[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过博世喷油速率法，实验表征了大型二冲程船用柴油机常用轨缸套润滑系统的喷油速率。结果表明，该系统实现1 ms的油量上升时间，且在2–21 mg范围内预测注入油量的误差小于5%，从而实现精确、高频的喷油，有助于降低排放并提高效率。

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.

研究动机与目标

• 对大型二冲程船用柴油机电子控制共轨缸套润滑系统的喷油速率进行实验表征。
• 验证博世喷油速率法在高粘度流体（如船用缸套润滑油）中的适用性。
• 评估利用快速上升质量流量曲线实现精确、低质量喷油（单次喷油低至2.5 mg）的可行性。
• 实现优化的润滑策略，通过减少过量润滑以降低颗粒物排放和运行成本。

提出的方法

• 采用博世喷油速率法，通过压力传感器和已知截面积的标定测量管测量质量流量。
• 利用回波波法测定系统中声速（1375 m/s），从而基于压力信号实现精确质量计算。
• 对压力信号进行时间积分，并设定边界条件（图7），以计算单次喷油的总注入质量。
• 在不同斜坡时间（6.6–7.3 ms）和喷油压力（70 bar）下进行实验，结果通过在电子秤上收集实际油量进行验证。
• 系统采用单孔喷油器，无回油管路，工作于共轨压力下，由电子控制。
• 监测喷油器喷嘴中的空化现象，作为影响流动阻塞和喷雾雾化效果的关键因素，对有效润滑至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 博世喷油速率法能否准确测量共轨系统中高粘度缸套润滑油的喷油速率？
• RQ2 共轨喷油器的质量流量上升时间是多少？其对喷雾发展和喷油精度有何影响？
• RQ3 该系统在低喷油质量（如2–21 mg）下，能否实现高精度喷油，该范围与排放控制密切相关？
• RQ4 喷嘴中的空化现象如何影响高粘度润滑油喷射系统中的流动阻塞和雾化效果？
• RQ5 该喷油特性是否支持先进润滑策略，如单次活塞行程内多次喷油？

主要发现

• 质量流量在约1 ms内迅速上升，随后喷嘴内空化开始导致流动阻塞，从而实现快速喷雾形成。
• 博世喷油速率法在2 mg至21 mg的整个测试范围内，预测注入油量的误差均在5%以内。
• 注入质量与斜坡时间之间关系近似线性，简化了精确喷油控制。
• 系统具有约1 ms的上升和下降时间，支持高精度、高频喷油策略。
• 喷嘴中的空化剧烈，足以有效雾化高粘度润滑油，支持旋流喷射原理以实现缸套均匀覆盖。
• 经验证的方法可实现单次喷油低至2.5 mg的精确喷油，为优化的、减排导向的润滑策略开辟了新路径。