). Det andra index representerar pumpens sugsida (1) eller trycksida (2). För de fall då endast ett index används representerar detta vilken pump som avses. Alla tryck anges relativt omgivningstryck.
4.2.1 Tryckfall bränsleledningar
För att uppskatta ifall tryckfall i bränsleledningar möter kraven för transfer-, matar-, och högtryckspump1 har data för tryckfall i 12 mm bränsleledning tagits fram enligt Avsnitt 3.6. Resultatet kan ses i Figur 22. Figuren visar uppmätta och beräknade tryckfall ∆P för 1 m bränsleledning i 12 mm PA- plast. Ledningstypen är förstahandsvalet för transport av bränsle i chassit.
Fluiden som använts är diesel vilket är det i särklass vanligaste bränslet som används på Scania. Figuren visar flöden 0-7 L/min.
1FOU krav A8-A12
