现代涡轮增压系统为船舶推进和发电用发动机的市场成功做出了重大贡献。这意味着涡轮增压器部件必须以高效率，高可靠性和低运营成本安全运行，并且必须按照严格的产品成本要求进行设计。这带来了空气动力学性能和机械阻力方面的挑战。过去几年,空气动力学和机械限制的扩大主要是大量使用先进数值方法的结果。为了满足要求，不同学科的工程师在设计过程的所有阶段评估和优化涡轮增压器的部件。本文介绍了涡轮增压器从初步设计阶段到最终设计阶段所涉及的学科目前使用的先进数值方法。所提出的方法已被应用于新型二冲程和四冲程发动机的轴流式涡轮增压器的开发过程中。由于工程师面临着多个多学科主题，不同学科和相应方法之间的相互关系也是这项工作的重点领域。本文表明，空气动力学和结构力学领域之间的密切合作对于进一步改进涡轮增压器部件至关重要。 如下文将会展示的，尺寸化涡轮部件的过程始于叶片的设计。本文展示了空气动力学的开发过程，始于初始叶片设计，终于完成满足空气动力学性能要求的涡轮和压气机。所呈现的流体动力学模拟基于最先进的完全3D求解器。 除了空气动力学性能外，还必须在早期设计阶段考虑机械限制。 此外，本文还介绍了流体结构交互（FSI）方法。这些计算用以防止压气机和涡轮叶片出现HCF问题。 除了包含空气动力学和结构力学方法的多学科主题外，本文还介绍了最先进的结构力学仿真，这些仿真是为了最终确定旋转和非旋转部件的几何形状而进行的。 从结构力学的角度来看，开发目标是为获得具有长保养间隔及最小的重量和变形的安全运行部件。为了实现这一点，应用了先进的模拟技术，并在本文中进行了介绍。除了有限元方法，共轭传热分析形式也被用于开发过程，这些计算能使预测零件的温度分布尽可能精确。由这些共轭传热计算获得的三维温度分布被用作不同的基于有限元仿真的输入，例如热机械疲劳和蠕变计算需要精确的温度预测。本文还将讨论其他重要的结构机械任务，例如非线性转子动力学和密封分析。这些任务由结构力学部门执行，但是像所展示的内容，最终的几何形状总是在不同学科的限制之间进行妥协。因此，拓展涡轮增压器部件开发限制需要不同学科之间的密切合作。

面对日益严苛的排放法规，柴油-天然气双燃料发动机开始在船舶动力系统中被广泛应用。与传统柴油机模式相比，气体模式下的缸内混合气浓度与点火能量对燃烧过程，特别是低负荷有影响显著。通常，对柴油模式下起动的双燃烧发动机，当负荷超过20%后会由柴油模式切换至气体模式。显然，如果一台发动机在气体模式下起动，则可避免切换过程，且发动机可以在全工况下均运行在气体模式，这大大有助于发动机运转操作便利性及进一步降低排放。而且，气体模式起动可以作为发动机在柴油模式起动失败时的备用手段。 本文提出了双燃烧发动机喷射控制策略及预喷控制策略，并成功验证了发动机在气体模式下的起动。通过平台试验研究了某船用中速微喷引燃双燃烧发动机在气体模式下的起动过程。该双燃料发动机试验平台包含了燃烧分析仪与排放分析仪，基于该试验平台优化了该发动机气体模式下起动策略，并验证了策略的可行性与可靠性。 试验结果表明，气体模式下起动的发动机性能与柴油模式起动下的性能是相当的。在足够的预喷燃料量与合适的过量空气系数下双燃烧发动机能够在气体模式下成功起动。气体模式起动过程包含4个阶段，分别为未点火阶段、预喷燃烧阶段、气体模式低速燃烧阶段和其他模式正常燃烧阶段。预喷的量越多，第三阶段燃烧越剧烈，发动机起动越快。另外，在怠速条件下为优化瞬态性能与排放可以适当减少预喷量。

中国是一个造船大国，拥有丰富的内河水路运输。然而，由于船舶运输引起的空气污染越来越严重，尤其是对河流沿线城市。2015年，为了升级国内内河水路船舶排放法规，中国出台国I和国II（船舶发动机排气污染物排放限值测量方法，GB15097-2016）排放法规，国I法规已在2018年6月1日实施，国标规定了排放控制区域，对内河及近海区域船舶的排放要求更严。为了满足新的排放标准，上海船用柴油机研究所在拥有中国自主品牌的6CS21柴油机的基础上开发了6CS21TS。该发动机具有低排放、良好的经济性及功率密度。试验研究在采用两级增压及高压共轨的6CS21TS柴油机上进行，其具有更高的进气压力，为了能同时降低排放和油耗，采用了强米勒循环。另外，在6CS21TS上研究了可变气阀正时、进排气旁通和高压涡轮旁通的影响。6CS21TS在上海船用柴油机研究所的中速柴油机试验台架上进行了大量的试验，与6CS21相比，6CS21TS进气压力提高2bar，功率提升14%，NOx排放下降12%，油耗下降11.6g/kWh。此外，对6CS21TS满足国I（2018年6月实施）和国II（2021年6月1日实施）排放要求的技术解决方案进行仿真计算，提出了内河和近海运行的船机满足排放法规的技术路线图。上海船用柴油机研究所对6CS21TS两级增加结合EGR进行了仿真计算，结果表明，采用两级增压结合EGR技术的6CS21TS柴油机能满足国II排放标准，同时具有高功率密度及良好的经济性。

国际航运业面临着越来越严格的排放监管，特别是向大气排放限制。随着国际海事组织（IMO）于2016年1月1日开始实施《国际防污公约》附件6规定的氮氧化物（NOx）排放限值，有关海洋排放物的法规变得更加严格。根据这些法规，在2016年1月1日之后，在美国和加拿大排放控制区运行的船舶必须满足Tier III排放限值，这意味着在ECA区域其NOx排放限值比Tier I降低80%。从2021年1月1日起，这些限值也适用于北海和波罗的海沿海。除非某些发动机更换方案外，Tier III的NOx排放限值仅适用于新船。为此，船东、船厂、发动机制造商和设备供应商必须在新造船规划阶段仔细考虑设备的选择和认证，也要考虑到船舶未来运营成本。所有利益相关者都需要了解不同技术解决方案对减少NOx排放和如何满足需求的影响，因为这是造船计划成功的关键因素。装有SCR系统的船用柴油机认证按照IMO于2017年7月7日发布的指南MEPC.291(71)进行认证。根据本指南，SCR是船用柴油机的一部分。该指南允许2种方法对装有SCR系统的发动机进行认证，即方案A和方案B。但是，必需注意根据方案B进行的认证并不意味着从对催化剂本身进行认证，它被视为发动机的一部分。按照方案B的方法，可以在未安装SCR系统的试验台架状态下对发动机进行试验。除此之外，可使用柴油发动机废气或模拟气体来测试按比例缩小的SCR系统。将组合系统安装到船上后，需要对船上的柴油机和SCR系统进行确认测试。考虑到符合Tier III要求的实际船舶数目不断增加，本报告介绍了在测量和认证配备有SCR和其他NOx减排技术的船用柴油机气体排放控制方面的最新实践经验。根据实例，本报告旨在指出对可能出现故障的关注，并试图指出认证过程中需要改进的地方。所提供的实例不仅给出了在船上确认测试期间，在排放量和废气分析方面的实际困难，而且还概述有关知识产权的法律问题：例如，最近许多案例，其中造船厂已订购符合Tier II的发动机，并已授权一家独立的SCR制造商作为组合系统（发动机和SCR），申请符合Tier III的EIAPP证书，为了获得证书，需要发动机制造商提供大量数据，但这些数据可能不会向其他方透漏。

气候变换与全球变暖、海事部门的要求，以及从化石燃料向碳排放平衡的路线图，驱使着技术创新和技术。燃料选择的标准，如可持续性、可升级性和可储存性，驱使选择甲醇作为化石燃料的替代品。作为引领者，欧洲Horizon2020创新项目展示了将一台高速船用发动机改装和运行成甲醇/柴油双燃料发动机。本文论述了改装方案，对燃烧特性带来的影响，以及在甲醇/柴油模式下，发动机的性能测试结果。比如有效热效率(BTE)、NO和soot排放，记录了在不同的发动机转速1000～2000rpm和负荷工况下，总共28个负荷点。在每个负荷点下，甲醇能量部分增加直至达到甲醇替代率边界。在双燃料运行模式下，记录了有效热效率上升12%，在所有运行负荷范围内，NO和soot平均分别下降了60%和77%。最高甲醇能量的替代率和柴油质量的替代率分别为70%和67%。

随着排放法规的日益严格，高压（HP）废气再循环（EGR）技术作为减少NOx排放的最有效方法之一，已经应用于船舶低速二冲程柴油发动机中。同时，为了解决涡轮增压器性能的恶化，以及由HP EGR引起的制动比燃料消耗（BSFC）问题，气缸旁通（CB）技术通常与HP EGR技术协同使用。本文对EGR、CB和CB连接位置对NOx排放和BSFC的影响进行了研究。首先，基于三维模型研究了EGR率对NOx排放的影响。结果表明，达到Tier III标准需要约40％的EGR率；气缸下降温度和当量比增量是减少NOx排放的主要原因。其次，通过1D预测模型研究了CB和CB连接位置对NOx排放和BSFC的影响。结果表明，随着CB率的增加，由HP EGR引起的涡轮增压器的性能恶化和扫气压力低现象得到改善，而改善程度则因扫气和排气压力不同。因此，应保持CB率在合适的范围。另外，对于CB连接到废气接收器的计算结果显示：CB对EGR回路中的气体成分有重要影响，这不利于减少NOx排放。当CB速率从20％增加到50％，在低负荷时NOx排放量增加，在高负荷时NOx排放先上升后降低。为了消除这些不利影响，气缸旁通（CB）应与废气接受器分开使用，并且CB应连接到废气接受器后，这将带来一些其他优势：在相同的NOx排放下，EGR质量流量和EGR鼓风机功率较低。最后，对于CB率，基于Tier III标准选择合适的喷油策略和排气阀正时，可以将BSFC的损失最小化，最小值低于5 g/ kWh。

多年来，公共和法规施压持续的要求采用发动机新技术来确保更干净的环境。各大货运物流公司比法规规定更进一步要求确保为客户、托运人提供绿色运输。 在此商务环境下，要求WinGD进一步提高要求，生产采用X-DF技术的最大功率的集装箱用发动机。X-DF采用稀薄燃烧LNG，实际地消除颗粒物(PM)，硫化物(SOx)排放，极大地减少氮氧化物(NOx)达到IMO Tier III标准。另外，二氧化碳(CO2)和CO2等同物减少到低于柴油机燃烧水平。 第一个客户是22000箱集装箱船的新型发动机和推进系统技术。本文中，WinGD专家会介绍从中等缸径发动机(例如X62-DF/ X-72DF)上得到的经验，是如何升级应用到现有的最大缸径X-92DF机上的。 本文会详述获取天然气-空气均质混合物，点燃燃烧和部件热负荷这些难题。同时陈述稀薄燃烧的特殊性，以及对发动机结果和相关设计升级的影响。另外，还会介绍控制这台发动机的复杂性，提供一些下一代WinGD控制系统开发的思考，这些开发和发动机原型机同步发展。 在各种开发任务中，特殊的X-DF技术及在船舶工业中的潜力会被讨论。这项技术还在全生命周期的开始阶段，重要的发展值得期待。本文会提出一部分。在此次会议上，第一台12X92DF的测试结果会被呈现。通过12X92DF，WinGD证明了最大的发动机也可以以稀薄燃烧运行，从而为业界提供了可以根据托运人、客户、公众要求优化的全新的推进系统选项。

大型高速柴油机是工业上的主力产品，其应用范围非常广泛，从恒速备用发电机组到高负荷变速采矿车辆，虽然客户在不同应用程序之间差异很大，但发动机制造商通常采用模块化设计方法来处理不同的需求。 涡轮增压器的供气能力是决定发动机性能和排放特性的关键因素，为了支持发动机制造商所追求的多用途概念，涡轮增压器系统需要在恶劣的环境条件下，以最大的可靠性处理各种各样的运行工况。 由于高速柴油机市场需求进一步提高功率密度水平、减少排放和增强应用灵活性，因此需进一步提高涡轮增压器的性能。ABB开发了用于高性能柴油机的TPX44-H涡轮增压器，该增压器通过试验验证和减少部件数量的方式，使涡轮增压器具有较高的可靠性和较好的成本。从而实现在恶劣的运行环境条件下正常运行，同时满足最高的安全等级标准。TPX44-H的高压比和宽Map特性满足了发动机制造商提供更高的功率密度的需求，同时使多个应用场合的发动机标准化。 本文介绍了ABB如何成功开发和鉴定了TPX44-H涡轮增压器，专门应用于高速柴油机；特别指出，在严格的资格程序中验证了TPX44-H的可靠性和安全性。

可再生能源电站的电量输出往往波动较大，随着可再生能源在电站领域应用份额的快速扩张，功率柔性可控的备用电站需求量不断增加。当前，往复式发动机电站可在较短时间内加载至目标功率。特别是，气体发动机电站可在保持高燃烧效率的同时满足严格的排放法规严格要求。但考虑愈加凸显的电网的稳定性需求，其对备用电站瞬态响应的要求将不断严苛，气体发动机未来需在满足排放法规的同时不断优化其进气、燃烧及控制策略。 前期研究已经表明，ABB的进气可变气门正时机构可有效提高发动机燃烧效率及功率密度，改善发动机不同环境条件、不同燃料质量下的稳态性能水平，同时进一步提高发动机的瞬态响应。 本文对采用了进气可变气门正时机构的某稀燃气体发动机进行了研究，详述了如何提高发动机瞬态响应的方法，并分别对并大网和孤网运行电站的瞬态特性和控制策略进行了评估。 按LEC的发动机瞬态特性提升方法，本文通过搭建目标机零维/一维多缸详细模型，对其瞬态特性进行了预评估。模型根据单缸机的大量稳态试验数据进行了标定。然后从模型中提炼零维进排气快速计算模型，建立和标定了采用可变气门正时机构的发动机功率、转速、排放控制策略，并在单缸机上对基于仿真形成的控制策略进行了瞬态测试。通过基于单缸机硬件在环结果对多缸机瞬态性能进行预测，明确了气体机瞬态工况下的爆震、失火边界及实时废气排放量。

当今世界面临的一个重大问题是从海上排放的空气污染物。YANMAR正在设法减少对环境有害的物质的排放。目前的空气污染法规主要关注对NOx和SOx的控制。2020年后，SOx的监管将收紧。 环境法规的转变导致燃料需求的多样化。根据是否使用洗涤器设备来减少SOx，可以划分不同的策略。在“不安装洗涤器”的情况下，可以使用2种解决方案。选项1是IMO Tier III型式的发动机与SCR（MGO-SCR）。此处发动机的IMO Tier III型式意味着发动机排气温度与SCR催化剂所需的入口温度相匹配。选项2是目前正在进行技术开发的项目。主要是因为MGO的成本增长高于HFO，因此我们正在开发新发动机以增加低油耗的价值。在“安装洗涤器”的情况下，作为选项3，在燃用HFO工况下SCR系统需要喷射尿素溶液。原因在于催化反应器安装在洗涤器上游以保持足够的排气温度。然而，与选项1相比，用于HFO的SCR系统(HFO-SCR)增加了额外的功能。针对硫酸铵、碳烟和燃料性质的变化，需要有对应的策略。有些功能是使用渣油所必须的，无论硫含量如何。 在本文开始，将聚焦于对船用推进柴油机采用的“YANMAR SCR系统”(MGO-SCR)和两级增压系统进行概述。这些已经交付到海运市场。 本文将在下一章节中介绍选项3的HFO-SCR和选项2的发动机技术作为现有技术的横向扩展。关于选项2，两级增压也应用于辅机。通过与先进米勒循环相配合，其具有提高发动机效率的潜力，以克服油耗和NOx排放之间的折中关系。此外，使用废气旁通阀，可以实现发动机额定负荷的扩展。在较高的输出范围匹配换气效率点，在同一台发动机上实现了BSFC改进与功率增加。这项技术将应对船舶电力需求的增加。 最后，介绍了YANMAR中速柴油机的新技术，例如，将水乳化技术与上述的先进米勒循环和两级增压技术相结合的概念。