大力神计划是大发动机技术研发领域中最大的国际性计划，从2004年持续到2018年，包含4个单独连贯的阶段，总经费超过1亿欧元，共计86个单位参与。该计划主要经费由欧盟提供，当然其中也包含瑞士政府。 两个主要的发动机制造厂曼与瓦锡兰，在2002年开始构想这一共同的愿景：开展旨在提高发动机效率（降低油耗及CO2排放）、降低气体及颗粒排放、提升柴油机可靠性等船用发动机新技术的研究。 在2004年，完整的大力神-A工程开始。这是大力神研发计划的第一阶段，包含热力学过程、燃烧过程、后处理、材料及控制等多个领域的研究。大力神-B是计划的第二阶段，从2008年到2011年，第一阶段研究后有潜力的技术被保留下来进一步深入研究。大力神-C工程（2012年～2015年）是大力神计划的第三阶段，包括来自于前一阶段中技术的分组与整合。大力神-2工程（2015年～2018年）是建立在大力神计划基础上的，目标是发动机的柔性可调和全生命周期的优化。 本文描述了大力神4个连续的研发计划的演进与关系。在大力神计划的14年期间，这些目标与技术挑战和海洋工业不断变化的要求有关，并考虑到了不断发展的商用和法律框架。 本文还给出了：4个阶段成果的概览、已经在未来发动机研究中应用的先进技术和工具和先进的工程结果，其中的很多技术已经被集成到了新发动机上且已投入市场。

随着排放法规越来越严苛，如2020年IMO对硫排放的限制及IMO Tier3对NOx排放的限制等，致使发动机生产厂商和使用者必须根据应用场合和当地法规在不同燃料和排气后处理之间做出最佳选择。这意味着，当使用不同特性的燃料时对于燃油喷射系统的要求很高。多次喷射技术在车机上经常使用以减少污染物生成。目前，类似于EN590的轻柴油有关的预喷-后喷应用研究已广泛开展。本文研究重油多次喷射对大缸径柴油机的影响并与轻柴油对比。 本文试验研究在一台单缸机（1 VDS 18/15）上进行。共轨系统配备一个带蓄油腔的喷油器以减少压力波动。将高粘度的重油在输油管中加热使其粘度达到10cSt。保持工况不变，调整预喷-后喷的持续期及喷射间隔，分别采用柴油和重油进行对比试验。通过缸压传感器获得的缸压曲线，基于燃烧室的0维模型获得放热率，通过放热率分析获得对燃烧的影响。每工况设置条件下均进行排放测试且与输出功对应，其中采用排气分析仪来分析排气中的气态排放物（CO，CO2，O2，NOx，THC）以及soot排放（FSN）。 发动机测试结果表明，在50%负荷以下，采用重油时NOx排放比柴油增加2倍，因为着火延迟增加导致预混燃烧比例增加。在25%时，采用不同预喷正时和预喷持续期，NOx排放最高可减少25%（柴油）、43%（重油）。采用重油时，相对轻柴油烟度通常明显较高，而采用后喷时，烟度能减少76%（柴油）和33%（重油）。此外，采用单次喷射结合预喷和后喷可实现IMO Tier2 排放限制标准。还发现，采用多次喷射时油耗可以降低1.6%（柴油）。

双燃料发动机采用天然气与柴油燃料，在低排放应用上很有吸引力，有助于同时降低NOx和CO2排放。然而，为进一步减少温室气体排放，在包含部分负荷等实际运行条件下提高热效率、降低未燃甲烷十分重要。在采用天然气、柴油机作为燃料的中速四冲程双燃料机中，预混微喷引燃是作为常规的气体运行模式所选择的燃烧策略。天然气通过进气道供应，在气缸内形成稀薄预混合气，在缸内被少量的直喷柴油点燃。然而，在这套系统中，受到火焰传播速度的限值，热效率提高受到制约。稀燃导致燃烧速度降低、等容度下降。同时，稀燃温度低导致未燃甲烷排放恶化。另一方面，预混合压燃（PCCI）是被公认的能够实现高热效率、低排放的燃烧模式。在PCCI燃烧模式下，在缸内形成的稀薄预混合气在高温高压条件下发生自点火，且为缸内多点着火，因此，燃烧持续期短，等容度提高。另外，稀薄预混燃烧导致燃烧温度低，缸内空燃比浓区少，能够降低NOx与碳烟排放。本文研究的双燃料机，在部分负荷条件下采用两阶段柴油早喷实现双燃料-预混合压燃（DF-PCCI）燃烧模式。采用某中速四冲程单缸机作为试验对象，缸径260mm。为了更好的理解DF-PCCI燃烧模式，该机的过量空气系数、喷油正时、喷油量和喷射压力等均可变。此外，为了将这种先进的燃烧策略能够实际应用到双燃料机中，研究了DF-PCCI燃烧模式的可用运行范围。结果表明，在E3模式下，与传统的微喷引燃模式相比，采用较早的两阶段柴油机预喷DF-PCCI燃烧模式，热效率提高2%、未燃碳氢下降49.4%。同时，还得到了DF-PCCI燃烧模式的可行运行范围。综上所述，采用DF-PCCI燃烧能够实现高热效率、低排放，为今后的双燃料发动机的发展奠定了基础。

随着排放法规的日渐严苛，近年来,气体机受到越来越多的关注。气体机可以在不采用任何排气后处理装置的情况下，满足法规要求，所以无论对于推进还是发电，气体机均有较大的潜力。在中速机方面，采用先进的点火技术可以实现很好的热力学工作过程组织。在相同的排放水平下，气体机可以达到较高的热效率，所以可以将气体机应用到商业化市场中。 双燃料机开发主要源自不同的市场应用下燃料适应性的需求。双燃料机可提供在气体模式失效情况下的备份模式，且可以适应不同的燃料、市场及法规等。在如此广的用途下，双燃料机的研究将是系统的课题，而非一种特定模式下的燃烧过程。 本文研究范围包括，在相同的排放水平下，用气体代替一部分的柴油燃料（气体替代率约为0～90%），以及在柴油只作为微喷引燃用燃料（柴油微喷量为总燃料能量的1%～5%）的发动机的相关设计。通过本文的设计，可以达到更低的排放水平。因此，Caterpillar Motoren GmbH & CoKG公司一直致力于优化这种燃烧过程以将其推广到市场应用。优化结果表明，在柴油微喷引燃式下的双燃料机具有很好的燃料适应性，且可以输出较高的功率、具有较低的排放，在全工况下均具有较高的热效率。 相比较单一模式的柴油机，将气体模式（柴油微喷引燃）和纯柴油模式整合到一套热力学系统可能会受到很多额外的限制。发动机设计时，将在发动机是气体模式下运行还是气体机可以切换到柴油模式两种方案之间做权衡。一般对于船用柴油机，柴油模式作为主推动力时使用，而进港后可切换到排放更低的气体模式，作为主推时，气体模式只在跛行工况使用。通过微喷引燃燃烧过程的优化可减少甚至克服这些明确的限制。 目前对于纯气体机的点火方式多采用火花塞点火式，这种方式下的燃烧过程并不适用于柴油微喷引燃式。减少引燃用燃料量可以在不采用任何排气后处理的情况下满足排放法规要求，但会导致燃烧滞燃期增长，所以在不同模式下的点燃过程及火焰传播过程将很大程度依赖于局部空燃比、温度及化学组分。 中速气体机的性能很大程度上取决于点火系统。因此微喷喷嘴是微喷引燃式发动机的关键零部件，需要对其进行优化以实现所需的喷雾状态，以保证发动机在稀薄燃烧的情况下可以稳定可靠的点火并迅速放热。 本文介绍了Caterpillar 在双燃料机方面的构想，以及微喷引燃式发动机在热力学过程研究中的各因素之间的权衡关系。目的在于开拓未来微喷引燃式双燃料发动机用于主推和发电用途市场，实现减少环境污染及用户利益最大化。

预燃室适用于大口径天然气发动机，特别在采用稀燃策略时，能提高发动机的点火稳定性和燃烧速度。本文采用纹影法和火焰自发光法，研究了喷嘴孔直径、预燃室容积、预混合气体当量比和环境条件对定容室着火及燃烧过程的影响。实验结果表明，当喷嘴孔直径小于一定值时，火焰会发生猝灭。随着喷嘴孔直径的增大，射流着火正时提前，着火位置向下。当着火点位于主燃烧室中心时，主燃烧室内的火焰传播速率和混合气燃烧速率均达到最大值。增大预燃室体积会导致主燃烧室射流出现时间延迟，但燃烧混合气越多，分布范围越广，着火能量越大，火焰传播速度越快。由于着火室内当量比的降低，导致预混气体燃烧速度变慢，着火能力减弱，着火正时延迟。提高预燃室燃料/空气当量比，可提高着火能力，提前点火正时，扩大稀燃极限。当预混气体压力增大时，预燃室的着火能力增强。

从二十世纪七十年代以来，燃烧化学反应机理的规模和精度稳步提高。从简单、单一组分燃料到不断增多的复杂燃料混合物，其火焰前锋传播和自点火特性均可得到精确模拟。基于上述化学反应动力学模型，可实现对复杂多维燃烧系统的分析。出于空气处理和其他系统级别问题的考虑，零维模型仍是一种重要的发动机系统开发工具。但是，其在应用于燃烧模拟时存在局限，因此常同时采用多维模型以分析发动机系统结构对燃烧过程的影响。 当使用独立发动机循环模拟时，通常使用简单的经验式点火模型，该模型可用于观察发动机在运行工况下发生自点火的倾向。本研究的主要工作内容即应用天然气燃烧反应机理来发展简化的自点火模型，从而使其适用于零维模型的模拟。研究目标包括基于反应动力学进行预测，使商业循环模拟易于实现，同时缩短计算时间。 本文的主要研究思路是，发展简化的天然气燃烧反应机理模型，在此基础上确定与自点火特性最相关的反应。该方法在化学计量比及稀燃汽油发动机中采用，其准确性得到广泛验证。在本文中，该方法被扩展用于柴油引燃的天然气发动机上。 根据天然气发动机及双燃料（天然气和柴油）发动机的燃烧过程，本研究同时验证了已发表文献中的一些简化反应动力学机理。这些机理中规模最小的包括53个组分和325个反应，规模最大包括293组分和1593个反应。在本文所采用的双燃料发动机中，柴油作为引燃物被喷入天然气/空气预混可燃混和气内。当柴油燃烧时，火焰前锋会向天然气/空气混合气传播，从而使其发生自点火。将简化的燃烧反应机理耦合于零维模型的计算脚本中，其目的在于识别与自点火最相关的反应。当找到灵敏度最高的反应时，即可确定与其相关的一系列对自点火敏感的反应包。 通过试验可测得发动机在一系列工况下的自点火特性。相应GT-Power模型添加了对应简化燃烧反应机理的脚本并经过仔细调试。研究表明，该模型可准确预测宽工况范围内的自点火特性。另外，该机理模型同时被拓展用于高速和中速柴油引燃天然气发动机，并在本文中展示了相应的对比结果。 本文旨在预测末端天然气/空气混合气在一定范围的转速、载荷、稀释比、当量比和替代率下的自点火。研究表明，该模型在CA50附近两曲轴转角内的预测效果很好。同时，每次验证均各自对比了相应的爆震和非爆震工况。其中，非爆震工况均可准确预测，而爆震时刻的预测值比试验值提前2个曲轴转角。

本文建立了大型二冲程双燃料船用发动机的CFD模型，研究了预燃室设计参数对燃烧特性和火焰传播特性的影响。众所周知，自着火和火焰传播均是燃烧过程的一部分,因此采用简化的正庚烷/甲烷机制加上G-equation模型用来预测两个过程,并且对各种湍流燃烧模型用来预测双燃料船用发动机燃烧的可行性进行了探讨。结果表明,预燃室喷嘴导向的火焰喷射方向明显影响主燃烧室的燃烧过程,由于高速火焰贯穿距的存在，有预燃室的机器可以观测到更广泛的点火区域,这是因为主燃室的滞燃期更短，放热率更快。但是，为了防止燃烧过程的恶化，要避免火焰射流撞壁。并且，观测结果表明，化学动力学控制的自着火和火焰传播控制的燃烧过程的放热特性有很大的不同，因为放热率受到G- equation中火焰单元模型模型常数的强烈影响:在G-equation模型中，用固定的层流修正项可以观察到光滑且厚的火焰结构，而用湍流修正项的G-equation模型或结合化学动力学机制的湍流模型可以得到更薄更皱的火焰。

考虑到同心轴针式双燃料喷射器制造成本高、控制难度大，本文设计了新型喷射系统，在缸盖上分别布置2个单孔柴油喷嘴和2个单孔天然气喷嘴以实现双燃料缸内直喷。文章设计了2种布置方案：左右对称布置和中心对称布置，并基于CONVERGE软件分析和讨论了2种布置方案下喷嘴间距离对发动机燃烧及排放性能的影响。研究结果表明，双燃料喷射器之间的距离直接影响引燃柴油火焰与天然气射流的相对位置，进而影响柴油对天然气的引燃效果。因此，为了提高双燃料发动机的燃烧和排放性能，有必要合理设计柴油喷嘴及天然气喷嘴位置布局。在2种布置方案下，放热率曲线随喷嘴间距离变化趋势相似。采用中心对称布置方案，燃料分布及高温区域分布更均匀。左右对称布置下燃料聚集，易发生富燃现象。喷嘴间距离越短，2种布置方案下燃烧特性差异越明显。对比燃烧参数可以发现，采用中心对称方案有利于燃料充分稳定燃烧，可以获得更好的动力性和发动机热效率，可以降低soot排放，但是NOx排放会大大增加。中心对称布置下，喷嘴间距离对NOx排放的影响更明显。对比之下，当采用中心对称布置且天然气喷嘴间距离为90√2 mm时，IMEP最高，soot排放最低，NOx排放水平和爆发压力相对适中。也就是说，采用中心对称方案并合理布置喷嘴间距离可以获得良好的发动机燃烧及排放性能。

为实现低NOx排放和高循环热效率，在工业气体燃料发动机中常采用有火花塞点火系统的预燃室。 通常，由于预燃室中的混合气接近化学计量比工况，在预燃室内产生的NOx相当高。对采用稀薄燃烧技术的气体燃料发动机，约75%的NOx都产自预燃室。 为了抑制NOx排放而减少进入预燃室内的气体时，会由于预燃室内初始燃烧不稳定而引起气缸压力波动，如平均有效压力和最大燃烧压力的变动。 造成该现象的原因之一是在稀燃工况下的燃烧速率非常低，而提高燃速需要解决许多问题。 近年来，等离子体辅助点火系统的概念被提出并得到发展。即使在稀燃工况，等离子体也可产生稳定和快速的燃烧。本论文重点关注被称为“活性点火系统”的等离子体辅助燃烧系统的概念。 为了构建活性点火系统，除了传统火花塞和点火线圈作为一次点火系统外，还需要二级点火线圈和波形发生器产生的高频磁场。其中，一次点火系统可完全采用传统的点火系统而不做任何改变。 在一次放电时给二级点火垫圈加载高频电压，即可使等离子体维持更长时间。 由于等离子体辅助活性点火系统的存在，一次点火产生的火焰核心可以更快的扩展，同时燃速也会更高。最终，实现稀燃气体环境下的稳定燃烧。 本论文展示了包含其他点火系统的活性点火系统的测量结果。

国际海事组织要求，到2050年，海上船舶每年温室气体排放量降至现有水平的一半，生物燃油作为一种碳中性燃料，有可能成为潜在的船用燃料。 作者长期以来一直使用缸径230mm的中高速试验发动机研究各种生物燃料的燃烧特性。如后文所述，此发动机配备了专用的燃油喷射系统。作者在2019 CIMAC论文中报告了最近使用来自印度尼西亚的生物燃料进行试验的研究结果： 棕榈油制脂肪酸甲酯（FAME）； 粗棕榈油（CPO）； 将每种燃料与船用柴油（MDO）混合，研究了混合比例对燃烧和废气排放的影响。 在FAME燃料特性试验中，选择30%FAME+70%MDO、50%FAME+50%MDO、100%MDO作为对照组进行试验，试验时所有燃料不进行加热。相比MDO试验组，使用FAME 燃料的试验组具有更好的点火特性，并且在所有工况下，两者的燃烧特性相同。 在CPO燃料特性试验中，选择与FAME试验组相同的混合比例进行试验，但是与FAME燃料试验不同的是，CPO试验组中的燃料需要进行加热以获得合适的喷射黏度。与FAME试验结果不同的是，纯CPO在低负荷运行时表现出一定的难燃性。这可能是因为CPO在低负荷时，在低空气温度下具有较差的蒸发和点火特性。 为了恢复CPO在低负荷时不良的燃烧特性，作者开发了一种独特的“混合式”燃油喷射系统。这个系统就是在原来通过凸轮驱动博世型燃油泵的基础上，加上一个小型共轨（CR）系统。发动机运行时，生物燃油的主喷还是由原来的博世油泵进行，CR系统仅用于生物燃料预喷。由于采用了CR系统，可以自由设定预喷正时和持续时间。利用该系统进行的试验表明，少量的预喷可以明显改善CPO在低负荷下的燃烧特性。 整篇论文不仅仅是研究了燃料燃烧特性，还讨论了一些其他方面的问题，比如过滤器的堵塞和混合燃料经过长时间贮存后从MDO中分离生物燃料等。对于船用柴油机来说，加热和过滤等一些问题对FAME河CPO安全使用都是必要的。 由于生物燃料不含硫，因此可以实现零硫排放。但是，氮氧化物的排放在一定程度上高于传统燃料。生物燃料中含有氧原子，可以促进燃烧，从而增加氮氧化物的生成。 本文尝试了一种独特的降低氮氧化物的方法。将模拟沼气导入发动机的进气管，并与上述液体生物燃料（FAME）同时燃烧。 本试验以甲烷与二氧化碳的比例为60%至40%混合制备模拟沼气。沼气采用预混合稀燃方式燃烧，只排放少量的氮氧化物。另一方面，由于沼气混合和液体生物燃料燃烧，进气氧气减少，降低了氮氧化物含量。增加沼气量也可以改善烟气。 使用生物燃料可以减少所有的排放，二氧化碳，硫氧化物，氮氧化物和颗粒物。但在同时使用生物燃料和沼气的情况下，沼气必须作为极稀的混合气燃烧。另外，应该讨论一些减少“甲烷滑”的措施。