[논문 리뷰] 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 Christiansen외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 07.

Advanced Combustion Engine TechnologiesChemical Engineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 대형 2단계 해양 디젤 기관용 전자 제어 공통 레일 실린더 윤활유 분사 시스템의 분사 속도를 보쉬 분사 속도 방법을 사용하여 실험적으로 특성화한다. 이는 시스템이 1 ms 이내의 질량 유량 상승 시간을 달성하고, 2–21 mg 범위에서 분사된 기름의 양을 5% 이내의 오차로 예측할 수 있음을 보여주며, 이는 배기가스를 감소시키고 효율을 향상시키기 위한 정밀하고 고주기적 분사 제어를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대형 2단계 해양 디젤 기관용 전자 제어 공통 레일 실린더 윤활유 분사 시스템의 분사 속도를 실험적으로 특성화하는 것.
• 보쉬 분사 속도 방법이 점성이 높은 유체, 예를 들어 해양 실린더 윤활유와 같은 유체에 적용 가능한지를 검증하는 것.
• 빠른 상승 유량 프로파일을 사용하여 정밀한 저질량 분사(1회 분사당 최소 2.5 mg)의 실현 가능성을 평가하는 것.
• 과잉 윤활을 최소화함으로써 미세먼지 배출량을 감소시키고 운영 비용을 절감하는 최적화된 윤활 전략을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 질량 유량 측정을 위해 보쉬 분사 속도 방법이 압력 투과계와 알려진 단면적을 가진 교정된 측정 파이프를 사용하여 적용되었다.
• 시스템 내 음속(1375 m/s)을 결정하기 위해 반사파 기법이 사용되었으며, 이는 압력 신호로부터 정확한 질량 계산을 가능하게 한다.
• 시간에 따라 압력 신호를 통합하고, 경계 조건(그림 7)을 명시함으로써 1회 분사당 총 분사 질량을 계산할 수 있었다.
• 실험은 다양한 램프 시간(6.6–7.3 ms)과 분사 압력(70 bar)에서 수행되었으며, 결과는 척도에 실린 기름을 직접 수집하여 검증되었다.
• 시스템은 환류 배관 없이 단일 구멍 분사 노즐을 사용하였으며, 전자 제어로 공통 레일 압력 하에서 작동하였다.
• 노즐 내 캐비테이션은 흐름 차단과 분사 분무화의 핵심 요소로 모니터링되었으며, 효과적인 윤활을 위해 필수적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보쉬 분사 속도 방법은 공통 레일 시스템 내에서 점성이 높은 실린더 윤활유의 분사 속도를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 공통 레일 분사 노즐의 질량 유량 상승 시간은 얼마이며, 이는 분무화 개선과 기름 분사 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 배기가스 제어에 관련된 낮은 분사 질량(예: 2–21 mg)에서 시스템이 얼마나 정확한 분사 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ4 노즐 내 캐비테이션은 점성이 높은 기름 분사 시스템에서 흐름 차단과 분무화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 분사 프로파일이 피스톤 스토크 당 다중 분사와 같은 고급 윤활 전략을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 노즐 내에서 캐비테이션이 발생하기 전에 질량 유량이 약 1 ms 내에 상승하며, 이는 빠른 분무화 개선을 가능하게 한다.
• 보쉬 분사 속도 방법은 전체 시험 범위인 2 mg에서 21 mg까지 분사 기름의 질량을 5% 이내의 오차로 정확하게 예측하였다.
• 분사 질량과 램프 시간 사이의 관계는 약선형이었으며, 이는 정밀한 분사 제어를 단순화시켰다.
• 시스템은 약 1 ms의 상승 및 하강 시간을 보였으며, 이는 고정밀·고주기 분사 전략을 가능하게 하였다.
• 노즐 내 캐비테이션은 매우 점성 있는 기름을 효과적으로 분무화시킬 수 있을 정도로 강력하였으며, 실린더 내벽에 고르게 분포시키기 위한 스위르 분사 원리를 뒷받침하였다.
• 검증된 방법을 통해 1회 분사당 최소 2.5 mg까지 정밀한 분사 제어가 가능해졌으며, 이는 최적화된 배기가스 감소 윤활 전략을 위한 길을 열었다.