JP2005524013A - エンジン中の潤滑油の分析および修正方法 - Google Patents

Abstract

計測器を用いて、潤滑油の流量または特性を、実際のエンジン条件に応じて変化させる方法が開示される。好ましくは、本発明は、ＸＲＦ技術による使用済み潤滑油のＦｅ含有量および燃料油の硫黄含有量測定、並びにＩＲ測定装置による使用済み潤滑油のＢＮ測定によって、２ストロークディーゼルエンジンにおける潤滑油の有効性を現場で監視し、潤滑油の特性および／または装置への流量を、機械またはエンジンにおける実際の摩耗または腐蝕の必要性に応じて効果的に修正する方法を提供する。

Description

本発明は、計測器を用いて、潤滑油の流量または特性を、実際のエンジン条件に応じて変化させる方法に関する。

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うる。低速型は、最大級の深喫水船および工業用途で用いられる。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り、約５７〜２５０ｒｐｍの範囲で運転され、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て、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ことを防止する）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の範囲で運転され、４ストロークまたは２ストロークサイクルで運転されうる。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る。それらはまた、残油を若干含むか、または全く含まない留出燃料油で運転されることもある。遠洋船の場合、これらのエンジンは、推進力、補助用途またはその両者に用いられうる。低速および中速船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ている。本発明は、船舶および発電プラントの両用途の低速ディーゼルエンジンに適用可能である。

各タイプのディーゼルエンジンは、潤滑油を用い、他の稼動部分の中の、ピストンリング、シリンダーライナー、ベアリング（クランクシャフトおよびコネクティングロッド用）、バルブトレイン機構（カムおよびバルブリフターを含む）を潤滑する。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。

低速船舶用クロスヘッドディーゼルエンジンにおいて、シリンダーおよび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（ｏｎｃｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｂａｓｉｓ）で提供される。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、ピストンリングおよびシリンダーライナー摩耗の良好な抑制と共に、良好な酸化および熱安定性、抗水乳化性、腐食防止性および良好な消泡性能を提供するように処方される。燃焼過程中に形成される酸を中和するために、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）性能もまた提供されうる。

エンジンがより高い出力を発生し、また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をもたらした。潤滑油は、次第に高度かつ高価な基材（全合成基材を含む）を用いて製造されつつある。加えて、機能要求を満たすため、広範囲の高価な添加剤（例えば分散剤、清浄剤、耐摩耗剤、摩擦低減剤、粘度向上剤、粘度増強剤、金属不活化剤、酸封鎖剤および酸化防止剤）が潤滑油に組み込まれる。

伝統的に、船舶用ディーゼル２ストロークエンジンにおいては、シリンダーライナーへの潤滑油の流量は一定に保たれるか、エンジンＲＰＭに関して変化しうるものだった。初期に提案された改良には、この一定の流量を、荷載前の一回測定で得られた全バンカー燃料油の硫黄含有量の関数として設定することが含まれた。

研究では、２ストローククロスヘッドエンジンに必要な最小の潤滑保護だけを達成するためには、潤滑油流を、普通のエンジン運転および燃料油の条件に応じて修正すべきであることが示された。非特許文献１を参照されたい。特許文献１は、シリンダーに入る燃料油の硫黄含有量、またはこの硫黄含有量により変化するパラメーター（例えば摩耗、使用潤滑油中のＦｅ含有量、使用潤滑油のＢＮ）のリアルタイムまたは略リアルタイム測定に応じて、シリンダーライナーへの潤滑油の供給速度を略リアルタイムで変化させることを提案することによって、この方法を組み込むものであった。

本発明者らは、特許文献２（２００２年２月２６日出願）（引用により本明細書に組み込まれる）において、潤滑油自体の特性を、関心あるあらゆるエンジン条件に応じて変化させるための装置および方法を示すことによって、全ての従来法に改良を加えた。

特許文献１の一つの主要な有効でない点は、これらの測定値を得るための可能な手段を何ら教示しなかったことである。実際、これは予期されないものではなかったはずである。即ち、使用済み潤滑油のＦｅ含有量およびＢＮを測定するのに用いられる殆どの装置は、リアルタイムで結果をもたらさなかったか、嵩高すぎて運転中の船舶用ディーゼル２ストロークエンジンに含めることができなかった。同様に、特許文献１の出願は、燃料油の硫黄含有量を、リアルタイムまたは略リアルタイム方式で実際に測定する方法を提供することも、提案することもなかった。しかし、本発明者らはまた、上記の同時係属出願（特許文献２）に記載された彼らの発明を発展させて、彼らの発明を効率的に用いることを可能にする計測器利用の組み合わせを見出した。この計測器の組み合わせは、同様に、シリンダーライナーへの潤滑油の供給速度を単に変化させる本発明に適用される。本発明の目的は、彼らの両発明を可能にする（また特許文献１によって提案された）計測の組み合わせを提供して、効率的に運転することである。

ドイツ国特許出願１０１１２６９１．３号明細書 同時係属米国特許出願第６０／３６１３７６号明細書 同時係属米国特許出願第６０／３６１７７６号明細書 同時係属米国特許出願第６０／３６１３７５号明細書 同時係属米国特許出願第６０／３６００８７号明細書 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）；Ｓ．Ｎ．ユー、Ｏ．Ｓ．クオン、Ｃ．Ｒ．ソン(Ｓ．Ｎ．Ｙｏｏ、Ｏ．Ｓ．Ｋｗｏｎ、Ｃ．Ｒ．Ｓｏｎ)著「ヒュンダイ−マンＢ＆Ｗ １２Ｋ９０ＭＳ−Ｓエンジンによる最大級ディーゼルエンジン発電プラントの運転経験」（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｒｇｅｓｔ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ ｗｉｔｈ Ｈｙｕｎｄａｉ−ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ １２Ｋ９０ＭＳ−Ｓ Ｅｎｇｉｎｅｓ） 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）；ヴィンス カレーおよびＪ．フォガーティ(Ｖｉｎｃｅ Ｃａｒｅｙ ａｎｄ Ｊ．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」（Ｋｅｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｏｉｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ Ｃｒｏｓｓｈｅａｄ Ｄｉｅｓｅｌ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ） フィロソフィー マガジン(Ｐｈｉｌｏｓ． Ｍａｇ．)（１９０８年、第１６号、第５５０頁）；バークラ、Ｃ．Ｇ．、サドラー、Ｃ．Ａ．(Ｂａｒｋｌａ Ｃ．Ｇ．、Ｓａｄｌｅｒ Ｃ．Ａ．)著 Ｘ線スペクトル(Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ．)（２００１年、第３０号、第２０３〜２１１頁）；ギルフリッチ、Ｊ．Ｖ．(Ｇｉｌｆｒｉｃｈ、Ｊ．Ｖ．)著 アナリティカル ケミストリー(Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．)（１９８３年、第６５号、第１９１１〜１９１４頁）；サンダース、Ｒ．Ｗ．、オルセン、Ｋ．Ｂ．ウェルマー、Ｗ．Ｃ．ニールソン、Ｋ．Ｋ．(Ｓａｎｄｅｒｓ、Ｒ．Ｗ．、Ｏｌｓｅｎ、Ｋ．Ｂ．、Ｗｅｌｍｅｒ、Ｗ．Ｃ．、Ｎｉｅｌｓｏｎ、Ｋ．Ｋ．)著 潤滑および流体力(Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＦｌｕｉｄＰｏｗｅｒ)（２０００年、８月号、第１６〜１９頁）；ウィルソン、Ｂ．Ｗ．、プライス、Ｌ．Ｓ．(Ｗｉｌｓｏｎ、Ｂ．Ｗ．、Ｐｒｉｃｅ、Ｌ．Ｓ．)著

本発明は、計測器を用い、「全損」ディーゼルエンジンの潤滑油の特性または流量を、実際のエンジン潤滑要求に応じて略リアルタイムで変化させる方法に関する。好ましくは、本発明は、小型化されたＸＲＦ技術による使用済み潤滑油のＦｅ含有量測定、小型化されたＸＲＦ技術を用いる実際の燃料油の硫黄含有量測定およびＩＲ測定装置による使用済み潤滑油のＢＮ測定によって、ディーゼルエンジンにおける潤滑油の有効性を現場で監視し、機械またはエンジンにおける実際の摩耗または腐蝕、或いは他の必要性に応じて、潤滑油の特性および／または流量を修正する方法を提供する。より好ましくは、本発明は、２ストロ−ククロスヘッドディーゼルエンジンにおける供給速度または潤滑油特性を変化させるシステムで、これらの計測器を使用することに関する。

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

関心あるエンジン条件パラメーター（摩耗、デポジット、腐食など）は、直接測定してもよく、他のエンジン、使用済み潤滑油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の金属含有量を測定することによって、直接測定されうる。或いは、摩耗はまた、他のパラメーターから予測されうる。例えば、研究では、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は、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」）から正確に予測されうることが示されている。非特許文献２（引用により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。従って、シリンダーの摩耗は、直接に測定してもよく、他のパラメーターから正確に予測してもよい。

Ｘ線蛍光分光法（「ＸＲＦ」）分析は１９０８年に、物質は単にＸ線放射を散乱するだけでなく、それを修飾して「特性線」をもたらすとの認識の元に、バークラおよびサドラー(Ｂａｒｋｌａ ａｎｄ Ｓａｄｌｅｒ)によって始められた（非特許文献３）。他の者が、特性線は原子数に関連する（即ち、それらを用いて鉄などの元素を同定しうる）ことを示した。１９４８年、米国海軍研究所(ＵＳ Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ)のフリードマンおよびバークス(Ｆｒｉｅｄｍａｎ ａｎｄ Ｂｉｒｋｓ)は、写真フィルムをガイガーカウンターに置き換えることによって、ＸＲＦのための最初の電子検出に先鞭をつけた（非特許文献４）。その革新により、定量的なＸＲＦ測定への道が開かれた。

その時以来、検出器、ウィンドウ、Ｘ線源、マトリックス効果を説明するためのアルゴリズム、コンピューター計算能力等が有意に向上した。１９８３年、サンダース(Ｓａｎｄｅｒｓ)ら（大平洋北西研究所(Ｐａｃｉｆｉｃ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ)）は、未秤量の標準石油燃料油試料中の金属を、ＸＲＦを用いて高い精度で測定しうることを示した（非特許文献５）。極く近年には、ウィルソン(Ｗｉｌｓｏｎ)らが、液体を監視するためのインラインセンサーとしてＸＲＦ分光計を使用することを報告している（非特許文献６）。

ウィルソンは、工業部品の破損を予測するに際して、小型化されたＸＲＦ計測器が、使用済み油の分析に取って変わるのに有用であることを認めたが、本発明者らは、特許文献３（２００２年２月２６日出願）におけるその研究から、ＸＲＦ検出器を用いて、潤滑油の流量、或いはその物理的または化学的特性を修正し、それによってエンジンの摩耗または関心ある他のエンジンパラメーターを抑制しうることを理解した。勿論、この計測器パッケージは、潤滑油を用いるあらゆる部品のパラメーターを制御するように拡張しうる。

ウィルソンは、ＸＲＦを用いて使用済み油試料の鉄含有量を測定することにより、実際の摩耗条件はずっと後にならないと測定できない、と結論付けた。しかし本発明者らは、インラインＸＲＦ検出器によって、シリンダーライナーのリアルタイム摩耗を測定しうることを認めた。更に本発明者らは、燃やされる燃料油中の硫黄の測定を、リアルタイムまたは略リアルタイムで正確に行える、インラインまたはオンラインＸＲＦセンサーの新規な用途を認めた。従って、同じタイプのセンサーで、エンジンの実際の摩耗条件を測定することと、潤滑油の流れおよび特性を調整し、摩耗に対して補正することという、二つの臨界的な要素を監視しうる。

この取り組みの明確な利点は、使用中の燃料油の硫黄レベルがわかることである。硫黄含有量を計算または推定する必要はない（異なる燃料補給に由来する混合燃料油については、または一つの貯蔵中の燃料から他方に切り替える場合、このことは特に困難な問題である）。現在実施されているのは、貯蔵タンクに積み込む際に燃料油試料を採取し、それらを分析のために実験室に送ることである。結果を受け取るのは２、３日後である。インラインまたはオンライン装置を用いて硫黄を測定することにより、当て推量は排除され、燃料油の硫黄レベルが有意に変化する場合でも、潤滑油の供給速度および／または組成の最適化が可能となる。特許文献１は、燃料油の硫黄レベルがリアルタイムまたは略リアルタイムで測定されることが望ましいとしているが、唯一本発明が、その測定を行うための実用的な方法を提供する。

同様に、本発明者らは、特許文献４（２００２年２月２６日出願）（引用により本明細書に組み込まれる）に詳述されるＩＲ測定装置を用いる、使用済み潤滑油ＢＮ測定の独特のインラインのリアルタイムまたは略リアルタイム法を見出した。本発明者らは、特定範囲のＩＲスペクトルを測定し、この範囲の基線に対するこのスペクトル範囲のピークに関して数学的モデルを開発した。これにより、使用済み潤滑油のＢＮ、または使用済み潤滑油のＢＮの変化が、いずれも正確に測定された。

小型化されたＸＲＦ技術を独立に、またはＢＮ／ＩＲ技術と組み合わせて用いることにより、２ストロークディーゼルエンジンのシリンダーライナーに入る潤滑油の供給速度または特性を変化させるシステムの効率が向上される。

この発明の計測セットは、単独で用いてもよく、何らかの組み合わせで用いてもよい。好ましい方法は、供給速度または潤滑油特性を変化させるのに両方のセンサーを用いることである。この強固な基礎により、当業者は、この一連の計測に加える他の計測器を容易に斟酌しうる。また明らかに、本発明者らによる特許文献５（２００２年２月２６日出願）（本明細書に引用して含まれる）に記載の再循環潤滑システムに、この計測を適用しうる。

Claims (8)

1. エンジンの運転中に、システムのベース潤滑油の流量および／または特性を修正する方法であって、
   ａ）ＸＲＦ測定およびＩＲスペクトルによるＢＮ測定よりなる群から選択される一種以上の計測器を用いて、直接的または間接的に、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監視する工程；
   ｂ）前記エンジン条件パラメーターから、エンジンへのベース潤滑油の供給速度を変化させるか、その特性を修正するための量を計算する工程；および
   ｃ）潤滑油の供給速度を変化させるか、その特性を修正する工程
   を含むことを特徴とするベース潤滑油の流量および／または特性を修正する方法。
2. 前記エンジン条件パラメーターは、潤滑油の鉄含有量、燃料油の硫黄含有量および潤滑油の全塩基価よりなる群から選択される一種以上のパラメーター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の流量および／または特性を修正する方法。
3. 前記エンジンは、全損潤滑システム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の流量および／または特性を修正する方法。
4. 前記エンジンは、再循環潤滑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の流量および／または特性を修正する方法。
5. 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３に記載のベース潤滑油の流量および／または特性を修正する方法。
6. 前記２ストロークディーゼルエンジンは、クロスヘッドの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５に記載のベース潤滑油の流量および／または特性を修正する方法。
7. 船舶用または工業用ディーゼルエンジンに適用されることを特徴とする請求項３に記載のベース潤滑油の流量および／または特性を修正する方法。
8. 前記エンジンは、２ストロークまたは４ストローク内燃機関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の流量および／または特性を修正する方法。