Waarom aandrijvingen en materialen testen bij extreme koude?

Wanneer het echt begint te winteren en de temperaturen dalen, krijgt de wegenwacht in onze gebieden het vaak drukker. Motoren en onderdelen van auto's hebben immers te lijden onder de koude temperatuur en durven het daardoor soms te begeven. Dit is echter peanuts vergeleken met wat machines en voertuigen in extreme klimaten te maken krijgen. Hoe pakt men dit aan?

In landen zoals Finland, Zweden, Noorwegen, Canada, China, Mongolië of Rusland, waar de temperatuur veel vaker onder 0 °C daalt en soms zelfs tot extreme temperaturen van wel -40 °C tot -50 °C zakt, moet men véél meer rekening houden met dergelijke situaties en ook het ontwerp van machines hiernaar optimaliseren. Ook onder dergelijke extreme omstandigheden moeten aandrijvingen en materialen van machines hun werk kunnen doen. Testen van deze uitzonderlijke situaties zijn daarom noodzakelijk om inzicht te verwerven in de betrouwbaarheid en robuustheid van de machines onder dergelijke omstandigheden. 

 V.l.n.r.: bevroren heftruck; gebroken watercircuit in conventionele power plant door extreme koude (Noord-Amerika); extreem winterse dag in Siberië

Voertuigen en andere toestellen moeten in staat zijn te starten en operatief te blijven onder extreme lage temperaturen. Deze extreme vereisten qua temperatuurspecificatie (van -30 °C tot zelfs -60 °C voor sommige locaties), kunnen alleen gegarandeerd worden als men er vroeg in het ontwerpproces en op het einde van de productontwikkelingscyclus rekening mee houdt. Dit door grondige validatietesten uit te voeren. Sectoren actief in bijvoorbeeld de mijn- en grondstoffenindustrie en de off-highway-industrie testen daarom hun producten op deze extreme omstandigheden in klimaatkamers. Typisch te testen aspecten voor dergelijke machines zijn koude opstarttesten, het testen van de verwarmings- en koelsystemen bij verschillende klimatologische situaties, testen van de hydraulische functies bij extreme koude, functionaliteit en duur van de ruit-ontdooisystemen (ijstesten) en de controle op barsten en lekken in afsluitingen en dichtingen, met het oog op het voorkomen van lekken.

V.l.n.r: Mining dumptruck getest in de klimaatkamer van Sirris; voorbeeld van bevroren hydraulische circuits en cilinders   

Motoren, aandrijvingen, after-treatment systemen en koude opstart

Motoren en aandrijvingen in het algemeen moeten in alle omstandigheden kunnen starten en hun werk doen. In de zoektocht naar minder brandstofverbruik lopen moderne motoren zachter, hebben ze een hogere compressieratio en verbranding aan hogere temperaturen. Het resultaat daarvan is een relatief lage uitstoot van CO en HC, maar een hoge uitstoot van NOx. Om dit effect tegen te gaan, maakt men best gebruik van zogenaamde nabehandelingssystemen (ook gekend als 'after-treatment-systemen'), maar koud starten vormt nog steeds een probleem. Dergelijke after-treatment-systemen worden standaard toegepast voor off-highway en constructievoertuigen, maar ook in de energiesector worden ze gebruikt om dieselaggregaten te verduurzamen.

Praktijksituaties vertonen al te vaak een gedrag dat afwijkt van het verwachte gedrag. Om het effect van hoge NOx-uitstoot te voorkomen, gebruikt men de nabehandelingssystemen. Verschillende technologische oplossingen zijn in de maak (lees hierover meer in deze blogpost). NH3/ureum SCR bijvoorbeeld is een zeer effectieve en wijdverspreide technologie voor het neerhalen van NOx uit dieseluitlaten. Het probleem met NH3/ureum-mengsels is dat deze gewoonlijk bevriezen rond -11°C, daarom dient men te testen of tijdens de winter dergelijke systemen performant blijven werken zonder schade aan het milieu.

Om de beste resultaten te bekomen is het testen van het complete voertuig of de machine essentieel. Het testen van de complete set-up is de beste manier om data te verzamelen over de algemene milieugeschiktheid en operationele duurzaamheid van de machine om zo mogelijke problemen van interferentie van verschillende subsystemen te detecteren. Het is mogelijk om zo de subsystemen afkomstig van verschillende leveranciers samen te evalueren en om montagefouten of andere moeilijkheden op te merken voordat de eigenlijke productie begint. 

Motorenbouwer MTU deed bijvoorbeeld testen met zijn motoren onder extreem lage temperaturen van -25 °C. Een klimaatkamer laat de ontwikkelaars toe om in gecontroleerde omgeving te testen hoe makkelijk (of moeilijk) de motor start bij verschillende temperaturen. Om de opstartkarakteristieken te verbeteren, optimaliseerden de testingenieurs de druk, het volume en de timing van de brandstofinjectie. De testdata worden gebruikt om het motormanagementsysteem te programmeren en om op basis van buitentemperatuur en koelmiddeltemperatuur een aangepaste opstart te voorzien van de motor, met het oog op levensduurverbetering en duurzaamheid.

Motortesten in koude omstandigheden van -25 °C bij MTU, met als doel de opstartkarakteristieken verbeteren 

Dergelijke testen zijn bruikbaar voor voertuigen en machines die ingezet worden in de mijnbouw op plaatsen als Siberië of Canada, waar de temperatuur kan dalen tot arctische temperaturen van -60 °C. In deze regio's wordt polaire diesel gebruikt, die een kerosine-inhoud van 60 procent heeft, wat haar aanzienlijk minder viskeus maakt dan de gebruikelijke winterdiesel. Daarom dient men de brandstofinjectoren aan te passen, zodat de zeer dunne brandstof ze niet beschadigt. Een ventilatierooster voor de radiator voorkomt dat de motor te veel wordt gekoeld. Het rooster is gesloten wanneer de temperatuur te laag is. Zo kan de motor nog altijd op een betrouwbare manier gestart worden, zelfs bij extreem lage buitentemperaturen. De motorsturing past automatisch het brandstofvolume en de injectietiming aan de luchttemperatuur aan. Bovendien wordt, afhankelijk van de omgevingstemperatuur, de pilootinjectie geactiveerd, bovenop de hoofdinjectie tijdens de start.

Ook bij Sirris zijn we actief op dit vlak, onze faciliteit in de Haven van Antwerpen heeft als één van de enige technologische centra in Europa een grote klimaatkamer die in staat is om dergelijke machines te testen op Siberische temperaturen. Uniek aan de klimaatkamer is de mogelijkheid om 150 ton zware machines te testen tot wel -60 °C. Dit in tegenstelling tot veel andere klimaatkamers voor de automobiel die limieten hebben in gewicht en testtemperaturen voor deze nichemarkt.  

V.l.n.r: mijnbouwsite in Rusland; voorbeeld van een bevroren CAT-bulldozer en een test in de klimaatkamer van Sirris

Materialen en koude omstandigheden

Niet alleen brandstoffen en hydraulische vloeistoffen reageren anders onder extreem koude omstandigheden, ook materialen waaruit (motor-)onderdelen vervaardigd zijn, hebben eronder te lijden. Bij lagers bijvoorbeeld kunnen bij koude opstartproblemen ontstaan door het verschil tussen buiten- en binnentemperatuur. De combinatie van het koude, broze materiaal en trillingen kunnen ook aanleiding geven tot problemen. Naast de metalen zullen ook kunststoffen en rubbers zich anders gedragen.  

Een kunststof slang voor hydraulische circuits bijvoorbeeld zal onder lage temperaturen haar buigzaamheid verliezen en eerst lederachtig, dan hard, stijf en bros worden, wanneer het 'glaspunt' bereikt is. De bruikbaarheid van een elastomeer aan lage temperaturen hangt af van dit punt. Aan of onder deze temperatuur zullen druk, spanning of stootbelasting de kunststof beschadigen of breken. Elastomeren kunnen bovendien degraderen bij blootstelling aan thermische cycli. Wanneer echter de elastomeren voorzien zijn van additieven om lage temperaturen te weerstaan, kunnen problemen opduiken wanneer de temperatuur stijgt (door het uitlogen van de additieven), waardoor de performantie daalt bij opnieuw lagere temperaturen. 

Grote klimaatkamer als testruimte om risico’s te elimineren 

De beschikbaarheid van een grote klimaatkamer die grote afmetingen, grote gewichtscapaciteit en een breed temperatuurbereik aankan, is essentieel om de toegepaste materialen en systemen zoals motoren, aandrijvingen en luchtbehandelingssystemen van grote voertuigen of andere machines die blootgesteld worden aan extreme omstandigheden te testen. Om de beste resultaten te bekomen is, naast subsysteemtesten, ook het testen van de complete machine essentieel. Sirris heeft daarvoor de aangepaste uitrustingen en een unieke testinfrastructuur beschikbaar voor bedrijven actief in sectoren als off-highway, constructie en landbouwvoertuigen, windenergietoepassingen, energietransmissiesystemen, lucht- en ruimtevaart, defensie, enz.

Grote klimaatkamer van Sirris in de Haven van Antwerpen

De klimaatkamer wordt voornamelijk gebruikt om grote en zware windturbinecomponenten zoals tandwielkasten, convertoren en transformatoren te testen onder extreme temperaturen. Daarom is de kamer ontworpen met enkele unieke kenmerken, zoals zijn grote afmetingen (10,6 m x 7 m x 8 m), extreem temperatuurbereik (-60 °C tot +60 °C), 150 ton aan gewichtscapaciteit en de mogelijkheid 250 kW aan hitte te compenseren bij -20 °C.

Sinds vorig jaar is het labo in staat om ook luchtvochtigheidstesten uit te voeren in een bereik van ±2%RH tot ±95%. Met betrekking tot de markt van de off-highway en constructievoertuigen investeerde het labo ook in de mogelijkheid om IR-zonlicht te testen tot een densiteit van 950 W/m², om volgens de ISO 14269-3 en ISO 10263-6 HVAC testen uit te voeren op de cabines van grote voertuigen.

Sirris ondersteunt verschillende sectoren met klimatologische uitdagingen in ontwerp en simulatie en voor testsituaties in extreme klimatologische condities 

Klik hier voor meer info over de klimaatkamer van Sirris.

Bronnen