KR20230054507A - 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법 - Google Patents

인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230054507A
KR20230054507A KR1020237012791A KR20237012791A KR20230054507A KR 20230054507 A KR20230054507 A KR 20230054507A KR 1020237012791 A KR1020237012791 A KR 1020237012791A KR 20237012791 A KR20237012791 A KR 20237012791A KR 20230054507 A KR20230054507 A KR 20230054507A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lubricant
nozzle
cavitation
pressure
viscosity
Prior art date
Application number
KR1020237012791A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102562151B1 (ko
Inventor
라트헤산 라벤드란
Original Assignee
한스 옌젠 루브리케이터스 에이/에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한스 옌젠 루브리케이터스 에이/에스 filed Critical 한스 옌젠 루브리케이터스 에이/에스
Publication of KR20230054507A publication Critical patent/KR20230054507A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102562151B1 publication Critical patent/KR102562151B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/08—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/16—Controlling lubricant pressure or quantity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/18—Indicating or safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16N—LUBRICATING
    • F16N7/00—Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated
    • F16N7/30—Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated the oil being fed or carried along by another fluid
    • F16N7/32—Mist lubrication
    • F16N7/34—Atomising devices for oil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16N—LUBRICATING
    • F16N7/00—Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated
    • F16N7/38—Arrangements for supplying oil or unspecified lubricant from a stationary reservoir or the equivalent in or on the machine or member to be lubricated with a separate pump; Central lubrication systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/08—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means
    • F01M2001/083—Lubricating systems characterised by the provision therein of lubricant jetting means for lubricating cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M11/00—Component parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart from, groups F01M1/00 - F01M9/00
    • F01M11/10—Indicating devices; Other safety devices
    • F01M2011/14—Indicating devices; Other safety devices for indicating the necessity to change the oil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16N—LUBRICATING
    • F16N2210/00—Applications
    • F16N2210/06—Marine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Lubrication Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

본 방법은 대형의 저속 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법에 관한 것이다. 윤활제의 점도 및 압력은 캐비테이션이 노즐에 제공되고 잠재적으로 노즐 출구까지 연장되도록 선택된다.

Description

인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법{METHOD FOR LUBRICATING LARGE TWO-STROKE ENGINES USING CONTROLLED CAVITATION IN THE INJECTOR NOZZLE}
본 발명은 대형 2-행정 엔진의 윤활하기 위한 방법에 관한 것이다.
환경 보호에 중점을 두어, 선박용 엔진으로부터의 배출(emission)의 감축에 대하여 노력이 계속되고 있다. 여기에는 특히 경쟁이 치열해짐에 따라 이러한 엔진에 대한 윤활 시스템의 꾸준한 최적화가 포함된다. 증가된 주목을 받는 경제적인 측면들 중 하나는 환경 보호뿐만 아니라 배의 운영 비용의 상당한 부분이기 때문에 윤활유 소비를 줄이는 것이다. 그러나, 마모를 최소화하고 엔진의 수명을 보장하기 위해 항상 적절한 윤활이 보장되어야 하므로, 엔진의 수명은 오일 소비의 감소로 인해 위태롭지 않아야 한다. 따라서, 윤활과 관련하여 꾸준한 개선이 필요하다.
대형의 저속 2-행정 선박용 디젤 엔진의 윤활을 위해, 실린더 라이너 상에 직접 윤활유를 분사(injection)하거나 피스톤 링 상에 오일 퀼(oil quill)을 분사하는 것을 포함하여, 여러 상이한 시스템들이 존재한다.
선박용 엔진을 위한 윤활제 인젝터의 예가 EP1767751에 개시되어 있으며, 여기서 비-복귀 밸브(non-return valve)가 실린더 라이너의 내부에서 노즐 통로에의 윤활제 접근을 제공하기 위해 사용된다. 비-복귀 밸브는 노즐 통로의 바로 상류에 있는 밸브 시트 내에 왕복운동하는 스프링-압축식(spring-pressed) 볼을 포함하며, 이때 볼은 가압된 윤활제에 의해 변위된다. 볼 밸브는 예를 들어 1923년으로부터 GB214922에 개시된 바와 같이 이전 세기의 시작으로 거슬러 올라간 원리를 기초로 하는 전통적인 기술 솔루션이다.
전통적인 윤활과 비교하여, 대안적이고 상대적으로 새로운 윤활 방법은 상업적으로 소용돌이 분사 원리(Swirl Injection Principle; SIP)이라고 한다. 이것은 실린더의 내부에서 소기(scavenging air) 소용돌이에 분무화된 윤활유 액적의 스프레이를 분사하는 것을 기초로 한다. 나선형 상방으로 향하는 소용돌이는 윤활제가 실린더의 상사점(Top Dead Centre; TDC)을 향해 당겨지고 얇고 평평한 레이어와 같은 실린더 벽에 대해 바깥쪽으로 눌려지게 하는 것을 초래한다. 이것은 국제 특허 출원 WO2010/149162 및 WO2016/173601에 상세하게 설명되어 있다. 인젝터는 왕복운동 밸브 부재, 일반적으로 밸브 니들(valve needle)이 내측에 제공되는 인젝터 하우징을 포함한다. 예를 들어 니들 팁(tip)을 구비한 밸브 부재는 정확한 타이밍에 따라 노즐 구멍으로의 윤활제의 접근을 닫고 연다. 현재 SIP 시스템에서, 분무화된 액적을 가진 스프레이는 37bar의 압력에서 달성된다. 이에 비해, 실린더 내로 주입되는 콤팩트 오일 제트로 작동하는 시스템에서 오일 압력은 30bar 미만이고 종종 10bar 미만이다.
이러한 대형 선박용 엔진에서, 다수의 인젝터가 실린더의 둘레에 배열되고, 각각의 인젝터는 윤활제 제트 또는 스프레이를 각각의 인젝터로부터 실린더 내로 전달하기 위해 팁에서 하나 또는 그 이상의 노즐 구멍을 포함한다. 선박용 엔진에서의 SIP 윤활제 인젝터 시스템의 예들이 국제 특허 출원 WO2002/35068, WO2004/038189, WO2005/124112, WO2010/149162, WO2012/126480, WO2012/126473, WO2014/048438 및 WO2016/173601에 개시되어 있다.
SIP 윤활에서 스프레이 최적화는 꾸준히 개발되고 있다. 윤활 인젝터는 연료 인젝터와 일부 유사성을 갖지만, 비교는 또한 상이한 동작과 상이한 효과를 보여준다. 이것은 점도, 표면 장력 및 액체 압력과 같은 다른 효과를 초래하는 인젝터에 대한 상이한 작업 조건들에 주로 기인된다. 이에 따라, 연료 분사의 연구로부터의 결과들은 윤활제 분사에 자동적으로 적용할(transferable) 수 없으며, 동작에서의 차이는 일부 경우에서 놀라게 한다.
스프레이 형성을 위한 중요한 요소들 중 하나는 증발로 인한 액체 내부에서의 증기 캐비티(vapour cavity)의 형성인 노즐에서의 캐비테이션(cavitation)이다. 노즐에서의 캐비테이션은 액체 스트림에 현저한 교란을 유발하여 제트를 불안정하게 하기 때문에 액체의 분무화(atomization)에 영향을 미친다. 연료 분사의 분야에서, 노즐에서의 이러한 캐비테이션은 집중적으로 연구되었지만, 윤활제 인젝터에서의 캐비테이션에 대한 약간의 연구도 있다. 이하에서는, 이 섹션의 끝에서 알파벳 순서로 언급되고 첫 번째 저자의 이름을 참조하여 아래에 언급되는 다수의 출판물이 참조된다.
캐비테이션이라고 하는 노즐에서의 증기 캐비티의 형성은 액체의 국부적 압력이 증기 압력 아래로 떨어지는 때에 발생한다(프랭크(Franc)와 미첼(Michel), 2006; 리(Li), 2014). 스프레이 노즐에서 가장 잘 알려진 유형의 캐비테이션은 기하학적으로 유도된 캐비테이션이다(두모우첼(Dumouchel) 등, 2013). 이것은 액체가 통하여 흐르는 유로의 기하학적 구조의 변화가 액체를 증발시키기에 충분한 정도의 압력 강하를 초래할 때 발생한다.
노즐에서의 캐비테이션은 제트 분무화를 높이는데, 이것은 액체 스트림의 확률적 거동(stochastic behavior)을 초래하고 제트를 불안정하게 하는 교란의 큰 진폭(amplitude)을 유발하기 때문이다(베르그웨르크(Bergwerk),1959). 파이리(Payri) 등(2004)은 디젤 연료 인젝터에 대한 상이한 노즐 기하학적 구조의 영향을 조사했고 캐비테이션이 스프레이 콘 각도(cone angle)와 스프레이 구멍 출구 속도에서의 증가로 이어진다는 것을 보여주었다.
또한, 기하학적 캐비테이션이 노즐의 출구에 도달하면, 구조가 거품형 구름으로부터 부드러운 곡선의 필름 캐비테이션으로 변형되어 나가는 스프레이 구조에 크게 영향을 미친다는 것이 관찰되었다(미르샤히(Mirshahi), 2015).
예를 들어, 연료 분사 동안 캐비테이션을 제공하기 위한 특별한 연료 분사 밸브는 미국 특허 번호 US7712684에 개시되어 있다.
고점도 액체의 경우, 타마키(Tamaki)와 쉬미주(Shimizu)(2002)는 캐비테이션을 촉진하는 교차점을 통해 액체를 우회시킬 때 낮은 유체 압력을 사용하여 더 짧은 분산 길이와 더 작은 사우터(Sauter) 평균 직경이 얻어졌다는 것을 보여주었다. 수(Sou) 등(2007)은 캐비테이션이 인젝터 노즐의 출구까지 거의 확장될 때 분무화가 향상되지만, 캐비테이션이 노즐 출구까지 확장되는 경우에는 억제된다는 것을 발견했다. 이것은 하류의 공기가 노즐 내로 상향 이동함에 따라 캐비테이션이 사라지기 때문이다. 이러한 메커니즘은 유압식 플립으로 알려져 있다(헤(He) 등, 2016).
날카로운 입구 오리피스(orifice) 뿐만 아니라 니들 리프트, 배출 오리피스의 길이 대 직경 비율, 입구 에지의 곡률, 액체 속성 및 시스템 압력과 같은 파라미터들이 캐비테이션을 촉진시킨다(동(Dong) 등, 2016; 졸레트(Jollet) 등, 2014; 프라타마(Pratama) 등, 2015; 슈미트(Schmidt)와 코르라디니(Corradini), 2001).
안드리오티스(Andriotis) 등(2008)은 비-축방향(non-axial) 분사 조건을 조사했으며, 노즐 내부의 소용돌이치는 액체 유동이 스트링 캐비테이션(string cavitation) 또는 보텍스 캐비테이션(vortex cavitation)과 같은 복잡한 현상을 유발함을 보여주었다.
캐비테이션은 또한 고주파수, 예를 들어 초음파 주파수, 선택적으로 20-200kHz, 예를 들어 20-100kHz의 범위에서 노즐에서의 진동에 의해 영향을 받을 수 있다. 노즐에서의 초음파 여기(excitation)는 종래 기술(크멜레브(Khmelev) 2006, 라잔(Rajan) 2001)에 개시되어 있다. 초음파 노즐의 예가 소쓰(Soth) 등의 미국 특허 4,659,014에 제공되어 있다.
윤활제 SIP 인젝터에서의 캐비테이션에 대한 특별한 주의가 가르드하우스(Gardhouse)(2014)에 의한 캐비테이션이 스프레이 형성에 미치는 영향에 대한 연구에서 밝혀져 있다. 4.8mm의 색(sac) 구멍 및 0.3mm의 출구 스프레이 구멍 직경을 가진 노즐이 연구에 사용되었다. 노즐 입구로부터 노즐 출구까지의 캐비테이션 발달이 근거리(near field) 및 원거리(far field) 스프레이 구조에의 효과에 대하여 조사되었다. 결론은, 이러한 인젝터의 경우, 특정 저점도가 상당한 노즐 유동 캐비테이션을 유발하고 스프레이의 분열(splitting)로 이어지며, 궁극적으로는 덜 제어되는 라이너 범위로 이어진다는 것이다.
가르드하우스로부터의 결론은 캐비테이션이, 특히 노즐 팁 근처에서, 스프레이 안정성에 불리하며 덜 제어되는 스프레이를 초래한다는 것이다. 이것은 상기에서 언급된 바와 같이 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장된다면 분무화가 억제되는 것으로 밝혀진 수 등(2007)에 의한 연구와 대부분 일치한다.
이러한 발견들의 결론이 상이한 점도로 인해 연료 분사와 다르게 거동하는 윤활제 분사에 적용될 수 있는 한, 노즐 출구에서의 캐비테이션은 불이익하다. 다시 말해, 윤활유의 압력 및 점도 뿐만 아니라 노즐 치수와 같은 파라미터들은 특히 노즐 출구에서의 캐비테이션이 회피되도록 선택되어야 한다. 이것은 또한 노즐에서 캐비테이션을 야기하지 않는 파라미터들로 작동되는 선박용 엔진을 위한 현재의 상용 SIP 분사 시스템과 일치한다.
대형 2-행정 가스 및 디젤 엔진, 예를 들어 선박용 엔진 또는 발전소용 엔진에서의 윤활의 개선을 위한 꾸준한 동기가 있으므로, 캐비테이션 설계는 유리하게는 스프레이, 특히 SIP 분사를 최적화하기 위한 고려사항들 중 일부이다.
참고문헌
안드리오티스, 에이.(Andriotis, A.), 가바이세스, 엠.(Gavaises, M.) 및 아르코우마니스, 씨.(coumanis, C.), 디젤 인젝터 노즐에서의 보텍스 유동 및 캐비테이션, 유체 역학 저널(Journal of Fluid Mechanics), 610권, 2008년 8월호, 195-215페이지, 2008년.
베르그웨르크, 더블유.(Bergwerk, W.), 디젤 노즐 스프레이 구멍에서의 유동 패턴, 기록: 기계 엔지니어 협회의 회보 1847-1982년 (1-196권), 173권, 1959호, 655-660페이지, 1959년. URL http://pme.sagepub.com/content/173/1/655.short
비써, 비.(Bicer, B.) 및 수, 에이.(Sou, A.), 연료 인젝터 노즐 B.에서의 일시적인 캐비테이션 유동을 시뮬레이션하기 위한 난류 및 버블 역학 모델, ILASS 아시아, 제13차 액체 분무화 및 스프레이 시스템에 대한 국제 컨퍼런스, 1-8페이지, 2015년.
브루시아니, 에프.(Brusiani, F.), 팔파리, 에스(Falfari, S.) 및 펠로니, 피((Pelloni, P.), 노즐로부터 나오는 유동 조건에 대한 디젤 인젝터 구멍 기하학적 구조의 영향, 에너지 프로세디아(Energy Procedia), 45권, 749-758페이지, 2014년.
다비리, 에스(Dabiri, S.), 시리그나노, 더블유. 에이.(Sirignano, W. A.) 및 조세프, 디. 디.(Joseph, D. D.), 오리피스 유동에서의 캐비테이션, 유체 물리학, 19권, 7호, 072112페이지, 2007년.
동, 피.(Dong, P.), 이나바, 티.(Inaba, T.), 니시다, 케이.(Nishida, K.) 및 시모, 디.(Shimo, D.), 디젤 엔진용 단일-홀 인젝터 및 복수-홀 인젝터의 내부 유동 및 근거리 스프레이의 특성, 기계 엔지니어 협회의 회보, 파트 D: 자동차 공학 저널, 230권, 5호, 632-649페이지, 2016년.
두모우첼, 씨.(Dumouchel, C.), 레보우체르, 엔.(Leboucher, N.) 및 리시에키, 디.(Lisiecki, D.), 낮은 분사 압력 조건에서 실제 인젝터에서의 캐비테이션 및 1차 분무화, 유체에서의 실험, 54권, 6호, 2013년.
프랑크, 제이. -피. 및 제이. -엠.(Franc, J.-P. 및 J.-M.), 캐비테이션 기초, 2006년.
가르드하우스, 티(Gardhouse, T.), 세르세이, 쥐.(Sercey, G.), 크루아 씨.(Crua C.), 에드워드, 에스.(Edwards, S.), 톰슨, 씨.(Thompson, C.), 선박용 윤활제 스프레이의 쉐도우 그래픽 특성, ILASS - 유럽 2014, 제26차 액체 분무화 및 스프레이 시스템에 대한 연례 컨퍼런스, 2014년 9월, 브레멘, 독일
헤, 제트.(He, Z.), 구오, 쥐.(Guo, G.), 타오. 엑스.(Tao, X.), 지홍, 더블유.(Zhong, W.), 랭, 엑스.(Leng, X.) 및 왕, 큐.(Wang, Q.), 노즐 홀 형태가 내부 유동 및 스프레이 특성에 미치는 영향 연구, 열 및 질량 전달에서의 국제 커뮤니케이션, 71권, 1-8페이지, 2016년.
졸레트, 에스.(Jollet, S.), 한센, 에이치.(Hansen, H.), 비트너, 케이.(Bitner, K.), 니에메이어, 디.(Niemeyer, D.) 및 딘케라커, 에프.(Dinkelacker, F.), 고압 조건의 투명 노즐, ILASS 유럽, 제26차 액체 분무화 및 스프레이 시스템에 대한 연례 컨퍼런스, 8-10페이지, 2014년.
졸레트, 에스.(Jollet, S.), 헤이리그, 에이.(Heilig, a.), 비트너, 케이.(Bitner, K.), 니에메이어, 디.(Niemeyer, D.) 및 딘케라커, 에프.(Dinkelacker, F.), 고압 투명 분사 노즐의 실험 및 수치 시뮬레이션 비교, 실험적 테스트리그, 9월호, 1-4 페이지, 2013년.
크멜레브, 브이. 엔.(Khmelev, V.N.), 샬루노브, 에이. 브이.(Shalunov, A.V.), 스메르디나, 이. 에스.(Smerdina, E.S.), 점성 액체의 캐비테이션 스프레이, 2006년, 출판: 전자 장치 및 재료, 2006년. 회보. 제7차 연례 2006 국제 워크숍 및 안내서, 인터넷 u-sonic.ru/downloads/edm06/spray_eng.pdf에서 이용가능함.
리, 제트.(Li, Z.), 제트 캐비테이션 및 캐비테이션 제트 드릴링의 기준, 암석 역학 및 채굴 과학의 국제 저널, 71권, 204-207페이지, 2014년. URL http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmms.2014.03.021
마리아시우, 에프.(Mariasiu, F.), 인젝터 노즐 침식 공정에 대한 바이오 연료 특성의 영향에 대한 수치적 조사, 트라이볼러지 회보, 56권, 2호, 161-168페이지, 2013년.
미르샤히, 엠.(Mirshahi, M.), 얀, 와이.(Yan, Y.), 노우리, 제이엠.(Nouri, JM.), 노즐 출구 스프레이 근처에서 캐비테이션의 영향. CAV2015에서 발표된 논문. 제9차 캐비테이션에 대한 국제 심포지엄, 2015년 12월 6-10일, 로잔, 스위스.
파이리, 에프.(Payri, F.), 베르무데즈, 브이.(Bermudez, V.), 파이리, 알.(Payri, R.) 및 살바도르, 에프. 제이.(Salvador, F. J.), 캐비테이션이 디젤 분사 노즐에서의 내부 유동 및 스프레이 특성에 미치는 영향, 연료, 83권, 4-5호, 419-431호, 2004년.
프라타마, 알. 에이치.(Pratama, R.H.), 수, 에이.(Sou, A.), 와다, 와이.(Wada, Y.) 및 요코하타, 에이치.(Yokohata, H.), Mini-Sac 노즐 및 분사된 액체 제트에서의 캐비테이션, ICLASS 2015, 제13차 액체 분무화 및 스프레이 시스템에 대한 국제 컨퍼런스, 1권, 3-9페이지, 2015년.
라잔, 알.(Rajan, R.) 및 판디트, 에이. 비.(Pandit, A.B.), 초음파 분무에서 액적 크기를 예측하기 위한 상관 관계, 초음파 39 (2001년) 235-255페이지.
루히, 이.(Roohi, E.), 자히리, 에이. 피.(Zahiri, A.P.) 및 파싼디데흐-파르드, 엠.(Passandideh-Fard, M.), VOF 방법 및 LES 난류 모델을 사용한 2차원 수중익선 주위에서의 캐비테이션의 수치 시뮬레이션, 응용 수학적 모델링, 37권, 9호, 6469-6488페이지, 2013년.
슈미트, 디. 피.(Schmidt, D.P.) 및 코르라디니, 엠. 엘.(Corradini, M.L.), 디젤 연료 인젝터 노즐의 내부 유동: 리뷰, Int J 엔진 리서치. JER 00201 ImechE, 2권, 6호, 1-22페이지, 2001년.
사이언세스, 엠.(Sciences, M.) 및 스퀘어, 엔.(Square, N.), 디젤 인젝터 노즐에서의 보텍스 유동 및 캐비테이션, 610권, 195-215페이지, 2008년.
소리아노-파라오, 오. 제이.(Soriano-Palao, O.J.), 솜메르펠드, 엠.(Sommerfeld, M.) 및 부르크하르트, 에이.(Burkhardt, A.), 디젤 제트의 1차 분열에 대한 노즐 기하학적 구조의 영향 모델링, 스프레이 및 연소 역학의 국제 저널, 6권, 2호, 113-146페이지, 2014년.
수, 에이,(Sou, A.), 호소카와, 에스.(Hosokawa, S.) 및 토미야마, 에이.(Tomiyama, A.), 노즐에서의 캐비테이션이 액체 제트 분무에 미치는 영향, 열 및 질량 전달의 국제 저널, 50권, 17-18호, 3575-3582페이지, 2007년.
타마키, 엔.(Tamaki, N.) 및 쉬미주, 엠.(Shimizu, M.), 압력 분무 노즐에 의한 고점도 액체 제트의 분무의 향상, ILASS 유럽, 제12차 액체 분무 및 스프레이 시스템에 관한 3년마다의 국제 컨퍼런스, 2002년.
유안, 더블류.(Yuan, W.), 사우어, 제이.(Sauer, J.) 및 슈네르, 쥐. 에이치.(Schnerr, G. H.), 분사 노즐에서 불안정한 캐비테이션 유동의 모델링 및 계산, 기계공학 및 산업, 2권, 5호, 383-394페이지, 2001년.
따라서, 본 발명의 목적은 해당 기술에서 개선을 제공하는 것이다. 특별한 목적은 인젝터에 의한 윤활제 스프레이 분사의 더 나은 제어를 제공하는 것이다. 특히, 대형 2-행정 엔진에서 SIP 밸브로 윤활을 향상시키는 것이 목적이다. 이러한 목적은 다음에 설명된 바와 같이 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법에 의해 달성된다.
대형 2-행정 엔진은 분사 단계 동안 실린더의 둘레 상의 복수의 위치에서 실린더 내로의 윤활제 분사를 위해, 내부에 왕복운동하는 피스톤 및 실린더의 둘레를 따라 분포된 복수의 윤활제 인젝터를 갖는 실린더를 포함한다. 예를 들어, 엔진은 선박용 엔진 또는 발전소의 대형 엔진이다. 일반적으로, 엔진은 디젤 또는 가스 연료를 연소시킨다.
분사 단계라는 용어는 윤활제가 인젝터에 의해 실린더 내로 분사되는 동안의 시간에 대해 사용된다. 분사 사이클이라는 용어는 인젝터에 의해 실린더 내로 윤활제를 분사하고 다음 분사까지 걸리는 시간에 대해 사용된다. 이러한 용어는 상기 언급된 종래 기술과 일치한다.
인젝터라는 용어는 본 명세서에서 윤활제 유입구를 갖는 하우징 및 노즐 출구를 갖는 하나의 단일 분사 노즐을 포함하는 윤활제 분사 밸브 시스템에 대해 사용되며, 이때 상기 노즐 출구로부터 윤활제가 노즐을 떠나 스프레이로서 실린더 내로 들어가고, 상기 노즐 출구는 출구 크기(S)를 갖는 출구 구멍을 갖는다. 예를 들어, 출구 구멍은 직경(D)을 갖는 원형이고,이 경우 직경(D)은 크기(S)의 측정값이다. 출구 구멍이 원형 형상으로부터 벗어나면, 크기(S)에 대한 잠재적 측정값은 구멍 면적 또는 평균 직경이고; 후자(평균 직경)는 원으로부터 약간의 계란형 또는 타원형 편차가 있는 경우에 유용하다. 예를 들어, 비원형 출구 구멍의 경우, 횡단면 치수는 횡단면적과 수 Pi
Figure pat00001
3.14 사이의 비율의 제곱근의 2배로 계산되는 등가의 직경이다. 노즐은 하나 또는 그 이상의, 전형적으로는 2개 이하의 노즐 출구를 갖는다.
SIP 인젝터에서, 노즐은 예를 들어 0.5와 1mm 사이의 길이(L)를 갖는 채널로서 형성되고, 일단이 노즐 출구를 형성하는, 스프레이 구멍을 포함한다. 일반적인 인젝터에서, 노즐은 색(sac) 구멍으로부터 노즐 출구까지 연장되는 스프레이 구멍으로의 윤활제의 유동을 위한 색 구멍을 포함한다. 전형적으로, 스프레이 구멍의 중심 종축은 예를 들어 30 내지 90도의 범위에서 색 구멍의 중심 종축과 각도를 갖는다. 색 구멍의 중심 종축에 수직인 색 구멍의 횡단면적은 종종 스프레이 구멍의 중심 종축에 수직인 스프레이 구멍의 횡단면적보다 크다.
선택적으로, 제어기가 업그레이드를 위한 애드-온(add-on) 시스템으로 제공된다. 제어기는 컴퓨터를 포함하거나 컴퓨터에 전자적으로 또는 무선으로 연결된다. 유리하게는, 컴퓨터는 엔진의 실제 상태 및 운동에 대한 파라미터를 모니터링하도록 구성된다. 컴퓨터와 협력하여, 파라미터에 기초하여, 제어기는 분사 단계 동안 인젝터에 의한 윤활제 분사의 양 및 타이밍을 제어한다. 선택적으로, 엔진은 제어기를 포함한다. 아래에서 보다 명백해지는 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 또한 제어기는 윤활제의 압력 및 선택적으로 또한 윤활제의 온도를 제어하도록 구성된다.
도입부에서 논의된 바와 같이, 윤활제 분사에 관한 종래 기술은 특히 노즐 팁 근처에서의 캐비테이션이 스프레이 안정성, 윤활유의 분배에 불리하고, 덜 제어된 스프레이로 이어진다는 결론을 도출한다. 이에 따라, 캐비테이션은 대형 선박용 엔진에서 윤활제 분사를 위해 실제로 사용되지 않았으며, 제트 분사 또는 SIP 분사에서도 사용되지 않았다. 스프레이 분사, 특히 SIP 분사의 파라미터는 캐비테이션이 달성되는 범위를 벗어났다.
그러나, 종래 기술에서의 결론 및 당업계의 경향과 대조적으로, 더욱 상세한 연구는 노즐에서 윤활제를 위한 캐비테이션이 스프레이의 안정적이고 제어된 분사 및 최적화된 SIP 윤활을 위한 중요한 요소인 윤활유의 균일한 분포를 제공하는데 사용될 수 있다는 것을 놀랍게도 밝혀냈다.
본 발명에 이르는 연구에서, 이와 같이 캐비테이션은 윤활제의 스프레이 형성에 유리한 것으로 밝혀졌을 뿐만 아니라, 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장되면 스프레이 품질, 제어 및 안정성이 휠씬 개선된다. 종래 기술은 캐비테이션이 노즐 출구에 도달해서는 안된다고 교시하지만, 이것은 불안정성 및 불균일한 스프레이 분포를 초래하는 것으로 여겨지므로, 놀랍게도 윤활제 분사를 위한 스프레이 조건을 개선시키는 경우가 반대인 것으로 밝혀졌다. 선행 기술에서의 이러한 상이한 이해는 물 및 연료와 같은 저점도 액체에 대한 관찰(수 2007)로부터 주로 도출된 결론에 기인한 것으로 여겨진다. 그러나, 인젝터 노즐에서 윤활제를 사용한 실험에 대한 이전의 보고서(가르드하우스 2014)조차도 다른 선행 기술과 일치하는 결론을 도출했으며 노즐 출구에 도달하는 캐비테이션의 유리한 효과를 간과했다.
이에 따라, 본 명세서에 제시된 방법은 분사 동안 노즐에 윤활제 캐비테이션, 예를 들어 캐비테이션에 의해 도입된(introduced) 교란에 의해 스프레이의 특성에 영향을 미치기 위해 노즐 출구로 연장되는 캐비테이션을 유도하는 것을 포함한다. 일부 경우에, 캐비테이션이 스프레이 구멍을 통해 적어도 절반까지, 예를 들어 색 구멍과 노즐 출구 사이의 거리의 적어도 절반까지 연장되는 것이 유리하다.
본 발명의 실제 방법에 따르면, 윤활제는 분사 단계 동안 노즐에서 캐비테이션이 생성되도록, 선택적으로 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장되도록, 출구 구멍의 크기(S), 예를 들어 출구 구멍의 직경(D)을 갖는 노즐 출구에 대한 점도(μ) 및 압력(P)을 제공받는다. 예를 들어, 점도(μ) 및/또는 압력(P)은 노즐, 예를 들어 노즐 출구에서의 캐비테이션이 단지 노즐 및 노즐 구멍을 통한 윤활제의 제한된 유동으로 인해 달성되도록 조정된다.
그러나, 노즐에서, 예를 들어 노즐 출구에서 캐비테이션을 촉진시키기 위해, 노즐에서, 예를 들어 노즐 출구에서 캐비테이션을 촉진하기 위해 추가적으로 유동에 기계적으로 영향을 줄 수도 있다. 하나의 옵션은 노즐에 초음파 진동을 제공하는 것이다. 초음파 스프레이 노즐은 소쓰(Soth) 등의 미국 특허 4,659,014에 개시되어 있다. 예를 들어, 인젝터는 초음파 변환기, 선택적으로 피에조 변환기(piezo transducer)를 포함한다. 유리하게는, 변환기는 노즐에 또는 노즐 내에, 선택적으로 노즐 출구 근처에 또는 노즐 출구에 제공된다.
윤활제의 점도의 선택은 특정 윤활제를 선택하여 수행된다. 윤활제는 온도가 증가함에 따라 점도가 감소하므로, 온도를 변화시킴으로써 점도가 추가로 조정될 수 있다. 그러나, 조사에 의해 밝혀진 바와 같이, 선박용 엔진의 경우, 일반적으로 사용되는 윤활제는 광범위한 온도 범위에서도 점도가 매우 유사하다.
윤활유 펌프로부터 특정 윤활유 압력을 제공함에 따라 압력이 선택된다. 예를 들어, 윤활유를 가압하고 있는 펌프를 조정하거나 적절한 압력 조절 밸브를 사용하여 압력이 조절될 수 있다.
캐비테이션을 결정하는 가장 중요한 요소는 윤활유의 점도 및 압력 외에 출구 구멍의 크기(S), 예를 들어 직경(D)이다. 그러나, 일반적으로 사용되는 SIP 인젝터들 중에서는 다소 덜하지만, 노즐 기하학적 구조 또한 역할을 한다. 따라서, 최종 작동 전에 이미 테스트된 인젝터와 기하학적 구조가 다른 각각의 인젝터 유형에 대해 실험실 테스트를 수행하는 것이 바람직하다. 실험실 테스트라는 용어는 일반적으로 실험실에서 수행되지만 특정 상황에서는 엔진 현장에서도 수행될 수 있다. 후자의 경우, 엔진 현장이 실험실의 역할을 한다.
크기(S), 예를 들어 직경(D)의 출구 구멍을 갖는 노즐을 구비한 특정 유형의 인젝터의 시험은 캐비테이션이 노즐에 제공되도록, 예를 들어 노즐의 구멍을 통해 노즐 출구까지 또는 적어도 절반까지 연장되도록, 윤활제의 점도(μ) 및 압력(P)의 선택을 포함한다. 예를 들어, 온도 변화에 의해 전술한 바와 같이 점도(μ)가 조정되거나, 캐비테이션이 노즐에서 발생할 때까지, 예를 들어 캐비테이션이 노즐의 구멍을 통해 노즐 출구까지 또는 적어도 절반까지 연장될 때까지, 압력(P)이 조정되거나 점도(μ) 및 압력(P) 둘다가 조정된다. 이어서, 점도 및 압력에 대한 파라미터가 기록된다. 압력(P) 및 점도(μ)에 대한 단일의 값 또는 값의 범위, 또는 특정 유형의 윤활제에 대한 동등한 온도가 기록된다. 값 또는 범위는 구멍의 크기(S)뿐만 아니라 노즐의 기하학적 세부사항과 같은 다른 파라미터와 관련될 수 있다.
노즐 출구의 크기(S), 예를 들어 직경(D)을 갖는 특정 유형의 인젝터를 위한 실험실 테스트로부터 기록된 파라미터 값들은 엔진에 동일하거나 유사한 타입의 인젝터를 제공하는 때 수신되고 사용된다. 실제로, 기록된 파라미터 값에 따른 윤활제의 점도(μ) 및 압력(P)은 캐비테이션 조건 하에서 윤활제의 분사를 유발하기 위해 엔진을 작동하는 때 사용되는데, 이때 캐비테이션은 엔진의 작동 동안 노즐에 제공되는 것으로, 예를 들어 노즐의 구멍을 통해 노즐 출구까지 또는 적어도 절반까지 연장된다. 일부 실시예에서, 점도는 기록에 명시되어 있으며, 사용자는 상응하는 윤활제를 선택할 것이다.
예를 들어, D가 0.3mm 이상이고 윤활제가 0.05Pa·sec보다 작은 점도(μ)를 가지며 노즐 출구를 통해 압력 P>20bar에서 실린더 내로 분사되는 경우, 실험은 캐비테이션을 보여주었다. 이것은 직경이 1mm인 색 구멍, 길이가 0.75mm이고 색 구멍의 중심 종축에 대해 66°의 각도를 갖는 스프레이 구멍을 구비한 노즐에 대해 보여주었다. 그러나, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 시뮬레이션을 참조하면, 각도의 변화는 캐비테이션에 거의 영향을 미치지 않으며, 스프레이 구멍의 길이가 0.5-1mm 범위의 내에서 변화되는 경우 캐비테이션을 달성하기 위한 상기 점도 및 압력에 대한 파라미터가 또한 유효하다 .
윤활제의 온도를 변화시킴에 따라 점도가 조절될 수 있다. 이것은 조절을 위해 광범위한 점도 범위를 제공하기 때문에 특히 실용적이다. 이것은 위에서 언급한 바와 같이 선박용 엔진 내로의 분사를 위해 사용되는 전형적인 윤활제가 유사한 점도를 가지기 때문에 유용하다. 예를 들어, 실험실의 기록은 윤활제의 온도(T)에 의존하는 특정 점도 μ(T)를 갖는 특정 유형의 윤활제 또는 복수의 유사한 유형의 윤활제, 선택적으로 다른 브랜드의 복수의 유사한 유형의 윤활제의 윤활제를 제안한다. 기록에 있는 파라미터 값은 특정 유형 또는 유형들의 윤활제에 대한 압력(P) 및 온도(T)에 대한 값을 포함하여, 이러한 파라미터 값 및 이러한 특정 유형 또는 유형들의 윤활제를 갖는 인젝터의 작동이 노즐에서의 캐비테이션, 예를 들어 노즐 출구로의 연장을 시사한다.
실제로, 일단 기록된 값이 확립되었다면, 이것들은 특정 유형의 인젝터에 대해 사용자에게 제공된다. 예를 들어, 인젝터 판매시 데이터 시트로서 함께 제공된다.
사용자는 특정 윤활제 유형을 선택함에 따라 점도(μ)를 선택하고, 점도는 노즐을 통해 분사될 때 윤활제에 대한 온도를 조절함으로써 기록된 파라미터 값으로 잠재적으로 더 조절된다. 또한, 윤활제의 압력(P)은 예를 들어 윤활제 펌프의 압력을 변화시키거나 압력 조절 밸브를 사용하여 기록된 값으로 조정된다. 다음, 엔진은 캐비테이션 조건 하에서 윤활제의 분사를 유발하기 위해 이러한 파라미터 값으로 작동한다.
원칙적으로, 윤활제에 대한 온도 설정을 포함하여 압력 및 점도에 대한 단일 파라미터 값 세트를 찾는 것으로 충분하지만, 점도 및/또는 압력에 대한 파라미터 값의 범위를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 이것은 온도 및/또는 압력의 변화에도 불구하고 또는 다른 윤활제가 선택된 경우에도 최적화된 캐비테이션 설정을 유지하는 것을 더 쉽게 만든다. 대안적으로, 특정 유형 또는 유형들의 윤활제의 온도(T) 또는 압력(P), 또는 T 및 P 둘 다에 대한 파라미터 값의 범위가 제공된다. 상기 범위 또는 범위들 내에서, 인젝터의 작동은 노즐에서의 캐비테이션, 예를 들어 노즐 출구로의 연장을 의미한다.
실제적인 실시예에서, 본 방법은 이에 따라 엔진에 예를 들어 동일한 유형의 복수의 인젝터를 제공하는 것, 윤활제의 점도(μ) 및 압력(P)을 선택하거나, 대안적으로 기록된 파라미터 범위 또는 범위들 내에서 특정 유형의 윤활제의 압력(P) 및 온도(T)를 선택하는 것 및 엔진의 작동 중에 캐비테이션 조건 하에서 윤활제의 분사를 유발하기 위해 이러한 파라미터 값으로 엔진을 작동시키는 것을 포함한다.
선택적으로, 본 방법은 예를 들어 노즐 출구로 연장되도록 노즐에서 캐비테이션을 유발하기 위해 파라미터 값의 범위 내에서 점도(μ) 또는 압력(P) 또는 둘 다를 실험적으로 변화시키는 것 및 점도(μ) 및 압력(P)에 대한 조정된 파라미터 범위를 기록하는 것을 포함한다.
시험 후, 동일하거나 유사한 유형의 인젝터가 엔진에 제공될 때, 윤활제의 점도(μ) 및 압력(P)은 실험 동안 기록된 파라미터 값의 범위 또는 범위들 내의 파라미터 값으로 조정된다. 또한, 이 경우, 그 다음에, 캐비테이션 범위 또는 범위들 내에서 파라미터를 잠재적으로 변화시킬 수 있음에도 불구하고, 엔진의 작동 중에 캐비테이션 조건 하에서 윤활제의 분사를 유발하기 위해 이들 파라미터로 엔진이 작동된다. 잠재적으로, 캐비테이션은 노즐 구멍을 통해 노즐 출구까지 또는 적어도 절반까지 연장된다.
예를 들어, 엔진의 작동 중에 윤활제의 압력(P)이 변화된다. 선택적으로, 점도(μ)는 일정하게 유지되는데, 이것은 노즐에서 윤활제의 온도를 동일한 온도로 유지함으로써 달성된다.
대안적으로, 압력(P)의 변화의 유무에 관계없이, 윤활제의 점도(μ)는 노즐에서 윤활제의 온도(T)를 변화시킴으로써 변화된다. 잠재적으로, 윤활제 온도의 이러한 변화는 히터 또는 냉각기 또는 둘 다를 포함하는 온도 조절 유닛을 통하는 윤활제 유동에 의해 달성된다. 예를 들어, 이러한 온도 조절 유닛은 기설정된 온도의 범위 내에서 온도를 변화시키기 위한 온도 조절 메커니즘을 갖고, 선택된 윤활제 유형에 대한 기설정된 온도의 범위는 선택된 압력에 대해 노즐 출구로 연장되는 노즐에서의 캐비테이션을 유발하는 점도의 범위 내에서만 점도 변화를 유발한다. 일반적으로, 온도 조절은 컴퓨터와 협력하여 제어기에 의해 컴퓨터 제어된다.
일부 실험에서, 선박용 엔진에서 현재 상업적으로 사용되는 37bar의 SIP 작동 압력과 대조적으로, 우수한 분사 압력은 60bar보다 큰 것으로 밝혀졌다. 일부 실험에서 90℃보다 높은 온도에서 노즐 출구까지의 캐비테이션이 관찰되었지만 캐비테이션은 더 낮은 온도에 대해서는 노즐 출구까지 연장되지 않았다. 실험에서, 이러한 결과는 0.3mm의 출구 직경을 갖는 스프레이 노즐에 대해 발견되었다. 사용된 오일은 엑손모빌(ExxonMobil)®의 모빌가아드(Mobilgaard)TM 570이었다.
캐비테이션이 노즐 출구까지 완전히(all the way) 연장되기 위해, 노즐 구멍 내의 윤활제에 대한 레이놀즈 수는 유리하게는 450보다 큰, 예를 들어 500보다 큰 것으로 밝혀졌다. 레이놀즈 수는 유동, 점도 및 출구 직경 사이의 상대적인 관계를 포함한다는 점에서 좋은 파라미터이다.
관련된 파라미터에 대한 캐비테이션의 의존성에 대한 심층 연구에 따르면 캐비테이션 수(C)는 압력(P)과 점도(μ)뿐만 아니라 D에만 의존하는 간단한 수학적 표현식으로 설명될 수 있는 것으로 밝혀졌으며, 이때 D는 노즐이 원형인 경우 노즐 출구의 구멍 직경이거나, 노즐이 원형이 아닌 경우 Pi
Figure pat00002
3.14로 나눈 노즐 출구의 영역의 제곱근의 2배인 등가의 직경이다. 수학적 표현식은 다음과 같으며,
Figure pat00003
상수의 값은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00004
캐비테이션은 캐비테이션 수가 C>0일 때 존재한다. 조사에 따르면 C>0.2의 경우 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장된다는 것을 보여주었다.
위에서 언급된 바와 같이, 전형적인 윤활제 인젝터에서, 노즐은 스프레이 구멍을 포함하고, 스프레이 구멍의 일단은 노즐 출구를 형성하고 타단은 색 구멍과 유동적으로 연통된다. 전형적인 SIP 인젝터에서, 스프레이 구멍의 중심 종축은 색 구멍의 중심 종축에 대해 각도를 형성하고, 각도는 30 내지 90도의 범위이며, 색 구멍의 중심 종축에 수직인 색 구멍의 횡단면적은 스프레이 구멍의 중심 종축에 수직인 스프레이 구멍의 횡단면적보다 크다. 스프레이 구멍의 일반적인 길이는 0.5-1mm의 범위이다.
이러한 범위의 노즐에 대하여, 캐비테이션에 대한 우수한 기준은 C>0.1인데, 이것은 노즐을 향한, 예를 들어 색 구멍과 노즐 출구 사이의 거리의 적어도 절반까지의 캐비테이션의 실질적인 연장을 나타낸다.
위에서 설명한 것처럼, 설명된 방법은 SIP 분사에 유용하다. 엔진을 가동하는 동안 적절한 SIP 윤활을 제공하기 위해, 분무화된 윤활유 액적이 있는 스프레이는 피스톤이 TDC를 향한 이동시 인젝터를 통과하기 전에 인젝터에 의해 실린더 내에서 소기 공기로 반복적으로 분사된다. 소기 공기에서, 분무화된 액적은 소기 공기의 TDC를 향한 소용돌이 운동으로 인해 TDC를 향한 방향으로 이송되는 때에 실린더 벽 상으로 확산 및 분포된다.
예를 들어, 인젝터는 오일 미스트(mist of oil)라고도 하는 스프레이 또는 분무화된 액적을 배출하기 위해 직경 0.1 내지 1mm, 예를 들어 0.2 내지 0.5mm의 출구 구멍을 갖는 스프레이 노즐을 포함한다. 수행된 실험에서, 노즐 출구의 직경 D=0.3mm가 사용되었다.
언급된 바와 같이, 점도는 스프레이의 분무화 및 캐비테이션에 영향을 미친다. 엑손모빌®의 모빌가아드TM 560VS와 같은 선박용 엔진에 사용되는 윤활유는 40℃에서 약 220cSt, 100℃에서 약 20cSt의 전형적인 동점도(kinematic viscosity)를 가지며, 이것은 202와 37mPa·s 사이의 동적 점도(dynamic viscosity)로 해석된다. 선박용 엔진을 위해 사용되는 다른 윤활유로는 다른 모빌가아드™ 오일 및 카스트롤(Castrol)®의 씰테크(Cyltech) 오일이 있으며, 이것들은 40-100℃의 범위에서 거의 동일한 점도를 가지며, 100℃ 이상에서 점도를 감수시키고, 모두 분무화를 위해 유용하다. .
선박용 엔진에 일반적으로 사용되는 윤활제는 다음과 같이 온도에 의해 주어진 점도를 따른다.
Figure pat00005
이때, T는 섭씨 온도이고 T>20℃이다. 온도에 의존하는 점도에 대해 상기 식에 의해 주어진 점도를 갖는 오일의 경우, 캐비테이션 및 노즐 출구까지의 캐비테이션에 대해 (D, T, P)의 트리플렛에 대한 다음 실시예가 각각 실험적으로 발견되었다.
캐비테이션
D≥0.3mm, T≥60℃, P≥60bar
D≥0.3mm, T≥100℃, P>10bar
D≥0.3mm, T≥140℃, P≥10bar
D>0.2mm, T≥100℃, P≥40bar
D>0.3mm, T≥60℃, P≥40bar
D>0.2 mm, T≥100℃, P≥20bar
노즐 출구까지의 캐비테이션
D≥0.3mm, T≥60℃, P≥150bar
D≥0.3mm, T≥100℃, P>10bar
D≥0.3mm, T≥140℃, P>10bar
D>0.23mm, T≥100℃, P≥40bar
D≥0.5mm, T≥60℃, P≥40bar
D>0.21mm, T≥100℃, P≥60bar
D>0.31mm, T≥100℃, P>20bar
트리플렛(D, T, P)에 대해 위에서 언급된 캐비테이션 구간에서, 주어진 온도의 최소값은 위의 표현식
Figure pat00006
를 사용하여 상응하는 점도의 최대값으로 변환될 수 있다. 이러한 점도의 값은 점도/온도 관계가 이 표현식으로 제공되는 윤활제 이외의 다른 윤활제를 사용할 때 유효하고 유용하다. 예를 들어, 트리플렛(D≥0.3mm, T≥60℃, P≥60bar)의 경우, 상응하는 점도 기반의 트리플렛은 (D≥0.3mm, μ≤0.074Pa·s, P≥60bar)이다.
편의상 1bar=0.1MPa임이 주의된다.
본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 대형 2-행정 엔진, 예를 들어 선박용 디젤 엔진의 실린더(1)의 절반을 도시한다.
도 2는 내부 노즐 캐비테이션을 검출하기 위해 사용되는 실험 설비를 도시한다.
도 3은 실험에 사용되는 HJ-SIP 스프레이 분사 노즐의 내부 기하학적 구조를 도시한다.
도 4는 내부 노즐 유동의 고속 쉐도우-그래픽 이미지들이다. 이미지들은 분사 후 0.13 ms 후에 촬영된 것이다.
도 5는 스프레이의 고속 쉐도우-그래픽 이미지들이다. 이미지들은 분사 후 0.13 ms 후에 촬영된 것이다.
도 6은 에지 캐비테이션 및 보텍스 캐비테이션을 도시한다.
도 7은 우측 이미지에서 캐비테이션이 노즐 출구로 연장되는 비교를 도시한다.
도 8은 우측 이미지에서 캐비테이션이 노즐 출구로 연장되는 노즐 근처에서의 비교를 도시한다.
도 9는 노즐 출구로의 캐비테이션을 달성하기 위해 압력 증가에 의한 윤활의 개선을 도시한다.
도 10은 압력에 대한 측정된 질량 유량을 도시한다.
도 11은 분사 행정 길이에 따라 생성된 스프레이의 실험 이미지들이다.
도 12는 상이한 온도에서의 캐비테이션에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 13은 변화하는 T에 따른 P=40bar 및 D=0.3에서의 캐비테이션 수 C에 대한 그래프이다.
도 14는 T=60, 100 및 140℃에 대한 변화하는 P에 따른 D=0.3에서의 캐비테이션 수 C에 대한 그래프이다.
도 15는 T=60 및 100℃에 대한 변화하는 D에 따른 P=40bar에서의 캐비테이션 수 C에 대한 그래프이다.
도 16은 P=20, 40 및 60bar에 대한 변화하는 D에 따른 T=100℃에서의 캐비테이션 수 C에 대한 그래프이다.
도 17은 변화하는 P에 따른 D=0.3 및 T=100℃에서의 캐비테이션 수 C에 대한 그래프이다.
도 18은 변화하는 D에 따른 P=40bar 및 T=100℃에서의 캐비테이션 수 C에 대한 그래프이다.
도 19는 다양한 브랜드의 윤활제의 온도 T에 대한 점도의 의존성을 도시한다.
도 20은 캐비테이션과 관련하여 다양한 실험 시리즈에 대한 레이놀즈 수를 도시한다.
도 1은 대형 2-행정 엔진, 예를 들어 선박용 디젤 엔진의 실린더(1)의 절반을 도시한다. 실린더(1)는 실린더 벽(3)의 내측 상에 실린더 라이너(cylinder liner)(2)를 포함한다. 실린더 벽(3)의 내부에 있고 실린더 벽(3)을 통해 연장되는, 실린더(1)의 내부로 윤활제를 분사하기(inject) 위한 복수의 인젝터(injector)(4)가 제공된다. 도시된 바와 같이, 인젝터(4)는 인접한 인젝터(4)들 사이에서 동일한 각도 거리를 갖도록 원 상에서 둘레를 따라 분포되지만, 이것이 꼭 필요한 것은 아니다. 또한, 축 방향으로 이동된 인젝터를 갖는 배열이 또한 가능하다는 것으로 보아, 예를 들어 제2 인젝터마다 이웃한 인젝터에 대해 상대적으로 이동되는 것이 가능하다는 것으로 보아, 원을 따른 배열은 필수적이지 않다.
대안들 중 예로서, 인젝터(4)는 "공통 레일(common rail)"이라고도 하는 공통 공급 도관(9)을 통해 제어기(11)로부터 윤활유를 받는다. 대안적으로, 인젝터(4)는 각각의 그룹이 각각의 그룹에 대한 공통 공급 도관(9)을 통해 제어기(11)로부터 윤활유를 받는 그룹들로 배열된다. 예를 들어, 인젝터(4)들의 2개의 그룹이 있어, 둘레를 따라 이웃하는 인젝터가 하나의 또는 나머지 하나의 그룹에 교대로 속한다. 다른 대안으로서, 제어기(11)가 각각의 단일의 인젝터에 대해 제공되고 공급 도관(9)이 각각의 인젝터에 대해 제공된다. 또 다른 대안으로서, 제어기(11)에 각각의 단일의 인젝터(4)에 대해 하나의 공급 도관(9)을 갖는 복수의 공급 도관(9)이 제공된다.
각각의 인젝터(4)는 미세 액적(miniature droplet)(7)을 갖는 미세하게 분무된 스프레이(8)가 고압 하에서 실린더(1) 내로 분사되는 노즐 구멍(5')을 갖는 노즐(5)을 구비하며, 이러한 분사는 윤활제의 콤팩트한 제트(compact jet)와 대조된다. 실린더(1) 내에서의 배기 공기(scavenging air)의 소용돌이(swirl)(14)는 실린더 라이너(2) 상에서 윤활유의 균일한 분포가 달성되도록 실린더 라이너(2)에 대해 스프레이(8)를 이송하고 가압한다. 이러한 윤활 시스템은 SIP(Swirl Injection Principle)와 같은 분야에서 공지되어 있다. 선택적으로, 실린더 라이너(2)에 인젝터(4)로부터의 스프레이(8) 또는 제트를 위한 적절한 공간을 제공하기 위한 자유 절개부(free cut)(6)가 제공된다.
선택적으로, 인젝터(4)는 제어 라인(10)에 의해 제어기(11)에 연결된다. 이러한 제어 라인(10)에는 몇 가지 가능성이 존재한다. 일부 실시예에서, 제어 라인(10)은 인젝터(4) 내부의 유압 분사 밸브를 제어하고 있는 유압 파이프이고, 이에 따라 유압 파이프를 가압함으로써 유압 분사 밸브를 열거나 닫는다. 대안적으로, 제어 라인(10)은 인젝터(4)의 전기 밸브, 예를 들어 솔레노이드 밸브로 전력을 전달하는 전선(electrical wire)이다. 이러한 예들은, 분사의 제어에 대한 다른 가능성들이 존재하므로, 전체가 아니다.
제어기(11)는 오일 펌프를 포함하는 윤활제 공급부(16)로부터 윤활제를 받기 위한 공급 도관(12) 및 전형적으로 윤활제의 재순환을 위해 윤활제를 전형적으로 오일 저장소로 리턴하기 위한 복귀 도관(return conduit)(13)에 연결된다. 공급 도관(12) 내의 윤활제 압력은 복귀 도관(13) 내의 압력보다 높으며, 예를 들어 2배 이상 더 높다. 일반적으로, 복귀 도관(13) 내의 윤활제 압력은 1-15bar의 범위, 예를 들어 5-15bar의 범위에 있다.
종래 기술에서, SIP 원리에 의한 분사를 위한 압력은 20-100bar의 범위에 있는 것으로 설명되어 있고, 인젝터를 위한 고압이 공급 도관(12)으로부터의 윤활제에 의해 달성되므로, 공급 도관(12) 내의 종래 기술에 따른 윤활제 압력은 대응되도록 20-100bar의 범위에 있다. 그러나, 실제로 SIP 인젝터가 SIP 분사로 정상 작동 상태에서 선박용 엔진에 설치된 때에는, 압력은 37bar이고 온도는 약 55℃이다. 본 발명에서, 이하에서 보다 명백해지는 바와 같이, 동일한 노즐, 동일한 윤활제 및 동일한 온도에 대해 노즐에서 캐비테이션을 달성하기 위해서는, 60bar 이상의 예를 들어 60-300bar의 범위에 있는 더 높은 고압이 필요하다.
제어기(11)는 엔진의 실린더(1) 내에서 피스톤 운동과 동기화되는 정밀하게 시간 설정된 펄스(timed pulse)로 윤활유를 인젝터(4)에 공급한다. 동기화(synchronisation)를 위해, 제어기 시스템(11)은 엔진의 실제 상태 및 운동에 대한 파라미터, 예를 들어 크랭크샤프트(crankshaft)의 속도, 부하 및 위치에 대한 파라미터를 모니터하는 컴퓨터(11')에 전자적으로 연결되고, 이때 후자(위치)는 실린더 내에서 피스톤의 위치를 나타낸다. 가능하게는, 컴퓨터(11')는 제어기(11)의 일부이다.
공급 도관(9) 내의 윤활제의 온도는 공급 도관(12) 내의 윤활제 공급에 의해 선택적으로 결정되고, 또는 대안적으로 제어기(11)에 의해 또는 제어기(11)에서 조절된다.
인젝터(4)는 예를 들어 국제 특허 출원 WO2002/35068, WO2004/038189, WO2005/124112, WO2010/149162, WO2012/126480, WO2012/126473, WO2014/048438 및 WO2016/173601에 또는 덴마크 특허 DK178427에 개시된 바와 같이 다양한 유형일 수 있다.
도 2는 인젝터(4)들, 예를 들어 동일한 유형의 인젝터들을 엔진에 삽입하기 전에 실험실에서 다양한 유형의 인젝터를 테스트하고 파라미터를 조정하기 위한 실험 설비(experimental setup)의 예를 도시한다. 실험실에서, 캐비테이션에 대한 조건들이 테스트되고, 엔진 내의 윤활을 최적화하기 위한 방법으로 제어되고 안정적인 캐비테이션을 위한 파라미터 설정을 제공하기 위해 파라미터들이 조정된다.
예시적인 실험의 실험실 설비는 스프레이를 최적화하기 위한 캐비테이션 조건들을 테스트하기 위해 사용되었다. 본 설비는 한스 옌젠 루브리케이터스 에이/에스(Hans Jensen Lubricators A/S)의 HJ 루브트로닉 시스템(Lubtronic system)(a)을 포함하며, 상기 시스템은 분사마다 85mg의 윤활유를 가열된 HJ-SIP 분사 밸브(b)로 전달한다. 분사 밸브의 개방 압력은 3.7MPa이다. 윤활유는 대기압 조건(ambient atmospheric condition)으로 주입된다. 윤활기(lubricator)에 펌프 스테이션(c)으로부터 6MPa의 유압이 공급되고 가열된 저장소(d)로부터 새로운 윤활유가 공급된다. 이 연구에서 사용된 고속 카메라(e)는 포트론 패스트캠(Photron Fastcam) SA5이다. 이미지들이 1/161000초의 셔터 속도로 초당 1000 프레임(1000 frames per seconds: fps)의 프레임 속도로 촬영된다. 조명 소스(f)로 1000W 할로겐 램프가 사용된다. 고속 카메라 및 윤활기는 모두 컴퓨터(g)에 의해 제어된다. 사용된 윤활유는 모빌가아드(Mobilgaard) 570TM으로 엑손모빌(ExxonMobil)®의 상용 윤활유이다. 윤활유의 속성은 온도 T가 섭씨 온도이되 근사값이 T>20℃에 유효한 표 1에 나타내져 있다.
표 1
Figure pat00007
스프레이 노즐 내부의 캐비테이션은 쉐도우-그래픽 이미징 기술을 사용하여 캡처된다. 고속 카메라 및 조명 소스는 투명한 폴리(메틸 메타크릴레이트)(poly methyl methacrylate; PMMA) 재료로 제조되는 스프레이 노즐의 양쪽에 배치된다. 윤활유와 PMMA 재료의 굴절률이 일치하고, 따라서 굴절이 액체와 증기 사이의 상 계면(phase interface)에서만 나타난다는 것을 발견하였다. 이것은 상 계면이 이미지 상에서 어두운 그림자로 표시되는 것을 의미한다.
스프레이 노즐의 내부 기하학적 구조가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 기하학적 구조는 현재 선박용 엔진의 실린더로의 윤활유의 SIP 주입을 위해 사용되는 인젝터의 노즐에 해당한다.
실험들은 다양한 레이놀즈 수(Re) 및 캐비테이션 파라미터(σ)에서 수행되는데, 이들은 아래의 방정식 1 및 2에 각각 기재되어 있고, 이들 모두는 캐비테이션의 정도와 관련이 있다.
Figure pat00008
방정식들에서, Pa는 대기압, Pv는 윤활제 증기압, ρl은 윤활제 밀도, Un은 노즐에서의 평균 윤활제 속도, μ는 액체 점도 그리고 D는 스프레이 구멍의 직경이다. 레이놀즈 수(Re) 및 캐비테이션 파라미터(σ)는 윤활제의 온도를 변경함으로써 조절된다. 윤활제 온도가 증가하여 윤활제 점도가 감소함에 따라 그리고 반대의 경우, 온도에서의 변화가 레이놀즈 수에 가장 큰 영향을 미친다. 본 실험들의 레이놀즈 수는 200과 800 사이에 있다.
노즐에서의 평균 액체 속도 Un은 공급 라인(12)(도 1 참조)으로부터 인젝터로 그리고 노즐에서 전달되는 윤활제의 압력에 의해 표현될 수 있다는 것이 지적된다.
Figure pat00009
(3)
위의 방정식 (1)에 삽입되면, 레이놀즈 수는 다음과 같다.
Figure pat00010
(4)
이것은 레이놀즈 수가 전달 압력(P), 윤활제 밀도(ρ1), 노즐 출구 직경(D) 및 윤활제 점도(μ)에 의해 결정되는 간단한 표현이며, 이것은 결국 온도에 의존한다.
도 4는 상이한 레이놀즈 및 캐비테이션 파라미터(σ)에서의 내부 노즐 유동의 고속 쉐도우-그래픽 이미지를 도시하며, 이것은 실험들에서 압력이 40bar일 때 온도가 윤활제의 점도를 변화시킴에 따라 액체 온도에 의해서만 제어된다. 실험들에서, 온도가 예시적이고 엔진을 작동할 때 실제로 쉽게 조절할 수도 있는 파라미터이므로, 온도가 점도 대신에 변수로 선택되었다. 다른 윤활제를 사용하는 경우, 점도가 일반적으로 제품에 대해 공지되어 있으므로, 점도/온도 관계가 쉽게 조정될 수 있다.
도 4에서, 액체 온도가 60℃일 때, 캐비테이션이 존재하지 않는 것이 도시되어 있으며, 이러한 온도는 종래 기술에서 선박용 디젤 엔진에 사용되고 그리고 현재 사용되고 있는 SIP 인젝터에서 T=55℃인 윤활제 온도보다 약간 높다. 이것은 실제로 SIP 분사가 노즐에 캐비테이션이 없는 스프레이로 수행되었음을 보여준다. 시판되고 있는 분사용 윤활제의 온도가 55℃이며, 이러한 온도가 실린더 라이너의 약 100℃의 온도보다 낮다는 것을 주의해야 한다.
도 4에서, 온도가 60℃보다 높이 증가함에 따라 스프레이 구멍의 좌측에서 캐비테이션이 발생하는 것이 또한 도시되어 있다. 온도가 증가함에 따라 캐비테이션 볼륨의 길이 및 폭이 모두 증가하므로, 캐비테이션의 크기는 액체 온도에 크게 의존한다. 액체 온도가 90℃를 초과하는 때에, 예를 들어 100℃에서, 캐비테이션은 노즐 출구까지 연장된다. 캐비테이션이 노즐 벽의 일 측에 완전히 부착되지 않음에 따라 그리고 내부 캐비티(cavity)의 비대칭 기하학적 구조로 인해, 액체가 보텍스 캐비테이션(vortex cavitation)의 원인이 되는 소용돌이 유동에 노출되는 것으로 추정된다. 보텍스 캐비테이션 또는 스트링 캐비테이션(string cavitation)은 액체 압력이 증기압 아래로 떨어지는 액체의 강한 재순환 구역의 코어(core)에서 생성된다. 액체 분화(atomization)를 억제하는 종래 기술(수 2007)에 보고된 바와 같이, 이것은 유압식 플립(flip)과는 다른 상황이다.
수치 시뮬레이션으로부터, 캐비테이션이 재현될 수 있고, 도 6의 예시를 참조하여, 다음과 같은 결론이 도출될 수 있다. 스프레이 구멍의 시작 부분에서, 높은 정도의 캐비테이션이 벽의 일 측에 부착된다. 이러한 메커니즘은 에지 캐비테이션(edge cavitation)으로 알려져 있으며, 벽에서 액체의 압력 강하에 의해 생성된다. 또한, 2개의 원형 캐비테이션 구역이 스프레이 구멍의 출구에서 그리고 출구 근처에서 관찰된다. 이러한 구역은 캐비테이션이 액체 소용돌이의 중심에서 생성되는 액체의 소용돌이 운동으로 인해 발생된다. 노즐에서의 소용돌이는 온도가 상승함에 따라 더 두드러지게 된다. 캐비테이션으로부터의 교란(disturbance)에 추가로, 속도 성분들 간의 비율이 액체 제트의 해체(break-up)에 중요하다. 소용돌이가 있는 캐비테이션은 캐비테이션의 붕괴(collapse)를 방지한다는 점에서 유리하며, 이것은 점성이 낮은 연료를 사용하는 실험을 위한 캐비테이션 플립 및 스프레이 붕괴(수 등, 2007)의 도입부에서의 설명에 대조적이다.
도 4에서, 캐비테이션 파라미터(σ)는 대체적으로 일정한 반면, 레이놀즈 수는 실질적으로 변하는 것이 관찰된다. 캐비테이션 조건의 변화는 레이놀즈 수의 변화에 기인될 수 있다.
캐비테이션 구조로 이어지는 메커니즘과 액체 온도에 대한 의존성을 확인하였다면, 후속 스프레이에 미치는 영향을 조사하는 것이 중요하다고 여겨진다. 도 5는 대기로 분사되는 액체 스트림(liquid stream)의 쉐도우-그래픽 이미지들을 도시한다. 이미지들은 액체가 방해받지 않고 최대 90℃의 온도에서 제트 형태임을 보여준다. 100℃ 및 110℃에서, 액체 스트림이 더 붕괴되고 스프레이 각도가 증가된다. 또한, 이것은 더 짧은 해체 길이 및 높아진 정도의 액체 분화를 초래하기도 한다.
모두 40bar의 압력에서 이루어진, 도 4에서의 내부 유동과 도 5에서의 후속 스프레이로부터 얻어지는 관찰들을 비교해 보면, 캐비테이션이 스프레이 구멍의 단부까지 연장되면 분무화 정도가 상당히 증가한다는 것이 명백하다. 이것은 캐비테이션이 노즐 볼륨에서 붕괴되어 제트 형태의 액체 스트림을 초래하는 경우와 대조적이다. 상이한 거동은 액체의 점탄성 감쇠(viscoelastic damping)에 기인한다고 가정된다. 캐비테이션이 노즐 볼륨 내에서 붕괴되면, 액체는 도입된 확률적 교란(stochastic disturbance)을 안정화시킬 것이고, 캐비테이션이 출구까지 연장될 때 교란은 스프레이로 직접 전달된다.
결론적으로, 액체 연료와 같은 저점도 액체의 캐비테이션과 윤활제와 같은 고점도 액체의 캐비테이션 사이의 약간의 유사성에도 불구하고, 결과들은 윤활제 스프레이와 관련하여 달성된 상이한 효과들이 있음을 보여준다. 이러한 결과들이 가장 놀랍다. 디젤 연료용 노즐 출구에서의 캐비테이션이 스프레이의 붕괴를 초래하는 것으로 보고된 반면, 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장되는 때에 윤활제 스프레이를 위한 개선된 스프레이 특성이 발견되었다. 이것은 도 7 및 8에 보다 상세히 도시되어 있다.
도 7에서, 우측 이미지는 캐비테이션이 노즐 출구로 연장되는 상황이고, 좌측 이미지는 낮은 정도의 캐비테이션에 대한 것이다. 우측 스프레이에는 더 작은 액적을 가진 것으로 나타났으며, 이로 인해 윤활이 보다 잘 분배된다.
도 8에서, 캐비테이션이 노즐 출구로 연장되는 경우 스프레이의 해체가 노즐 출구에서 즉시 발생하는 것이 우측 이미지에 도시되어 있다. 이러한 스프레이는 T=100℃의 온도에서 60bar의 압력으로 달성되었다. 캐비테이션이 없으면, 노즐 외부에서 동일한 파괴를 달성하기 위해 압력이 여러 배 더 커야 할 것이다.
실제로, 일단 안정적이고 제어된 캐비테이션을 위해 온도를 포함한 압력 및 점도에 대한 파라미터들이 실험실에서 설정되었다면, 동일하거나 유사한 유형의 윤활제 인젝터들이 엔진에 제공되고 이러한 파라미터들로 작동된다.
실제 테스트에서, 표준 조건 하에서보다 더 나은 윤활로 개선된 스프레이가 얻어졌음을 보여 주었다. 특정 인젝터의 표준 조건은 37bar의 윤활제 분사 압력인 반면, 60bar까지 60% 정도의 압력 증가는 실린더의 마모를 감소시켰다. 이것은 도 9에 도시되어 있다. 캐비테이션이 윤활을 상당히 향상시킨다는 것을 증명한다.
도 10은 전술한 바와 같이 노즐을 통과하는 105℃의 온도에서의 모빌가아드 570 윤활제의 질량 유량(mass flow rate)에 대한 캐비테이션의 영향을 도시한다. 압력의 증가는 질량 유량을 변화시키지 않으며, 질량 유량은 이러한 유형의 노즐에 대해 약 26bar보다 높은 압력에서 일정하게 유지된다. 그러나, 질량 유량이 큰 압력 범위에서 일정하지만, 이것은 스프레이 자체가 안정적이며 제어되는 것을 시사하지는 않는다. 예를 들어, 위에서 또한 논의된 바와 같이, 37bar에서 인젝터의 종래 기술에 따른 사용은 질량 유량이 안정적인 압력의 범위 내에 잘 있지만, 안정적이고 제어된 스프레이는 특정 유형의 노즐에 대해 60bar의 더 높은 고압에서, 즉 캐비테이션이 발생했을 때 단지 실험적으로 달성되었다.
유량의 제한은 스프레이의 품질이 분사된 볼륨과 무관하다는 점에서 유리한 부작용(side effect)을 갖는다. 루브트로닉 시스템은 유압 피스톤 펌프의 행정 길이를 조정하여 분사 볼륨을 조절한다. 추가 실험에서, 분사 시스템의 행정 길이는 도 11에 도시된 바와 같이 조정되었다. 이미지들로부터 알 수 있는 바와 같이, 행정 길이가 변경된 때 스프레이는 변화되지 않았다.
윤활제 노즐에서의 캐비테이션의 정도를 제어하고 조절함으로써, 예를 들어 분사 압력을 변경함으로써, 윤활제 스프레이는 엔진 파라미터들에 따라 다소 분무화되도록 조절될 수 있다. 압력 변화 대신에 또는 그에 부가하여, 윤활제의 점도는 온도를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
주로, 캐비테이션은 노즐 출구 구멍, 윤활제 압력 및 윤활제 점도에 의해 결정된다. 어느 정도까지는, 내부 노즐 기하학적 구조도 역할을 한다. 따라서, 실험실에서 다양한 파라미터들로 실험을 수행하여 캐비테이션에 대하여 특정 노즐 유형을 특성화하는 것이 유리하다. 캐비테이션을 위한 유용하고 특징적인 파라미터들이 발견된다면, 이들 파라미터는 전술한 바와 같은 유형의 엔진에서 작동, 예를 들어 표준 작동에서 사용된다.
도 12는 그래픽으로 도시되어 있는 수치 시뮬레이션을 도시한다. 압력은 P=40bar였다. 도 4와 비교할 때, 시뮬레이션들이 만족스러운 실험 결과들을 재현하는 것으로 관찰된다. 70℃에서, 도 12b에 도시된 바와 같이, 캐비테이션이 약간 개시되고, 그리고 100℃에서, 도 12e에 도시된 바와 같이, 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장된다. 90℃에서의 도 12d에서, 시뮬레이션은 실험적으로 발견된 캐비테이션을 약간 과소평가한다. 그러나, 이것은 모델 불확실성(model uncertainty) 때문이다.
이와 관련하여 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장되는 때에 최적화된 스프레이가 달성된다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 캐비테이션이 단지 약간의 온도 상승으로 노즐 출구를 향해 빠르게 이동함에 따라, 스프레이 구멍을 통해 적어도 절반 정도 연장되는 캐비테이션이 좋은 대안이 되는 최적화로 밝혀졌다. 그러나, 이미 작은 정도의 캐비테이션이 개선된다.
도 13은 도 12의 시뮬레이션들로부터의 결과를 나타내는 그래프를 도시하는 것으로, 캐비테이션의 정도를 나타내는 캐비테이션 수(C)로 수량화되어 있다. 캐비테이션 수(C)는 스프레이 구멍에서 캐비테이션의 볼륨에 대한 대략적인 측정치이며 캐비테이션이 있는 기하학적 요소의 수를 세어 발견되었다. 유한한 수의 요소를 사용한 시뮬레이션으로부터 비롯된다. 0과 1(unity) 사이의 스케일의 경우, 캐비테이션 수(C)는 P=300bar, T=100℃ 및 D=0.3mm에 대한 결과들에 대해 1로 정규화되었다(normalized).
캐비테이션 수(C)가 상기 방정식 (2)의 캐비테이션 파라미터(σ)와 상이하다는 것이 완전성을 위해 주의된다.
도 13에서, 캐비테이션 수(C)는 50℃ 및 60℃에 대해 0인 것을 알 수 있다. 도 12로부터의 결과들과 일치하게, 캐비테이션의 발달은 70℃에서 시작하고, 80℃로부터 계속 상당한 것으로, 이때 곡선은 더 높은 온도를 향해 가파르게 증가하고 있다.
완전성을 위해, 캐비테이션 없이 스프레이 형성이 가능하다는 것이 본 명세서에서 반복된다. 그러나, 스프레이 내로의 윤활제의 분해가 비교적 낮은 압력에서 달성될 수 있기 때문에, 캐비테이션이 존재하면 더 나은 스프레이가 얻어지고, 이것은 도 8과 관련하여 또한 논의되었다. 노즐 출구까지 연장되는 캐비테이션에 대해 최상의 스프레이 결과가 얻어진다. 지지되는 예시가 도 7에 도시되어 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이것은 노즐 출구에서의 캐비테이션이 불리한 것으로 간주되는 종래 기술에서의 결론과 대조적이다. 또한, 상기 논의된 바와 같이, 실험 결과는 윤활제 분사의 경우 노즐 출구까지 연장되는 캐비테이션이 안정적이고 제어된 스프레이에 가장 적합하다는 것을 보여준다. 캐비테이션이 100℃에서 노즐 출구까지 연장됨에 따라, 이러한 온도는 압력(P) 및 노즐 직경(D)를 변화시킬 때 캐비테이션 주변 상태를 조사하는데 사용되었다.
도 14에서, 캐비테이션 수(C)는 3개의 온도에 대해 도시되었으며, 이때 가장 낮은 곡선은 60℃에 대한 것이다. SIP 인젝터에서 현재 일반적으로 사용되는 37bar의 압력에서, 캐비테이션이 없으며, 캐비테이션은 약 60bar에서 시작된다. 더 높은 고온에서는, 캐비테이션이 더 낮은 압력에서 시작하여 가파르게 상승한다. 60℃ 및 70bar의 경우, C의 값은 대략 0.02이다.
C=0.02인 이러한 값은 노즐에서의 캐비테이션을 표현하지만, C>0의 더 낮은 값은 윤활 품질에 영향을 미치는 캐비테이션을 시사하기도 한다. 예를 들어, 압력을 37bar로부터 60bar로 상승시킬 때 이미 실린더의 마모에서 감소가 보여진 도 9의 결과와 비교할 때, 캐비테이션이 압력을 증가시키기 위해 실제로 막 발달하는 경우, 미세한 정도의 캐비테이션일지라도 스프레이 형성 및 윤활 품질에 대해 개선할 수 있음을 증명한다.
도 15에서, 캐비테이션이 노즐 직경(D)에 따라 증가하는 것이 보여지는데, 아래의 곡선은 60℃에 대한 것으로 노즐 직경 D=0.4 및 D=0.5에 대한 캐비테이션을 나타낸다. D=0.5에서, 캐비테이션은 노즐 출구까지 연장된다. 더 높은 온도에서, 예를 들어 80℃보다 높은 온도, 예를 들어 도시된 바와 같이 100℃의 경우, 캐비테이션 수는 1을 넘어서도 급격히 증가하는데, 이것은 파라미터 트리플렛(triplet) D=0.3mm, P=300bar 및 T=100℃에 대해 정규화된 값이다.
도 16은 3개의 압력(P)에 대한 100℃에서의 노즐 출구 직경(D)의 변화에 대한 곡선을 도시한다. 도 15에서 위의 곡선은 도 16에서 중간의 곡선으로서 도시되어 있다. 중간의 곡선 위는 60bar에 대한 결과이고 중간의 곡선 아래는 20bar에 대한 결과이다. 100℃에서의 캐비테이션은 0.2mm보다 큰 직경에서 발생하고 직경에 따라 증가하는 것으로 관찰된다.
시뮬레이션에서, 노즐 출구로의 캐비테이션이 C>0.2의 값에 대해 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 복잡한 현상을 표현한 놀라운 간단한 결과이다.
또한, C는 아래 표현식에 의해 파라미터 방식으로 표현될 수 있는 것으로 밝혀졌고, 이때 상수에 대한 값들은 아래 표에 나와 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
도 13은 온도에 따른 시뮬레이션 결과와 P=40bar에서의 파라미터화된 곡선의 비교를 도시한다. 곡선은 압력 P>80bar에 대해 유효하다.
도 17은 압력이 변하는 때의 시뮬레이션 결과와 비교하여 T=100℃에서의 파라미터화된 곡선을 도시한다. 곡선은 20bar보다 큰 압력에 대해 유효하다.
도 18은 노즐 직경에 따른 파라미터화된 곡선의 변화를 도시한다. 곡선은 노즐 직경 D>2.8 mm에 대해 유효하다.
따라서, 압력(P), 노즐 출구 직경(D) 및 온도(T)의 특정 범위의 값들이 상기 주어진 바와 같은 수학식에 의해 캐비테이션을 예측하는 것이 가능하다. 범위는 SIP 윤활 원리를 갖춘 윤활제 인젝터을 위한 현실적인 범위이다. 캐비테이션은 C>0의 경우 나타나고, C>0.02의 경우 실제의 근사치(practical approximation)로 나타나고, 그리고 C>0.2의 경우 노즐 출구까지 확장된다.
온도는 상기 표 1에 주어진 바와 같은 특별한 유형의 윤활제, 즉 모빌가아드 570의 점도에 관련된 것으로, 즉
Figure pat00013
이고, 이때 T는 섭씨 온도이고 T>20℃에 대한 것이다.
점도와 온도 사이의 관계가 도 19에 도시되어 있다. 이러한 그래프는 선박용 디젤 엔진에서 일반적으로 사용되는 다양한 오일의 온도와 점도의 관계를 보여준다. 이러한 오일들 사이에서 점도가 거의 변하지 않는데, 그 이유는 위에서 도시되고 설명된 바와 같이 변화하는 온도에 따른 곡선들이 이러한 오일들에 동일하게 적용되기 때문이다.
온도에 따른 점도에 대한 상기 식에 의해 주어진 점도를 갖는 오일의 경우, 도 19에 도시된 바와 같이, 도 14, 15 및 16에서의 그래프로부터 다음의 관계가 추론될 수 있다:
도 14로부터 캐비테이션에 대해:
D≥0.3mm, T≥60℃, P>60bar
D≥0.3mm, T≥100℃, P≥10bar
D≥0.3mm, T≥140℃, P≥10bar
도 14로부터 노즐 출구로의 캐비테이션에 대해:
D≥0.3mm, T≥60℃, P>150bar
D≥0.3mm, T≥100℃, P>10bar
D≥0.3mm, T≥140℃, P>10bar
도 15로부터 캐비테이션에 대해:
D>0.2mm, T≥100℃, P≥40bar
D>0.3mm, T≥60℃, P≥40bar
도 15로부터 노즐 출구로의 캐비테이션에 대해:
D>0.23mm, T≥100℃, P≥40bar
D≥0.5mm, T≥60℃, P≥40bar
도 16으로부터 캐비테이션에 대해:
D>0.2mm, T≥100℃, P≥20bar
도 16으로부터 노즐 출구로의 캐비테이션에 대해:
D>0.21mm, T≥100℃, P≥60bar
D>0.23mm, T≥100℃, P≥40bar
D>0.31mm, T≥100℃, P>20bar
캐비테이션 수(C)에 대한 수학식을 점도의 측면에서 표현하면, 다음과 같이 더 일반화된다:
Figure pat00014
Figure pat00015
추가의 시뮬레이션은 C에 대한 표현이 스프레이 구멍의 중심축과 색(sac) 구멍의 중심축 사이의 각도 변화에 대해 강하다는(robust) 것을 보여주었다. 현재의 경우 66도인 각도의 예시를 위해 도 3이 참조된다. 예를 들어, 실제적인 목적을 위해, C에 대한 표현은 30-90도의 범위에서 각도를 변화시킬 때 바뀌지 않는다. 스프레이 구멍의 길이의 변화에 대해, C의 값은 또한 비교적 강했고, 노즐 출구까지의 캐비테이션을 달성하기 위해, 노즐 출구까지 연장되는 캐비테이션에 대한 C>0.2의 하한값은 0.5mm와 1mm 사이의 길이를 변화시킬 때 2의 계수(factor)보다 적은 만큼 변한 것으로 밝혀졌다. 따라서, C에 대한 파라미터 표현은 노즐의 구조적 변화에 대하여 강하며, 광범위한 압력, 점도 및 노즐 출구 직경에 대해 유효하다. C에 대한 값들이 T>80 및 P>30에 대한 온도 및 압력에 따라 급격히 변한다는 것을 고려하면, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 노즐 출구에서 또는 적어도 노즐 출구의 근처에서 캐비테이션에 대한 C>0.1의 하한을 설정하는 것이 합리적이며, 특히 SIP 분사에 유용한 최적화된 스프레이 상태를 제공한다.
도 20에서, 상기 도면들로부터의 시뮬레이션 결과들이 레이놀즈 수와 관련하여 요약되고 도시되어 있다. 캐비테이션이 레이놀즈 수 Re=450까지 도달하는 것으로 관찰되었다. 노즐 출구까지의 캐비테이션은 Re=750 위에 나타난다. 이것은 도 4와 일치한다.
결론적으로, 윤활제 분사를 위한 캐비테이션은, 특히 캐비테이션이 노즐 출구까지 연장되는 때, 윤활제가 액적으로 더 잘 분해되도록 하기 때문에 유리하다. 시뮬레이션들과 실험들이 일치한다. 캐비테이션 및 노즐 출구로의 캐비테이션을 표현하기 위해 보편적인 수학적 표현이 구성되었다.
1 ... 실린더 4 ... 윤활제 인젝터
5 ... 노즐 μ ... 점도
D ... 노즐 출구의 직경 P ... 압력
S ... 노즐 출구의 크기 T ... 온도

Claims (22)

  1. 분사 단계 동안 실린더(1)의 둘레 상의 복수의 위치에서 실린더(1) 내로의 윤활제 분사를 위해, 내부에 왕복운동하는 피스톤 및 실린더(1)의 둘레를 따라 분포된 복수의 윤활제 인젝터(4)를 갖는 실린더(1)를 포함하는, 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법으로서; 각각의 윤활제 인젝터(4)는 노즐(5)을 포함하고, 상기 노즐(5)은 윤활제가 노즐을 떠나 실린더 내로 들어가게 하는 노즐 출구를 포함하고; 상기 방법은 엔진의 작동 중에 스프레이로서 실린더(1) 내로 윤활제를 분사하는 것을 포함하는, 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 분사 동안 및 스프레이의 캐비테이션에 영향을 미치는 특성에 의해 노즐에서 윤활제 캐비테이션을 유발하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 출구는 크기(S)를 갖는 출구 구멍을 구비하고; 상기 방법은 노즐의 구멍에 점도(μ) 및 압력(P)을 갖는 윤활제를 제공하는 것, 및 캐비테이션이 노즐에서 유발되도록 주어진 크기(S)에 대한 점도(μ) 및 압력(P)을 선택하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방법은 노즐 출구의 크기(S)를 갖는 윤활제 인젝터에 대한 실험실 테스트로부터 기록된 파라미터 값을 받는 것을 포함하고;
    상기 파라미터 값을 갖는 윤활제 인젝터의 작동이 노즐에서 캐비테이션이 유발되는 것을 나타내도록 상기 파라미터 값은 윤활제의 점도(μ)에 대한 값 및 압력(P)에 대한 값을 포함하고, 또는 대안적으로, 상기 윤활제는 윤활제의 온도(T)에 의존하는 특정 점도 μ(T)를 갖는 특정 유형의 윤활제이고, 상기 파라미터 값 및 상기 특정 유형의 윤활제를 사용한 윤활제 인젝터의 작동이 노즐에서의 캐비테이션을 나타내도록 상기 파라미터 값은 상기 특정 유형의 윤활제에 대한 압력(P)에 대한 값 및 온도(T)에 대한 값을 포함하며;
    상기 방법은 엔진에 복수의 윤활제 인젝터를 제공하는 것, 점도(μ)를 선택하는 것, 또는 대안적으로 상기 특정 유형의 윤활제의 온도(T)와 상기 기록된 파라미터 값에 따라 압력(P)를 선택하는 것 및 엔진의 작동 중 캐비테이션 조건 하에서 윤활유의 분사를 야기하기 위하여 상기 파라미터 값을 사용하여 엔진을 작동시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기록된 파라미터 값은 캐비테이션을 유발하기 위한 파라미터 값의 범위를 포함하고, 상기 범위 또는 범위들 내에서, 상기 파라미터 값은 특정 유형의 윤활제의 점도(μ) 또는 압력(P) 또는 점도(μ)와 압력(P) 둘 다, 또는 대안적으로 온도(T) 또는 압력(P) 또는 온도(T)와 압력(P) 둘 다에 대한 것이며, 윤활제 인젝터의 작동은 노즐에서의 캐비테이션을 의미하는 것으로; 엔진에 복수의 윤활제 인젝터를 제공하고, 기록된 파라미터의 범위 또는 범위들 내에서, 윤활제의 점도(μ) 및 압력(P)를 선택하거나, 대안적으로 특정 유형의 윤활제의 압력(P) 및 온도(T)를 선택하며 그리고 엔진의 작동 중에 캐비테이션 조건 하에서 윤활제의 분사를 유발하기 위해 상기 파라미터 값으로 엔진을 작동시키는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방법은 파라미터 값의 캐비테이션 범위 내에서 파라미터 값을 변화시킴에도 불구하고 엔진의 작동 중에 캐비테이션 조건 하에서 윤활제의 분사를 유발하기 위해 엔진을 작동시킬 때 상기 범위 또는 범위들 내에서 파라미터를 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방법은 엔진의 작동 중에 윤활제의 압력(P)을 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방법은 엔진의 작동 중에 점도(μ)를 일정하게 유지하면서 윤활제의 압력(P)를 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 방법은 윤활제의 온도를 변화시킴에 따라 점도(μ)를 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방법은 온도 조절 유닛을 통하도록 윤활제를 안내함에 따라 윤활제의 온도를 변화시키는 것을 포함하고, 상기 온도 조절 유닛은 히터 또는 쿨러 또는 둘 다를 포함하며, 상기 온도 조절 유닛은 기설정된 온도의 범위 내에서 온도를 변화시키기 위한 온도 조절 메커니즘을 갖고, 선택된 윤활제 유형에 대한 기설정된 온도의 범위는 선택된 압력에 대해 노즐에서 캐비테이션을 유발하는 점도의 범위 내에서만 점도 변화를 유발하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  10. 제3항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방법은 실험실에서 특정 유형의 윤활제 인젝터를 테스트하는 것을 포함하고, 상기 테스트하는 것은 캐비테이션이 노즐에서 유발될 때까지 노즐의 출구 구멍의 주어진 크기(S)에 대해 윤활제의 점도(μ) 또는 압력(P) 또는 둘 다를 조절하는 것 및 점도(μ) 또는 압력(P) 또는 둘 다에 대한 조절된 파라미터 값을 기록하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방법은 캐비테이션이 유발되는 파라미터 값의 캐비테이션 범위 내에서 점도(μ) 또는 압력(P) 또는 둘 다를 실험적으로 변화시키는 것 및 점도(μ) 또는 압력(P) 또는 둘 다에 대한 조절된 파라미터의 범위 또는 범위들을 기록하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 노즐은 일단이 노즐 출구를 형성하는 스프레이 구멍을 포함하고; 상기 노즐은 색(sac) 구멍으로부터 상기 노즐 출구까지 연장되는 스프레이 구멍으로의 윤활제의 유동을 위한 색 구멍을 포함하며; 상기 스프레이 구멍의 중심 종축은 상기 색 구멍의 중심 종축과 각도를 갖되, 상기 각도는 30 내지 90도의 범위이고; 상기 색 구멍의 중심 종축에 대해 수직인 상기 색 구멍의 횡단면적은 상기 스프레이 구멍의 중심 종축에 대해 측방향으로의 상기 스프레이 구멍의 횡단면적보다 크며; 상기 스프레이 구멍의 길이는 0.5-1mm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  13. 제2항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 노즐의 구멍에서 윤활제에 대한 레이놀즈 수는 450보다 큰 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방법은 노즐을 통해 실린더 내로 윤활제를 분사하는 것을 포함하고, 상기 노즐이 원형인 경우 노즐 출구는 직경(D)을 갖거나, 상기 노즐이 원형이 아닌 경우 노즐은 Pi
    Figure pat00016
    3.14로 나눈 노즐 출구의 영역의 제곱근의 2배인 등가의 직경(D)을 가지며; 상기 직경(D)은 0.3mm 이상이고; 그리고 20bar보다 큰 압력(P) 및 0.05Pa·sec보다 작은 점도(μ)에서 윤활제를 노즐 출구를 통해 실린더 내로 분사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방법은 노즐을 통해 실린더 내로 윤활제를 분사하는 것을 포함하고, 상기 노즐이 원형인 경우 노즐 출구는 직경(D)을 갖거나, 상기 노즐이 원형이 아닌 경우 노즐은 pi=3.14로 나눈 노즐 출구의 영역의 제곱근의 2배인 등가의 직경(D)을 가지며; 그리고 압력(P) 및 점도(μ)에서 윤활제를 노즐 출구를 통해 실린더 내로 분사하는 것을 포함하고, μ, P 및 D는 노즐에서 캐비테이션을 유발하기 위해 C>0가 되도록 선택되며, C는 다음의 표현식으로 제공되고;
    Figure pat00017

    상수의 값은 다음에서 주어지는,
    Figure pat00018

    것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    선박용 엔진을 위한 윤활제는 다음에서 온도에 의해 주어진 점도를 따르고,
    Figure pat00019

    여기서, T는 섭씨 온도이고 T>20℃이며;
    D, T 및 P는 A, B, C, D, E 또는 F에 의해 제공되며, 여기서
    A) D≥0.3mm, T≥60℃, P≥60bar,
    B) D≥0.3mm, T≥100℃, P>10bar,
    C) D≥0.3mm, T≥140℃, P≥10bar,
    D) D>0.2mm, T≥100℃, P≥40bar,
    E) D>0.3mm, T≥60℃, P≥40bar,
    F) D>0.2 mm, T≥100℃, P≥20bar
    인 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 노즐은 일단이 노즐 출구를 형성하는 스프레이 구멍을 포함하고; 상기 노즐은 색 구멍으로부터 상기 노즐 출구까지 연장되는 스프레이 구멍으로의 윤활제의 유동을 위한 색 구멍을 포함하며; 상기 색 구멍의 중심 종축에 대해 수직인 상기 색 구멍의 횡단면적은 상기 스프레이 구멍의 중심 종축에 대해 측방향으로의 상기 스프레이 구멍의 횡단면적보다 크고; 상기 방법은 압력(P) 및 점도(μ)에서 윤활제를 노즐 출구를 통해 실린더 내로 분사하는 것을 포함하고, μ, P 및 D는 색 구멍과 노즐 출구 사이의 거리의 적어도 절반까지 연장되는 캐비테이션을 유발하기 위해 C>0.1이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 방법은 압력(P) 및 점도(μ)에서 윤활제를 노즐 출구를 통해 실린더 내로 분사하는 것을 포함하고, μ, P 및 D는 노즐 출구까지 연장되는 캐비테이션을 유발하기 위해 C>0.2이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 노즐에서 캐비테이션이 노즐 출구로 연장되고 있는 동안 실린더 내에 윤활제를 분사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    선박용 엔진을 위한 윤활제는 다음에서 온도에 의해 주어진 점도를 따르고,
    Figure pat00020

    여기서, T는 섭씨 온도이고 T>20℃이며;
    D, T 및 P는 G, H, I, J, K, L 또는 M에 의해 제공되며, 여기서
    G) D≥0.3mm, T≥60℃, P≥150bar,
    H) D≥0.3mm, T≥100℃, P>10bar,
    I) D≥0.3mm, T≥140℃, P≥21bar,
    J) D>0.23mm, T≥100℃, P≥40bar,
    K) D≥0.5mm, T≥60℃, P≥40bar,
    L) D>0.21mm, T≥100℃, P≥60bar,
    M) D>0.31mm, T≥100℃, P>20bar.
    인 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 방법은 캐비테이션을 촉진시키는 주파수로 노즐에 진동을 제공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 진동은 초음파 진동인 것을 특징으로 하는 대형 2-행정 엔진을 윤활하는 방법.
KR1020237012791A 2017-05-26 2018-05-25 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법 KR102562151B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201770382A DK179484B1 (en) 2017-05-26 2017-05-26 Method for lubricating large two-stroke engines using controlled cavitation in the injector nozzle
DKPA201770382 2017-05-26
PCT/EP2018/063782 WO2018215645A1 (en) 2017-05-26 2018-05-25 Method for lubricating large two-stroke engines using controlled cavitation in the injector nozzle
KR1020197038204A KR102523791B1 (ko) 2017-05-26 2018-05-25 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197038204A Division KR102523791B1 (ko) 2017-05-26 2018-05-25 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230054507A true KR20230054507A (ko) 2023-04-24
KR102562151B1 KR102562151B1 (ko) 2023-07-31

Family

ID=62244508

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197038204A KR102523791B1 (ko) 2017-05-26 2018-05-25 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법
KR1020237012791A KR102562151B1 (ko) 2017-05-26 2018-05-25 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197038204A KR102523791B1 (ko) 2017-05-26 2018-05-25 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법

Country Status (6)

Country Link
EP (2) EP3869016B1 (ko)
JP (2) JP7080257B2 (ko)
KR (2) KR102523791B1 (ko)
CN (2) CN113309595B (ko)
DK (3) DK179484B1 (ko)
WO (1) WO2018215645A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114738648A (zh) * 2022-03-02 2022-07-12 上海工程技术大学 一种微量润滑系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1116805A2 (en) * 1994-06-23 2001-07-18 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Method and apparatus for increasing the flow rate of a liquid through an orifice
US20090140067A1 (en) * 2007-11-29 2009-06-04 Vedanth Srinivasan Devices and Methods for Atomizing Fluids
JP2014511961A (ja) * 2011-03-22 2014-05-19 ハンス イエンセン ルブリカトーズ アクティーゼルスカブ ディーゼルエンジンシリンダへのシリンダ潤滑油の注入
WO2017071706A1 (en) * 2015-10-28 2017-05-04 Hans Jensen Lubricators A/S A large slow-running two-stroke engine with sip lubricant injector

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5619449B2 (ko) * 1973-04-25 1981-05-07
US4659014A (en) 1985-09-05 1987-04-21 Delavan Corporation Ultrasonic spray nozzle and method
JPS63112250U (ko) * 1987-01-13 1988-07-19
CN1019410B (zh) * 1988-04-09 1992-12-09 吉恩·弗雷德里克·梅尔基奥尔 用于内燃机或类似机械的活塞
JP2621329B2 (ja) * 1988-04-20 1997-06-18 松下電器産業株式会社 流体軸受装置
WO1992014807A1 (en) * 1991-02-22 1992-09-03 Massachusetts Institute Of Technology Lubricant fluid composition and methods for reducing frictional losses therewith in internal combustion engines
RU2280769C2 (ru) 2000-10-24 2006-07-27 Ханс Енсен Лубрикаторс А/С Дозирующая система
US20020179731A1 (en) * 2000-12-22 2002-12-05 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Ultrasonically enhanced continuous flow fuel injection apparatus and method
DK200201605A (da) 2002-10-22 2004-04-23 Hans Jensen Lubricators As Ventil til montering i cyllindervæg
JP3806398B2 (ja) 2002-11-28 2006-08-09 三菱重工業株式会社 シリンダ注油装置
JP3897770B2 (ja) 2004-03-31 2007-03-28 三菱重工業株式会社 シリンダ注油装置を備えた内燃機関
JP4402609B2 (ja) 2005-02-28 2010-01-20 三菱重工業株式会社 シリンダ注油装置
DK200400958A (da) 2004-06-18 2005-12-19 Hans Jensen Lubricators As Doseringssystem
JP4079144B2 (ja) 2004-12-20 2008-04-23 株式会社豊田中央研究所 燃料噴射弁
DE102005016193A1 (de) * 2005-04-08 2006-10-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Poröses Polymer-Formteil und Verfahren zu seiner Herstellung
EP1767751B1 (de) 2005-09-23 2008-07-30 Wärtsilä Schweiz AG Zylinderschmiersystem für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
WO2010089759A2 (en) * 2008-05-15 2010-08-12 Hyca Technologies Pvt. Ltd. Method of designing hydrodynamic cavitation reactors for process intensification
DE102008027663A1 (de) * 2008-06-10 2009-12-24 Ibs Filtran Kunststoff-/ Metallerzeugnisse Gmbh Filtermedium für einen Ölfilter
DK177746B1 (da) 2009-06-23 2014-05-26 Hans Jensen Lubricators As Fremgangsmåde til cylindersmøring af store dieselmotorer såsom skibsmotorer
CN101893236B (zh) * 2010-06-21 2012-08-08 艾佩克斯科技(北京)有限公司 低压油膜破碎雾化装置
DK177258B1 (da) 2011-03-18 2012-08-27 Hans Jensen Lubricators As Doseringssystem for cylindersmøreolie til store cylindre samt fremgangsmåde til dosering af cylindersmøreolie til store cylindre
DK177669B1 (da) 2012-09-25 2014-02-10 Hans Jensen Lubricators As Injektionsdyse til brug ved olieinjicering af olie for smøring af cylindre i større motorer samt anvendelse heraf
JP6185317B2 (ja) * 2013-07-19 2017-08-23 三菱重工業株式会社 シリンダ注油装置
DK179113B1 (en) 2015-04-29 2017-11-06 Hans Jensen Lubricators As Lubricant injector for large slow-running two-stroke engine and production method
DK178427B1 (en) 2015-04-29 2016-02-22 Hans Jensen Lubricators As Lubricant injector for large slow-running two-stroke engine and production method
DK178732B1 (da) 2016-03-23 2016-12-12 Hans Jensen Lubricators As Fremgangsmåde og anlæg til dosering af smøreolie i cylindre, fortrinsvis i 2-takts dieselmotorer samt anvendelse af sådan fremgangsmåde og anlæg
JP6983559B2 (ja) * 2017-07-14 2021-12-17 株式会社Ｉｈｉ原動機 ２ストロークエンジンのシリンダ油供給量制御方法及び装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1116805A2 (en) * 1994-06-23 2001-07-18 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Method and apparatus for increasing the flow rate of a liquid through an orifice
US20090140067A1 (en) * 2007-11-29 2009-06-04 Vedanth Srinivasan Devices and Methods for Atomizing Fluids
JP2014511961A (ja) * 2011-03-22 2014-05-19 ハンス イエンセン ルブリカトーズ アクティーゼルスカブ ディーゼルエンジンシリンダへのシリンダ潤滑油の注入
WO2017071706A1 (en) * 2015-10-28 2017-05-04 Hans Jensen Lubricators A/S A large slow-running two-stroke engine with sip lubricant injector

Also Published As

Publication number Publication date
DK3635223T3 (da) 2021-08-09
CN110691896A (zh) 2020-01-14
KR20200014809A (ko) 2020-02-11
DK3869016T3 (da) 2023-09-04
WO2018215645A1 (en) 2018-11-29
KR102523791B1 (ko) 2023-04-20
EP3869016A1 (en) 2021-08-25
DK201770382A1 (en) 2018-12-14
EP3869016B1 (en) 2023-08-16
JP2021105402A (ja) 2021-07-26
CN113309595A (zh) 2021-08-27
JP7116216B2 (ja) 2022-08-09
EP3635223A1 (en) 2020-04-15
CN110691896B (zh) 2021-05-14
JP7080257B2 (ja) 2022-06-03
DK179484B1 (en) 2018-12-17
CN113309595B (zh) 2023-02-03
KR102562151B1 (ko) 2023-07-31
EP3635223B1 (en) 2021-05-19
JP2020521908A (ja) 2020-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6928975B2 (en) Dosing system
JP3161566U (ja) シリンダ潤滑油の供給装置
CN108350772B (zh) 具有sip润滑剂喷射器的大型低速二冲程发动机
KR102523791B1 (ko) 인젝터 노즐에서 제어식 캐비테이션을 사용하여 대형 2-행정 엔진을 윤활하기 위한 방법
CN108779691B (zh) 用于将润滑油定量注入汽缸，优选为二冲程柴油发动机的汽缸中的方法与系统，以及这种方法与系统的应用
Ming et al. Numerical simulation of cavitation bubble collapse within a droplet
US8905333B1 (en) Diesel injector and method utilizing focused supercavitation to reduce spray penetration length
Zhang et al. Effect of fuel and nozzle geometry on the off-axis oscillation of needle in diesel injectors using high-speed X-ray phase contrast imaging
JP7308806B2 (ja) Ｓｉｐ潤滑油噴射器を備えた大型低速２ストロークエンジンを潤滑化する方法及びシステム
Krause et al. The influence of liquid viscosity on atomized fuel mean droplet size determined by the laser diffraction method
Mohan et al. Effervescent spray characterization of jatropha pure plant oil
Iyengar et al. Flash atomization: a new concept to control combustion instability in water injected gas turbines
EP3818255B1 (en) A method for optimizing lubrication in a large slow-running two-stroke engine
Kolodnytska LP-model for Biodiesel spray penetration
Milak Numerical simulation of twin nozzle injectors
Iyengar et al. Flash Atomization: A New Concept to Control Combustion Instability in Water‐Injected Gas Turbines
Shishkov et al. Determination of Parameters and Characteristics of Injection in Fuel System of Accumulating Type at Cold Start of the Diesel Engine
Tseng et al. Internal Flows in Fluidic Spray Control

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant