משמעות רמת הניקיון במנועי הזרקת מסילה משותפת

מערכות מתקדמות לסינון דלק דיזל שיעמדו בדרישות מערכות HPCR

למנועים עם מערכות המושתתות על הזרקת דלק בלחץ גבוה (HPCR) נדרשות רמות ניקיון חסרות תקדים, שעד לאחרונה קשה היה להשיגן. זאת בשל הרגישות הגבוהה של מערכות HPCR לחלקיקים מזהמים קטנים, ובשל התנאים בהם מנועי דיזל אמורים לפעול. באוויר ובים מסנני דלק אמורים לספק דלק נקי למרות ההשפעות של תנודות, זרמים פתאומיים ומגוון רחב של מזהמים קטנים, ובשל התנאים המיוחדים בהם מנועי דיזל אמורים לפעול. מאמרים קודמים הבטיחו מערכות סינון דלק שמפחיתות את שחיקת המזרק בתנאי שטח קשים ומציגות פעילות תקינה בתנאים של תנודות וזרמים חזקים. במאמר זה נציג תוצאות נוספות כולל נתוני מנועים ומערכות משופרות לסינון דלק שמפחיתות את השחיקה ומשפרות את אמינות מערכת ה-HPCR .

מערכות של הזרקת דלק בלחץ גבוה למנועי דיזל הינן בעלות דרישות סינון גבוהות.  כיום, מערכות HPCR יכולות לפעול בלחץ של 2000 בר (psi 29000 ) כמעט פי 4 מאשר הלחץ בהן פועלות מערכות הידראוליות שעובדות בלחץ גבוה. המרווח בין החלקים הנעים קטן יותר מאשר 5 מיקרון . כמו כן חייבת להיות תנועה חופשית בין החלקים ע"מ לשלוט בהזרקות המתרחשות בלוחות זמנים של אלפיות השנייה ובשינויים שמקורם בשחיקה או קורוזיה. במאמר זה נסקור דרישות של מערכות HPCR אתגרים עתידיים וסוגיות בנושא וכן אביא לפניכם תוצאות בנושא פיתוח של מערכות לסינון דלק HPCR .

HPCR אתגרים וסוגיות בנושא
יצרני מנועים מציינים שרמת הניקיון המושגת של הדלק אמורה להיות מוגדרת בקוד ISO של 18/16/13 או אפילו גבוהה יותר (8-9). זה מתייחס לרמות ניקיון לדלק המסופק לטנק דלק בכלי רכב.
כתוצאה מהמרווח הקטן בין החלקים הנעים אחדים מיצרני מזרקי הדלק דורשים אפילו יותר בשל מזהמים שעלולים לחדור למזרקי הדלק. מגבלות אלו משתנות בהתאם לשימוש ולאורך החיים המצופה מהרכיב הנדרש.
רמות ניקיון של 13/10/7 ואף יותר מזה הן אופייניות. כדי לעמוד בדרישות אלו מספר אתגרים עומדים בפני יצרני המסננים.

הורדת נצילות ורמות ניקיון
מאפייני הורדת הנצילות של מסנן דלק הינם פחות חשובים להזרקת דלק ויצרני מנועים מאשר רמות הניקיון ., מדריכי ה-WWFC מצביעים כי דלק דיזל המסופק לטנק דלק של כלי רכב צריך לשאת קוד זיהום ISO 4406 של 18/16/13 או אף נקי יותר (11). קוד הזיהום של ISO הינו שיטה לתאר את ריכוז החלקיקים גדולים מ4,6 ו 14 מילימיקרון. קוד ISO של 18/16/13 מתאים לריכוז חלקיקים של 1300-2500 חלקיקים בגודל של עד 4 מיקרון למיליליטר.
בין 640-320 חלקיקים בגודל של עד 6 מיקרון למיליליטר  ובין 40-80 חלקיקים בגודל של עד 14 מיקרון למיליליטר. רמות ניקיון הדלק בדלק המסופק נע בין 13/10/6 הנמוך ביותר עד ל-24/23/19 (1-3) הגבוה.
במערכות אספקת דלק דיזל אין אמצעי ביטחון למניעת זיהום שעלול להיגרם כתוצאה מתובלה אחסון ותחזוקה. לכן בזמן שחלקו הארי של סינון הדלק נועד לעזור להילחם ברמות זיהום של הדלק אין תחליף לסינון איכותי ויעיל On Line .
הורדת הנצילות האמורה לעיל מבוססת על הנחות שנעשו בדבר רמות של חלקיקים מזהמים שהמסנן מצופה לטפל בהן תוך כדי הגנה על המנוע. מאחר ורמות הניקיון במורד הזרם של המסנן תלויות ברמות הניקיון בחלקו העליון הפחתת הנצילות הינה באופן מעשי מוסכמת.
גישה שמרנית יותר הינה לתכנן את מערכת הסינון כך שתספק הגנה טובה יותר לדלקים. במקרה כזה נדרש יחס β של 256 (99.6% ). אלו הן דרישות גבוהות המעמידות בפנינו אתגרים להשגת המטרה כפי שידובר בהמשך.

נחשולי זרם ותנודות
יחסβ של 256 יכול להיות קל להשגה בתנאי מעבדה, אבל מסננים המורכבים על מנועים פועלים אמורים לעבוד בכפוף לנחשולי זרם ותנודות שמשפיעות על ביצועי המסנן. במהלך ההתנעה ושינויי מהירות קצב הזרימה משתנה בצורה חדה ואמור לתת מענה לדרישות המפעיל. באופן דומה מסננים בים ובאוויר יש לקחת בחשבון טווח של תנאי רטט שתלוי באופן השימוש במנוע. יחד השפעות זמניות אלו הינן בעלות הפוטנציאל להשפיע לרעה על הסרת מזהמים.
תופעות חולפות משפיעות ישירות על ריכוזי החלקיקים בזרם של מסננים. איור 1 מציג נתונים לגבי ספירה מקוונת של חלקיקים המתקבלת מדלק הזורם למנוע נייח בזמן הפעלה. זה מציג טווח רחב של קודי ISO החל מ-11/6/0 עד ל-19/13/10 , טווח של 8 קודי ISO ותוחלת ריכוז של יותר משני סדרי גודל במהלך תקופת זמן של 25 שעות. ביישומי כרייה רמות ניקיון הדלק שנדגמו לפי ספירת חלקיקים נצפו בטווח של קודי ISO בין 14/3/9 ועד 26/13/10 . זהו טווח של 12 קודי ISO והוא משתרע על יותר מ-3 סדרי גודל בריכוז החלקיקים. בשני המקרים הנתונים היו מהזרם של מערכת הסינון. זה מראה כי תנודות גדולות בריכוזים במעלה הזרם אופייניות בשל תנאים חולפים. אלו הן התוצאות של חזרת חלקיקים מהצנרת ומטיפול במערכת הדלק..

האיור הבא מתאר את ריכוזי החלקיקים במעלה הזרם במנוע נייח בזמן הפעלה
ציר X- זמן
ציר Y- כמות חלקיקים למיליליטר

ריכוזי החלקיקים במעלה הזרם במנוע נייח בזמן הפעלה

איור 1: ריכוזי החלקיקים במעלה הזרם במנוע נייח בזמן הפעלה

זה חשוב מכיוון שיש קורלציה חזקה בין שחיקה בלתי הפיכה של השסתום המנתב לרמות ניקיון הדלק. באותו מחקר ראו גם שהשחיקה מואצת מאוד במהלך נחשולי זרם שנגרמו על ידי העברת המנוע למצב הפעלה. הדבר מצביע על כך כי אפילו בהעדר כל השפעה ישירה על סינון, שינויים במהלך הזרימה לבדם הינם בעלי השפעה מרכזית על רמות ניקיון הדלק כפי שנוסה במערכות HPCR וכתוצאה מכך גם על חיי המזרק ושחיקתו.
בנפרד מן ההשפעה על ריכוז החלקיקים במעלה הזרם, נחשולי זרם משפיעים ישירות על ביצועי המסנן. ביישומים הידראוליים ידוע כי נצפו ירידות בתנאים של שינוי קצב זרימה. ב-ISO ו-SAE העבודה בוצעה כדי לאפשר מדידה של ביצועי מסנן בתנאים קצב זרימה משתנה. בתנאים שבהם הזרימה הייתה בין
0 ל-100% דווחה ירידה בביתא על ידי יותר מגורם של 2 (יעילות ירדה בחצי). עוצמת הירידה תלויה בתכנון המסנן ובהיסטורית טעינת המזהמים שלו.

הירידה ביכולת ההרחקה עולה בנוזלים בעלי צמיגות נמוכה כמו אויר ודלק דיזל. באויר, האפקט הוכח כפונקציה חזקה לא רק בשל עוצמת השינויים של קצב הזרימה אלא גם כמה מהר זה קורה. במערכות דלק קצב השינוי יכול להיות מהיר יותר
מ-0.1 הרץ המושג בבדיקה מחזורית במסנן הידראולי.
אין להתעלם מההשפעות של רטט במסנני דלק בים ובאויר. רטט יכול להשפיע לרעה על ביצועי המסנן על ידי גרימת פריקה מחדש של מזהמים מהעבר של המסנן. בדוגמא של המקרה הגרוע ביותר בתנאי מבחן במעבדה רמות הזיהום במורד הזרם מתוך מסנן ללא רטט נצפתה עלייה של כ-11 קודי ISO כאשר רטט נוסף למסנן הדלק המסורתי. באוויר ובים זה צפוי להיות פחות מכיוון שהמסננים חשופים ברציפות לרטט.
בהתאם לעיצוב המסנן, לרטט יש גם את הפוטנציאל להשפיע לרעה על סילוק מזהמים. ביתא ויעילות ההסרה פוחתות ככל שכח ההאצה של הרטט עולה. ברמות הניקיון במורד הזרם של מסנן קונבנציונאלי נצפתה עלייה של 2-3 קודי ISO לכל 4 מילימיקרון בעת שההאצה הוגדלה מ-0 ל-8 Grms .כח של 9 Grms הינו בטווח התקין לעבודת מנועי דיזל. ביתא הינה גם פונקציה מורכבת של תדירות הרטט.

טבעם של המזהמים
טבעם של החלקיקים המזהמים משפיע הן על הסרתם והן על חייו של מסנן הדלק. באופן כללי, ביצועיו של מסנן מעבדה עבור מסנני דלק נמדד בתנאים של אבק קשה ובתנאי מבחן של שחיקה של סיליקה..סוגי אבק אלו מאפשרים השוואות משמעותיות של מסננים שונים בתנאים מבוקרים והם דומים למזהמים רבים הגורמים לשחיקת מערכות ה-HPCR . מצד שני מבחני אבק אחידים הם כפי הנראה לא מדגם  מייצג של מזהמים להם נחשף דלק רגיל להם מסנני הדלק חשופים בשטח.
בניגוד למבחני אבק אחידים מזהמים בשטח הם אורגנים בטבעם. בין 80-100% מבין המזהמים שמסנני הדלק אמורים להסיר הינם אורגניים. איור 2 מציג מה נמצא בדרך כלל בתחום של מנועים פועלים ע"י ULSD . כדי להשיג SEM ( סריקה במיקרוסקופ חלקיקים אלקטרוני) המתואר באיורים 2-4 מזהמים מדלק העבודה של מנועי דיזל סוננו החוצה ונשטפו עם פנטן להסיר את שאריות הדלק ונבחנו על ידי מיקרוסקופ סורק אלקטרונים. באיורים 2-4 נראים סיבים מהמסנן המשמשים לרכז את המזהם כמו גם מזהמי דלק.
באיור 2 כמה חלקיקים בודדים מופיעים ובהרכב היסודות שלהם מופיעים חלקיקים אורגניים האחראים לשחיקת מתכות , סיליקה וכן נתגלו תוצרי לוואי כתוסף. תוצאות אלו דומות למה שדווח במחקרים קודמים בארה"ב, סין והודו.
במחקר זה דווח גם כי 49% מהמזהמים האורגנים היו בעלי הרכב של סיליקון, אלומיניום וברזל שידועים כגורמי שחיקה.

תמונה של זיהום דלק במנוע נייח

תמונה של זיהום דלק במנוע נייח

איור 2 מציג תמונה של זיהום דלק טיפוסי אבל "טיפוסי" מכסה מגוון רחב של חלקיקים. ישנו גם מקרה מיוחד של מזהמים שהינם בעלי פוטנציאל להשפיע על חיי המסנן.
איורים 3 ו-4 מראים שתי דוגמאות של מקרים מיוחדים אחרים.
היישומים המיוצגים על ידי איורים 2 ו-3 הם יישומים נייחים והם שונים מבחינת גיל הדלק. התמונה המתקבלת באיור 2 התקבלה מדלק חדש יחסית שהיה במיכל אחסון בתפזורת במשך פחות מחודש. לעומת זאת, התמונה המתקבלת באיור 3 היא  מדלק שהיה במיכל אחסון בתפזורת במשך כמעט שנה אשר התחיל לרדת בדרגתו. הוא עשיר במתכות אספלטיות ומוגדר כפנטן מסיס, חומר אורגני אספלטי נוטה להיות רך עם נטייה יותר גדולה לסתום מסננים מאשר חומרי שחיקה קשים בתנאי מעבדה.

איור 3: תאור של מזהמים בדלק בן שנה אחת במנוע נייח

איור 3: תאור של מזהמים בדלק בן שנה אחת במנוע נייח

איור 4 מדגים מזהמי שעווה ממקרה מאד מיוחד דלק ULSD) Ultra low sulfur diesel) קר דלק זה היה מאוחסן בטמפ' סביבה של 26- מעלות צלסיוס. מופע המזהמים באופן שטחי דומה לאספלטיות. במקרה זה המסנן המרכזי מכוסה על ידי סרט של מזהמים דמויי ג'ל. בטיפ' נמוכות מתחת לנקודת ה-0 מרבית מרכיבי הדלק יוצרים משקע בצורת שעווה האחראית לסתימת מסננים. בין אלו חומרים בעלי נקודת התכה גבוהה נשארים מאחור אפילו כאשר מעלים את הטמפ' לטמפ' החדר.
איור 4 מצגי עוד מזהמי שעווה ממקרה אחר מיוחד כאשר הטיפ' מועלית לטיפ' החדר ניתוח של חומר זה מראה כי חומר זה מורכב ברובו מחומרים בעלי נקודת התכה גבוהה ומתרכובות פרא פיניות.

איור 4: תמונה של מזהמי שעווה בדלק מתוך חפירה

איור 4: תמונה של מזהמי שעווה בדלק מתוך חפירה

טעינה אלקטרו סטטית
פריקה אלקטרו סטטית בתוך מסנן הינה דבר נדיר, אבל דווחה הן במערכות תעופה והן במערכות דלק דיזל. פריקות כאלו יכולות להתרחש בין אלמנט הסינון ובין התושבת שלו ועשויות לגרום נזק למסנן או אפילו לשרוף חורים במסנן עצמו. חורים לאורך המסנן ובנקודות איטום בצמתים יכולים להוות גורם מפריע בסילוק מזהמים. פריקה אלקטרו סטטית במסנני דלק הינם תוצאה של תופעת הפרשי פוטנציאלים. במערכות נוזליות טעונות כמו זו הקיימת במסנן המערכת תשאף להשיג ניטרליות אלקטרונית על ידי העשרת האזור הסמוך לאזור הטעון במטענים בעלי מטען חשמלי הפוך. כאשר זרם מושרה המטענים
הללו נסחפים והתוצאה היא הפרשי מתח והפרשי פוטנציאלים גדולים. בהעדר הארקה או חיבור אדמה פריקה אלקטרו סטטית עלולה להתרחש בתנאים אלו.
פריקה אלקטרו סטטית נמנעת בדרך כלל על ידי הוספה של חומרים משפרי מוליכות לדלק על ידי בתי הזיקוק ובמקרים מסוימים על ידי הארקת המסנן. במקרים בהם זה לא הוכח כיעיל הסיבה הקודמת היא ירידה מוגזמת בלחץ המסנן בתנאי ההפעלה. זה מעבר להיקף של מאמר זה לדון כיצד תכנון המסנן משפיע על גודל הפרשי הפוטנציאלים. הכוונה שלנו היא רק ליידע את הקוראים לגבי מהות בעיית הפוטנציאל.

התקדמות
מאז הדיון הקודם ברור שיש כמה אתגרים טכניים עימם אמורים להתמודד. זה מעלה את השאלה עד כמה מערכות סינון דלק קיימות עונות על צרכי ה-HPCR ואיזו התקדמות הושגה. האתגר הגדול ביותר הוא להשיג יכולת הסרה של 4 מילימיקרון גם בתנאים של רטט ונחשולי זרם פתאומיים.
בעבר, הוצגו תוצאות מבטיחות. בשימוש במתודולוגיה דומה איור 5 מספק אינדיקציה היכן התעשייה ולאן היא הולכת. מוצגות כאן התוצאות מ-4 מסננים שונים. שלושה מתוך המסננים A,B,C הינם מסננים זמינים מסחרית מיצרנים שונים. מסנן D הינו מסנן דלק התפתחותי. הנתונים התקבלו על ידי טעינת המסננים בתנאים זהים ללא רטט עם ריכוזים גבוהים של איזו אולטרפין- מבחן אבק.
לאחר זמן מה התווסף גם רטט. מתוך נתונים אלו נעשו מספר מדידות של ביצועי המסנן. הגידול בספירת החלקיקים בתנאי רטט מעיד כמה טוב המסנן יכול ללכוד מזהמים וכמה הוא עמיד בפני פריקה מחדש. תוצאות אלו היו דומות בארבעת המסננים לאחר בדיקה מקרוב. עם זאת,מסנן D הראה ריכוז נמוך יותר של מזהמים מאשר המסננים האחרים.
השוואת שיעורי ספירת החלקיקים אשר התייצבו לאחר רטט מראה את השפעת הרטט על הסרת מזהמים. סנן D השיג מצב יציב יותר מהר,מה שמרמז על זה שהוא הושפע פחות מכל השאר. התוצאות מראות ששנן D מתקרב לדרישות סינון מערכות HPCR ומספק הגנה טובה יותר למנוע בתנאי שדה מאשר
המסננים הזמינים מסחרית.

 

איור 5

איור 5

 

למרות שעל פי בדיקות המעבדה הוא מבטיח עדיין ישנה השאלה כיצד תהיה ההשוואה בין המסננים בתנאים של מנוע פועל. ישנם אינדיק טורים רבים לשחיקה של HPCR . קצב הזרם החוזר מהמזרקים הוא אחד מהפרמטרים הקלים למדידה והרגיש מכולם. ככל שקצב הזרם החוזר עולה כך גוברת השחיקה.
אם זה לא יטופל זה יכול לגרום להתחלות של בעיות בביצועים אחרים של המנוע. איור 6 משווה את ההשפעה של סינון על קצב הזרימה מהמזרק עבור מסננים
זמינים מסחרית במנוע פועל.

ציר Y מראה את קצב זרימה המנורמל שנמדד במנוע.קצב זרימה המנורמל מוגדר כיחס של קצב הזרם החוזר שנצפה לשיעור הזרימה במזרק חדש.
ציר ה-X מראה את מספר השעות המנורמל של מזרק. השעות המנורמלות הינן היחס בין שעות המבחן בפועל לאורך החיים הצפוי של המזרק. מזרק ייחשב ככישלון כפי שנקבע על ידי יצרן המנוע. באופן כללי, מזרק ייחשב כנכשל כאשר קצב הזרימה שלו מתחיל בעליה מהירה. המסננים המסחריים נוסו 3 פעמים בעוד המסנן ההתפתחותי נוסה פעמיים בלבד.

התוצאות מראות כי מזרקים המוגנים על ידי מסננים מסחריים נהרסו לפני לפני אורך החיים המצופה של המזרק. לעומת זאת המזרקים המוגנים על ידי מסנן התפתחותי המשיכו לבצע את פעולתם לאורך כל זמן הבדיקה. זה  מאשר את ממצאי בדיקות המעבדה לגבי ביצועים מעולים של עשנן ההתפתחותי.
נערכות בדיקות כדי לאמת את הממצאים בשטח. תוצאות ראשוניות מעודדות מצביעות על כך שאורך חיי המזרק והאמינות עלו כתוצאה מהשימוש במסנן התפתחותי.

השפעת המסנן על קצב הזרימה של המזרק

השפעת המסנן על קצב הזרימה של המזרק

מסקנות:
לעומת קודמותיה מערכות הדלק מסוג HPCR הינן יותר רגישות לזיהומים ודורשות סינון טוב יותר. רמות ניקיון של 13/10/7 או נמוכות מזה יושגו למרות הטיפול הנאות בדלק. הן אינן מהוות תחליף למערכות סינון דלק בים ובאויר. האתגרים הניצבים בפני סינון דלק בים ובאוויר עבור מערכות HPCR הם רבים. מנועים פועלים ומערכות הסינון שלהם כפופים לנחשולי זרם חזקים ורטט. השפעות מעבר אלו מגדילות באופן מלאכותי את רמת המזהמים במעלה הזרם במסננים המסורתיים ויכולים ליצור פריקה מחדש ולהפחית את יכולת ההסרה של מזהמים. למרות שמסננים אמורים להגן על מערכות HPCR מפני חלקיקים שוחקים יותר מ-80% מהחלקיקים הם חלקיקים אורגנים הניתנים להסרה. במצבים מסוימים פריקה אלקטרו סטטית בתוך הדלק מסכנת את חיי המסנן, לכן יש לקחת זאת בחשבון בתכנון המסנן. התוצאות מראות כי מסנני הדלק הזמינים בשוק לא יכולים לספק את ההגנה הנדרשת על ידי מערכות HPCR. הם נוטים להיות רגישים לרטט ולעליות חדות בזרם. מסנן דלק התפתחותי חדש מראה הבטחה להגן על מערכות דלק מסוג HPCR  כאשר זו מבוססת על בדיקות מעבדה,מנועים מואצים ובדיקות שטח מוקדמות.

ביבליוגרפיה – מאמרים ומקורות עזר מהן נלקח המידע הנ"ל

 

HPCR, ISO, מזהמים, מנועי הזרקת מסילה משותפת, מסנני דלק, סינון דלק, צריכת דלק