Study of Fluorescence Dye for Tracing Lubrication Oil inside Marine Engines

Abstract

Engine lubrication is very important for engine sustainability and efficiency. It becomes even more important when heavier fuel types who contributes to lubrication are changed to alternative fuel without the same lubrication abilities. Because the performance of lubrication systems sometimes can be very hard to study in real time due to hostile environments inside engines, specialized techniques are required to improve in situ measurements.
This thesis aims to evaluate different fluorescence dye use in LIF (Laser induced fluorescence) to trace lubricant oil inside marine engines. The application of the findings could lead to a better understanding of lubrication oil distribution and possible lubrication system improvements. To conduct the tracing, the fluorescence dye must have a strong quantum yield, be compatible with temperatures normal for a marine engine liner and perturb the lubricant oils characteristics as little as possible.
Seven different dyes were studied over a temperature range normal to marine engine liners using a Nd-YAG laser to determine the quantum yield and resistivity to temperature while solved in lubricant oil. The most promising dye candidate was then used for 2D-imaging by a ICCD camera to further evaluate the tracing possibilities. The lubricant oil itself was also studied to determine its own fluorescence at wavelengths used.
The result showed that three dyes from the Pyrromethene family proved to be feasible candidates, they were soluble in the lubricant oil (Energol CL-DX 405) and had sufficient quantum yield over the specified temperature region. The most promising dye was Pyrromethene 650 due to its red shifted fluorescence spectrum that enabled suppression of the lubricant oil’s fluorescence spectrum through spectral filtering.

Popular Abstract (Swedish)

Många fartyg och fraktfartyg körs på HFO (Heavy Fuel Oil), denna typ av olja är så tjock att den behöver värmas för att kunna flyta. HFO innehåller också många kemiska ämnen så som svavel, som är skadligt för naturen och de Eco-system som finns i haven, därför har många länder börjat införa restriktioner och direktiv av vilka sorters bränsle som får användas på deras vatten. Detta har medfört att producenter av fartygsmotorer vill skapa motorer som kan använda olika alternativa bränslen. Byte till lättare bränsle, som till exempel gas, medför att man förlorar vissa smörningsegenskaper som de tyngre bränslena naturligt ger, detta gör att ett effektivt fungerande smörningssystem i motorerna blir än mer viktigt. För att verkligen se hur smörjningssystemet fungerar behöver man studera smörjningsoljan inne i motorn medan motorn är aktiv, vilket kan vara svårt utan att påverka systemet utifrån.
En möjlig teknik att studera smörningsoljan är med LIF (Laser Induced Fluorescence) som kräver att man inför optiskt tillgänglighet i motorn, detta görs genom att små hållbara fönster byggs in i motorn. Genom dessa fönster riktas en laser som lyser in i motorn medan motorn är aktiv, laserljuset fokusera på oljan och vid rätt laservåglängd lyser oljan tillbaka genom något som kallas fluorescens. Fluorescens är en process som bygger på att ett fluorescerande material belyses med ljus, som har en viss våglängd och en bestämd färg beroende på materialet, och det fluorescerande materialet, i sin tur, lyser tillbaka men då oftast med en annan färg. Denna process går att finna naturligt i naturen, ett exempel är koraller som tenderar att ha denna egenskap men även vissa bergarter innehåller fluorescerande mineraler som lyser när de belyses. Andra exempel på användning av fluorescens är i sedlar som tillförts fluorescerande färg och vid specifik, oftast ultraviolett, belysning lyser tillbaka, på så sätt försvårar sedelförfalskning.
I detta arbete studerades sju olika fluorescensfärger som går att blanda i smörningsolja. När den nya oljan, som är blandad med en fluorescensfärg, kommer in i motorn kommer denna att lysa i en annan färg än den ursprungliga oljan, som redan finns i motorn, på så sätt kan man skilja den nya oljan från den ursprungliga. Dessa färger (Fluorecence Dyes) kräver vissa egenskaper som att de måste lysa tillräckligt starkt samt kunna hantera temperaturerna som finns i motorn. Färgerna studerades i laboratoriemiljö där fluorescensstyrkan testades samt deras motståndskraft mot högre temperaturer vilka fartygsmotorer normalt har.
Den mest lovande färgen blandades sedan med ny olja och placerades på en metallplåt täckt med ofärgad och belyst av laserljus. Den nya färgade oljan rördes sedan över metallplåten med hjälp utav lufttryck och över metallplåten och studerades med hjälp en intensifierad CCD kamera för att klargöra att färgen fungerade för spårning.
Studien visade att tre färger, från Pyrromethene familjen, fungerade tillräckligt bra och uppfyllde kraven på ljusstyrka samt temperatur.
Då oljan själv fluorescerar när den belyses med laserljus valdes färgen Pyrromethene 650 till bästa kandidat, detta på grund av att denna färg lyser i en helt annan färg än vad själva oljan gör. Denna skillnad i färg gör det enkelt att skilja den nya oljan från den ursprungliga oljan i motorn. Även Bestoil Green FYG, som vanligtvis används när man letar efter oljeläckage, var möjlig att använda. Dock behöver denna färg högre intensitet av ultraviolett ljus vilket gör att oljan i sig själv lyser mer och detta gör därför denna färg till ett sämre alternativ.

• author: Sanned, David
• supervisor: Mattias Richter
• organization: Department of Physics; Combustion Physics
• course: FYSK02 20162
• year: 2017
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Technology and Engineering; Physics and Astronomy
• keywords: Laser Induced Fluorecence, Lubrition Oil, Marine Engines, Flourescence Dye
• ISSN: 1102-8718
• language: English
• id: 8918623
• date added to LUP: 2017-08-03 00:10:10
• date last changed: 2017-08-03 00:10:10