High/Low sulphur lubrication system

Transcription

“High/Low sulphur lubrication system”
FOR MARINE 4-STROKE DIESEL ENGINES
For marine 4-stroke diesel engines
HIGH/LOW SULPHUR LUBRICATION SYSTEM
PLACE:
DATE:
VERSION:
ROTTERDAM
15 JUNE 2016
1.7
Place, date:
ROTTERDAM 15 JUNE 2016
Contractors:
-Huig-Jan Tak
([email protected])
-Jan de Blok
([email protected])
-Davey van den Berg
([email protected])
Project Manager:
M. van der Drift
Project Principal:
M.M. de Jongh
Group: 2
1
Group 2
Management summary
To prevent global pollution, the International Maritime Organization (IMO) decided that the emission of
sulphur oxide must be reduced. This is done by creating some areas in the world where the emission
allowance of sulphur oxide is lowered. These areas are called Emission Control Areas (ECAs). A high
content of sulphur in the exhaust gasses is prohibited in these areas.
The engines used in ocean going vessels are not designed to sail on Low Sulphur Fuel Oils (LSFO) for a
very long time. When LSFO running time is increased, multiple problems will arise. Some of these
problems are: Excessive carbon deposit, bore polishing, liner lacquering, etc. All these problems are the
result of the wrong combination of lubrication oil and fuel oil. This causes extensive wear, and decreases
the engines lifetime.
This brings us to the main question; In what way can a High/Low sulphur lubrication system prevent
extensive wear to a ships 4 stroke engine after changing from high sulphur fuel-oil to low sulphur fuel-oil?
From all the possible ways to keep the wished acidity environment in the engine, the Lubetimizer from
Maarten Bunte is the easiest to implement and most realistic way to reduce extensive wear.
The Lubetimizer removes a small amount of lubrication oil every hour from the sump and pumps a small
amount of new oil back into the sump. The old oil is pumped into the dirty oil tank or to the fuel oil,
depending on the policy of the shipping company. By doing this the base number (BN) of the sump will
become much more stable with less fluctuations than the conventional method. This will limit wear
during normal use in comparison to partial replacement of lubrication oil 4 times a year. When switched
over from high to low sulphur fuel oil the PLC of the Lubetimizer will stop refreshing and the total base
number of the lubrication oil will slowly reduce to fit the low acidity of the low sulphur fuel oil. Then
when switched back to using high sulphur fuel oil, the Lubetimizer will start refreshing the oil with a rate
which is sufficient enough to adjust the total base number (TBN) to fit with the High Sulphur Fuel Oil
(HSFO).
2
Group 2
Preface
The technical side of the shipping industry is very interesting. In these days marine fuels and engines are
a hot topic because of the enormous costs, the gigantic amount of emissions and the demand for
alternative fuels.
The solutions for the problems described above do request the upmost from the engines. Lighter fuels in
Emission Control Areas cause wear and tear and problems with lubrication. That’s why ‘High/Low
sulphur lubrication system’ could be an interesting solution to decrease the deterioration of engines
running in Emission Control Areas
This topic is technical, topical, interesting and realistic. Added to that Jan de Blok has completed an
internship at Rolldock where he sailed on the Rolldock Storm. This ship uses 4 stroke engines and had to
switch between high and low sulphur fuel oil a lot. Jan was in charge of keeping the lubrication oil in
good condition. This is where Jan completed a part of the field research, Huig-Jan Tak and Davey van den
Berg completed field research at ’Lubetimizer’ and with mister A. de Graaf.
Special thanks goes to Ms. M. van der Drift
Mr. M. M. de Jongh
Mr. M. Bunte
Mr. A de Graaf
For their input and assistance with this research, without them it would not have been of this quality.
Rotterdam, 15th June 2016
3
Group 2
List of abbreviations
ECA
HSFO
IMO
IFO
LSFO
MDO
MGO
MARPOL
TBN or BN
Emission Controlled Area
High Sulphur Fuel Oil
International Maritime Organization
Intermediate Fuel Oil
Low Sulphur Fuel Oil
Marine Diesel Oil
Marine Gas Oil
International Convention for the Prevention of Pollution from Ships
(Total) Base Number
List of Tables
Table 1: Framework for research
Table 2: Prevention of air pollution by ships
Table 3: Maximum sulphur percentage
Table 4: Advised BN to sulphur percentage
List of Figures
Figure 1: Overview of IMO Emission Controlled Areas
Figure 2: Sea-Mate blending on board
Figure 3: Distillation process
Figure 4: Cylinder liner damage due to sulphur
Figure 5: Damaged piston head
Figure 6: Smooth cylinder liner
Figure 7: Honing pattern in a cylinder liner
Figure 8: Cylinder honing machine
Figure 9: Piston with very much deposit due to wrong TBN
Figure 11: MAK 9M32C 4500kW marine diesel engine
Figure 12: Alfa Laval Purifiers
Figure 13: TBN trending in relation to oil replacement
Figure 14: Fishing vessel SL-42
4
Group 2
Table of contents
High/Low sulphur lubrication system............................................................................................................ 1
Management summary ................................................................................................................................. 2
Preface....................................................................................................................................................... 3
List of abbreviations .................................................................................................................................. 4
List of Tables .............................................................................................................................................. 4
List of Figures............................................................................................................................................. 4
Table of contents ........................................................................................................................................... 5
Introduction ........................................................................................................................................... 7
1.1.
Problem Description ...................................................................................................................... 7
1.2
Problem definition......................................................................................................................... 8
1.2.1. Research Objective ...................................................................................................................... 8
Research questions................................................................................................................................ 9
2.1.
Main-question ............................................................................................................................... 9
2.1.
Sub-questions ................................................................................................................................ 9
2.2.1.
General .................................................................................................................................. 9
2.2.2.
Oils ......................................................................................................................................... 9
2.2.3.
Chemistry............................................................................................................................... 9
2.2.4.
Solution-methods .................................................................................................................. 9
Borders ................................................................................................................................................ 11
3.1
Financial borders ......................................................................................................................... 11
3.2
Technical borders ........................................................................................................................ 11
Report structure .................................................................................................................................. 11
General ................................................................................................................................................ 12
5.1
Regulations to be considered ...................................................................................................... 12
5.1.1. Fuel Switching............................................................................................................................ 13
Available information about the problem according to engine manufactures and ship owners ....... 14
6.1
Manufacturers ............................................................................................................................. 14
6.2
Ship owners ................................................................................................................................. 15
Oils ....................................................................................................................................................... 16
7.1
Specifications and properties of HSFO and LSFO ........................................................................ 16
7.1.1
Fuel fabrication .................................................................................................................... 16
5
Group 2
7.1.2
Distillate Fuels ..................................................................................................................... 16
7.1.3
Intermediate Fuel Oil........................................................................................................... 16
7.1.4
Residual Fuels ...................................................................................................................... 17
7.1.5
Low Sulphur Fuel Oil ............................................................................................................ 17
7.2
Specifications, functions and properties of lubrication-oil ......................................................... 18
Chemistry............................................................................................................................................. 20
8.1
The influence of the engine environment to the engine ............................................................ 20
8.2
The influence of the base number to the engine environment .................................................. 21
8.3
Consequences of switching fuel for the engine .......................................................................... 22
Solution-methods ................................................................................................................................ 25
9.1
Solutions to the problem ............................................................................................................. 25
9.2
Advantages and disadvantages of described systems ................................................................ 27
9.3
Practical application .................................................................................................................... 29
9.3.1
Lubetimizer for M.V. Rolldock Storm .................................................................................. 31
9.3.2
Suitability of a Dual-Lubrication system for the Rolldock Storm ........................................ 32
Conclusion ....................................................................................................................................... 33
Recommendations........................................................................................................................... 36
Sources ............................................................................................................................................ 37
Attachments ................................................................................................................................................ 39
Appendix 1.
Interview with Mr. Ab de Graaf: .................................................................................. 39
Appendix 2.
Interview with Mr. Maarten Bunte, owner of the “Lubetimizer” ............................... 42
6
Group 2
Introduction
1.1. Problem Description
To prevent global pollution, the IMO decided that the emission of sulphur oxide must be reduced. This is
done by creating some areas in the world where the emission allowance of sulphur oxide is lowered.
These areas are called Emission Control Areas (ECAs). The vessels that sail in these ECAs are since 1
January 2016 not allowed to burn fuels with a high percentage (>0.1%) of sulphur if the exhaust gasses
are not treated to reduce the sulphur content. The biggest group of ocean going vessels today use Heavy
Fuel Oil (HFO); which has (too) high sulphur content (max. 3.5%). HFO is also known as High Sulphur Fuel
Oil (HSFO).
The best solution would be to continue sailing on Low Sulphur Fuel Oil (LSFO) in the non ECAs, but this
fuel is more expensive. To comply with the new regulations, the vessels will, due to the lower price, use
HFO outside an ECA and change when entering the ECA to LSFO which contains max. 0.1% sulphur.
The sulphur in the fuel has acidic and lubricating properties. It is important to neutralize this acid in order
to prevent damage to the engine due to chemical corrosion. The alkaline (alkaline is the opposite of acid)
properties of the lubrication oil which is used in the engine, neutralizes the acidic properties of the fuel.
This results in a neutral oil mixture on the engine parts surfaces (cylinder walls, piston heads, etc.).
After changing from HSFO to LSFO the neutralizing compound in the lubrication oil for the sulphur is less
needed. The sulphur percentage is lower in LSFO than in HSFO. Therefor there is less acid on the surface
of the engine parts. This causes the fuel/lubrication oil mixture to be alkaline instead of neutral
(assuming the same lubrication oil is used).
When lubrication oil is too alkaline in respect to the fuel, an excessive amount of calcium will be present
in the combustion space. This will lead to calcium carbonate and Calcium oxide deposits on the piston
crown. These particles are very hard and can cause a higher thermal load and even bore polishing.
Another aspect of overdosing of alkaline product in the combustion chamber is cylinder liner lacquering.
The last problem of combining high TBN with low sulphur is the formation of excessive carbon deposit.
The carbon deposits can damage the piston rings and cause bore polishing.
Vessels sail on light fuels such as Marine Diesel Oil (MDO), which is also a LSFO, in and near ports. The
LSFO running time is therefore relatively short (hours rather than days) and the damage caused by the
alkaline fuel/lubrication oil mixture is not significant.
With the new legislation about the (expanding) ECAs in 2015 (MARPOL Annex VI) the LSFO running time
will increase. This could result in more wear of the engine.
7
Group 2
1.2 Problem definition
After changing from high sulphur fuel oil to low sulphur fuel-oil, the lubrication oil which is currently
used in the 4 stroke engine will lead to engine damage due to the consequences of the mismatched
chemical properties of the LSFO/lubrication oil mixture.
1.2.1. Research Objective
This research is about marine 4 stroke diesel engines. These engines experience problems due to the
consequences of new IMO legislation.
IMO legislation about vessel emission has changed; vessels must comply with these regulations to meet
the requirements stated in MARPOL Annex VI. A high content of sulphur in the exhaust gasses is
prohibited in these areas. In general; this means that most vessels sailing in these areas have to switch
over to LSFO.
Vessel’s engines which are designed to burn high sulphur fuels will have extra wear when the running
time on low sulphur fuels increases.
The objective of this research is as follows:
Invent a way to prevent or reduce the extra wear of marine 4 stroke diesel engines, which is experienced
after changing from HSFO to LSFO, by a solution that can provide a neutral (PH 7) fuel/lubrication oil
mixture on the engine parts surfaces. This allows ship owners to meet the requirements of the IMO and
thus sail in ECAs without decreasing the engine’s lifetime.
8
Group 2
Research questions
2.1. Main-question
In what way can a High/Low sulphur lubrication system prevent extensive wear to a ship’s 4 stroke
engine after changing from high sulphur fuel-oil to low sulphur fuel-oil?
2.1. Sub-questions
2.2.1.
General
1.
Which regulations have to be considered?
2.
What is the available information about the problem according to engine
manufactures, ship owners and IMO?
2.2.2.
Oils
3.
4.
What are the specifications and properties of HSFO and LSFO?
What are the specifications, functions and properties of the lubrication-oils that are
used in combination with LSFO/HSFO?
2.2.3.
Chemistry
5.
What influence do alkaline / acidic environments have on engine parts?
6.
How can the base number influence the environment in the engine?
7.
What are the consequences of switching from HSFO to LSFO?
2.2.4.
Solution-methods
8.
What are the different solution-methods that can prevent this ‘alkaline oil mixture’?
9.
What are the advantages and disadvantages of these different solution-methods?
10.
Which solution-method is best for the Rolldock Storm with 4 stroke engines?
9
Group 2
T ABLE 1: F RAMEWORK FOR RESEARCH
10
Group 2
Borders
3.1Financial borders
There will be no consideration and research on the financials that influence the research such as; the
costs of different kind of lubrication-oils, sorts of fuel, the installation of a dual lubrication-system, the
design of a new sort of engine or a new fuel system. This is to support out of the box thinking and open
minded ideas.
3.2Technical borders
This is a technical research with the objective to invent, not design. During this project the products are
not going to be a working High/Low sulphur lubrication system or a detailed design of it.
Report structure
In chapter 8 sub-question 1 is answered
In chapter 9 sub-question 2 is answered
In chapter 10.1 sub-question 3 is answered
11
Group 2
General
5.1 Regulations to be considered
To determine which requirements apply, research on regulations has been done. This is done by desk
research following the qualitative methodology. With the goal to answer the question: which regulations
have to be considered?
The regulations which have effect on this research are the regulations of Annex VI Regulations for the
Prevention of Air Pollution from Ships. In this annex Emission Control Areas are established with the main
goal to reduce sulphur emissions.
The first Emission Control Area came in effect in the Baltic Sea from 19 may 2006, quickly followed by
the North Sea area and later on by the North American area and United States Caribbean Sea area.
Annex VI: Prevention of air pollution by ships (Emission Control Areas)
Baltic Sea (SOx)
26 Sept 1997
19 May 2005
19 May 2006
North Sea (SOx)
22 Jul 2005
22 Nov 2006
22 Nov 2007
North American
(SOx, and NOx and
PM)
United States
Caribbean Sea ECA
(SOx, NOx and PM)
26 Mar 2010
1 Aug 2011
1 Aug 2012
26 Jul 2011
1 Jan 2013
1 Jan 2014
T ABLE 2: P REVENTION
OF AIR POLLUTION BY
SHIPS
F IGURE 1: O VERVIEW OF IMO E MISSION C ONTROLLED A REAS
12
Group 2
In these areas the allowed sulphur content of the fuel used on board a vessel is lowered. The following
table shows the maximum amount of sulphur allowed per area and year.
T ABLE 3: M AXIMUM SULPHUR PERCENTAGE
Outside an ECA established to limit SOx and
particulate matter emissions
Inside an ECA established to limit SOx and
particulate matter emissions
4.50% m/m prior to 1 January 2012
1.50% m/m prior to 1 July 2010
3.50% m/m on and after 1 January 2012
1.00% m/m on and after 1 July 2010
0.50% m/m on and after 1 January 2020*
0.10% m/m on and after 1 January 2015
* Depending on the outcome of a review, to be concluded in 2018, as to the availability of the required
fuel oil, this date could be deferred to 1 January 2025.
5.1.1. Fuel Switching
Due to the high cost of ECA compliant fuel oil (LSFO), switches between the compliant and noncompliant fuel oil will be made. This switch has to be done in the non- Emission Control Area and needs
to be done following on board implemented written procedures. During each changeover it is required
that the quantities of the ECA compliant fuel oils on board are recorded, together with the date, time
and position of the ship. These records are to be made in a logbook as prescribed by the ship’s flag state.
If it is possible to filter out the sulphur from the exhaust gasses using a scrubber, then it is possible to use
fuel with a high sulphur content.
To conclude the regulations of Annex VI Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships
describe the requirements which have to be met. The maximum value of sulphur in fuel inside an ECA is
0.10%. Outside an ECA the maximum is 3.50%. During each changeover it is required that the quantities
of the ECA compliant fuel oils on board are recorded, together with the date, time and position of the
ship. If a suitable scrubber is installed, fuel with a high percentage of sulphur may be used in an ECA.
13
Group 2
Available information about the problem according to engine
manufactures and ship owners
To orientate on which topic extra field research had to be done, known information has to be found.
Therefore, it is necessary to find the answer to the question: What is the available information about the
problem according to engine manufactures, ship owners and IMO? This is done by desk research
following the qualitative methodology.
6.1 Manufacturers
The US Engine Manufacturers Association:
“Low sulphur fuel is cleaner, but less stable.”
The process to take out the sulphur also removes associated elements such as nitrogen, oxygen and
polyromantic components. (The properties of thicker fuels that lent towards its stability and
antioxidisation qualities have been removed in the process, so there is a tendency for elements to drop
out, which means more sludge builds up in the tanks and there is an increased plugging of fuel filters and
deposits on injectors) “Engines just aren’t built to run on this dryer fuel.”
Man Diesel&Turbo
“We cannot recommend cylinder oils with a BN-level between 50 and 60 on our newest engines.’’
Motorship.com (/Mr. White)
Very low BN cylinder oils are essential when using fuels of 0.5% sulphur content and below in two-stroke
marine diesel engines. The high base number oils contain additives that are essential to combat the
natural acidity resulting from burning higher sulphur fuels, and these additives can perform other useful
functions. Even though there is no need for alkaline formulations, the oil still has to perform a cleaning
function.
Using oils of too high a base number will result in deposits. Even when the formulation includes additives
intended to keep the top of the piston clean, deposits will still form around the rings and grooves, and a
correctly formulated oil has to combine low base number and cleanliness – something that cannot
currently be achieved with oils of 40BN or more.
All the major suppliers seem to be agreed that ships using two grades of fuel, inside and outside ECAs,
will need to use two types of cylinder oil, and when switching fuel the engine room crews will have to
switch cylinder oils too. Fuel switching as fraught with potential danger – in comparison, changing
cylinder oils seems easy. One major difficulty is the temperature variation when changing from hot HFO
to cool gas oil – there can be as much as 100C difference between the two. In order to achieve a safe
temperature gradient of less than 2C/min the fuel switching process can thus take about an hour. This is
one of the problems that the company’s hybrid fuel is intended to reduce.
14
Group 2
ExxonMobil
ExxonMobil’s experience so far suggests that even a short time in an ECA using an oil of a too high base
number can result in rapid and unacceptable levels of deposits forming. If the time in the ECA can be
measured in hours rather than days, it may be possible to avoid changing oil, but for longer periods the
oil must be switched and this is backed up by the engine builders’ recommendations.
6.2 Ship owners
Maersk:
Maersk’s says their annual fuel costs will increase by $200 million based on the current $270 per ton
higher cost of low-sulphur MGO compared with heavy fuel oil.
Maersk also created a system that will able to change the BN in the cylinder oil. To neutralize the lack of
sulphur in engine after switching fuel:
The system is designed to
produce a finished cylinder
lubricant to a targeted
specific base number at
the flick of a switch. The
cylinder lubricant is
currently produced by,
either blending used
crankcase system oil with
an over-based cylinder
lube additive, or a high BN
cylinder oil. The concept
enables the operator to
continuously adjust and
optimize the lubricant
neutralization
characteristics in
accordance with the
engine requirements and
fuel sulphur content.
F IGURE 2: S EA -M ATE BLENDING ON BOARD
switch cylinder oils too. Maersk designed a system to change the BN in the cylinder oil for 2stroke
engines.
15
Group 2
Oils
7.1 Specifications and properties of HSFO and LSFO
Basic knowledge of fuel is needed to know what influences the burning characteristics and wear in the
engine. Therefore, it is necessary to find the answer to the question: what are the specifications and
properties of HSFO and LSFO? This is done by desk research following the qualitative methodology.
7.1.1 Fuel fabrication
Crude oil is separated based on the difference in
boiling points. The crude oil is first heated in a
heater, when it reaches the right temperature, it is
pumped in the fractioning column. The lighter
fractions have a low boiling point and rise to the
top of the tower, while the heavier fractions with a
very high boiling point stay at the bottom.
Diesel and the residual fuel oil are the main fuels
for vessels today.
Vessels use tree types of fuel oil:

Distillate fuels (DMX, DMA, DMB and DMC)

Intermediate fuels (IFO 180, 380)

Residual fuels (RMA – RML)
F IGURE 3: D ISTILLATION PROCESS
7.1.2 Distillate Fuels
Marine Diesel Oil (MDO) is a high-grade distillate fuel, this means it is fabricated by the above process.
MDO can be separated into four classes: MDX, MDA, MDB and MDC. MDX has the lowest viscosity and
contains 1% sulphur. MDC has the highest viscosity and contains 2% sulphur. These fuels are mainly used
to manoeuver in port and as fuel for diesel generators. MDO contains a small amount of residual oil (1520%), but only so little that it is not necessary to preheat the fuel before it enters the engine. The
advantage of this is that it makes the fuel less expensive without degrading the combustion process.
7.1.3 Intermediate Fuel Oil
Intermediate Fuel Oil (IFO) is a mixture of Heavy Fuel Oil and Marine Diesel Oil. IFO 380 means that the
mixture has a viscosity of 380mm2/s at a temperature of 50oC, this is done by combining residual fuel
with the right amount of MDO. This fuel is mostly used for slow speed engines; it has to be preheated to
140oC – 150oC before it enters the engine.
16
Group 2
7.1.4 Residual Fuels
Heavy Fuel Oil (HFO) is a residual fuel; it is made of the heavy left-overs of the refining process described
above. HFO is a low-grade, high viscosity fuel. HFO is divided onto six main groups, indicated by the
numbers 10, 30, 80, 180, 380, 500 and 700, corresponding by the viscosity grade of the fuel. These
groups are divided in the groups indicated by A, B, C, D, E, F, G, H, K and L; indicating the fuel quality
from high-grade (A) to low-grade (L). HFO can contain between 3.5% - 5.0% sulphur.
7.1.5 Low Sulphur Fuel Oil
Low sulphur Fuel Oil (LSFO) is a type of fuel with almost all sulphur removed, it contains 0.1% - 0.2%
sulphur. This fuel is more expensive than HFO because of the extra work to remove the sulphur. The
sulphur in HFO is molecular attached to the hydrocarbons, therefor it can only be removed in the
refinery. Because of the lower sulphur content, the environment in the cylinder is less acidic. Which
should mean less corrosion, however, in combination with the wrong lubrication oil, this is false.
Fuels core properties are described as viscosity, sulphur percentage and quality from grade A to L. HSFO
is fuel with a percentage of sulphur varying between 1% and 5%. LSFO is fuel with a percentage of
sulphur varying between 0,1% and 0,2%.
17
Group 2
7.2 Specifications, functions and properties of lubrication-oil
There is need for good lubrication in an engine in order to work properly and to prevent damage.
Lubrication oil is a substance to prevent friction between surfaces in the engine. Therefore, it is
necessary to find the answer to the question: what are the specifications, functions and properties of the
lubrication-oils that are used in combination with LSFO/HSFO? This is done by desk research following
the qualitative methodology.
The prevention of this friction is for the following purposes:

Functions as a seal

Protects the metal surface from corrosion

Reduces the temperature by carrying it away

Flushes away the polluted substances

Dampens the sound and shocks

Reduces friction and friction wear

Neutralize acidity to prevent chemical corrosion
To cope with these purposes there is a need for multiple properties in the lubrication oil. Some of these
properties are the same in all lubrication oils, but many of these properties of lubrication oil are different
to cope with the used engine and fuel. By use of a wrong lubrication oil there will also be wear and tear
in the engine.
There are three properties in lubrication oils that can be considered the most significant:

Viscosity – This represents the thickness of a substance. A substance with a high viscosity is
thicker than a substance with a low viscosity. The viscosity of a lubrication oil has to be high
enough to ensure the needed room between shaft and bearing, but when it is to low will it
lead to unnecessary high friction losses. The viscosity changes when the temperature
changes. When the temperature rises the viscosity gets lower.

Oxidation resistance – In the engine there are multiple components where air can be found.
This results in an oxidation. This can clog the filters and impair other engine parts. The key
measure to prevent this, is through the addition of an additive.

Neutralization number – In fuels there is a certain degree of acidity, these acids impair the
engine. One of the functions of lubrication oil is to neutralize these acids. This is done by the
use of an alkaline base number.
18
Group 2
So its core properties are described as viscosity, oxidation resistance and neutralization number. This
together with the following functions: functions as a seal, protects the metal surface from corrosion,
reduces the temperature by carrying it away, flushes away the polluted substances, dampens the sound
and shocks, reduces friction and friction wear and neutralize acidity to prevent chemical corrosion define
the specifications of the lubrication oil.
19
Group 2
Chemistry
8.1 The influence of the engine environment to the engine
Fuel contains sulphur, and sulphur is acid. The engine parts are not designed for this acid so it needs to
be neutralized with alkaline lubrication oil. The combination of acidic fuel and base lubrications oil
creates and neutral environment in the engine. In this chapter the sub-question: “What influence do
alkaline / acidic environments have on engine parts?” is answered by desk research and qualitative
research.
The amount of acid generated in the cylinder is directly linked to the engine load and the amount of
sulphur in the used fuel. When burning HSFO (sulphur > 1.5%) there are some chances of cold corrosion.
Cold corrosion is when sulphur acid forms on the liner walls in an engine cylinder and corrodes the liner
surface. This abnormal corrosion then creates excessive wear of the liner material. If the engine load is
decreased, which is very common in these days the pressure inside the cylinder is lowered. Temperature
is directly linked to the pressure and thus decreases. This creates conditions below the dew point that
allows water to condense on the cylinder liner. This then combines with sulphur from the fuel to form
sulphur acid, which leads to cylinder liner wear or cold corrosion. The corrosion can be seen on the
picture below: the black spots are small pits in the liner filled with carbon deposit. This deposit will cause
the cylinder liner to wear out.
F IGURE 4: C YLINDER LINER DAMAGE DUE TO SULPHUR
20
Group 2
8.2 The influence of the base number to the engine environment
The BN of the lubrication oil must be according to the engine manufacturers instructions, if not, the BN
in the engine can be offset and a too high or too low BN will develop. In this chapter the sub-question:
“How can the base number influence the environment in the engine?” is answered by desk research and
qualitative research.
The difference in functions and properties in the lubrication oil that is used for LSFO, and the lubrication
oil that is used for HSFO, is the amount of calcium and other alkaline compounds. In these fuels there is a
difference of acidity and to neutralize this there is a certain amount of alkaline needed.
Alkaline, also referred to as base sometimes, has a base number. This number indicates how much acids
it can neutralize. The higher the base number the more acids can be neutralized. This results in that the
recommended lubrication oil for HSFO has a higher base number than the recommended lubrication oil
for LSFO.
In the table below can be seen what BN should be used to neutralize the acidity in the different kinds of
fuels. There are multiple recommendations by different manufacturers of the engines and the
manufacturers of the lubrication oil. These are not all alike. The reason for the difference is because
every engine is different and the fuel and lubrication oil are also not alike.
Although there is a difference between every engine the outcome is always kind of equivalent. BN30 and
higher is used for HSFO and BN30 and below is used for LSFO.
T ABLE 4: A DVISED BN TO SULPHUR PERCENTAGE
The reason why the BN is different for every engine is that there should be not too much or to less
alkaline to neutralize the acidity, but there should also not be an excess of alkaline. The engine where
there is too much of alkaline will increase the wear as well as the engine with a too much of acidity
damage. The cylinder walls will be polished if there is an excess of alkaline. It is therefore utterly
important that there is not a lubrication used that is too low or too high. When the engine runs for a
longer period of time on a certain fuel than must the BN of the lubrication oil be precisely enough to
control the acidity.
21
Group 2
8.3 Consequences of switching fuel for the engine
After switching from HSFO to LSFO the BN in the engine is too high because the BN of the lubrication oil
which is pumped into the cylinder can’t be changed in a simple manner, causing an alkaline environment
and In this chapter the sub-question: “What are the consequences of switching from HSFO to LSFO?” is
answered by desk research and qualitative research.
The amount of alkalinity introduced in the cylinder is directly linked to the oil feed rate and the BN of the
used cylinder-oil. The amount of acid generated in the cylinder is directly linked to the engine load and
the amount of sulphur in the used fuel. These 2 have to be balanced to each other.
For this research the amount of sulphur in the fuel is the variable. It will change from about 3.5% in the
non-ECA, to 0.1% in the ECA. A significant drop and thus, in the 0.1% case generates a much lower
amount of acid in the cylinder.
Assuming the same cylinder oil is used, the acid/alkalinity is out of balance. So a to high amount of base
and a to low amount of acid is present in the cylinder and an alkaline environment will form.
The alkaline environment caused by the lubrication oil, normally used to neutralize the acidity from the
burning process, does not have a significant influence on the metal in a chemical way. But it does form
carbon deposit which has a negative effect on the engine.
Most of the normal deposits are formed by fuel soot which is caught by the lubrication oil which sticks to
an engine part. But when excess lube oil is not used due to lack of sulphur (less acid to neutralize) it is
retained in the ash and hard deposits that will form on the engine parts surfaces and builds up layer by
layer.
Deposits will form around the piston crown, rings and grooves. The hard particles of this deposit will act
as a polishing material which will cause ‘Bore polishing’ of the cylinder liner.
F IGURE 6: S MOOTH CYLINDER LINER
F IGURE 5: D AMAGED PISTON HEAD
The excessive wear of the cylinder liner will cause more blow-by and fuel-oil consumption, which is the
first indication of bore polishing. Catastrophic failure occurs when the polished area of the cylinder liner
can no longer be effectively lubricated and scuffing is initiated.
22
Group 2
Although when extensive corrosion takes place, the engine will be ruined in a short amount of time (see
8.2).
While burning clean fuels there is a lack of controlled corrosion. Little corrosion due to the acid sulphur
adds to so called “holding pockets” which help forming a good lubrication oil- film. These pockets can be
seen on “Figure 7: Honing pattern in a cylinder liner” below. The scratched surface of the cylinder liner
makes it possible for the lubrication oil to stick to the surface.
The effectiveness of the lubrication is depending on the surface structure of the cylinder liner. A rough
surface will easily form a good lubrication-oil-film but a perfectly polished surface will not be capable of
forming an uninterrupted oil-film.
The above is the reason that cylinder liners do need maintenance once in a while. During this
maintenance the cylinder liner surface is restored (from polished to little scratched). This is called
cylinder honing. “Figure 8: Cylinder honing machine” shows a machine honing a cylinder liner.
F IGURE 8: C YLINDER HONING MACHINE
F IGURE 7: H ONING PATTERN IN A C YLINDER LINER
After switching over from HSFO to LSFO without changing lubrication oil to a low BN oil together with a
to high cylinder oil feed rate (which is normally used in HFO running) for longer periods of time,
extensive carbon and sludge deposit will form. As seen on “Figure 9: Piston with very much deposit due
to wrong TBN” this deposit causes piston rings to get clogged and stop working. This is the result of
2500hrs of running in the situation described above.
23
Group 2
F IGURE 9: P ISTON WITH VERY MUCH
DEPOSIT DUE TO WRONG
TBN
It is very important for the engine lifetime that the correct lubrication oil is used in combination with the
sulphur content in the fuel. There will be a build-up of carbon and calcium deposit when the
environment in the engine is alkaline, causing liner damage due to the polishing effect. On the other
hand; the liner will be damaged when the engine environment is to acid, because the sulphur corroding
the liner surface.
In either way, the engine will be damaged when using the wrong combination of lubrication oil with a
high BN and LSFO because of the ECA’s.
24
Group 2
Solution-methods
9.1 Solutions to the problem
What are the different solutions that can prevent an alkaline oil mixture in the engine? The answer on
this question is found by qualitative field research. In this chapter the different ideas and systems are
discussed.
The different methods which could prevent an alkaline oil mixture in the engine are:
-
by periodically replacing a part of the sump with fresh oil,
a separate cylinder lubrication system in combination with a collector ring,
the Lubetimizer from Maarten Bunte.
By periodically replacing a part of the sump with fresh oil
Depending on the demands of the shipping and insurance company, a laboratory examines a sample of
the lubrication oil about every 3 months.1 (Chevron, 2012) This method usually follows when the results
are received on board, the engineers will analyse the results and when it is necessary they will undertake
action: if the BN of the lubrication oil is to low, then they shall pump out a part of the sump to a dirty oil
tank and pump the necessary amount of new lubrication oil into the sump.
The current method for checking the BN of the lubrication oil is by taking a sample of it, then a
laboratory examines the oil. The examination goes as follows: A very small amount of lubrication oil is
diluted with a solvent, then this is pumped between two glass plates and infrared light is beamed
through the mixture. The filtration of the infrared light behind the glass plates gives the researcher
information about the water content, BN and oxidation of the lubrication oil used in the engine.2
(Buunte, 2015)
Never change more than 25% of the sump at the same time, then the lubrication oil can become
unstable. Contaminations caught in the oil will start to become under influence of gravity and sink to the
bottom of the sump, this brings extra maintenance and possible engine damage with it.
25
Group 2
Dual Lubrication System
In a 4 stroke engine the main gearing lubrication oil is also used as cylinder lubrication oil. The BN of the
lubrication oil changes in time; it degrades because of the sulphur in the used fuel and when new
lubrication oil is added to the sump the BN of the sump rises again.
2 stroke engines use two different lubricants; one type for the cylinders and another type for the
gearings. Almost all the lubrication oil which is injected into the cylinder is used. So, unlike a 4 stroke
engine, no cylinder lubrication oil will flow back into the sump.
It would be much simpler if 4 stroke engines had a separate cylinder lubrication system. In that case a
similar DLS system as used with 2 stroke engines could be used; high BN with HSFO and a low BN with
LSFO.
To provide a 4 stroke engine with a separate cylinder lubrication system is very complicated and almost
impossible.
The idea: Use three different types of oils (cylinder LSFO, cylinder HSFO and gearing) like a 2 stroke
engine. If it is possible to collect the cylinder lubrication oil which dripping off the cylinder liner, the
cylinder oil could return to a separate tank and be used again as cylinder oil. By separating the cylinder
oil from the sump, the two types of lubrication oils won’t contaminate each other.
A collecting ring must be fitted underneath the cylinder liner and fitted with a drain pipe to an extra
sump tank for cylinder oil. This allows the connecting rod to reach the piston without a seal (2 stroke
engines have a seal) and still use a separate cylinder lubrication oil without contaminating the gearing
lubrication oil with cylinder lubrication oil.
The Lubetimizer from Maarten Bunte
In the Lubetimizer there is a certain mathematic model created by the designer. If one knows how much
fuel the engine uses and the percentage of sulphur in that fuel, then one knows how much sulphur is
going into the engine. A certain amount of it will be converted into sulphuric acid, this acid needs to be
neutralized with alkaline lubrication oil.
Instead of the conventional method: replacing a part of the sump every once in a while, the Lubetimizer
removes a small amount of lubrication oil every hour from the sump and pumps a small amount of new
oil back into the sump. The old oil is pumped into the dirty oil tank or to the fuel oil, depending on the
policy of the shipping company. By doing this the BN of the sump will become much more stable with
less fluctuations than the conventional method.
When switched over from high to low sulphur fuel oil the PLC of the Lubetimizer will stop refreshing and
the TBN of the lubrication oil will slowly degrade to fit de low acidity of the low sulphur fuel oil. Then
when switched back to using high sulphur fuel oil the Lubetimizer will start refreshing the oil with a rate
which is sufficient enough to adjust the TBN to fit with the high sulphur fuel oil.3 (Buunte, 2015)
26
Group 2
9.2 Advantages and disadvantages of described systems
The methods described in the previous part aren’t all ideal or even practical. In this chapter the
advantages and disadvantages of the different ideas and systems are discussed.
By periodically replace a part of the sump with fresh oil
The advantages of this method are that it only has to take place about 4 times in a year, depending on
the demands of the ship owners and insurance. Second, the lubrication oil can extremely precisely be
examined in the laboratory; small amounts of unwished components are able to be detected like steel
particles. Wear of the bearings and other moving parts could be detected if missed by the engineers, so
excessive wear could be prevented when it is in an early stage.
The disadvantage of this method is that it is an expensive way to keep the BN up, lubrication oil is a
costly product. Second of all: the BN of the sump will fluctuate, when changing a part of the sump. When
changing too much lubrication oil at the same time the sump will become instable and the captured soot
will become subject to gravity and fall out of the oil, creating a layer of sludge on the bottom of the
sump. The used oil has to be disposed somewhere, which costs money, or it can be pumped into the fuel
oil. It also is a costly method; a sample must be send to a laboratory, then someone has to examine it
and the results must be send to the ship owners and the vessel. It is not possible to do this research on
the vessel itself, the costs of the equipment are just too high and people need constant training to use it
correctly.
Dual Lubrication System
The big advantage of a Dual Lubrication System is the possibility to use separate cylinder lubrication oil in
a 4 stroke engine, which is suitable for the fuel of that moment. The environment in the engine would
always be neutral, therefore no clogging up of filters or deposit forming because of an alkaline
environment.
Sadly, though this system would not work; not only the dripping oil from the cylinder liner would be
collected by the collecting ring, but also the sump oil which is used to cool down the piston crown and
lubricate the gearings. And exact these two types of lubrication oil must be kept separate. Another
disadvantage would be the need for an extra lubrication oil service tank and storage, those would take
up space.
27
Group 2
The Lubetimizer from Maarten Bunte
amount of new oil back into the sump, this is done by a plunger. The old oil is pumped into the dirty oil
tank or to the fuel oil, depending on the policy of the shipping company. By doing this the BN of the
sump will become much more stable with less fluctuations than the conventional method. This will limit
wear during normal use in comparison to partial replacement of lubrication oil 4 times a year. When
switched over from high to low sulphur fuel oil the PLC of the Lubetimizer will stop refreshing and the
TBN of the lubrication oil will slowly degrade to fit de low acidity of the low sulphur fuel oil. Then when
switched back to using high sulphur fuel oil the Lubetimizer will start refreshing the oil with a rate which
is sufficient enough to adjust the TBN to fit with the high sulphur fuel oil.
The constant sweetening of the sump keeps it on a steady BN, which leads to a lower lubrication oil
consumption. Tests from Mr. Bunte on vessels from Wagenborg indicate that the lubrication oil
consumption is cut in half in comparison without the Lubetimizer. A big advantage is that the system is
easily to install in the engine room, it doesn’t take up a lot of space.
The disadvantage of the Lubetimizer is that the engine still runs on a lubrication oil with a too high BN
when burning LSFO. The system is designed to keep the sump at a steady high BN to neutralize the
sulphur. While in order to solve the problem it should maintain a relatively low BN.
It is clear that none of the systems are providing an all-in solution to the problem. The periodically
replacing of oil is suitable for stabilizing the BN number but does not provide any protection to the
changing environment of the changeover of fuel. The same applies to the Lubetimizer. And where the
dual lubrication system can provide an solution to the changing environment, the practical application is
almost impossible.
Periodically replacement of oil
 Detailed condition
monitoring of
lubrication oil
 Job duration time
Disadvantage
 Expensive
 Can cause instable
lubrication oil
 Does not provide an
solution to fast
changing environment
due to fuel changeover
Advantage
Dual lubrication
 Provides a solution
for the changing
environment due
to fuel changeover
 Not possible to
build this system in
a non-crosshead
engine
Lubetimizer
 Keeps the BN of
the oil steady
 Easy to install
 Relatively cheap
 Does not provide
an solution to fast
changing
environment due
to fuel changeover
28
Group 2
9.3 Practical application
In this chapter the practical application for the ‘High-low Sulpher lubrication system’ is investigated. One
of the group member, Jan de Blok, was an apprentice on M.V Rolldock Storm and did research on the
possibility to apply such an system on board of an existing vessel. Most of the information is collecting by
field research on board of the M.V. Rolldock Storm.
MV Rolldock Storm is a semi-submersible vessel with cranes suitable for heavy lifts. She is 150m long and
24m width. She can carry heavy cargo up to 8000t.
F IGURE 10: J AN ’ S INTERNSHIP VESSEL
THE
R OLLDOCK S TORM
The main propulsion consists of 2 MAK 9M32C of 4500kW each. These engines are medium speed diesel
engines. That gives a cylinder output of 500kW at an RPM of 600 thanks to a huge ABB
Turbine/Compressor. The bore of the cylinder is 320mm and the stroke 480mm. The engine is fitted with
APR (Anti polishing ring) and Scavenge Air Temperature controller. The specific fuel consumption of this
engine is 179gr/kWh. 4 (MaK Marine diesel engines, 2015)
F IGURE 11: MAK 9M32C 4500 K W MARINE DIESEL ENGIN E
29
Group 2
The fuel that is mainly used in this type of engines is heavy fuel oil with a viscosity (50 degrees C) of 380
Cst and a sulphur content of 2.0% or more. When this ship is sailing in sulphur Emission Control Area
(SECAs) it will run on MGO with sulphur content of <0.1%.
The fuel system is controlled by an Alfa Laval booster unit which controls the viscosity and temperature.
The lubrication oil used in this engine is TARO 40XL40. The viscosity of this lubrication oil is 40Cst and
the base number is 40. TBN 40 is quite a normal number for lubrication oil of a medium speed engine
which mainly runs on high sulphur fuels. (Chevron, 2012)
This lubrication oil has to be cleaned and this is performed by an automatic filter and Alfa Laval purifiers.
F IGURE 12: A LFA L AVAL P URIFIERS
On-board of the Rolldock Storm the problems caused by the combination of LSFO and high TBN where
known by the engineers. There used method to control the TBN of the lubrication oil is by method 1 and
2 named in the previous chapter.
Currently used method of controlling TBN: Samples were tested and the TBN was stabilized on a value of
24. No corrective measures were taken to control the TBN during my stay on board. Every 100hrs the
sump of the Engine was topped up with fresh TBN 40 (TARO40XL40) lubrication oil. The calculated
specific lubrication oil consumption was 37gr/kWh.
As mentioned by Mr. Bunte in the interview the lubrication oil consumptions of modern 4 stroke engines
are actually too low to maintain a good stabilisation point of BN24. But due to leaking cylinder heads the
consumption of lubrication oil on the Rolldock storm was more than normal which in this case is good.
30
Group 2
9.3.1 Lubetimizer for M.V. Rolldock Storm
Can the Lubetimizer be applied on a ship such as the M.V. Rolldock Storm? Thanks to the interviews and
practical experience (Field research) the answer on that question is given in this chapter.
A system such as the Lubetimizer could be applied on these MAK 9M32C which is an engine that is
already tested by Mr. Bunte combined with this system. The Lubetimizer would be placed in the
Separator room. The Lubetimizer will drain oil from the oil feed line before the heater of the separator
and add oil after the separator. In this way it can control the TBN of the oil in a much more controlled
way than currently used on board of the Rolldock Storm.
As shown in the diagraph below the TBN of the lubrication oil is controlled in a much better way than
when applying full replacement of the sump. The difference with the diagraph and the case on board of
M.V. Rolldock Storm is that the sump of the Rolldock Storm was not fully replaced but just topped up.
But the variable TBN which is shown in blue is also there but with a shorter amplitude.
The Lubetimizer is suitable for the Rolldock Storm but will not solve the problem of running on LSFO for
longer periods of time. According to the instructions of MAK the whole sump should be replaced when
MGO running times exceeds 750hrs. Although the Lubetimizer would still be an improvement to the
current situation.
F IGURE 13: TBN TRENDING IN RELATIO N TO OIL REPLACEMENT
31
Group 2
9.3.2 Suitability of a Dual-Lubrication system for the Rolldock Storm
Is a Dual lubrication system(DLS) suitable for M.V. Rolldock Storm? The answer is simple and based on
the field research done on this subject.
DLS is not plug and play. Actually DLS is impossible to be fitted on a non-crosshead engine. Because there
is no seal between crankcase and cylinder liners. Therefore, the splashing of oils would mix different
kinds of lubrication oils and make the process uncontrollable.
But, if a DLS was tested (Forgetting the splashing of oil problem described above) on the MAK 9M32C
than the conclusion would be that this engine is not really a useful engine for the DLS.
The STORK TM410 would be much more useful because this engine is already fitted with lubricators in
the cylinder liner. A MAK 9M32C is not fitted with lubricators and fitting these in the engine is a very
expensive and complicated task.
De DLS is not suitable for M.V. Rolldock Storm. Practical reasons make it impossible to have a clean
separation between cylinder oil and crankcase oil.
32
Group 2
Conclusion
To conclude an answer to the main question will be given. This is done by using all sub-conclusions. The
main question is as follows:
In what way can a High/Low sulphur lubrication system prevent extensive wear to a ships 4 stroke engine
after changing from high sulphur fuel-oil to low sulphur fuel-oil?
1.
Which regulations have to be considered?
To conclude the regulations of Annex VI Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships
describe the requirements which have to be met. The maximum value of sulphur in fuel inside an ECA is
0.10%. Outside an ECA the maximum is 3.50%. During each changeover it is required that the quantities
of the ECA compliant fuel oils on board are recorded, together with the date, time and position of the
ship. If a suitable scrubber is installed, fuel with a high percentage of sulphur may be used in an ECA.
2.
What is the available information about the problem according to engine manufactures, ship
owners and IMO?
switch cylinder oils too. Maersk designed a system to change the BN in the cylinder oil for 2stroke
engines.
3.
What are the specifications and properties of HSFO and LSFO?
Fuels core properties are described as viscosity, sulphur percentage and quality from grade A to L. HSFO
is fuel with a percentage of sulphur varying between 1% and 5%. LSFO is fuel with a percentage of
sulphur varying between 0,1% and 0,2%.
4.
What are the specifications, functions and properties of the lubrication-oils that are used in
combination with LSFO/HSFO?
So its core properties are described as viscosity, oxidation resistance and neutralization number. This
together with the following functions: functions as a seal, protects the metal surface from corrosion,
reduces the temperature by carrying it away, flushes away the polluted substances, dampens the sound
and shocks, reduces friction and friction wear and neutralize acidity to prevent chemical corrosion define
the specifications of the lubrication oil.
6. What influence do alkaline / acidic environments have on engine parts?
Cold corrosion is when sulphur acid forms on the liner walls in an engine cylinder and corrodes the liner
surface. This abnormal corrosion then creates excessive wear of the liner material. If the engine load is
decreased, which is very common in these days the pressure inside the cylinder is lowered. Temperature
is directly linked to the pressure and thus decreases. This creates conditions below the dew point that
33
Group 2
allows water to condense on the cylinder liner. This then combines with sulphur from the fuel to form
sulphur acid, which leads to cylinder liner wear or cold corrosion.
7. How can the base number influence the environment in the engine?
The reason why the BN is different for every engine is that there should be not too much or to less
alkaline to neutralize the acidity, but there should also not be an excess of alkaline. The engine where
there is too much of alkaline will increase the wear as well as the engine with a too much of acidity
damage. The cylinder walls will be polished if there is an excess of alkaline. It is therefore utterly
important that there is not a lubrication used that is too low or too high. When the engine runs for a
longer period of time on a certain fuel than must the BN of the lubrication oil be precisely enough to
control the acidity.
8. What are the consequences of switching from HSFO to LSFO?
It is very important for the engine lifetime that the correct lubrication oil is used in combination with the
sulphur content in the fuel. There will be a build-up of carbon and calcium deposit when the
environment in the engine is alkaline, causing liner damage due to the polishing effect. On the other
hand; the liner will be damaged when the engine environment is to acid, because the sulphur corroding
the liner surface.
In either way, the engine will be damaged when using the wrong combination of lubrication oil with a
high BN and LSFO because of the ECA’s.
9. What are the different solution-methods that can prevent this ‘alkaline oil mixture’?
The different methods which could prevent an alkaline oil mixture in the engine are:
-
by periodically replacing a part of the sump with fresh oil,
a separate cylinder lubrication system in combination with a collector ring,
the Lubetimizer from Maarten Bunte.
34
Group 2
10. What are the advantages and disadvantages of these different solution-methods?
It is clear that none of the systems are providing an all-in solution to the problem. The periodically
replacing of oil is suitable for stabilizing the BN number but does not provide any protection to the
changing environment of the changeover of fuel. The same applies to the Lubetimizer. And where the
dual lubrication system can provide a solution to the changing environment, the practical application is
almost impossible.
Periodically replacement of oil
 Detailed condition
monitoring of
lubrication oil
 Job duration time
Disadvantage
 Expensive
 Can cause instable
lubrication oil
 Does not provide a
solution to fast
changing environment
due to fuel changeover
Advantage
Dual lubrication
 Provides a solution
for the changing
environment due
to fuel changeover
 Not possible to
build this system in
a non-crosshead
engine
Lubetimizer
 Keeps the BN of
the oil steady
 Easy to install
 Relatively cheap
 Does not provide a
solution to fast
changing
environment due
to fuel changeover
11. Which solution-method is best for the Rolldock Storm with 4 stroke engines?
The Lubetimizer is suitable for the Rolldock Storm but will not solve the problem of running on LSFO for
longer periods of time. According to the instructions of MAK the whole sump should be replaced when
MGO running times exceeds 750hrs. Although the Lubetimizer would still be an improvement to the
current situation.
The DLS is not suitable for M.V. Rolldock Storm. Practical reasons make it impossible to have a clean
separation between cylinder oil and crankcase oil.
Final conclusion
From all the possible ways to keep the wished acidity environment in the engine, the Lubetimizer from
Maarten Bunte is the easiest to implement and most realistic way to reduce extensive wear.
amount of new oil back into the sump. The old oil is pumped into the dirty oil tank or to the fuel oil,
depending on the policy of the shipping company. By doing this the BN of the sump will become much
more stable with less fluctuations than the conventional method. This will limit wear during normal use
in comparison to partial replacement of lubrication oil 4 times a year. When switched over from high to
low sulphur fuel oil the PLC of the Lubetimizer will stop refreshing and the TBN of the lubrication oil will
slowly degrade to fit de low acidity of the low sulphur fuel oil. Then when switched back to using high
sulphur fuel oil the Lubetimizer will start refreshing the oil with a rate which is sufficient enough to
adjust the TBN to fit with the high sulphur fuel oil.
35
Group 2
Recommendations
General research recommendations: To better understand the effects of using LSFO in combination with
“the wrong” lubrication oil more research has to be done. For example, by setting up an experiment with
an engine switching fuels and running on LSFO for a long time.
As a graduation research; research with Maarten Bunte the demands which must be met, in the field of
programming the PLC, effects on lubrication oil, engine environment, the damage limitation and if it’s
cost effective.
Engine and lubrication oil manufacturers recommendations: Since a dual lubrication system is not
suitable for modern 4 stroke engines research should be done to design an engine that is fitted with
cylinder lubricators.
If the lubrication oil manufacturers could produce different TBN oils that can be mixed without causing
problems to the stability of the oil a dual lubrication 4 stroke engine can be achieved.
In combination with a Sump-TBN control system (such as the ‘Lubetimizer’) the cylinders can be
lubricated with a different lubrication oil than the sump oil and still obtain the required TBN in the sump.
The combination of Mixable lubrication oils, 4 Stroke engines with lubricators and a Sump-TBN control
system is able to: Obtain a perfect environment in the engine in every fuel burning situation.
36
Group 2
Sources
PRODUCTS. (2015, january 03). Retrieved from Maersk Fluid Technology:
http://www.maerskfluid.com/index.php/product
(2014, November 28). Retrieved from MAN Marine Engines & Systems: http://marine.man.eu/
Baarda, B. (2009). Dit is onderzoek! Houten: Noordhoff Uitgevers.
Basnumber. (2014, November 11). Retrieved from Chevron Marine Products:
http://www.chevronmarineproducts.com/docs/InfoBulletin04_BaseNumber_v1111.pdf
Beday, A. (2015, February 15). Low Sulphur Fuel Oil related issues. Retrieved from DNV:
http://www.dnv.lt/binaries/LSFO%20related%20issues_tcm173-392684.pdf
Bunte, M. (2016, January 28). (H.-J. Tak, & D. v. Berg, Interviewers)
Buunte, M. (2015, September). Lubrication oil depletion controlling. (D. v. Berg, Interviewer)
Chevron. (2012). Lubrication oil reserch onboard .
Diktaat Brandstoffen, Smeermiddelen en Thermische Olie. (n.d.).
Emission Control Areas (ECA) Developments. (2014, November 11). Retrieved from ReatsMarine:
http://www.raetsmarinecommunity.com/files/Circular%20ECA,%20January%202013.pdf
Graaf, A. B. (2015, February). (J. d. Blok, Interviewer)
Issues and measures for use of low-sulfur fuel oil. (2015, January 22). Retrieved from ClassNK:
https://www.classnk.or.jp/hp/pdf/reseach/seminar/2010_05e.pdf
Kluijven. (2011). International Maritime Language Programma. Alkmaar: Alk & Heijnen Publishers.
Low sulphur fuels, ECAs and cylinder lubrication. (2014, december 10). Retrieved from
http://www.motorship.com/news101/fuels-and-oils/low-sulphur-fuels,-ecas-and-cylinderlubrication
Maanen, P. v. (2000). Scheepsdieselmotoren. Harfsen: Nautisch-Technische Uitgeverij "NAUTECH".
MaK Marine diesel engines. (2015). MAK M32C - Users manual. Kiel.
Marine propulsion. (n.d.). Riviera.
Special Areas under MARPOL. (2014, November 11). Retrieved from International Maritime Organization:
http://www.imo.org/OurWork/Environment/PollutionPrevention/SpecialAreasUnderMARPOL/P
ages/Default.aspx
37
Group 2
Sulphur oxides (SOx) - Regulation 14. (2014, November 13). Retrieved from International Maritieme
Organisation:
http://www.imo.org/OurWork/Environment/PollutionPrevention/AirPollution/Pages/Sulphuroxides-(SOx)-%E2%80%93-Regulation-14.aspx
Wärtsilä Low Sulphur Guidelines. (2015, January 20). Retrieved from Intertanko:
https://www.intertanko.com/upload/24779/LowSulphurGuidelines.pdf
38
Group 2
Attachments
Appendix 1. Interview with Mr. Ab de Graaf:
Algemeen
1: Kunt u bevestigen dat het in de mail genoemde een probleem is of zal worden? (Orde van
grootte?)
Bij vaartijden van meer dan 750 uur in een SECA-gebied dient er volgens MAK van smeerolie
overgeschakeld te worden. Bij een 2-slag motor is dat veel eenvoudiger dan een 4-slag motor. Voor
zware olie wordt een smeerolie met een TBN van 30 gebruikt. Echter is er voor LSFO een laag BN
veel geschikter. Het gemiddelde percentage zwavel in zware olie ligt rond de 2,2%
“Het heeft commerciële problemen maar het kan ook technische problemen geven.
Ja, het is al een probleem. Veel reders weten nog niet de gevolgen van het varen op de huidige
brandstof ten opzichte van het TBN.”
2: “Wat zijn de gevolgen van een te hoge TBN en kunt u daar uitleg over geven?”
Deeltjes die worden niet meer opgenomen door zwavel gaan zich afzetten (op zuiger bijv.). Er blijft
base over, hierdoor ontstaan er vaste koolstofdeeltjes in de motor (motorfabrikanten zijn zich er
nog niet van bewust) bore polishing en liner leakkage zijn het gevolg. De veer gaat uit zetten omdat
de koolstof tussen de zuigerveer en de zuiger de zuigerveer harder tegen de cilinderwand wordt
gedrukt. Door het schuren van de zuigerveer wordt de honinggraadstructuur weg gepolijst (bore
polishing).
Na enkele honderden draaiuren worden de gevolgen zichtbaar in de motor en na enkele duizenden
moeten er al onderdelen worden vervangen.
Door het mengen van HSFO en LSFO wordt de brandstof minder stabiel. Dat wil zeggen dat er geen
homogene substantie overblijft maar het gaat uiteenvallen in verschillende componenten. Instabiele
brandstof veroorzaakt separator probleem en filters slaan dicht.
3: “Hoe denkt u dat de reders dit zullen gaan aanpakken?” ( bijv. alleen LSFO draaien etc.)
39
Group 2
Er kan weinig worden aangepast aan de smeerolie die nu in gebruik is. Het laagste BN is al 30,
hier ligt dus geen oplossing in. Bij medium speed motoren
BN-medium speed moet altijd tussen 20 en 25 zijn. Kunstmatig op peil houden.
slow speed gebruikt al meerdere dag tanks.
meerdere dagtanks zou niet nuttig zijn voor 4 slag.
Een scrubber leverantie geen succes. (geen opleverend rendement.)
zwavel smeert. Nu met weinig zwavel, zorgt dit voor problemen. Nu heb je smeerolie nodig met
een hoog ‘lubricity’ eigenschap. EN590
4-Slag
4: Wij veronderstellen vanuit de door ons gevonden literatuur dat de problemen bij het gebruik
van een te hoog TBN bij 2-slag motoren groter is dan bij 4-slag motoren maar weten niet waarom.
Kunt u daar uitleg over geven?
Dit is onjuist. Problemen met de 4-slag motoren worden dan veroorzaakt door een fout bij de reder.
Het kost veel geld om andere smeerolie aan te schaffen en mee te nemen. Dit is vaak de reden on
dan niet over te schakelen en het risico te nemen.
5: Klopt het dat de smeerolie keuze bij 4 slag motoren een TBN-optimalisatie is in relatie tot het
soort brandstof? (d.w.z. een compromis van beide soorten smeerolie geschikt voor zowel HSFO
als LSFO)
ja daar is een compromis mits het TBN binnen de 20 en 25 gehouden word. Ga je hoger, dan krijg je
wel problemen.
Met TBN 30 beginnen zodat deze wegzakt tot 20 tot 25.
Hieruit kunnen we afleiden dat deze compromis-smeerolie minder goed geschikt is voor langere
LSFO-draaiuren.
6: In hoeverre denkt u dat bovengenoemd effect schadelijk zou kunnen zijn? (Of is de schade niet
significant genoeg om hiervoor een oplossing te zoeken?)
40
Group 2
schadelijk zou kunnen zijn brandstof smeerolie moet in balans zijn. Dus het kan schadelijk zijn als
daar verkeerde bedrijfsvoering is. Als dit niet het geval is kan het schadelijk zijn!
7: Is het mogelijk om een 4 slag motor te voorzien van een systeem dat 2 soorten smeerolie kan
voorzien? ( Bijvoorbeeld een gescheiden cilindersmeerolie systeem, 2 sump tanks waar uit
gebruikt kan worden, etc.)
Bij een 4-slag is het niet mogelijk om twee types smeerolie te gebruiken. Bij een goede
bedrijfsvoeringen van de machinisten zou het ook niet nodig hoeven zijn.
2- Slag
8: Een 2e cilindersmeerolie-tank is volgens ons een simpele doch effectieve oplossing voor 2 slag
motoren. Zijn er nog punten om over na te denken bij zo'n soort systeem?
Een dergelijk systeem bestaat al voor 2-slag motoren. Door een tweede tankje op de cilinder te
monteren kan daaruit de andere smeerolie in de cilinder worden toegevoegd. Omdat bij een 2slag motor de cilinderolie gescheiden is van de drijfwerkolie zal dat niet mengen.
41
Group 2
Appendix 2. Interview with Mr. Maarten Bunte, owner of the “Lubetimizer”
Over de invloed van TBN op een scheepsdieselmotor.
Door: Huig-Jan Tak & Davey van den Berg
HJ: En die testen die jullie doen is dat puur voor TBN-optimalisatie?
Mr. Bunte: Nou om te kijken of ze eruit kunnen halen wat er in zit en of het de resultaten geeft die zij
verwachten. Voordat een reder investeert wil die eerst weten waar die in investeert. Ik ben bij
wagenborg begonnen in 2012 en in 2013 hebben ze voor 14 extra schepen besteld. De zusterschepen
van dat schip. Dat was eigenlijk de allereerste. Dus eigenlijk een test vanaf 0. We hebben toen ook de
nodige kinderziektes eruit gehaald enzovoort.
HJ: Dus de staat van de smeerolie wordt ook gemonitord door de Lubetimizer?
Mr. Bunte: Nee, dat is op dit moment nog niet mogelijk. Als je kijkt naar smeerolie komen er wel steeds
meer sensoren op de markt waarmee je metingen kunt verrichten. Je kunt bijvoorbeeld water
percentage en viscositeit meten en oxidatieberekeningen doen. Maar TBN kun je nog niet aan boord
meten.
D: Dat moet in een laboratorium gebeuren als ik het goed begrijp?
Mr. Bunte: Ja, de meeste laboratoria analyseren TBN met infrarood. Je pakt een minimale hoeveelheid
smeerolie en die wordt verdund met een oplosmiddel. Die pompen ze tussen 2 glazen platen en daar
wordt infrarood licht doorheen geschenen. Die filtratie in het infrarood licht achter de glazen platen
geeft informatie over de smeerolie. Zij kunnen daar bijvoorbeeld water, TBN en oxidatie uithalen. Alleen
die apparatuur is veel te duur om aan boord te plaatsen.
Daarom heb ik een rekenmodel gemaakt. Als je een bepaalde motor hebt, en je kijkt naar het specifieke
brandstofverbruik, ergens tussen de 185 en 190 gr/kWh en dat vermenigvuldig je met de belasting van
de motor dan weet je dus ook hoeveel brandstof je gebruikt. Als je dan weet hoeveel zwavel er in de
brandstof zit weet je hoeveel zwavel er die motor in gaat. Je weet daarnaast hoeveel van de zwavel
wordt omgezet in zwavelzuur, welke je dient te neutraliseren. Op die manier weet je hoeveel smeerolie
je dient te verbruiken om bij die belasting het zwavelzuur te neutraliseren.
Die berekeningen zitten in de unit (Lubetimizer). Wat je dus eigenlijk doet is het stabilisatie punt van de
smeerolie beïnvloeden. Stel je hebt een Wärtsilä 8L46 en je draait op een TBN 40 smeerolie i.c.m. 2.0%
zwavel HFO met een belasting van 85% MCR. Dan dien je volgens het rekenmodel ongeveer 0.55gr/kWh
aan smeerolie te verstoken om de TBN van de smeerolie in het carter te stabiliseren op een waarde van
24.
42
Group 2
Als je kijkt naar een 2 slag motor is dat een lage waarde. Maar als je kijkt naar een 4 slag motor, waar de
Lubetimizer voor is ontwikkeld, dan zit je tegenwoordig op een smeerolie verbruik van 0.2 – 0.25
Gr/kWh. Het is natuurlijk de introductie van de APR (Anti polishing ring) die dat smeerolieverbruik zo
omlaag heeft gebracht.
Het smeerolieverbruik is zodanig veel naar beneden gegaan, er zijn MAK-motoren met een smeerolie
verbruik van 0.15Gr/kWh, dat er een tekort is aan smeerolie wil je dat zwavelzuur bij een 2% zwavel
brandstof kunnen neutraliseren. Dat is dus wat de Lubetimizer extra beheert.
HJ: Het probleem is dus eigenlijk dat er te weinig smeerolie wordt verbruikt/toegevoerd waardoor de
smeerolie te veel verzuurt?
Mr. Bunte: Jazeker. Bij 2 Slag motoren forceer je zelf die cilindersmering. Dat kun je dus aanpassen aan
de brandstof die je verstookt. Dat heet het Alpha ACC-systeem. En dan zit je bij een moderne 2 slag
motor ongeveer rond 0.6gr/kWh verbruik.
Bij een 4 slag motor wordt het smeerolieverbruik bepaald door de constructie van de motor. Zo wordt de
smeerolie door heel de motor heen gepompt, naar de krukas, naar de nokkenas, naar de onderkant van
de zuigerkroon en het verenpakket. Een gedeelte van de spatsmering wordt over de cilindervoering
verspreid. Je schraapveren van je zuiger trekken het restant aan smeerolie terug je carter in. Echter niet
alle smeerolie gaat terug je carter in. Een deel blijft achter op de wand en verbrand. Daarom willen die
motor bouwers het smeerolieverbruik omlaag hebben, omdat het verbranden van smeerolie geen
schoon proces is. Er zit bijvoorbeeld zink en fosfor in.
Die huidige motorconstructies hebben een zodanig smeerolieverbruik dat deze te laag is om de kwaliteit
van de smeerolie te waarborgen. Hierdoor (Het verschil tussen 0.2 en 0.55gr/kWh) gaat je smeerolie
inderdaad verzuren.
De Lubetimizer doet dat dus automatisch en gaat een smeerolieverbruik creëren. Niet naar de
uitlaatgassenleiding maar naar bijvoorbeeld een vuile olietank.
HJ: Maar op welke manier wordt dit op schepen die geen Lubetimizer hebben geregeld?
Mr. Bunte: Nou de schepen krijgen bijvoorbeeld elke 3 maanden een smeerolie analyse binnen en die
informeert hun over het feit dat de smeerolie dus te veel verzuurd is en het TBN te laag wordt. Er wordt
vervolgens 500 of 1000L smeerolie uit het carter naar de vuile olietank gepompt en de motor wordt
weer opgevuld met nieuwe smeerolie. Daardoor krijg je een fluctuatie in de smeerolie.
HJ: Hoeveel smeerolie zit er in een carter?
Mr. Bunte: Neem bijvoorbeeld de motoren op de Timca van Transfennica. Dat zijn 12v46 motoren,
Wärtsilä’s. Daar zit in het carter zo ongeveer 11 a 12 duizend liter smeerolie. Stel je haalt daar 1000L uit
dan kan dat prima. Maar het is wel zo dat je nooit meer dan 25% van het carter in 1 keer moet
verschonen.
43
Group 2
HJ: Waarom is dat?
Mr. Bunte: De stabiliteit van de smeerolie. Je moet het zo zien. In een automotor ververs je regelmatig
alle smeerolie waardoor je ook het vuil verwijdert. Want de smeerolie in een automotor wordt niet
gereinigd. Er zit wel een filtertje in maar dat is eigenlijk alleen ter bescherming en geen echte reiniging.
Aan boord van een schip vervang je theoretisch de smeerolie nooit. Je hebt een bepaalde hoeveelheid in
het carter zitten, ongeveer 1 liter per pk. Daar staat een separator op en die separeert continue dat
gehele bad met smeerolie. In principe kan een separator alle vuildelen boven de 5 Micron prima
verwijderen. Daarmee separeert hij ook het water eruit als het een purifier is. Ten aanzien van vuildelen
separeer je in feite alle vuildelen eruit en hoef je de smeerolie nooit te verversen. Tenzij er iets in komt
wat je niet kan separeren of als de smeerolie degradeert (verzuurt). Het dalen van de TBN, daar heeft
een separator geen invloed op. Dat zijn vervuilingen die je niet kan separeren. Zware olievervuiling is
daar ook een voorbeeld van.
HJ: Bestaat gasolie vervuiling ook?
Mr. Bunte: Jazeker, echter is dit niet zo’n probleem als zware olievervuiling. Dit komt doordat gasolie
verdampt.
HJ: Word de smeerolie ook vervuild door lekkage van verbrandingsgassen?
Mr. Bunte: Jazeker, want daar komt ook een gedeelte van je degraderen van je TBN vandaan. Bij een
motor die wat meer draaiuren en dus meer slijtage heeft zal er dus meer BLOW-BY zijn van
verbrandingsgassen langs de cilinderwand. Maar in moderne motoren zien we dit steeds minder. Bij
oudere motoren had je dat wel. In de tijden dat je nog geen APR had ging dat hoonpatroon op een
gegeven moment veel sneller slijten. Dit is het gevolg van koolstofopbouw op de zuigerkroon die de
voering gaat polijsten.
HJ: Volgens ons onderzoek kan dat ook het gevolg zijn van een te basisch milieu. Klopt dat?
Mr. Bunte: Als jij te basisch smeert, dan voeg je een overschot aan calcium toe. TBN word namelijk
gecreëerd door additieven en de moderne smeeroliën gebruiken daar calcium voor. Die calcium additief
is zeer fijn verdeelt in de smeerolie, zo fijn zelfs dat deze niet onderhevig is aan de zwaartekracht, dat
noemen ze colloïdaal. Als je kijkt naar smeerolie die basisch ge-doped zijn dan zijn dat eigenlijk alleen
motoroliën. Hydrauliek olie en olie voor tandwielkasten zijn dat in feite niet omdat deze niet met zure
omgevingen te maken hebben.
De meest gebruikte additieven zijn magnesium additieven en calcium additieven. In de automotive
markt gebruikt men magnesium. Magnesium heeft de eigenschap dat het vuildeeltje meeneemt en ruim
verdeelt oplost in de smeerolie (colloïdaal). Dat is gunstig omdat bij een auto de complete smeerolie
wordt vervangen en zo het vuil wordt verwijderd.
In de scheepvaart wordt de smeerolie gereinigd en gebruiken ze calcium. Zo blijft het vuil onderhevig aan
zwaartekracht en kan het er d.m.v. een separator uitgehaald worden.
44
Group 2
HJ: Heeft dit ook relatie op het feit dat je niet meer dan 25% van je carter tegelijk mag verversen?
Mr. Bunte: Nee, waarom ververs je nooit meer dan 25% van je smeerolie? Omdat die calcium
gebaseerde smeerolie ervoor zorgt dat het vuil een soort van zwevend in de smeerolie blijft bestaan en
niet als sediment onder in het carter terecht komt. Die vuildeeltjes vormen kleine zwevende deeltjes die
onderhevig zijn aan de zwaartekracht.
Op het moment dat je meer dan 25% nieuwe smeerolie toevoert kun je de stabiliteit van dit proces
verstoren. Die vuildeeltjes zijn omclusterd door smeeroliedeeltjes die de deeltjes zwevend in de olie
houden. Wanneer deze stabiele situatie word verstoord heb je kans dat de vuildeeltjes gaan
samenklonteren en als sediment neerdalen in het carter.
HJ: Dus dan slaat het neer in je motor?
Mr. Bunte: Dan slaat het neer in je motor waar je het niet wilt hebben. Daarom adviseert men normaal
nooit meer dan 25% van je sump in zo’n pad te verversen. Het is eigenlijk beter om zo’n pad zo stabiel
mogelijk te houden. Dat is ook wat ik hier mee doe, elk uur haal ik er een klein beetje uit en dat vervang
ik door nieuwe smeerolie.
HJ: wat is de levensduur van een deel olie in de motor?
Mr. Bunte: Dat zou ik terug moeten rekenen, want dat is onder andere afhankelijk van de mate van
vervuiling. Maar als je kijkt naar de zuurtegraad, dan kun je de inhoud van het bad smeerolie uitrekenen.
Dan ga ik bijvoorbeeld uit van 2% zwavel, bij 50 gram per kilowattuur smeerolieverbruik nodig. Hoeveel
kilowattuur draai ik, dan kun je uitrekenen hoeveel smeerolie verbruik heb ik. Dat kun je ?? op de inhoud
van je watt en dan weet je wat de verversingsgraad is.
HJ: Wat zijn de gevolgen wanneer men van een hoogzwavelige brandstof naar een laagzwavelige
(0,1%) overschakelt bijvoorbeeld in een ECA-gebied?
Mr. Bunte: We gaan even terug. Waar komt die slijtage vandaan? Je hebt drie oorzaken voor extra
slijtage bij het draaien met laagzwavelige brandstof. De eerste: zwavel heeft smerende eigenschappen.
Met name bij brandstofpompen is dat een probleem geweest. Een brandstofpomp wordt gesmeerd door
het te verpompen medium. Dat was met name bij gasolie een punt van discussie. Als we teruggaan naar
de begin jaren 90 toen mocht de binnenlandse scheepvaart tot 1-1,5% zwavel in hun gasolie hebben. Dat
heette MGO (marine gasoil). Daar kon tot 1,5% zwavel in zitten. Die zwavel heeft een hoge smerende
eigenschap. Door de jaren heen is dat steeds verder teruggebracht, tot uiteindelijk 0,05. Wat men toen
al ultra laagzwavelig noemde. Dus dat zwavelpercentage is dus steeds verder omlaaggegaan. Men was
met name toen bang voor problemen met te lage smering. Eigenlijk hebben we daar relatief weinig
problemen mee gezien. Daar zou je nog een motorfabrikant over kunnen contacten.
Bij zware brandstof zie je dit aspect veel minder, want zware brandstof heeft een hoge viscositeit van
zichzelf. Die is relatief hoog viscoos, waardoor hij smerende eigenschappen heeft. Waar gasolie schraal
is, is zware olie dat niet. Door motoren continue te switchen van gasolie naar zware olie zou het weer
45
Group 2
een discussie kunnen zijn. Ten eerste krijg je hogere temperatuur belasting. Je gaat van 140-160 graden,
schakel je je motor over naar gasolie en je bouwt het langzaam op, maar je gaat wel met een heel schraal
product draaien op een motor die eigenlijk jaren op zware olie gedraaid heeft. Dit is één punt.
Ik heb tot nu toe weinig klanten gehoord die problemen hebben met de brandstof pompen. De plunjers
die in het brandstofpomphuis vast blijven zitten: Dat is het effect waar je bang voor bent. Oftewel dat die
desbetreffende pomp vastloopt. Dat heb ik weinig gehoord, dus dat probleem kunnen we even
parkeren.
Het tweede punt: de slijtage in de motor, een ander aspect als je kijkt naar overschakelen naar
laagzwavelig. Wat doet die calcium: Vuil dragend vermogen, reinigend vermogen (door de polariteit
verwijdert de smeerolie eigenlijk kooldeeltjes van je zuigerkroon en je verenpakket) en zuur
neutraliseren. Wat gebeurd als je naar een LSFO gaat. Dan voeg je meer zuur neutraliserend additief toe
dan gebruikt zal worden. Er blijft dus product over. Wat gebeurt er tijdens de verbranding: die smeerolie
zit op de voering en deels op de zuiger. Wacht, ik zal het anders vertellen:
Brandstof is koolwaterstof, C’tjes en H’tjes. Maar daar zit ook vervuiling in. Organisch verbonden
vervuiling, zoals zwavel. Afhankelijk van de plaats op aarde waar die olie gewonnen is varieert dat
zwavelgehalte. Maar er zit ook natrium en vanadium in, deze 2 leiden tot hoge temperatuur corrosie
(Maar daar gaat het nu niet over). Wat gebeurt er met de zwavel:
De brandstof ga je injecteren, verdampen en verwarmen. De brandstof gaat kraken, de ketens worden
korter. Wat gebeurt er dan: De koolwaterstoffen die nu aanwezig zijn, zijn niet meer volledig en willen
heel graag reageren. Gelukkig is er “plenty” O2 in de verbrandingsruimte aanwezig. Hierdoor vormt zich
CO2 en H2O.
Die S gaat ook reageren met die O tot SOx (SO1, SO2, SO3). SO3 is niet volledig en wil graag door reageren
om stabiel te worden. SO3 gaat reageren met H20 tot zwavelzuur (H2SO4).
Zwavelzuur heeft een relatief laag dauwpunt. Dus het meeste gaat via de schoorsteen naar buiten, totaal
gevaarloos. Maar in de motor zijn er een aantal onderdelen welke worden gekoeld: De voering, de
cilinderkop, uitlaatgassenleiding, ga zo maar door. Het dauwpunt van zwavelzuur is ongeveer 60 graden
Celsius. De cilindervoering wil je dus eigenlijk altijd hoger dan 60 graden Celsius hebben. Wat je dan
krijgt is een hoge zuurgraad in je verbrandingsruimte, ook wel bekend als chemische corrosie. De
spoellucht temperatuur is dus bij voorkeur ook boven de 60 graden Celsius.
Kortom: Die zwavelzuur is er. Daaraan ga je calcium uit de smeerolie toevoegen. Hieruit vormt
calciumsulfaat. Dat is eigenlijk gips. Dit gips is niet schadelijk voor de motor want het is een zacht
materiaal en dwarrelt met de uitlaatgassen mee naar buiten, maar het grootste deel van het calcium
wordt door de schraapveer als calciumsulfaat terug het carter in getrokken.
Nu zeg je waarom voeg je niet gewoon calcium toe aan de smeerolie om het TBN te regelen... Nou dat zit
zo: Het calcium niveau in de smeerolie is redelijk constant. Zei het in de vorm van calcium en later in de
46
Group 2
vorm van calciumsulfaat. Op het moment dat je dan calcium gaat toevoegen heb je kans dat de calcium
niet meer colloïdaal is en bezinkt in je carter. Dit wil je absoluut niet.
Smeeroliefabrikanten willen sowieso niet dat je eraan komt. Smeerolie is een ingewikkeld mengsel van
additieven en die wil je niet uit balans trekken.
Het calcium wordt opgevreten door het zwavelzuur. Wanneer je echter te veel calcium in de
verbrandingsruimte hebt dat zal deze gaan reageren met de zuurstof en koolstof. Er vormt zich dan
calciumoxide en calciumcarbonaat. Deze deposits zijn veel harden dan calciumsulfaat en dat is dan ook
zichtbaar op je motordelen door een witte aanslag op je zuigerkroon en uitlaatklep. Trek je nu een zuiger
van een motor die veel smeerolieverbruik heeft (lees: te veel calcium toevoert aan het
verbrandingsproces) zal je deze witte aanslag absoluut gaan zien.
HJ: Is dat dan cold corrosion?
Mr. Bunte: Uhm... Nee, wat ik eerder vertelde over het zwavelzuur die onder het dauwpunt komt is wel
cold corrosion. Dit heeft niks met corrosie te maken. Het is deposit formatie. Dit gebeurd echter alleen
wanneer je te weinig calcium (lees TBN) toevoert aan het proces en het dus niet geneutraliseerd wordt.
Dit is niet zo’n groot probleem omdat je dit zelf onder controle hebt door de temperatuur aan te passen
of het TBN te verhogen.
HJ: Het tast dus eigenlijk (nog niet) de delen van je gestel aan?
Mr. Bunte: Nee, inderdaad. Het zet zich af op de motor delen. Afzetten van vervuiling kan leiding tot
verbranding van de zuigerkroon omdat het een isolerende werking heeft. Op die manier krijg je een
hogere thermische belasting van de motor.
We gaat terug naar de slijtage. Wanneer je met een te hoog TBN draait op een laagzwavelige brandstof
ben je aan het over additieveren. Wat is het probleem daarmee: Nou als eerste natuurlijk de deposit
formatie van calciumoxide en calciumcarbonaat. Door die deposit kan de voering gepolijst worden. Hier
hebben ze natuurlijk de anti polishing ring voor gemaakt en daardoor zal je theoretisch geen bore
polishing krijgen. Maar de koolstof die de anti polishing ring eraf slaat zal natuurlijk niet bevorderlijk zijn
voor je verenpakket.
Daarom wil je een optimale combinatie hebben tussen je TBN en je zwavelgehalte. Zodat je geen
overmatige vervuiling in je motor krijgt. In 2 slag motoren is dit wel kritisch omdat je daar geen APR hebt.
Bij deze motoren is er ook veel meer aandacht voor het verdraaien van de juiste hoeveelheid en soort
smeerolie.
Vanmorgen was ik bij Bolier in Dordrecht(MAK) en die geven aan: Wanneer je langer dan 750uur
aaneengesloten op een brandstof draait dien je daar de juiste smeerolie bij te gebruiken. Wanneer je
korter dan 750uur draait kan met gewoon doordraaien. Dus dat is best lang. Dat is bijna 2 maanden
continue op bijvoorbeeld ‘laagzwavelig’.
47
Group 2
D: Dus wanneer je 2 maanden in een ECA vaart zal je je smeerolie moeten vervangen?
Mr. Bunte: Inderdaad. Want dan voor je op 0.1%S. Bijvoorbeeld een RORO die op noordwest Europa
vaart en dan oversteek naar Amerika dan kan dat best weleens zijn dat deze 750uur op gasolie draaien.
Maar de grootste hoeveelheid schepen zullen dit niet doen. Het wisselen van smeerolie is echt geen
optie, veel te duur en omslachtig.
HJ: Het kan dus wel, maar het is een grote kostenpost?
Mr. Bunte: Inderdaad, enkel baggeraars doen dit weleens. Maar die gaan dan een jaar of 1,5 naar een
bepaalde locatie en kunnen met grote zekerheid zeggen dat ze voor die periode op die desbetreffende
brandstof zullen varen. Bij zeegaande schepen zie je het bijna nooit.
Er is wel belangstelling voor een intermediate smeerolie. Bijvoorbeeld een TBN 20. Dan kun je langdurig
op MDO draaien maar kun je ook op HFO draaien. Maar denk er dan wel om dat je je smeerolieverbruik
op peil houdt. Het TBN zal namelijk gaan dalen en dit kun je enkel op peil houden door nieuwe smeerolie
toe te voegen.
HJ legt dual lubrication uit: Een intermediate smeerolie is dus een soort tussenoplossing die niet echt
geheel bevredigend is? (Mr. Knikt) Wij als projectgroep, onze collega Jan is er nu niet die zit op zee,
hadden een wild ‘out-of-the-box idee welke een totaaloplossing zou kunnen bieden. Het is nogal een
vergezocht idee hoor... (Mr. Bunte knikt als goedkeuring om verder te vertellen) In een tweeslag motor
heb je natuurlijk een apart cilindersmeerolie systeem. Dit komt natuurlijk doordat je een kruishoofd hebt
en een afdichting tussen carter en cilinder waardoor je een afscheiding kan maken tussen
cilindersmeerolie en drijfstel smeerolie.
Mr. Bunte: Bij een 4 slag is dit onmogelijk, HAHAH.
HJ: ja haha, wij dachten inderdaad ook dat is onmogelijk maar zijn toch eens aan het denken gegaan.
Onze collega had dus het idee om een soort opvangring te maken onder aan de cilindervoering waarin
de gebruikte en onverbrande cilindersmeerolie opgevangen zou kunnen worden en afgevoerd naar een
dirty oil of sludge tank. Eigenlijk zoals dat bij een 2 slag in de spoelluchtleiding gebeurd.
Mr. Bunte: Dit systeem bestaat, maar in een andere vorm. Bij 2 slag motoren, word het restant aan
smeerolie naar beneden getrokken de spoelluchtleiding in. Wat deed Wärtsilä nou, die installeerde net
zo’n ring als dat jullie zojuist getekend hebben om van elke cilinder apart te smeerolie te kunnen
monsteren en testen. Dit gaf de mogelijkheid om zowel metaal hoeveelheden, rest-TBN, etc. te meten.
Aan de hand van deze informatie konden ze het smeerolieverbruik exacter afregelen. Dat is in feite het
concept wat jullie getekend hebben.
MAAR.... Wat is het probleem bij een medium-speed motor. (De motoren waarop jullie, en ik met de
lubetimizer focussen). De smeerolie gaat door de drijfstang naar de onderkant van je zuigerkroon om te
koelen. Daarna valt het naar beneden het carter in, dat is een aardig gespuit aan smeerolie. Wanneer je
48
Group 2
dan een ring zou plaatsen vang je alleen de smeerolie op die langs de voering naar beneden druipt. Maar
het overgrootste deel valt op je drijfstang en je krukas en vormt de spatsmering.
Daarnaast, als jij met 2 verschillende smeeroliën werkt ga je ze hoogstwaarschijnlijk mengen. En dat is
iets wat je altijd wilt voorkomen.
Kijk ook eens naar de MIP-smering. Dat is gemaakt door STORK, toegepast op de TM410 kennen jullie die
motor? (Moeilijke gezichten van Dave en Huig.... NATUURLIJK KENNEN WE DIE, THE LEGENDAIRY
TM410....) daar zat een systeem op waarbij delen apart gesmeerd werden. Volgens mij zat daar ook
cilindersmering bij.
Een 4 slag Bolnes is de enige motor met een aparte cilinder smering. Dit is namelijk een kruishoofdmotor
zoals jullie wel weten. Hierbij is jullie systeem perfect toepasbaar. Helaas vaart 98% van de moderne
vaart met niet-kruishoofdmotoren en is het een stuk ingewikkelder/onmogelijk.
Op zich geen slecht idee, maar het opvangen is heel lastig. Rederijen zullen simpel gezegd gewoon
keuzes moeten maken. Draaien we op zwaar, of op MDO. Denk hierbij aan scrubbers.
Mr. Bunte: Spliethoff heeft mij verteld dat wanneer je meer dan 50% op gasolie draait dat het nuttig is
om een scrubber te plaatsen.
D: Bijvoorbeeld op een coaster?
Mr. Bunte: Nou... op een coaster heb je niet zo veel ruimte, en een scrubber is gigantisch. Daarom zijn
scrubbers niet zo goed toepasbaar voor de kustvaart.
D: En andere schepen die veel op Europa varen?
Mr. Bunte: Ja die wel. Denk maar aan de Trawlers van Van der Zwan. Die hebben scrubbers op hun
schepen gebouwd. Die vissen veel in SECA en kunnen gewoon op HFO kunnen draaien. Helaas hebben ze
die beslissing genomen voordat de brandstofprijzen kelderden dus leek het een goed idee, haha. Risico
van het vak zullen we maar zeggen.
We gaan nog even terug naar het laagzwavelig varen met een HFO-motor. We gaan naar het laatste
aspect. En dat is lakvorming.
Lakvorming is een lakachtige laag op je cilinder voering. Dat is een bekend probleem in de visserij, die
schepen (Kotters!) draaien natuurlijk continue op gasolie. Een kotter is eigenlijk een sleepboot. Ze zetten
hun netten (Tuigen!) aan de grond en geven dan volle kracht terwijl het schip weinig vaart maakt. Maar
dat betekent dat je onderdrukt gaat draaien. Dat betekent dat de vaart lager is dan eigenlijk bij die
belasting hoort. Dat noemen ze onderdrukt draaien. Bij onderdrukt draaien zijn de motoren gevoelig
voor lakvorming.
49
Group 2
Wat is lakvorming. Bij gasolie zijn de koolwaterstof ketens kleiner. Wanneer deze gasolie niet volledig
verbrand krijg je losse koolstofatomen die niet volledig zijn verbrand. Bij onderdrukt draaien is dat effect
heel groot aanwezig door het lagere toerental. De koolwaterstoffen clusteren dan samen en vormen een
groot molecuul waardoor het een vaste vorm gaat aannemen. Deze vaste vorm noemen we lak.
Wat is dan het probleem? Op de wand zit een hoonpatroon, een oppervlak met een bepaalde ruwheid.
Wanneer er veel lakvorming is wordt de wand dus heel glad en zal er grenssmering ontstaan. Net zoals
bij bore polishing.
HJ: De smeerolie kan niet hechten aan de wand?
Mr. Bunte: Inderdaad. Het smeerolie verbruik
gaat omhoog en de verbrande smeerolie gaat
de pijp uit. Hetzelfde als bij bore polishing.
Maar gelukkig kan je bij lakvorming de laklaag
verwijderen door weer op zware olie te gaan
varen. Het zwavelzuur zal dan de laklaag
oplossen en het probleem is verdwenen.
Het probleem bij kotters is dat ze continue op
gasolie draaien. Op de kottervloot zijn er veel
F IGURE 14: F ISHING VESSEL SL-42
motoren open geweest om de voeringen
opnieuw te honen. En dus de lakvorming te
verwijderen. Er zijn rederijen geweest die met cola hun voeringen gingen poetsen. Met een zuur kun je
het inderdaad oplossen.
Dit aspect kun je gaan verwachten wanneer schepen lang in SECA gaan draaien. Bijvoorbeeld bij coasters
die op MGO draaiden 1.0% zwavel die draaien nu op 0.1% zwavel. Op dat moment ging het smeerolie
verbruik omhoog. Ik vermoed dat dit het gevolg is van lakvorming. Ik denk dat we dit probleem in de
toekomst wel zullen gaan zien. Zeker bij schepen met een hoog TBN
HJ: Is daar, los van het varen op hoogzwavelige brandstoffen, geen andere oplossing voor?
Mr. Bunte: Je kunt anti-lak oliën kopen op de markt. Er zijn 3 drie oorzaken van lakvorming: de motor, de
smeerolie/brandstof en het gebruik.
De ene brandstof doet het nou eenmaal beter dan de andere. Moderne gekraakte brandstoffen hebben
iets meer moeite om volledig te verbranden.
Het gebruik, word de motor belast zoals op een kotter, of netjes bij het juiste toerental zoals op de
koopvaardij. Wat zijn je spoellucht temperaturen enzovoort.
50
Group 2
Een lagere TBN-olie is een redelijke oplossing, de omgeving is dan ietwat zuurder en de lakvorming zal
minder snel gaan of totaal uitblijven.
D: Dus vissersschepen, Sleepboten en?
Mr. Bunte: Ja, kotters, slepers en baggerschepen draaien in onderdruk. Ook baggerpompen kunnen
bijvoorbeeld anders belast worden dan dat de motor wil.
Koopvaardijschepen kun je bijna niet overbelasten. Tenzij de huid enorme aangroei heeft. In alle andere
gevallen zal het toerental van de schroef-, krukas correct zijn voor de huidige belasting.
Huig Jan: Die lubetimizer
HJ: Waarom maakt men geen systeem waarmee je additieven kan toevoegen?
Mr. Bunte: Additieven kan je niet toevoegen. Wat je doet is dat je smeerolie gaat verversen. Dat is het
enige manier waardoor je extra additieven kan toevoegen. De additieven zitten in de smeerolie.
HJ: Kunt u nogmaals uitleggen hoe u dat toepast in de lubetimizer?
Mr. Bunte: In feite verloopt je smeerolieverbruik volgens deze curve. Je weet hoeveel je vermogen van je
motor is, dat hangt vast aan je MCR. Daarbovenop krijg je de belasting van je hoofdmotor binnen (0100%). Daarmee bereken je de daadwerkelijke belasting die gedraaid wordt met je hoofdmotor in kW.
Dat vermenigvuldigt de lubetimizer in de PLC met het daarbij behorende smeerolieverbruik. De
lubetimizer trekt daar het installatie verbruik vanaf. Dat is die 0.15-0.25 gr/kWh opgegeven door
bijvoorbeeld Wärtsilä of MAK. Blijft er dan nog wat over? Dan gaat de lubetimizer dat uitnemen. In kleine
porties.
HJ: Kunt u dat herleiden op de introductie van ECA-gebieden?
Mr. Bunte: Nou stel: Je draait 50% binnen en 50% buiten het ECA gebiedt. Dan krijg je binnen het ECA
gebiedt geen verversing. De input van de PLC is namelijk een 0.1% S brandstof. En de smeerolie zal
degraderen naar een lager TBN, wat geschikter is voor laagzwavelig.
Ga je nu over op HFO dan zal de lubetimizer gaan verversen om extra smeerolieverbruik te gaan creëren.
D: Dus je kunt toch genoeg neutraliseren zonder dat je smeerolie verzuurt?
Mr. Bunte: Precies, omdat je voldoende verversing hebt.
Om te neutraliseren moet je voldoende calcium toevoegen. Door zelf te verversen breng je meer calcium
in het proces.
D: Zou het voor een motor dan niet het beste zijn om op een lage TBN-smeerolie te draaien, maar
wanneer je op HFO draait deze te verversen d.m.v. bijv. een lubetimizer?
51
Group 2
Mr. Bunte: Nee dat is niet het beste. Kijk die TBN 10 smeerolie heeft ook minder vuil dragend vermogen
dan bijvoorbeeld een TBN 40 smeerolie. Wanneer men dan op HFO gaat draaien gaat dit geheid fout. De
hoeveelheid vuil geproduceerd door het zware olie verbrandingsproces is veel te veel om gedragen te
kunnen worden door TBN 10 smeerolie.
HJ: Wat zijn daar de gevolgen van? Sludge vorming?
Mr. Bunte: inderdaad. Je hebt kans dat je sludge vorming krijgt. Of de smeerolie slaat zwart door de
asfaltenen de restproducten van het proces.
Even terugkoppelend op de vraag van Davey. Je zou bijvoorbeeld wel een TBN20 olie toe kunnen passen.
Maar op het moment dat je dan heel veel buiten het ECA gaat varen krijg je een hele hoge
verversingsgraad. Dan lopen de kosten de pan uit. De voordelen van het MGO-bedrijf wegen dan niet op
tegen de hoge kosten in het HFO-bedrijf.
Commercieel gezien is het dus goedkoper om een hoge TBN-smeerolie te kopen. Dan heb je minder
smeerolie verbruik.
Mr. Bunte: Zullen we even door de presentatie heen wandelen?
HJ & D knikken
-
Volgen de presentatie –
Davey: Dus eigenlijk is de enige oplossing voor 4 slag dat je echt daadwerkelijk overschakelt op een
andere smeerolie?
Mr. Bunte: Ja, dan omzeil je het probleem. Maar je moet je afvragen in hoeverre het een probleem is om
met over gedoseerde smeerolie te draaien op een medium speed. Bore polishing is al grotendeels onder
de knie en lakvorming verdwijnt weer in het HFO-bedrijf.
Op het moment dat er je continue gaat draaien op gasolie zal je ongetwijfeld naar een andere smeerolie
moeten.
Maar, bij Exxon Mobile hebben we weleens een kotter gehad die altijd op TBN 30 heeft gedraaid. Er zijn
daar nooit problemen geregistreerd. Een Wärtsilä 26 was dat, een motor met een APR.
Mr. Bunte: Ik zal jullie even de Lubetimizer laten zien.
HJ & D knikken
-
Volgen de presentatie over de Lubetimizer –
52
Group 2
HJ: Hartstikke bedankt voor de uitleg meneer Bunte
Mr. Bunte: Ja, graag gedaan mannen. Hopelijk mogen jullie nog veel brandstoffen en smeerolie gaan
verdraaien in de nabije toekomst.
Davey: Ja, dat hoop ik ook. Bedankt en tot ziens.
This was the interview with Mr. Bunte from the Lubetimizer about the influence of the TBN.
53
Group 2

High/Low sulphur lubrication system

Transcription

Similar documents

1 - SWZ Maritime

HEATMASTER,YOUR HOTTEST INNOVATOR

Northern Renaissance 1400 - 1500 PDF

en werf - SWZ Maritime

Dear Friends, For the second year, ORAMA vzw is very pleased to

Algae 4 Bulk

High Key>>>>>>><<<<<<<<Low key

Spark ignited HFO and MDO - Maritime Symposium Rotterdam

uno/ Ja)r=

boven`s

marlene dumas · luc tuymans

OV 3 2016.indd - Offshore Visie

Z-TS Fixing Instructions