JP2005518495A - 運転中の全損潤滑システムにおける潤滑油特性の修正 - Google Patents

Abstract

実際のエンジン運転条件に応答して、運転中の全損エンジンの潤滑油特性を修正するための装置および方法が開示される。本発明は、（１）関心ある特定のエンジンパラメーターを監視する、或いは他のエンジンの入力値から、クロスヘッドディーゼルエンジンに対するそれらのパラメーターを予測する工程；（２）前記パラメーターまたは入力値から、エンジンのベース潤滑油に加える必要がある性能強化剤、ベース潤滑油または別に処方された潤滑油の量を計算する工程；および（３）前記ベース潤滑油を、前記性能強化剤、追加のベース潤滑油または別に処方された潤滑油を用いて修正し、その後その組み合わせを前記監視部分または位置に導入する工程を含む方法である。

Description

本発明は、実際のエンジン条件に応答して、全損システムにおけるエンジンの潤滑油特性をオンラインで修正するための装置および方法に関する。

ディーゼルエンジンは、一般に、低速、中速または高速エンジンとして分類され、低速型は、最大級の深喫水船舶および工業用途で用いうる。低速ディーゼルエンジンは、典型的には、直接結合され、直接反転する２ストロークサイクルエンジンである。これは、約５７〜２５０ｒｐｍの範囲で作動し、また通常、残渣燃料油で運転される。これらのエンジンは、ダイアフラムおよびスタッフィングボックス（出力シリンダーをクランクケースから分離し、燃焼生成物がクランクケースに入って、クランクケース油と混合するのを防止する）を有するクロスヘッド構造のものである。中速エンジンは、典型的には、２５０〜約１１００ｒｐｍの範囲で作動し、また４ストロークまたは２ストロークサイクルで作動しうる。これらのエンジンは、筒形ピストン設計であり、また多くは、同様に残渣燃料油で運転されうる。それらはまた、残渣を若干含むか、または全く含まない留出燃料油でも運転されうる。海洋船舶については、これらのエンジンを推進力、補助用途またはこれらの両者に用いうる。低速および中速舶用ディーゼルエンジンはまた、大規模に、発電プラントの運転で用いられる。本発明は、同様にそれらに適用可能である。

各タイプのディーゼルエンジンは、潤滑油を用いて、ピストンリング、シリンダーライナー、クランクシャフトおよびコネクティングロッドのベアリング並びに動弁系機構（カムおよびバルブリフターを含む）を、他の稼動部分内で潤滑する。潤滑油は、部品の摩耗を防止し、熱を除去し、燃焼生成物を中和および分散し、錆および腐食を防止し、スラッジの形成またはデポジットを防止する。

低速舶用クロスヘッドディーゼルエンジンにおいては、シリンダーとクランクケースは別個に潤滑され、シリンダーの潤滑は、シリンダーライナー廻りに配置された注油器にシリンダー油を供給する注入装置によって、ワンススルーベースでもたらされる。これは、「全損」潤滑システムとして知られる。シリンダー油は、典型的には、良好な酸化および熱安定性、水抗乳化性、腐食防止性並びに良好な消泡性能をもたらすように処方される。燃焼過程中に形成される酸を中和するのに、アルカリ性清浄剤もまた存在する。適切な添加剤を用いることによって、分散性、酸化防止性、消泡性、耐摩耗性および極圧（ＥＰ）性能もまたもたらされうる。

エンジンがより高い出力を発生し、より厳しい条件下で運転されるにつれて、潤滑油に要求される機能および性能は、顕著に増大した。これらの増大された性能要求は、対応して、潤滑油費用を増大させる結果となった。潤滑油は、次第に高度かつ高価な基材（全合成基材を含む）で製造されるようになりつつある。加えて、広範囲の高価な添加剤が、機能要求を満たすために潤滑油に組み合わされる。例えば、分散剤、清浄剤、耐摩耗剤、摩擦低減剤、粘度向上剤、増粘剤、金属不活性化剤、酸封鎖剤および酸化防止剤である。

潤滑油は、多くのエンジン条件パラメーターを統御するように設計される。潤滑油の一つの特に重要な機能は、エンジン部品の摩耗およびシージングを制限または防止することによって、エンジンのスムーズな運転を全ての条件下で確保することである。同様に、他のエンジン条件パラメーターは、炭素質デポジットの形成であり、これは明らかに望ましくないが、潤滑油特性によって統御される。潤滑油はまた、伝熱、燃焼副生物の中和、ブローバイの防止、腐食の防止、金属の不活性化および潤滑油の油膜厚さの保持などの他の重要なエンジンパラメーターを統制する。この一覧は、完全であることを意味せず、当業者には、潤滑油によって統御される多くの他の重要なエンジンパラメーターが認められる。

「全損」システムにおけるエンジン条件に応答して、流入する潤滑油ストリームの特性を修正する点に関して、先行する技術は全く確認されなかった。しかし、再循環システムにおける潤滑油交換または潤滑油の寿命延長については、種々の方法が提案されている。それらの方法は、運転中のエンジンについてリアルタイムまたは殆どリアルタイムの要求に実際に応答するのとは対照的に、潤滑油を既知の規格レベル内に保持するか、または添加剤濃度を補充する点に焦点があった。

具体的には、先行技術では、油溜め油中の添加剤濃度のレベルが予め設定されたトリガー未満に低下したとき、エンジンを停止し、全エンジン潤滑油を交換することが教示される。この方法の改良点は、運転中に大部分の油溜め油を除去し、新鮮潤滑油と交換することを可能にする。より最近の実施者は、この方法を改良し、添加剤濃度が予め設定されたレベル未満に消耗されたとき、添加剤を油溜めに注入することによって、再循環する潤滑油の有効寿命を延長した。

全てまたは殆ど全ての潤滑油を交換する初期の方法は、濃度が不足した添加剤がただ１つでも多くの高価な成分を投棄することから不経済であった。更に、これらの方法には、エンジン内部のいかなる任意の個所においても、添加剤の濃度が、潤滑油の実際の有効性と必ず相関するとは限らないという点で欠点があった。たとえ相関したとしても、油溜め内の添加剤の濃度が、関心ある潤滑個所における添加剤の濃度を正確に反映しないことが実質的な研究で示された。非特許文献１を参照されたい。従ってこれらの方法は、エンジンの実際の潤滑要求が充足されることを保証しないため広く採用されなかった。

マルコム フォックス（Ｍａｌｃｏｌｍ Ｆｏｘ）ら著、「内燃機関の上部リングゾーンにおける潤滑油の組成」、トライボロジーインターナショナル（Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、第２４巻、第４号、第２３１〜３３頁、１９９１年８月 ヴィンス カレー（Ｖｉｎｃｅ Ｃａｒｅｙ）およびＪ．フォガーティ（Ｆｏｇａｒｔｙ）著、「シリンダー油の性能およびクロスヘッドディーゼルの潤滑におけるキーパラメーター」、燃焼機関に関する第２１回国際会議の予稿集（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ）、第Ｄ６３頁、１９９５年 Ｓ．Ｎ．ユー（Ｙｏｏ）、Ｏ．Ｓ．クオン（Ｋｗｏｎ）およびＣ．Ｒ．ソン（Ｓｏｎ）著、「ヒュンダイ−マンＢ＆Ｗ １２Ｋ９０ＭＳ−Ｓエンジンを用いる最大級ディーゼルエンジン発電プラントの運転経験」、燃焼機関に関する第２７回国際会議の予稿集（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ）、第１６０頁、２００１年

本発明は、「全損」ディーゼルエンジンの潤滑油特性または流量を、実際のエンジン潤滑要件に応答してリアルタイムで変化させるためのシステムおよび方法に関する。好ましくは、本発明は、潤滑油の「有効性」を現場で監視し、その特性および／または流量を、機械またはエンジンの実際の摩耗または腐食の要求に応答して修正するためのシステムおよび方法を提供する。より好ましくは、本発明は、２ストローククロスヘッドディーゼルエンジンにおける潤滑油の有効性を測定し、性能強化剤、追加のベース潤滑油、別に処方された潤滑油および希釈材よりなる群から選択される少なくとも一種の第二の流体を制御して加えることによって、潤滑油の有効性を調整する手段を提供するためのシステムおよび方法を提供する。

近年のディーゼルエンジンの増大された性能要求は、それらの高度性、複雑性および敏感性の増大をもたらした。それに応じて、より複雑な基材および添加剤を用いることによって、シリンダー油もまたより進歩した。しかし、これらの革新により、基材および添加剤の両者のより高いコストもまた生じる。

関心あるエンジン条件パラメーター（摩耗、デポジットまたは腐食など）は、直接測定してもよく、他のエンジンまたは燃料油のパラメーターから予測してもよい。限定しない例として、関心ある部品の摩耗は、シリンダーライナーからの掻き落し潤滑油中に存在する金属または金属酸化物の粒子を測定することによって、直接測定されうる。別の例において、摩耗はまた他のパラメーターから予測されうる。例えば、２ストロークディーゼルエンジンにおけるシリンダーの摩耗を、燃料油の硫黄含有量、エンジンの負荷およびシリンダーに入る潤滑油の全塩基価（「ＴＢＮ」）から正確に予測しうることが、研究で示されている。非特許文献２を参照されたい。これは、本明細書に引用して含まれる。従って、シリンダーの摩耗は、直接測定することもでき、他のパラメーターから正確に予測することもできる。

更に、２ストローククロスヘッドエンジンに必要とされる必要最小限の潤滑保護を達成するためには、一般的なエンジン運転および燃料油条件に応答して、潤滑油流れを修正すべきであることが、研究で示されている。非特許文献３を参照されたい。本発明は、クロスヘッドディーゼルエンジンに良好に適合される。何故なら、本発明は、潤滑油の流量をむだに変更する代わりに、摩耗条件に応答して潤滑油特性を修正するからである。

図面は、本発明の限定しない例を詳細に示す。これは、船用ディーゼルクロスヘッドエンジンのピストンリングおよびシリンダーにおける摩耗を防止するための使用に適合させたものである。潤滑油は、消費されるか、またはエンジンの排出空間に放出されるかのいずれかであり、リサイクルされるように設計されてはいないことから、このタイプの潤滑システムは全損システムとして知られる。この例において、本発明は、潤滑油を含有するベースシリンダー油タンク（３）を備えたクロスヘッドディーゼルエンジン（１）を含む。追加の貯蔵タンクは、少なくとも一種の第二の流体（性能強化剤、ベース潤滑油、または既知の特性を有する別に処方された潤滑油の供給源（５））を含む。

ピストンリング（９）およびシリンダーライナー（１１）の摩耗は、直接測定してもよく、予測して測定してもよい。直接測定については、限定しない例として、シリンダーを出て、排出空間（１５）から収集される掻き落し油（１３）の金属または金属酸化物含有量を測定してもよい。予測測定には、排出空間中の潤滑油のＴＢＮ、燃料油の硫黄含有量（燃料油タンク中で監視（１７）または測定）、エンジンの負荷（１９）、シリンダーの温度（２１）等の測定が含まれうる。

摩耗を制限するために潤滑油に導入する必要がある第二の流体の量を決定するアルゴリズム（デジタル計算（２５）またはマニュアル）において、これらの入力値（２３）を用いる。これは自動的に行うことが好ましいが、エンジンの運転条件および入力値の変化が遅いかまれな場合には、マニュアル計算で十分なこともある。殆どの運転条件において、第二の流体を加えることによる潤滑油特性の変更は、適切な潤滑を確保するのに十分かつ最も効果的な方法である。しかし、ある条件下では、潤滑油および第二の流体を最も効果的に用い、適切な潤滑を確保するためのアルゴリズムによって、潤滑油の流量を調整することも必要となることがありうる。発明者は、本発明の実使用により、第二の流体の添加およびベース潤滑油の流量変更の両者を、アルゴリズムで制御することが可能となることを期待する。

ブレンダー（２９）（追加の性能強化剤を、シリンダーへの注入前にベース潤滑油と組み合わせる）に信号（２７）を送る。混合手段は、第二の流体をベース潤滑油に注入する（その流れがそれらを混合させる）ことと同様に簡単なものであってよい。他の混合または撹拌装置（パドル、ベンチュリまたはスクリュー装置など）を用いてもよい。この一覧は、混合手段の完全な一覧であることを意味せず、当業者は、第二の流体をベース潤滑油に混合する他の手段を容易に決定しうる。第二の流体を顕著にまたは完全にベース潤滑油と混合することは、好ましいが本発明の要件ではない。唯一の要件は、第二の流体を導入することにより、関心あるエンジン条件パラメーターが影響を受けることである。一つのシリンダーのみを監視することによって、全てのシリンダーに対する十分な保護がもたらされると推測される。しかし本発明は、個々のシリンダーについて監視および混合を行うことを可能にする。

本発明は、先行の教示に対する、少なくとも三つの明確な利点を提供する。第一に、本発明は、シリンダーライナーに入る潤滑油の特性を監視することも、決定することも必要としない。本発明が、エンジン内の特定の位置または部分で特定の潤滑油機能を監視し、それに反応する際に、この情報は必ずしも必要ではない。先行技術では、エンジンに入る油における使用した添加剤濃度を監視・補充したが、この濃度は、潤滑油の性能と必ずしも相関していない。本発明は、臨界的な部品（例えばシリンダーライナー、ピストンリング等）またはその近くにおいて測定された、エンジンの負荷および／または潤滑油の有効性に直接応答して、潤滑油特性を修正するものである。

第二に、本発明により、エンジンの劣化が即座に検知される。何故なら本発明は、先行の教示（油溜めまたは貯槽への混合によって添加剤レベルが希釈された後に、添加剤レベルを監視する）とは対照的に、関心ある点で実際のエンジンの劣化状態を監視するからである。先に示された例におけるように、エンジンの摩耗は、シリンダー間隙から放出された後直ちに、シリンダー、シリンダーライナーにおいて、または潤滑油中で直接測定された。実際、本発明のこの特徴は「全損」潤滑システムでの使用を可能にする。これは、先行技術では見られなかった機能性である。従って、先行技術はディーゼル２ストロークエンジンに適用可能ではなかったが、本発明は適用可能である。

最後に、本発明は遥かに経済的である。何故なら本発明は、予め設定されたトリガーに応答して全潤滑油を完全または実質的に交換することとは対照的に、実際の潤滑要件に応答し、必要に応じてベース潤滑油を特定の第二の流体で補うに過ぎないからである。本発明は、エンジンを摩耗、デポジットまたは関連する他の劣化から実際に保護するだけでなく、エンジンに現れる負荷を克服するように潤滑油特性を即座に調整するという、最も経済的な方法でそれを行うものである。

クロスヘッドディーゼルエンジンに適用された本装置の概略断面図である。

Claims (11)

1. エンジンの運転中に、システムのベース潤滑油特性を修正する方法であって、
   ａ）全損潤滑システムを有するエンジンにおいて、直接的または間接的に、一種以上のエンジン条件パラメーターを定期的に監視する工程；
   ｂ）前記エンジン条件パラメーターから、前記ベース潤滑油に加えるべき第二の流体の量を計算する工程であって、前記第二の流体は、性能強化剤、基油および追加の処方潤滑油からなる群から選択される一種以上の流体である工程；
   ｃ）前記ベース潤滑油を前記第二の流体と混合して、修正されたベース潤滑油を生成する工程；および
   ｄ）前記修正されたベース潤滑油を、前記エンジンに運転中に適用する工程
   を含むことを特徴とするベース潤滑油特性を修正する方法。
2. 前記エンジンは、２ストロークディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項１に記載のベース潤滑油特性を修正する方法。
3. 前記エンジン条件パラメーターは、予め選択された関心あるエンジン部分または位置で監視されることを特徴とする請求項２に記載のベース潤滑油特性を修正する方法。
4. 前記関心あるエンジン部分は、シリンダーライナーであることを特徴とする請求項３に記載のベース潤滑油特性を修正する方法。
5. 前記関心あるエンジン部分は、ピストンリングであることを特徴とする請求項３に記載のベース潤滑油特性を修正する方法。
6. エンジンの使用中に、２ストローククロスヘッドディーゼルエンジンの潤滑油特性をオンラインで修正する方法であって、
   ａ）前記エンジンのシリンダー、シリンダーライナーおよびピストンリングのうち一種以上において、金属摩耗、デポジット形成、ブローバイ、伝熱、腐食、掻き落し油の金属含有量、掻き落し油の金属酸化物含有量、掻き落し油の酸性度、掻き落し油の全塩基価、掻き落し油のキャパシタンス、掻き落し油の油膜厚さ、掻き落し油の粘度、掻き落し油の水含有量、掻き落し油の酸化、掻き落し油の硝化、掻き落し油のすす含有量、掻き落し油の炭酸塩含有量、掻き落し油の硫酸塩含有量、掻き落し油の表面張力、燃料油の硫黄含有量、排出ＳＯ_ｘ含有量、排出ＮＯ_ｘ含有量、排出ガスの温度、シリンダーライナーの温度、冷却水の温度、エンジンの毎分回転数およびエンジンの負荷からなる群から選択される一種以上を測定することによって、直接的または間接的に、前記エンジンの一種以上のエンジン条件パラメーターを定期的に測定する工程；
   ｂ）前記エンジン条件パラメーターから、前記ベース潤滑油に加えるべき第二の流体の量を計算する工程であって、
   前記第二の流体は、性能強化剤、基油および追加の処方潤滑油からなる群から選択される一種以上の流体であり、
   前記性能強化剤は、清浄剤、分散剤、酸化防止剤、耐摩耗剤、摩擦低減剤、粘度向上剤、増粘剤、極圧剤、金属不活性化剤、酸封鎖剤およびこれらの混合物からなる群から選択される一種以上である
   ことを特徴とする工程；
   ｃ）前記ベース潤滑油を前記計算量の前記第二の流体と混合して、修正されたベース潤滑油を生成する工程；および
   ｄ）前記修正されたベース潤滑油を、前記シリンダー、シリンダーライナーまたはピストンリングにエンジンの運転中に導入する工程
   を含むことを特徴とする潤滑油特性を修正する方法。
7. オンラインでベース潤滑油特性を修正する装置であって、
   ａ）全損潤滑システムにおいて、一種以上のベース潤滑油を用いるエンジン；
   ｂ）性能強化剤、ベース潤滑油および追加の処方潤滑油からなる群から選択される少なくとも一種の第二の流体；
   ｃ）直接的または間接的に、少なくとも一種のエンジン条件パラメーターの値を測定するための測定装置；
   ｄ）前記少なくとも一種のエンジン条件パラメーターの値で作動し、前記ベース潤滑油に加えるべき前記第二の流体の量を決定する計算装置；および
   ｅ）前記ベース潤滑油と前記第二の流体を混合して混合物とし、その後前記混合物を、前記関心あるエンジン部分またはエンジン領域に導入するための混合手段
   を含むことを特徴とする潤滑油特性を修正する装置。
8. 前記エンジンは、２ストロークディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項７に記載の潤滑油特性を修正する装置。
9. 前記エンジン条件パラメーターは、金属摩耗、デポジット形成、ブローバイ、伝熱、腐食、掻き落し油の金属含有量、掻き落し油の金属酸化物含有量、掻き落し油の酸性度、掻き落し油の全塩基価、掻き落し油のキャパシタンス、掻き落し油の油膜厚さ、掻き落し油の粘度、掻き落し油の水含有量、掻き落し油の酸化、掻き落し油の硝化、掻き落し油のすす含有量、掻き落し油の炭酸塩含有量、掻き落し油の硫酸塩含有量、掻き落し油の表面張力、燃料油の硫黄含有量、排出ＳＯ_ｘ含有量、排出ＮＯ_ｘ含有量、排出ガスの温度、シリンダーライナーの温度、冷却水の温度、エンジンの毎分回転数およびエンジンの負荷からなる群から選択される一種以上を測定することによって決定されることを特徴とする請求項８に記載の潤滑油特性を修正する装置。
10. 前記第二の流体は、性能強化剤、基油、追加の処方潤滑油およびこれらの混合物からなる群から選択される一種以上の流体であり、
    前記性能強化剤は、清浄剤、分散剤、酸化防止剤、耐摩耗剤、摩擦低減剤、粘度向上剤、増粘剤、極圧剤、金属不活性化剤、酸封鎖剤およびこれらの混合物からなる群から選択される一種以上である
    ことを特徴とする請求項９に記載の潤滑油特性を修正する装置。
11. 運転中のエンジンにおいて、一種以上のベース潤滑油の潤滑油特性を修正する装置であって、
    ａ）前記ベース潤滑油を用いる、全損潤滑システムを有する２ストローククロスヘッドディーゼルエンジン；
    ｂ）性能強化剤、基油および追加の処方潤滑油からなる群から選択され、前記性能強化剤は、清浄剤、分散剤、酸化防止剤、耐摩耗剤、摩擦低減剤、粘度向上剤、増粘剤、極圧剤、金属不活性化剤、酸封鎖剤およびこれらの混合物からなる群から選択される一種以上の流体であることを特徴とする少なくとも一種の第二の流体；
    ｃ）金属摩耗、デポジット形成、ブローバイ、伝熱、腐食、掻き落し油の金属含有量、掻き落し油の金属酸化物含有量、掻き落し油の酸性度、掻き落し油の全塩基価、掻き落し油のキャパシタンス、掻き落し油の油膜厚さ、掻き落し油の粘度、掻き落し油の水含有量、掻き落し油の酸化、掻き落し油の硝化、掻き落し油のすす含有量、掻き落し油の炭酸塩含有量、掻き落し油の硫酸塩含有量、掻き落し油の表面張力、燃料油の硫黄含有量、排出ＳＯ_ｘ含有量、排出ＮＯ_ｘ含有量、排出ガスの温度、シリンダーライナーの温度、冷却水の温度、エンジンの毎分回転数およびエンジンの負荷からなる群から選択される一種以上を測定することによって、直接的または間接的に、エンジン条件パラメーターの値を決定するための少なくとも一種の測定装置であって、
    前記関心あるエンジン部分または領域は、シリンダー、シリンダースリーブ、排出空間およびピストンリングからなる群から選択されることを特徴とする測定装置；
    ｄ）前記少なくとも一種のエンジン条件パラメーターの値で機能するアルゴリズムを作動させ、前記ベース潤滑油に加えるべき前記第二の流体の量を決定する計算装置；および
    ｅ）前記ベース潤滑油を前記第二の流体と混合し、その後得られた混合物を関心ある前記エンジン部分またはエンジン領域に導入するための混合手段
    を含むことを特徴とする潤滑油特性を修正する装置。

Images