利用喷嘴中的可控空化润滑大型二冲程发动机的方法
阅读说明：本技术 利用喷嘴中的可控空化润滑大型二冲程发动机的方法 (Method for lubricating a large two-stroke engine with controlled cavitation in the nozzle ) 是由 拉德森·拉文德兰 于 2018-05-25 设计创作，主要内容包括：一种润滑大型低速二冲程发动机的方法。选取润滑剂的粘度和压力,使得在喷嘴内形成空化,并且空化可能扩展至喷嘴出口。(A method of lubricating a large low speed two stroke engine. The viscosity and pressure of the lubricant are selected such that cavitation is formed within the nozzle and may extend to the nozzle outlet.)
技术领域
本发明涉及润滑大型二冲程发动机的方法。
背景技术
由于对环保的重视，一直致力于降低船用发动机的排放量。特别是由于越来越多的竞争，这还涉及到对此类发动机的润滑系统进行稳定的优化。经济方面备受关注的一方面是减少润滑剂的消耗，这不仅是因为环保，也因为这是船舶运营成本的非常大的一部分。然而，减少油耗不应当影响到发动机的使用寿命，因为必须始终确保恰当的润滑，从而使磨损最小化并延长发动机的使用寿命。因此，需要在润滑方面进行稳定的改进。
对于大型低速运转的二冲程船用柴油发动机的润滑，有几种不同的系统，包括将润滑剂直接喷射在汽缸衬垫上或用注油针喷射在活塞环上。
在欧洲专利EP1767751中公开了一种用于船用发动机的润滑剂喷射器的实例，其中使用止回阀使润滑剂能够进入汽缸衬垫内部的喷嘴通道。止回阀包括阀座中的往复式弹簧压球，刚好处于喷嘴通道的上游，通过受压的润滑剂使球在这里发生位移。球阀是一种传统的技术解决方案，其所基于的原理可追溯到上个世纪初，例如在1923年的德国专利GB214922中所公开的原理。
与传统润滑相比，另一种相对较新的润滑方法在商业上称为漩涡喷射原理(SIP)。它基于将润滑油的雾化液滴喷入汽缸内部的扫气涡流中。螺旋向上的涡流导致润滑剂被拉向汽缸的上止点(TDC)，并向外被压在汽缸壁上形成薄而均匀的一层。这在国际专利申请WO2010/149162和WO2016/173601中有详细的解释。喷射器包括喷射器壳体，喷射器壳体内部设置有往复式的阀部件，通常为阀针。阀部件，例如带有针尖的阀部件，会根据精确的定时来关闭和打开润滑剂进入喷嘴腔的通道。在当前的SIP系统中，在37巴的压力下实现了具有雾化的液滴的喷雾。相比之下，在使用被引入汽缸的紧凑型喷油嘴来工作的系统中，油压小于30巴，并且通常小于10巴。
在这种大型船用发动机中，多个喷射器沿着汽缸的周长布置，每个喷射器包括一个或多个位于尖端的喷嘴腔，用于从各个喷射器向汽缸中输送润滑剂射流或润滑剂喷雾。国际专利申请WO2002/35068、WO2004/038189、WO2005/124112、WO2010/149162、WO2012/126480、WO2012/126473、WO2014/048438，以及WO2016/173601中公开了船用发动机的SIP润滑剂喷射器系统的实例。
对SIP润滑喷雾的优化正在稳定发展中。尽管润滑喷射器与燃油喷射器有一些相似之处，对比也显示出不同的性能和不同的效果。这主要归因于喷射器的不同工作环境，导致了不同的效果，例如粘度、表面张力和液体压力。因此，燃料喷射研究的成果不能自动转化至润滑剂喷射，并且在某些情况下的性能差异令人惊讶。
喷雾形成的重要因素之一是喷嘴中的空化，即蒸发导致的在液体内部形成蒸汽空穴。喷嘴中的空化会影响液体的雾化，因为它会在液流中引入显著的扰动，从而使射流不稳定。在燃料喷射的领域中，已经对喷嘴中的这种空化进行了深入的研究，然而也有一些关于润滑剂喷射器中的空化的研究。在下文中，引用了多个参考文献，在本章节末尾按字母顺序排列，并且在下文中通过引用第一作者的名字来指代。
当液体的局部压力降到其蒸汽压力以下时，就会在喷嘴中形成蒸汽腔，由此被称为空化(Franc和Michel，2006；Li，2014)。在喷雾喷嘴中最著名的空化类型是几何形状引起的空化(Dumouchel等人，2013)。这种情况在液体流过的流动路径的几何形状变化导致压力下降到足够蒸发液体的程度时发生。
喷嘴中的空化会提高射流的雾化，因为它会引入大幅度的扰动，导致液流的随机行为并使得射流不稳定(Bergwerk，1959)。Payri等人(2004)研究了不同的喷嘴几何形状对柴油喷射器的影响，显示空化会导致喷雾锥角的增大和喷雾腔出口的速度的增大。
还观察到了一旦几何空化到达喷嘴的出口，其结构便从气泡群转变成平滑的曲线薄膜空穴，这大大地影响了现有的喷雾结构(Mirshahi，2015)。
例如，在美国专利US7712684中公开了一种用于在燃料喷射期间产生空化的特殊燃料喷射阀。
对于高粘度液体，Tamaki和Shimizu(2002)演示了当使液体分流经过交叉点时，使用低流体压力能获得更短的打断长度和更小的索特平均直径，这促进了空化。Sou等人(2007)发现，当空化快要扩展到喷油嘴的出口时，雾化会增强，但是如果空化扩展到喷嘴的出口，雾化会被抑制。这是因为随着下游的空气向上移动到喷嘴中，空化就消失了。这种机制称作挑流(He等人，2016)。
不仅尖锐的进口孔会促进空化，诸如针头抬升、排放孔的长度与直径之比、进口边缘的曲率、液体特性以及系统压力等参数也会影响(Dong等人，2016；Jollet等人，2014；Pratama等人，2015；Schmidt和Corradini，2001)。
Andriotis等人(2008)研究了非轴向喷射工况，并演示了喷嘴内的涡旋液流会引起复杂的现象，如线空化或涡流空化。
空化也会受到高频下例如超声频率下的喷嘴振动的影响，可选的范围为20-200kHz，例如20-100kHz。现有技术中公开了喷嘴中的超声激励(Khmelev 2006，Rajan2001)。Soth等人的美国专利4,659,014中给出了超声波喷嘴的实例。
Gardhouse(2014)在空化对形成喷雾的影响上的研究工作特别关注到了润滑剂SIP喷射器中的空化。研究中使用了具有4.8mm压力室腔和直径0.3mm的出口喷雾腔的喷嘴。对空化从喷嘴进口到喷嘴出口的发展过程对近场和远场的喷雾结构的影响进行了研究。结论是，对于此类喷射器，特定的低粘度会引起显著的喷嘴流空化，并导致喷雾***，而最终导致更不可控的衬垫覆盖范围。
Gardhouse得出的结论是，空化，特别是在喷嘴尖端附近的空化不利于喷雾的稳定性，并导致更不可控的喷雾。这在很大程度上与上述Sou等人(2007)的研究一致，即空化扩展到喷嘴出口将会抑制雾化。
由于粘度不同，润滑剂喷射表现得与燃料喷射不同，就这些发现的结论可应用于润滑剂喷射而言，在喷嘴出口处的空化是不利的。换句话说，应当选择例如喷嘴尺寸以及润滑剂的压力和粘度之类的参数使得能够避免空化，特别是避免在喷嘴出口处的空化。这也与当前用于船用发动机的商用SIP喷射系统一致，该系统在不会引起喷嘴中空化的参数下运行。
由于一直存在稳定的动机来改善大型二冲程燃气和柴油发动机的润滑，例如船用发动机或发电厂发动机的润滑，因此有利地设计空化是优化喷雾的一部分考虑因素，特别是对SIP喷射。
参考文献
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发明内容
由此本发明的目的是提供本领域中的改进。一个具体的目的是提供对喷射器的润滑剂喷雾喷射更好的控制。特别地，目的在于改善大型二冲程发动机中的SIP阀润滑。这些目的通过如下所述的大型二冲程发动机的润滑方法来实现。
大型二冲程发动机包括汽缸，该汽缸内部具有往复活塞以及多个沿汽缸周长分布的润滑剂喷射器，以在喷射阶段在周长上的各个位置处将润滑剂喷射到汽缸中。例如，发动机是船用发动机或发电厂的大型发动机。通常，该发动机燃烧柴油或气体燃料。
术语喷射阶段是指在喷射器将润滑剂喷射到汽缸内的时间。术语喷射周期是指喷射器将润滑剂喷射到汽缸中并直到下一次喷射所花费的时间。该术语与上文提及的现有技术一致。
本文所使用的术语喷射器是指润滑剂喷射阀系统，该系统包括具有润滑剂进口的壳体和具有喷嘴出口的单个喷射喷嘴，润滑剂从该喷嘴出口以喷雾形式离开喷嘴进入汽缸，喷嘴出口具有出口尺寸为S的出口孔。例如，出口孔为直径D的圆形，在这种情况下，直径D就是尺寸S的度量标准。如果出口孔偏离圆形的形状，尺寸S的度量标准可能是孔的面积或平均直径；后者在略微椭圆形或相对圆为椭圆形时是有用的。例如，对于非圆形的出口孔，横截面尺寸为按照横截面积与π≈3.14之比的平方根的两倍计算出的当量直径。喷嘴具有一个或多个喷嘴出口，通常不超过两个。
在SIP喷射器中，喷嘴包括喷雾腔，该喷雾腔形成为具有长度L的通道，长度L例如在0.5mm与1mm之间，该通道一端形成喷嘴出口。在通常的喷射器中，喷嘴包括压力室腔，用于润滑剂流到喷雾腔，喷雾腔从压力室腔延伸到喷嘴出口。通常，喷雾腔的中心纵轴线与压力室腔的中心纵轴线成一角度，例如在30度至90度的范围内。压力室腔的垂直于其自身中心纵轴线的横截面面积通常大于喷雾腔的垂直于其自身中心纵轴线的横截面面积。
可选地，设有控制器作为用于更新的附加系统。该控制器包括计算机，或者通过电连接或无线连接至计算机。有利地，计算机配置为监测发动机的实际状态和运动的参数。在喷射阶段，控制器与计算机共同协作，根据参数控制喷射器喷射润滑剂的量和时间。可选地，发动机包括控制器。如在下文中将更加显而易见的，在优选的实施例中，控制器还配置为控制润滑剂压力以及可选地还控制润滑剂的温度。
如在介绍中所讨论的，关于润滑剂喷射的现有技术得出的结论是：空化，特别是在喷嘴尖端附近的空化，不利于喷雾的稳定性、润滑油的分布，并且导致更不可控的喷雾。因此，在实践中，空化并未应用在大型船用发动机的润滑喷射中，无论是射流喷射还是SIP喷射。雾化喷射特别是SIP喷射的参数都不在实现空化的范围中。
然而，与现有技术的结论相反，并且有悖于本领域的趋势，进一步的详细研究令人惊讶地揭示出，喷嘴中润滑剂的空化可以用来提供稳定的、可控制的喷雾喷射以及润滑油的均匀分布，这正是优化SIP润滑的关键因素。
在引出本发明的研究中，不仅发现了这样的空化有益于润滑剂喷雾的形成，而且如果空化扩展到喷嘴出口，甚至还改善了喷雾的质量、控制和稳定性。尽管现有技术特别教导了空化不应到达喷嘴出口，因为这被认为会导致不稳定和喷雾分布不均匀，但是令人惊讶地发现，对于改进润滑剂喷射喷雾状况，情况恰恰相反。现有技术中的这种不同理解被认为是源于主要观察低粘度液体得出的结论，例如水和燃料(Sou 2007)。然而，即使是关于在喷射器喷嘴中使用润滑剂的更早的实验报告(Gardhouse 2014)，也得出了与其他现有技术一致的结论，而忽略了空化达到喷嘴出口的有利效果。
因此，本文提出的方法包括在喷射期间引起喷嘴中的润滑剂空化，例如，扩展到喷嘴出口的空化，以便通过空化引起的扰动来影响喷雾的特性。在某些情况下，使空化至少扩展到整个喷雾腔的一半是有利的，例如扩展到压力室腔和喷嘴出口之间距离的至少一半。
根据本发明的一种可行方法，向出口孔尺寸为S，例如出口孔直径为D的喷嘴出口提供粘度为μ且压力为P的润滑剂，使得在喷射阶段在喷嘴中产生空化，可选地，空化扩展至喷嘴出口。例如，调节粘度μ和/或压力P，使得仅靠润滑剂受限制的流动通过喷嘴和喷嘴孔而实现喷嘴中的空化，例如在喷嘴出口处的空化。
然而，为了促进喷嘴中的空化，例如在喷嘴出口处的空化，也可以额外地以机械的方式影响液流，以便促进喷嘴中的空化，例如在喷嘴出口处的空化。一种选项是在喷嘴中提供超声波振动。Soth等人的美国专利4,659,014中公开了一种超声波喷雾喷嘴。例如，喷射器包括超声换能器，可选地为压电换能器。有利地，换能器设置在喷嘴处或喷嘴中，可选地在喷嘴出口附近或喷嘴出口处。
通过选择特定的润滑剂来选择润滑剂的粘度。由于润滑剂在温度升高时粘度降低，因此还可以通过改变温度进一步调节粘度。但是，正如研究已经表明的那样，对于船用发动机，通常使用的润滑剂的粘度非常接近，即使在很广的温度范围内也很接近。
通过从润滑剂泵提供一定的润滑剂压力来选择压力。例如，可以通过调节对润滑剂加压的泵或通过合适的压力调节阀来调节压力。
除润滑剂粘度和压力外，决定空化的最重要因素是出口孔尺寸S，例如直径D。但是，虽然只是对于小部分常用的SIP喷射器中，喷嘴的几何形状也起到一定作用。因此，建议在最终运用之前，对几何形状与已测试的喷射器不同的各个类型的喷射器都进行实验室测试。术语实验室测试通常在实验室中进行，但在某些情况下也可以在发动机现场进行。在后一种情况下，现场充当实验室。
一种特定的喷射器的喷嘴具有尺寸为S的出口孔，例如直径为D，对这种特定的喷射器进行的测试包括选择粘度为μ且压力为P的润滑剂，使得喷嘴中产生空化，例如扩展至喷嘴出口或至少扩展至整个喷嘴腔的一半。例如，如上文所述，通过温度变化来调节粘度μ，或者调节压力P或两者都调节，直到喷嘴中发生空化，例如直到空化扩展至喷嘴出口或至少扩展至整个喷嘴腔的一半。然后记录粘度和压力的参数。所记录的是针对特定类型的润滑剂的压力P和粘度μ或等效温度的单一数值或者数值范围。该数值或者数值范围可能不仅与孔尺寸S有关，而且可能与其他参数也有关，例如喷嘴的几何形状细节。
记录来自实验室测试的喷嘴出口尺寸为S，例如直径为D的特定类型的喷射器的参数值，当在发动机中提供相同或相似类型的喷射器时，采纳并使用所记录的参数值。在实践中，当运转发动机以便形成空化条件下的润滑剂喷射时，按照记录的参数值采用润滑剂的粘度μ和压力P，在这种情况下，提供了发动机运转期间在喷嘴中的空化，例如扩展至喷嘴出口或至少扩展至整个喷嘴腔的一半。在某些实施例中，记录中规定了粘度，用户可以选择相应的润滑剂。
例如，实验表明，如果D至少为0.3mm，润滑剂的粘度μ小于0.05帕斯卡·秒(Pa·s)，并且通过喷嘴出口喷射入汽缸的压力为P＞20巴，则出现空化。对于压力室腔的直径为1mm、喷雾腔长度为0.75mm且相对于压力室腔的中心纵轴线成66°角的喷嘴，显示出了这种情况。但如下文将更详细解释的，参照模拟，角度的变化对空化只有很小的影响，并且如果喷雾腔的长度在0.5-1mm范围内变化，则实现空化的上述粘度和压力参数同样有效。
可以通过改变润滑剂的温度来调节粘度。这是特别实用的，因为这给了粘度的广阔的调节范围。这是有用的，因为如上所述，用于喷射入船用发动机的常用润滑剂具有类似的粘度。例如，实验室的记录提议采用特定类型润滑剂或多种类似类型的润滑剂，可选地来自不同品牌，这些润滑剂具有取决于润滑剂温度T的特定粘度μ(T)。记录的参数值包括特定类型的润滑剂的压力P和温度T的值，使得喷射器采用这些参数值和这种特定类型的润滑剂，意味着喷嘴中的空化，例如扩展至喷嘴出口的空化。
实际上，一旦建立了记录的值，这些记录的值就将被提供给用户用于特定类型的喷射器。例如，出售喷射器时，作为数据表一起提供。
用户通过选择特定的润滑剂类型来选择粘度μ，并且通过调节从喷嘴喷射时的润滑剂的温度，可以潜在地将粘度进一步调节至所记录的参数值。此外，例如通过改变润滑剂泵的压力或使用压力调节阀，将润滑剂的压力P调节至记录值。然后发动机以这些参数值运转，以形成润滑剂在空化条件下的喷射。
尽管原则上找到一组润滑剂的包括温度设置的压力和粘度参数值就足够了，但有利地可以提供粘度和/或压力参数值的范围。这样使得尽管温度和/或压力有所变化，或者选择了不同的润滑剂时，也能更容易地保持优化的空化设置。可替代地，提供了特定类型的润滑剂的温度T或压力P或T和P两者的参数值范围。在此范围内运行喷射器，意味着喷嘴中的空化，例如扩展至喷嘴出口的空化。
因此，在可行的实施例中，该方法包括在发动机中提供多个喷射器，例如相同类型的喷射器，在记录的参数范围内选择润滑剂的粘度μ和压力P，或者可选地选择特定类型的润滑剂的压力P和温度T，并在这些参数下运转发动机，以在发动机运转期间形成润滑剂在空化条件下的喷射。
可选地，该方法包括在参数值范围内，例如能在喷嘴中引发空化使其扩展至喷嘴出口的参数范围内，实验式地改变粘度μ或压力P或两者都改变，并记录调节的粘度μ和压力P的参数范围。
测试之后，当发动机中设有相同或相似类型的喷射器时，润滑剂的粘度μ和压力P被调节至实验过程中记录的参数值范围内的参数值。同样在这种情况下，尽管参数可能在空化的范围内变化，发动机仍在这些参数下运转，以在发动机运转期间形成润滑剂在空化条件下的喷射。空化可能扩展到喷嘴出口或至少扩展到整个喷嘴腔的一半。
例如，发动机运转期间，润滑剂压力P在变化。可选地，保持粘度μ恒定，这是通过将喷嘴处的润滑剂温度保持在相同温度来实现的。
可替代地，在压力P改变或不改变的情况下，通过改变喷嘴处的润滑剂温度T来改变润滑剂的粘度μ。润滑剂温度的这种变化可能通过润滑剂流经温度调节单元来实现，温度调节单元包括加热器或冷却器或两者都包括。例如，该温度调节单元具有温度调节机构，用于在预设温度范围内改变温度，其中预设的温度范围对于选定的润滑剂类型仅导致粘度在一定的粘度范围内变化，在此粘度范围内对于选定的压力，形成喷嘴中扩展至喷嘴出口的空化。通常，通过控制器和计算机的共同协作来计算机控制温度的调节。
在一些实验中，已经证明良好的喷射压力是高于60巴的，这与船用发动机中目前商业化使用的37巴的SIP运行压力形成对照。在一些实验中，在高于90℃的温度下观察到了喷嘴出口的空化，而在较低的温度下，空化并未扩展到喷嘴出口。在实验中，这些结果是在出口直径为0.3mm的喷雾嘴中得出的。使用的润滑油为埃克森美孚美孚佳特TM570。
为了使空化一直扩展至喷嘴出口，发现使喷嘴孔中润滑剂的雷诺数高于450，例如高于500是有利的。雷诺数是一个非常合适的参数，因为它包括流量、粘度和出口直径之间的相对关系。
在空化所依存的相关参数方面的更深入研究表明，空化数(C)可描述为仅取决于压力P和粘度μ以及D的简单的数学表达式，其中如果喷嘴为圆形，D是喷嘴出口孔直径，或者如果喷嘴为非圆形，则D是等效直径，其为喷嘴出口面积除以π≈3.14的平方根的两倍。数学表达式如下：
其中常数的值如下：
常数
值
A1
0.6689
B1
0.001233
C1
-11.39
F1
-0.03487
A2
0.7888
B2
0.000855
C2
-1.473
F2
-0.033
A3
16.27
B3
-5.28
G1
149.94
G2
163.93
当空化数为C>0时，出现空化。研究表明，对于C>0.2，空化扩展至喷嘴出口。
如上所述，在通常的润滑剂喷射器中，喷嘴包括喷雾腔，该喷雾腔的一端形成喷嘴出口，并且其另一端与压力室腔流体连通。在通常的SIP喷射器中，喷雾腔的中心纵轴线相对于压力室腔的中心纵轴线成一定角度，角度在30度至90度的范围内，并且压力室腔的垂直于自身中心纵轴的横截面面积大于喷雾腔的垂直于自身中心纵轴线的横截面面积。喷雾腔的长度通常在0.5-1mm范围内。
对于这种喷嘴范围，空化良好的标准是C>0.1，因为它表示空化向喷嘴实质性地扩展，例如至少达到压力室腔到喷嘴出口之间距离的一半。
从上面可以看出，所述方法对于SIP喷射是有用的。为了在发动机运转期间提供恰当的SIP润滑，在活塞朝向TDC的运动中，在其经过喷射器之前，喷射器反复地将润滑油的雾化液滴喷雾喷入汽缸中的扫气中。在扫气中，雾化液滴由于扫气朝向TDC的方向的的涡流运动而被朝向TDC输送，由此扩散并分布到汽缸壁上。
例如，喷射器包括喷雾嘴，该喷雾嘴具有直径在0.1mm与1mm之间的出口孔，例如0.2mm-0.5mm之间，用于喷射喷雾或雾化液滴，也称作油雾。在实施的实验中，使用了出口直径D＝0.3mm的喷嘴。
如上所述，粘度影响喷雾的空化和雾化。船用发动机中使用的润滑油，例如埃克森美孚
通常用于船用发动机的润滑剂遵循如下由温度确定粘度的式子：
μ(T)＝0.00610·e1246/(8.31·T)，
其中T为摄氏温度，且T＞20℃。对于具有的粘度由上述表示粘度随温度变化的公式确定的油，已经通过实验发现了实现空化以及空化至喷嘴出口的三因素(D、T、P)的实施例分别如下：
空化：
D≥0.3mm，T≥60℃，P≥60巴
D≥0.3mm，T≥100℃，P＞10巴
D≥0.3mm，T≥140℃，P≥10巴
D＞0.2mm，T≥100℃，P≥40巴
D＞0.3mm，T≥60℃，P≥40巴
D＞0.2mm，T≥100℃，P≥20巴
空化至喷嘴出口：
D≥0.3mm，T≥60℃，P≥150巴
D≥0.3mm，T≥100℃，P＞10巴
D≥0.3mm，T≥140℃，P＞10巴
D＞0.23mm，T≥100℃，P≥40巴
D≥0.5mm，T≥60℃，P≥40巴
D＞0.21mm，T≥100℃，P≥60巴
D＞0.31mm，T≥100℃，P＞20巴
在上述三因素(D、T、P)的空化的间隔中，可以使用上述表达式μ(T)＝0.00610·e1246/(8.31·T)来将给定的温度最小值转化为相应的粘度最大值。当使用其他不是由该表达式得出其粘度/温度关系的润滑剂时，这些粘度值也是有效且有用的。例如，对于三因素(D≥0.3mm，T≥60℃，P≥60巴)，相应的基于粘度的三因素为(D≥0.3mm，μ≤0.074Pa·s，P≥60巴)。
为方便起见，指出1巴＝0.1兆帕(MPa)。
附图说明
将参照附图更详细地解释本发明，其中
图1示出了大型二冲程发动机的汽缸1的一半，大型二冲程发动机例如船用柴油发动机；
图2示出了用于检测内部喷嘴空化的实验装置；
图3示出了实验中使用的HJ-SIP喷雾喷嘴的内部几何形状。
图4是内部喷嘴液流的高速透射图。该图像在注射后0.13毫秒后拍摄；
图5是喷雾的高速透射图。该图像在喷射后0.13毫秒拍摄；
图6示出了边缘空化和涡流空化；
图7显示了对比图，其中右图为空化扩展至喷嘴出口；
图8显示了喷嘴附近的对比图，其中右图为空化扩展至喷嘴出口；
图9示出了通过增加压力实现空化到喷嘴出口从而对润滑的改进；
图10示出了测得的相对压力的质量流率。
图11是根据喷射冲程长度形成的喷雾的实验图；
图12示出了不同温度下的空化的模拟结果；
图13是在P＝40巴，D＝0.3时，空化数C随T变化的图表；
图14是在D＝0.3时，T分别为60、100和140℃时，空化数C随P变化的图表；
图15是在P＝40巴时，T分别为60和100℃时，空化数C随D变化的图表；
图16是在T＝100℃时，P分别为20、40和60巴时，空化数C随D变化的图表；
图17是在D＝0.3，T＝100℃时，空化数C随P变化的图表；
图18是在P＝40巴，T＝100℃时，空化数C随D变化的图表；
图19示出了不同品牌的润滑剂的粘度与温度T的关系；
图20示出了与空化有关的各种实验系列的雷诺数。
具体实施方式
图1示出了大型二冲程发动机例如船用柴油发动机的汽缸1的一半。汽缸1包括在汽缸壁3的内侧上的汽缸衬垫2。在汽缸壁3的内部并且在整个汽缸壁3延伸设有多个喷射器4，用于将润滑剂喷射到汽缸1中。如图所示，喷射器4沿圆周分布在圆上，相邻的喷射器4之间具有相同的角距离，尽管这不是严格必要的。而且鉴于具有轴向偏移的喷射器布置也是可行的，例如每两个喷射器相对于相邻喷射器偏移，沿着圆形的布置也不是必要的。
作为替代方案中的一个实例，喷射器4通过公共进给管道9从控制器11接收润滑油，公共进给管道9也称为“共轨”。可替代地，喷射器4成组设置，其中各组通过各组的公共进给管道9从控制器11接收润滑油。例如，存在两组喷射器4，使得沿着周长的相邻喷射器交替地属于一组或另一组。作为另一种替代方案，为各个单个的喷射器提供控制器11，并且为每个喷射器提供进给管道9。作为另一种替代方案，控制器11设置有多个进给管道9，每个进给管道9对应一个单个的喷射器4。
每个喷射器4具有喷嘴5，喷嘴5具有喷嘴孔5’，具有微小液滴7的精细雾化喷雾8在高压下从这里被喷射到汽缸1中，这与润滑剂的紧凑射流喷射形成对照。汽缸1中的扫气涡流14将喷雾8输送并压在汽缸衬垫2上，使得实现了润滑油在汽缸衬垫2上的均匀分布。本领域称该润滑系统为漩涡喷射原理，即SIP。可选地，汽缸衬垫2设置有平滑切口6，用于提供足够的空间给来自喷射器4的喷雾8或射流。
可选地，喷射器4通过控制管线10连接到控制器11。这种控制管线10中存在多种可能。在一些实施例中，控制线10为液压管，其控制喷射器4内部的液压喷射阀使得为液压管加压来打开或关闭液压喷射阀。或者，控制管线10为电线，其将电力输送至喷射器4中的电动阀，例如电磁阀。这些实例并未穷尽所有情形，因为还存在其他喷射控制的可能性。
控制器11连接至补给管道12和回流管道13，补给管道12用于从润滑剂补给站16包括油泵接收润滑剂，回流管道13用于润滑剂的回流，通常回流至储油器，一般用于润滑剂的再循环。补给管道12中的润滑剂压力高于回流管道13中的压力，例如至少高两倍。通常回流导管13中的润滑剂压力在1-15巴的范围内，例如在5-15巴的范围内。
现有技术中，已经描述了根据SIP原理的喷射压力在20-100巴的范围内，并且现有技术中补给管道12中的润滑剂压力相应地在20-100巴的范围内，因为通过来自补给管道12中的润滑剂达到了喷射器的高压。但是，在实践中，当在船用发动机中已安装SIP喷射器且在SIP喷射器正常工作时，压力一直处于37巴，温度约55℃。在本发明中，如在下文将变得显而易见的，针对同样的喷嘴、同样的润滑剂以及同样的温度下，为了实现喷嘴中的空化，需要更高的至少60巴的压力，例如在60-300巴的范围内。
控制器11以精确定时的脉冲向喷射器4供应润滑油，该脉冲与发动机的汽缸1中的活塞运动同步。为了同步，控制器系统11与计算机11’电连接，计算机11’监测发动机实际状态和运动的参数，例如曲轴的速度、负载和位置，因为后者显示了汽缸中活塞的位置。计算机11’可以是控制器11的一部分。
进给管道9中润滑剂温度可选地由补给管道12中供应的润滑剂确定，或者可选地，由控制器11或在控制器11中进行调节。
喷射器4可以是各种类型，例如在国际专利申请WO2002/35068、WO2004/038189、WO2005/124112、WO2010/149162、WO2012/126480、WO2012/126473、WO2014/048438和WO2016/173601或丹麦专利DK178427中公开的。
图2示出了实验设置的实例，该设置用于在将喷射器4***到发动机之前，例如同种类型的喷射器4***到发动机之前，在实验室中测试各种类型的喷射器并调节参数。在实验室中对空化条件进行了测试，并调节参数以提供参数集以实现可控制的稳定的空化，以此作为优化发动机润滑的方法。
使用例证的实验性的实验室设置以测试优化喷雾的空化条件。设置包括汉斯延森注油器公司的HJ Lubtronic系统(a)，该系统每次喷射时输送85mg润滑油至加热的HJ-SIP喷射阀(b)。喷射阀的开启压力为3.7MPa。润滑油被喷射到环境大气中。从泵站(c)向润滑器供应的液压压力在6Mpa，并从加热的储油器(d)向润滑器供应新的润滑油。本研究中使用的高速相机(e)为Photron Fastcam SA5。图像以每秒1000帧(fps)的帧速率和1/161000秒的快门速度拍摄。使用1000W的卤素灯作为照明源(f)。高速照相机和润滑器均由计算机(g)控制。使用的润滑油为美孚佳特570TM，是市售的埃克森美孚润滑油。表格1示出了润滑油的特性，其中温度T以摄氏度为单位，但该近似值对于T>20℃是有效的。
表格1
油的特性
值
蒸汽压力
P<sub>v</sub>＝13MPa
液体密度
ρ<sub>l</sub>(T)＝-0.6087·T+943.97
液体粘度
μ(T)＝0.00610·e<sup>1246/(8.31·T)</sup>
使用透射图成像技术捕获喷嘴内部的空化。高速相机和照明源放置在喷雾嘴的两侧，该喷嘴由透明的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成。已经发现润滑油折射率与PMMA材料相匹配，因此仅在液体和蒸汽之间的相界面出现折射。这意味着在图像上相界面将显示为暗影。
喷雾嘴的内部几何形状在图3中示出。这种几何形状与目前使用的用于将润滑剂SIP喷射到船用发动机的汽缸中的喷射器中的喷嘴相对应。
实验是在各种雷诺数Re和空化参数σ下进行的，分别由以下的等式1和2阐述，它们均关系到空化的程度。
在等式中，Pa是大气压，Pv是润滑剂蒸汽压，ρl是润滑剂密度，Un是喷嘴中的润滑剂平均速度，μ是液体粘度，D是喷雾腔的直径。雷诺数Re和空化参数σ通过改变润滑剂的温度来控制。温度的变化对雷诺数影响最大，因为润滑剂的温度升高使润滑剂粘度降低，反之亦然。实验的雷诺数在200到800之间。
要指出的是，喷嘴中的平均液体速度Un可以由从补给管线12(见图1)输送到喷射器中和喷嘴处的润滑剂压力来表示。
当***到上文表达式(1)后，雷诺数变为如下
这是一个简单的表达式，其中雷诺数由输送压力P、润滑剂密度ρl、喷嘴出口直径D和润滑剂粘度μ决定，而润滑剂粘度μ又取决于温度。
图4显示了喷嘴内部液流在不同的雷诺数和空化参数σ下的高速透射图，仅受到液体温度的控制，因为温度改变了润滑剂的粘度，同时实验的压力为40巴。在实验中，选择温度作为变量而不是粘度，因为实践中运转发动机时，温度是一个便于说明而且易于调节的参数。当使用不同的润滑剂时，粘度/温度的关系易于调节，因为通常产品的粘度是已知的。
在图4中，示出了当液体温度为60℃时，不存在空化，该温度略高于目前以及现有技术中使用的船用柴油发动机的SIP喷射器中采用的T＝55℃的润滑剂温度。这表明，在实践中SIP喷射实现的喷雾不存在喷嘴中的空化。要指出的是，市售的润滑剂的喷射温度是55℃，该温度低于汽缸衬垫约为100℃的温度。
图4中还示出了，随着温度升高到60℃以上，在喷雾腔的左侧出现空化。因为空化体积的长度和宽度都随温度的升高而增加，空化的规模高度依赖于液体温度。当液体温度在90℃以上，例如100℃时，空化扩展至喷嘴出口。由于空化并未完全附接到喷嘴壁的一侧，并且由于内部空腔不对称的几何形状，可以认为液体暴露在涡流中，这是引起涡流空化的原因。在液体压力降至低于其蒸汽压力的情况下，涡流空化或线空化形成于液体的强循环区域的中心。这和现有技术(Sou 2007)所报告的会抑制液体雾化的挑流是不同的状况。
从数值的模拟可以重现空化，并且参考附图6可以示得出以下结论。在喷雾腔的起点，高度的空化附着在壁的一侧。这种机制称为边缘空化，由壁上液体的压力下降形成。此外，在喷雾腔的出口处以及出口附近观察到两个圆形的空化区域。这些区域是由液体的涡流运动引起的，其中空化形成于液体涡旋的中心。随着温度的升高，喷嘴中的漩涡变得更加显著。除了空化的扰动外，速度分量之比对于***液体射流也很重要。涡流空化是有利的，因为涡流空化避免了空化的瓦解，这与引言中关于采用低粘度燃料的实验中的空化挑流和喷雾瓦解的讨论(Sou等人，2007)形成对比。
在图4中可以观察到，空化参数σ在大体上是恒定的，而雷诺数却大不相同。空化条件的变化可以归因于雷诺数的变化。
在确定导致空化结构及其对液体温度的依赖性的机制之后，对后续喷雾的影响的研究被认为是重要的。图5示出了喷入大气中的液流的透射图。此图显示了液体在直至90℃的温度下不受干扰并呈射流状。在100℃和110℃时，液流进一步***，喷射角度增大。此外，这还导致***长度更短，以及液体雾化程度更高。
比较从图4的内部液流和图5后续的喷雾中得到的观察结果，两者都在40巴的压力下形成，显然如果空化扩展至喷雾腔的末端，则雾化程度显著增加。这与空化在喷嘴腔内瓦解，造成喷射状液流的情况形成对比。假定不同的表现是由于液体的粘滞弹性阻尼引起的。如果空化在喷嘴腔内瓦解，液体将使引入的随机扰动平稳，并且当空化扩展至出口时，扰动直接转移至喷雾中。
总之，尽管低粘度液体，例如液体燃料的空化与高粘度液体，例如润滑剂的空化之间有某些相似之处，但结果表明，就润滑剂喷雾而言，可实现不同的效果。这些结果是相当令人惊讶的。尽管据报告，对于柴油燃料，喷嘴出口处的空化会导致喷雾瓦解，但对于润滑剂喷雾，证实当空化扩展至喷嘴出口时，改进了喷雾的特性。这在图7和图8中更详细地示出。
在图7中，右图是空化扩展至喷嘴出口的情况，而左图对应低空化程度。右图的喷雾被证实具有更小的液滴，这产生了更佳的润滑分布。
在图8中，右图示出了当空化扩展至喷嘴出口，在喷嘴出口处立即发生了喷雾的***。该喷雾是在温度T＝100℃、压力60巴实现的。不发生空化的话，压力将必须增加数倍才能在喷嘴外实现同等的***。
实际上，一旦在实验室中确定了用于实现稳定的、可控制的空化的包括温度在内的压力和粘度参数，则在发动机中提供相同或相似类型的润滑剂喷射器并以这种参数运行。
在实际的测试中，显示出获得了较标准条件下改进的喷雾和更好的润滑。鉴于特定喷射器的标准条件为37巴的润滑剂喷射压力，将压力提高60％达到60巴减少了汽缸磨损。这在图9中示出。这证明了空化显著改进了润滑。
图10示出了空化对美孚佳特570润滑剂在105℃的温度下流经如上所述的喷嘴的的质量流率的影响。可以看出，压力的增加不会改变质量流率，在高于约26巴的压力下，这种类型的喷嘴的质量流率保持恒定。然而，尽管质量流率在一个大的压力范围内为恒定的，但这并不意味着喷雾本身是稳定并可控的。例如，正如上面已经讨论过的，在现有技术中，喷射器在37巴的压力下使用就刚好处在质量流率稳定的压力范围内，但对于特定类型的喷嘴，只有在更高的60巴的压力下，即当发生空化时，才能实验式地实现稳定的、可控制的喷雾。
限制流速产生的有利副作用在于喷雾的质量与喷射量无关。Lubtronic系统通过调节液压活塞泵的冲程长度来调节喷射量。在进一步的实验中，如图11所示，调节了喷射系统的冲程长度。从图中可以清楚地看出，当冲程长度改变时，喷雾没有改变。
通过控制和调节润滑剂喷嘴中的空化程度，例如通过改变喷射压力，可以根据发动机参数将润滑剂喷雾调节为更多或更少的雾化。作为压力变化的替代或补充，可以通过改变润滑剂的温度来调节润滑剂的粘度。
空化主要由喷嘴出口孔、润滑剂压力以及润滑剂粘度决定。某种程度上，喷嘴的内部几何形状也有影响。因此，在实验室中使用不同的参数进行实验，从而得出关于空化的特定喷嘴类型的特征是有利的。
一旦找到了关于空化的有效特征参数，这些参数将随后在上述类型的发动机的运转过程例如标准运转过程中使用。
图12示出了图形化示出的数值模拟。压力为P＝40巴。当对比图4时，可以观察到模拟重现了令人满意的实验结果。在70℃下，如图12b所示，空化开始出现，在100℃下，如图12e所示，空化扩展至喷嘴出口。在图12d中，在90℃下，模拟略微低估了实验所发现的空化。不过这归因于模型的不确定性。
要指出的是，当空化扩展至喷嘴出口时，实现了优化的喷雾。但是，使空化至少扩展至整个喷雾腔的一半被发现是良好的可替代的优化方案，因为温度仅略微升高，空化就迅速向喷嘴出口移动。而已有轻微程度的空化也是一种改进。
图13示出了来自图12的模拟的结果的曲线图，其量化为空化数C，表示空化的程度。空化数C是近似地衡量喷雾腔中空化的量的度量标准，空化数通过计算空化的几何元素的数量来确定。这源于有限元模拟。在介于0和1之间的区间，对于在P＝300巴、T＝100℃和D＝0.3mm的结果，空化数C已归一化到1。
为完整性起见，要指出的是空化数C与上述等式(2)的空化参数σ不同。
在图13中，可以看到50℃和60℃时空化数C为零。与图12的结果一致的是，空化的发展始于70℃，并且从80℃开始显著发展，这时该曲线向更高的温度陡峭上升。
为了完整性起见，在此重复说明在没有空化的情况下也可以形成喷雾。然而如果存在空化，可获得更佳的喷雾，因为润滑剂可以在相对低的压力下***成喷雾，这关于图8也进行过讨论。空化扩展至喷嘴出口获得了最佳喷雾效果。图7所示的图支持了这一点。如前所述，这与现有技术中，认为喷嘴出口处的空化有害这一结论相反。此外，如上所述，实验结果表明对于润滑剂喷射而言，扩展至喷嘴出口的空化对于稳定且可控制的喷雾而言是最佳的。由于空化在100℃下扩展至喷嘴出口，此温度被用来研究改变压力P和喷嘴直径D时空化发生的条件。
在图14中，示出了三个温度下的空化数C，其中最下方曲线对应60℃。在SIP喷油器目前常用的37巴压力下，没有出现空化，60巴左右开始出现空化。在更高的温度下，空化在更低的压力下就开始出现并急剧上升。对于60℃和70巴，C的值约为0.02。
这个值C＝0.02表示了喷嘴中的空化，尽管如此，C＞0的更小值同样意味着对影响润滑质量的空化。例如，当对比图9的结果时，图9已经可以看到当压力从37巴提高到60巴时，汽缸的磨损减少，这时空化实际上只是由于压力的增加而扩大，这证明即使是微小程度的空化也会带来喷雾形成和润滑质量的改进。
图15中可以看到空化随着喷嘴直径D而增加，下方的曲线对应60℃，而且显示了对于喷嘴直径D＝0.4和D＝0.5的空化。在D＝0.5时，空化扩展至喷嘴出口。在更高的温度下，例如高于80℃，例如如图所示的100℃，空化数大幅度增加，甚至超过1，这是三元素D＝0.3mm，P＝300巴和T＝100℃下的归一化值。
图16示出了在100℃下，随喷嘴出口直径D在三个压力P下的变化曲线。图15的上方曲线示为图16中的中间曲线。
中间曲线的上方是60巴的结果，中间曲线的下方是20巴的结果。可以观察到在100℃下，空化在直径大于0.2mm时发生并且随直径增加。
在模拟中，发现对于C>0.2的值，空化扩展至喷嘴出口。这是描述复杂现象的意外简单的结果。
此外，事实证明，C可以用以下表达式来参数化地表示，其中常数值在下表中示出。
C(T，P，D)＝A1*e(B1*T)+C1*e(F1*T)+A2*e(B2*P)+C2*e(F2*P)+A3*D+B3
图13示出了在P＝40巴时，随着温度变化的参数化曲线与模拟结果的对比。该曲线在压力P＞80巴时有值。
图17示出了在T＝100℃时，随着压力变化的参数化曲线与模拟结果的比较。该曲线在压力高于20巴时有值。
图18示出了随喷嘴直径的变化的参数化曲线。该曲线在喷嘴直径D>2.8mm时有值。
因此，对于特定范围内的压力P、喷嘴出口直径D和温度T的值，可以通过上述数学表达式来预测空化。该范围是采用SIP润滑原理的润滑油喷射器的实际范围。C＞0时出现空化，实践中大约C＞0.02时出现空化，并且C＞0.2时空化扩展至喷嘴出口。
对于特定类型的润滑剂，温度与粘度有关，例如美孚佳特570，如上述表格1给出的，即
μ(T)＝0.00610·e1246/(8.31·T)，
其中T为摄氏温度，且T＞20℃。
图19中示出了粘度和温度之间的关系。该图显示了船用柴油发动机中使用的各种常见的油的温度和粘度关系。这些油的粘度几乎相同，因此上面示出的和描述的随温度变化的曲线同样适用于这些油。
对于具有由上述粘度取决于温度公式确定的粘度的油，如图19所示，可以从图14、15和16中推导出以下关系
对于图14的空化：
D≥0.3mm，T≥60℃，P>60巴
D≥0.3mm，T≥100℃，P≥10巴
D≥0.3mm，T≥140℃，P≥10巴
对于图14中扩展至喷嘴出口的空化：
D≥0.3mm，T≥60℃，P>150巴
D≥0.3mm，T≥100℃，P>10巴
D≥0.3mm，T≥140℃，P>10巴
对于图15的空化：
D>0.2mm，T≥100℃，P≥40巴
D>0.3mm，T≥60℃，P≥40巴
对于图15中扩展至喷嘴出口的空化：
D>0.23mm，T≥100℃，P≥40巴
D≥0.5mm，T≥60℃，P≥40巴
对于图16的空化：
D>0.2mm，T≥100℃，P≥20巴
对于图16中扩展至喷嘴出口的空化：
D>0.21mm，T≥100℃，P≥60巴
D>0.23mm，T≥100℃，P≥40巴
D>0.31mm，T≥100℃，P>20巴
用粘度表示空化数C的数学公式，使其更加通用，如下所示：
常数
值
A1
0.6689
B1
0.001233
C1
-11.39
F1
-0.034870
A2
0.7888
B2
0.000855
C2
-1.473
F2
-0.033
A3
16.27
B3
-5.28
G1
149.94
G2
163.93
进一步的模拟表明，喷雾腔的中心轴线与压力室腔的中心轴线之间的角度变化时，C的表达式也是稳健的。参见图3示出的角度，在当前的情况下为66度。例如，出于实用的目的，当角度在30-90度的范围内变化时，C的表达式不变。对于喷雾腔的长度变化，C的值也是相对稳健的，并且为了实现扩展至喷嘴出口的空化，事实证明，当长度在0.5mm和1mm之间变化时，实现扩展至喷嘴出口的空化的下限值C＞0.2的变化因数小于2。由此可见，C的参数表达式相对于喷嘴的结构变化是稳健的，并且在大范围的压力、粘度以及喷嘴出口直径下是有效的。考虑到对于温度T＞80和压力P＞30时，C的值变化显著，如图13和14所示，将在喷嘴出口处或至少喷嘴出口附近空化的下限设置为C＞0.1，从而提供优化的喷雾条件，这对于SIP喷射尤其有用。
在图20中，关于雷诺数总结并说明了上述图中模拟的结果。可以观察到空化达到雷诺数Re＝450。在Re＝750以上时出现喷嘴出口的空化。这与图4一致。
总之，空化对润滑喷射是有益的，因为它会导致润滑剂更好地***成液滴，尤其是当空化扩展至喷嘴出口时。模拟和实验达成一致。构造了通用的数学表达式来表示空化和直到喷嘴出口的空化。
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