Een inleiding tot vonkenvangers Vonkenvangers en het voorkomen van bosbranden

Geschiedenis
Vonkenvangers worden in de Verenigde Staten al gebruikt sinds het begin van de negentiende eeuw, toen schermen werden geplaatst op de schoorstenen van Jupiter-locomotieven, die berucht waren om het ontstaan van branden. De eerste wetgeving die vonkenvangers verplicht stelde, werd in 1905 aangenomen en was van toepassing op motoren en ketels die in, door of nabij met bos, kreupelhout of gras begroeide gebieden werden gebruikt.

De inspanningen van de Forest Service van het United States Department of Agriculture (USDA) om branden die verband houden met apparatuur te bestrijden, begonnen in de jaren twintig van de vorige eeuw met externe verbrandingsmotoren (stoomezels) die werden gebruikt bij de houtkap.

In het begin van de jaren 1950 raakte de USDA Forest Service geïnteresseerd in het terugdringen van het aantal branden dat werd veroorzaakt door houtkapapparatuur die werd aangedreven door inwendige verbranding. Deze inspanning was gebaseerd op het rapport van J.P. Fairbanks en Roy Bainer uit 1934, getiteld “Spark Arresters for Motorized Equipment,” gepubliceerd door de Universiteit van Californië in Berkeley. Het onderzoek toonde aan dat uitlaatdeeltjes met een diameter van 0,023 in of groter verantwoordelijk waren voor het merendeel van de brandontstekingen.
Een vonkenvanger is een mechanisch apparaat dat hete uitlaatdeeltjes die uit een verbrandingsmotor worden uitgestoten, opvangt of vernietigt. Omdat vonkenvangers veel branden voorkwamen, werden vervolgens wetten aangenomen om vonkenvangers op bepaalde typen motoren verplicht te stellen. Het resultaat van de inspanningen van de USDA Forest Service in 1950 leidde tot de oprichting van een programma voor het testen en kwalificeren van vonkenvangers in het San Dimas Technology and Development Center (SDTDC), gevestigd in San Dimas, CA.

In april 1968 publiceerde de Society of Automotive Engineers (SAE) in samenwerking met de USDA Forest Service en fabrikanten van kleine motoren de SAE Standard J335. Deze norm voor kleine motoren (kettingzagen, snoeischaren, enz.) verbiedt niet alleen de ontsnapping van koolstofdeeltjes groter dan 0,023 in, maar regelt ook de toelaatbare temperaturen van de uitlaatgassen en de oppervlaktetemperatuur van het uitlaatsysteem. De USDA Forest Service Specification 5100-1 legt de prestatiespecificaties vast voor vonkenvangers voor uitlaatsystemen die worden gebruikt op motoren voor algemeen gebruik (generatoren, motorfietsen, landbouwwerktuigen, enz.).

Momenteel eist een aanzienlijk aantal staten, gemeenten, federaal beheerde gronden en alle regio’s van de USDA Forest Service dat alle verbrandingsmotoren met inwendige of uitwendige verbranding moeten zijn uitgerust met een vonkenvanger die voldoet aan de eisen die zijn vastgesteld door de SAE Standard J335 of de USDA Forest Service Specification 5100-1. In de Code of Federal Regulations, 36 CFR 261.52, en in door line officers van USDA Forest Service geschreven orders worden de eisen toegelicht.

Koolstof en de verbrandingsmotor
Alle verbrandingsmotoren produceren uitlaatdeeltjes die voornamelijk bestaan uit koolstof met verontreinigingen. Deze deeltjes zijn afkomstig van afzettingen die zich vormen op de inwendige oppervlakken van een motor of uitlaatsysteem. Uitlaatgassen en koolstofdeeltjes kunnen uit het motorblok worden uitgestoten bij temperaturen van meer dan 3.000 °F. De oppervlakken van uitlaatsystemen kunnen temperaturen van 1.000 °F bereiken. Brandstoffen in het wild kunnen echter ontbranden bij temperaturen van slechts 400 tot 500 °F. Met deze cijfers in het achterhoofd is het duidelijk dat branden kunnen worden aangestoken door bosbrandstoffen die in contact komen met hete uitlaatgassen of door contact met de hete oppervlakken van het uitlaatsysteem.

De conditie van een motor, of hoe goed hij is afgesteld, kan van invloed zijn op zijn vermogen om brand te stichten als gevolg van de temperatuur van zijn uitlaat en de grootte en hoeveelheid koolstofdeeltjes die hij produceert. Het type en de kwaliteit van gas en olie, en de mengverhouding kunnen van invloed zijn op de grootte en samenstelling van de uitlaatdeeltjes. Het ontwerp en de plaats van het uitlaatsysteem zelf kunnen van grote invloed zijn op de vraag of een apparaat een natuurbrand zal veroorzaken. De temperatuur, vochtigheid en dichtheid dragen allemaal bij aan hoe goed de wildlandbrandstoffen zullen branden.

Vlamdovers Categorieën
Vlamdovers kunnen worden onderverdeeld in twee grote categorieën: kleine motoren met meerdere posities (MSE) en algemene toepassingen (GP). Multiposition kleine motor vonkenvangers zijn ontworpen voor motoren gebruikt op de hand-held apparatuur, zoals kettingzagen, snoeischaren, blowers, en bosmaaiers. De meeste MSE vonkenvangers maken gebruik van een scherm om de uitlaat deeltjes te vangen.

De GP vonkenvangers zijn ontworpen voor gebruik op motoren in een enkele positie, zoals tractoren, motorfietsen, of spoorweglocomotieven. Er zijn een verscheidenheid van vonkenvanger ontwerpen voor motoren voor algemeen gebruik. De meest voorkomende types zijn de val, scherm, en disc.

Hoe vonkenvangers werken
Vonkenvangers werken op het principe van het vangen of verpulveren van koolstofdeeltjes die een diameter groter dan 0,023 in hebben. Hoewel ze niet altijd 100 procent effectief zijn, zal een goed geïnstalleerde en onderhouden vonkenvanger het risico op brand aanzienlijk verminderen. Het meest gebruikelijke type vonkenvanger vangt de koolstofdeeltjes op in het uitlaatsysteem. Hij werkt door de grotere koolstofdeeltjes uit de uitlaat te filteren. Door middel van centrifugaalkracht worden de zwaardere koolstofdeeltjes tegen de binnenwanden van de arrester geslingerd en in een val geleid. De meest voorkomende filtertypes maken gebruik van een zeef of een schijf. In een disc-type ontwerp kunnen extra schijven worden toegevoegd om de tegendruk te verminderen en de uitlaatgasstroom te verhogen.

Turbochargers, Superchargers, en Mufflers
Turbochargers gebruiken uitlaatgassen om een turbine te laten draaien die werkt om een compressor te laten draaien. Turbochargers voeren de vonkenvangerfunctie uit wanneer 100 procent van de uitlaatgassen door de turbine gaan. Turboladers met waste gates laten een deel van de uitlaatgasstroom door het turbinewiel lopen en zijn daarom geen vonkenvanger. Een goed onderhouden motor met turbolader heeft geen vonkenvanger nodig.

Superchargers maken geen gebruik van de uitlaatgassen, maar zijn rechtstreeks aan de motor gekoppeld. Motoren die zijn uitgerust met superchargers hebben een vonkenvanger nodig.

Mufflers zijn ontworpen om het geluid dat door de motor wordt uitgestraald te verminderen en worden niet beschouwd als effectieve vonkenvangers. Katalysatoren worden ook niet als effectieve vonkenvangers beschouwd. Zij kunnen temperaturen bereiken die hoog genoeg zijn om door contact met droge vegetatie brand te veroorzaken. Er zijn verschillende MSE-vonkenvangers die een katalytisch element hebben om de schadelijke uitstoot te verminderen. Deze vonkenvangers zijn getest volgens de SAE J335 en zijn gekwalificeerd.

Installatie en onderhoud, wie is verantwoordelijk?
Goed onderhoud van de vonkenvanger is essentieel, omdat slecht onderhoud meestal resulteert in ondermaatse prestaties van de apparatuur en een verhoogd brandrisico. De wet- en regelgeving schrijft niet voor dat vonkenvangers reeds geïnstalleerd verkocht moeten worden. Zolang de arrester als onderdeel van de verkoop wordt geleverd, is aan de eis voldaan. De eigenaar of exploitant is verantwoordelijk voor de legale werking van apparatuur waarvoor vonkenvangers zijn vereist.

Vonkenvanger of Muffler, hoe het verschil te zien?
Vonkenvangers moeten een manier hebben om de ingesloten koolstof te verwijderen. De meeste GP arreter hebben een cleanout plug, en MSE vonkenvangers hebben een middel om schoon te maken uit het scherm. Vonkenvangers moeten ook een merknaam en modelnaam hebben. Als een apparaat eenmaal is geïdentificeerd als een vonkenvanger, wordt vervolgens bepaald of het gekwalificeerd is. Labels zoals “USDA Forest Service Approved!” maken de arrester nog niet gekwalificeerd. De USDA Forest Service eist alleen dat de fabrikant de vonkenvangers met merk en model labelt. MSE vonkenvangers zijn gekwalificeerd met de vermogenseenheid. Vanwege de kleine afmetingen van de vonkenvanger is het moeilijk om de eenheden te labelen met het volledige uitlaatsysteemnummer en de merknaam. De fabrikanten zijn alleen verplicht de etiketten op de vermogenseenheid zelf aan te brengen.

Spark Arrester Guide
De Spark Arrester Guide is de enige gezaghebbende bron voor de industrie voor informatie over gekwalificeerde vonkenvangers voor gebruik op interne verbrandingsmotoren. Gebruik de gids bij het identificeren van gekwalificeerde vonkenvangers. Als het nummer van de vonkenvanger in de gids voorkomt, dan heeft SDTDC de arrester geëvalueerd.

Er zijn twee delen bij de gids: Algemene doeleinden en Locomotief, deel 1, en Kleine motoren met meerdere standen, deel 2. Elk jaar wordt een herziening van de gids gepubliceerd. Elk deel wordt dus om de twee jaar gepubliceerd. Een online-gids, die elk kwartaal wordt bijgewerkt, is beschikbaar op het USDA Forest Service Intranet op http://www.fsweb.sdtdc.wo.fs.fed.us. Het is een doorzoekbare database die de gebruiker in staat stelt krachtige zoekopdrachten uit te voeren.

Aanvullende informatie
Deze Tech Tip biedt een brede inleiding tot vonkenvangers. Er zijn nog vier andere Tech Tips in deze serie. Voor meer informatie over vonkenvangers, of om exemplaren van andere gerelateerde Tech Tips te ontvangen, kunt u contact opnemen met:

USDA Forest Service
San Dimas Technology and Development Center
444 East Bonita Ave.
San Dimas, CA 91773

Attn: Spark Arrester Program Leader of http://www.fsweb.sdtdc.wo.fs.fed.us