[論文レビュー] Injection rate of cylinder lubrication oil in large two-stroke marine diesel engines using a common rail lubrication system

Bjørn Christian Dueholm, Jesper de Claville Christiansen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2023

Advanced Combustion Engine TechnologiesChemical Engineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、大型2行程船内ディーゼルエンジン用の共通リンクロッド式シリンダ潤滑システムの注入速度を、ボッシュの注入速度測定法を用いて実験的に特徴づけた。このシステムは1 msの質量流量上昇時間を達成し、2–21 mgの範囲で注入油量を5%未満の誤差で予測可能であり、排出ガス低減と効率向上に寄与する高周波度の精密な給油が可能である。

ABSTRACT

This paper investigates a common rail cylinder lubrication system for large two-stroke marine diesel engines using electronically controlled injectors. The system is studied using the Bosch rate of injection measurement technique The common rail injector has a buildup of mass flow of approximately 1 ms as the injector opens until the nozzle is choked from cavitation. Using a highly viscous fluid, the Bosch rate of injection method is able to predict the injected amount with an error of 5% or lower for nearly the entire tested delivery range of 2 mg to 21 mg. Lubrication of cylinder liners and piston rings is a crucial parameter in operating a two-stoke marine diesel engine efficiently. Both over and under lubrication is harmful for the engine, so the ability to accurately dose the cylinder oil is very important. A mass flow build up time of 1 ms promises high accuracy of dosage even down to 2.5 mg per injection. This paves the way for injecting the oil where and when it is needed, which in turn will improve engine performance and lower harmful emissions.

研究の動機と目的

• 大型2行程船内ディーゼルエンジン用の電子制御共通リンクロッド式シリンダ潤滑システムの注入速度を実験的に特徴づけること。
• 高粘度流体、例えば船内シリンダ潤滑油に対してボッシュの注入速度測定法の適用可能性を検証すること。
• 高速上昇の質量流量プロファイルを用いた、低質量給油（1回あたり2.5 mgまで）の実現可能性を評価すること。
• 過剰潤滑を最小限に抑えることで、 particulate matter（微粒子状態物質）排出を低減し、運用コストを削減する最適化された潤滑戦略を可能にすること。

提案手法

• 質量流量の測定に圧力センサと既知の断面積を持つ校正済み測定チューブを用い、ボッシュの注入速度測定法を適用した。
• システム内の音速（1375 m/s）を特定するために反射波法を用い、圧力信号からの正確な質量計算を可能にした。
• 時間積分により圧力信号を処理し、境界（図7）を明確に定義することで、1回の注入における総注入質量を計算した。
• 実験は、ランプ時間（6.6–7.3 ms）と注入圧力（70 bar）を変化させ、実際の油量をスケールで収集した結果と照合して検証した。
• 戻り配管なしの単孔ノズルインジェクタを用い、電子制御による共通リンクロッド圧力下で動作した。
• ノズル内のキャビテーションは、流れのチョッキングとスプレーの原子化に重要な要因であり、効果的な潤滑に不可欠であると監視した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボッシュの注入速度測定法は、共通リンクロッドシステムにおける高粘度のシリンダ潤滑油の注入速度を正確に測定できるか？
• RQ2 共通リンクロッドインジェクタの質量流量上昇時間は何か？ また、これによりスプレーの発達と油供給の精度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 排出ガス制御に関連する低注入質量（例：2–21 mg）において、このシステムがどれほど正確な給油を実現できるか？
• RQ4 ノズル内のキャビテーションは、高粘度油の注入システムにおける流れのチョッキングと原子化にどのように影響するか？
• RQ5 注入プロファイルは、ピストンストロークあたり複数回の注入を含む高度な潤滑戦略をサポートできるか？

主な発見

• ノズル内のキャビテーションが流れをチョッキングし始める前に、質量流量は約1 msで上昇し、迅速なスプレー発達が可能である。
• ボッシュの注入速度測定法は、全試験範囲（2 mg～21 mg）において、注入油量を5%未満の誤差で予測した。
• 注入質量とランプ時間の関係は概ね線形であったため、正確な給油制御が容易になった。
• システムは上昇・下降時間ともに約1 msであり、高精度・高周波度の注入戦略が可能である。
• ノズル内のキャビテーションは、極めて高粘度の油を効果的に原子化するほど激しく、ライナーへの被膜カバーを支援するスワールインジェクション原理を支えた。
• 検証済みの方法により、1回あたり2.5 mgまでの正確な給油が可能となり、最適化された排出ガス低減潤滑戦略の実現に道を開いた。