为了研究大缸径船用甲醇中速机NOx的生成特性，详细了解发动机使用甲醇含氧燃料时NOx的生成过程和细节，利用三维仿真的方法研究甲醇替代率和甲醇喷射时刻对氮氧化物生成量和生成区域的影响。结果表明，NOx生成区域主要集中在引燃柴油喷嘴侧，在活塞中心甲醇/柴油叠加放热区域由于温度较高，也会产生较多的NOx，甲醇侧的NOx生成量极低，主要是因为甲醇汽化潜热高使得燃烧温度降低。调整甲醇替代率和喷射时刻能直接影响甲醇/柴油油束的干涉程度，甲醇燃料会导致干涉区的局部柴油火焰温度大幅降低，使得在火焰发展初期该区域的NOx生成量极低，当替代率高于75%时继续增大甲醇替代率使得NOx排放增加，这主要是由于含氧燃料的增加所致，在75%替代率下推迟甲醇喷射正时NOx排放表现出先升高后降低的趋势，而在85%和95%替代率下推迟甲醇喷射正时NOx生成量持续降低。结合仿真分析，详细说明了船用甲醇中速机NOx生成特性以及甲醇替代率和甲醇喷射时刻对燃烧过程的影响，为制定更优的喷射策略以实现更低的 NOx 的排放提供参考。

2023年7月，国际海事组织海上环境保护委员会第80届会议通过了《2023年IMO船舶温室气体（GHG）减排战略》，明确应尽快实现国际航运温室气体排放达峰，并考虑不同的国情，在2050年前或2050年左右，即：接近2050年，实现净零排放。同时，战略还设置了两个“指标性校核点”：到2030年，国际航运温室气体年度排放总量相比2008年应至少降低20%，并力争降低30%；到2040年，国际航运温室气体年度排放总量相比2008年应至少降低70%，并力争降低80%。此外，战略还增加零/近零GHG排放技术、燃料和/或能源的应用。绿色甲醇被认为是减少船舶温室气体排放减排的主要替代燃料之一，被认为是快速满足国际海事组织(IMO)对国际航运的温室气体减排目标的解决方案。甲醇的理化特性使其在船舶中速机上应用时，无论是从气道喷射预混燃烧的奥拓循环燃烧概念，还是缸内直喷的迪赛尔循环燃烧概念均成为可能，两种燃烧路线的选择对产品的开发和市场应用有着重要的影响。本文比较了甲醇气道喷射和缸内直喷两种燃烧概念及其影响。经对比分析，对船舶发动机企业和船东而言没有明确的最佳甲醇燃烧概念，往往需要根据减排目标、基础配套条件和每个客户应用场景的特定需求来考虑不同的燃烧概念。七一一研究所正在开发基于甲醇气道喷射和缸内直喷两种燃烧概念的船舶中速机，以满足排放法规要求以及大部分客户的市场需求，本文也将介绍七一一研究所基于两种燃烧概念的船用中速机最新研发进展。

生物柴油是良好的碳中和燃料，但其黏度高，不易蒸发和雾化，生物柴油掺醇因有效降低燃料黏度而成为压燃式内燃机碳中和技术路线的热点方向之一。生物柴油掺醇燃料的理化特性决定了内燃机的燃烧和排放性能。本文以生物柴油、甲醇、乙醇、正丁醇及正戊醇为原料，配制二元及三元混合燃料，通过测试分析仪检测掺混燃料的密度、运动粘度、十六烷值及着火滞燃期，分析混合燃料配比对其理化特性的影响规律。其次，构建混合燃料理论计算模型，并采用混合燃料理化特测试值验证理论计算的准确性。研究结果表明，生物柴油与正丁醇掺混，其着火特性不随着生物柴油占比变化而单调变化。生物柴油与甲醇和正戊醇三元燃料掺混，BMP3掺混燃料的十六烷值与纯生物柴油相近，也证明混合燃料着火性能与生物柴油的占比不是单调相关。

随着排放法规严格的要求和发动机效率的提高，主机厂不断改进或新开发高速柴油机，为了满足主机厂研发需求，重新定义一款多功能增压器，该增压器平台采用模块化设计，实现柔性生产，不仅可以覆盖单级增压系统和两级增压系统需求，还可以满足高速柴油机的船舶主机、路用发电、内燃机车等不同应用场合需求。针对某典型高速柴油机的机车应用需求，提出单级增压系统和带EGR的可调两级增压系统两种不同解决方案，已满足国家铁路应用排放法规的两种不同阶段要求。 计算结果显示：两种方案都可实现1500米海波下柴油机功率不降低功率的要求。单级增压系统推荐两台高压比增压器方案；两级增压系统推荐采用2台低压级增压器和1台高压级增压器，同时采用高压级涡轮旁通方案。

在一台6缸船用发动机上研究了进气道喷射甲醇柴油直喷引燃模式在不同替代率下的燃烧和排放特性。结果表明，在25%到100%负荷范围内双燃料模式均可稳定运行，限制替代率提升的主要因素为爆震和过高的压力升高率。研究工况范围内的最高替代率为60%，发生在75%负荷。随着替代率的提升，燃烧呈现出明显的双峰放热特征，燃烧相位整体前移，但燃烧持续期整体呈延长的趋势，仅在替代率升高到一定程度后有所缩短，因为后者主要受燃烧后期甲醇燃烧速率的影响，而甲醇的燃烧速率受空间甲醇浓度的直接控制；最高爆压和压力升高率均上升，排气温度下降；整机的有效热效率呈下降趋势，仅在替代率较高时有所回升，热效率的降低应主要与燃烧效率降低有关，因为随着替代率的上升，不完全燃烧产物排放明显升高。双燃料模式的NOx排放整体上低于纯柴油模式。

以某大功率船用两级增压柴油机为研究对象，采用数值模拟与整机试验相结合的方法完成了不同可调增压系统对柴油机性能影响规律的研究，详细分析了空冷前放气、空冷后放气、间冷前放气、间冷后放气、高压级涡轮旁通、低压级涡轮旁通、涡前废气旁通、高低压级独立涡轮旁通等不同可调增压技术对柴油机主要性能参数和环境适应性的影响。仿真研究表明：空冷前、后及间冷前、后等进气放气可调增压系统易造成柴油机热效率下降，整机经济性较差；不同废气旁通可调增压系统会影响高、低压级增压器匹配，影响增压器的选型与整机动力性，其中采用高压级涡轮旁通时柴油机综合性能最优。柴油机试验研究表明：采用高压级涡轮旁通可以有效降低增压压力，控制爆压，但柴油机经济性与热负荷会恶化，在爆压允许范围内，高压级涡轮旁通开度越小越好。

为了满足市场对低油耗、智能化柴油机产品的需求，七一一研究所自主开发了CS27系列柴油机，采用了可变配气机构、可调增压系统、高压共轨系统，同时配备了故障诊断系统，实现了共轨燃油系统、缸内燃烧状态、气阀状态、关键摩擦副、主轴承的状态监测和故障诊断。台架试验表明，该发动机最低油耗达到180g/kWh，排放满足IMO TⅡ和船舶发动机排气污染物排放中国第二阶段限值要求。该系列柴油机功率覆盖2~8MW，具有绿色、高效、可靠、智能的特点。

燃烧室内积炭会对柴油机可靠性会产生潜在的不利影响；本文通过某型8缸船用中速柴油机300小时耐久试验获取积炭，对气缸进行全部拆检，获取缸盖火力面积炭特征。对燃烧室顶面油嘴处积碳取样，通过SEM-EDX能谱分析积炭样本，获取积炭的微观形貌与特征成分。并通过识别特征元素的方法，判定积炭的来源。本文初步获得船用柴油机缸盖火力面积炭分布的典型特征。研究结果表明，通过能谱法分析获得当前的积炭的主要成分为C、O两种元素，占比为 91.5%~96.2wt%。因此当前大缸径柴油机缸盖火力面积炭主要源于燃油的不完全燃烧产物沉积在壁面上。

发动机气缸压力曲线反映了发动机机械功输出的热转换过程，反映了发动机动力性能。船用发动机结构复杂，运行环境恶劣，容易发生故障，为了减少故障的发生，有必要对船用发动机的缸内运行状态进行在线监测。通过实时测量和分析每个气缸的压力，计算燃烧特征参数，不仅可以准确反映船用发动机每个气缸的工作状态，还可以用于实现发动机的燃烧闭环控制。相对于状态监测，闭环控制对缸压监测的实时性提出了更高的要求。燃烧闭环控制采用逐循环（Cycle-by-Cycle）控制方式可以提高系统响应特性，即本循环的控制输出是根据上一个循环的燃烧特征参数计算得到的，为了满足逐循环的燃烧闭环控制要求，本文采用FPGA+ARM总体架构，基于逐点计算法对缸内压力、角域数据采集处理方法和燃烧算法进行了研究分析，实现了对发动机每缸每循环缸压内压力的采集、处理及通信功能，并进行了模拟验证平台和实机平台的试验验证。结果表明，缸压监测系统支持在2500 r/min以下转速范围内，对最高20缸发动机进行每缸每循环燃烧特征参数计算、处理能力，并具有较高的准确性和实时性。

随着我国船舶动力的不断升级换代，对自主可控大功率船舶柴油机技术指标要求越来越高，对轴瓦的性能要求也越来越苛刻。而我国的连杆轴瓦涂层工艺技术仍存在技术难题这一现状，导致国产轴瓦在新一代船舶柴油机研制过程中成为故障高发件。通过监测诊断技术实现船舶柴油机轴瓦异常状态识别及预警是提高轴瓦服役性能的主要途径之一，常见的监测手段如：温度监测、油液监测、振动及声发射监测技术等。但上述监测手段在工程应用时会面临诸如：传感器安装困难、响应速度慢、故障定位识别难度大等问题。近年来，基于曲轴-轴瓦摩擦副间电势特征的柴油机轴瓦状态监测技术，仅依靠曲轴-轴瓦间电势特征即可实现柴油机各档主轴瓦、连杆瓦润滑状态监测，且具有响应速度快、故障识别准确、无需改造柴油机结构的优点，得到学者较多关注。但对于利用电势实现轴瓦监测的关键环节：异常接触状态下，曲轴-轴瓦间电势信号的产生机理及特征形式研究，目前尚未有公开的研究成果，同时，也未有试验结果能直接证明电势特征在轴瓦状态检测领域的优势。 首先，本文针对异常接触下，曲轴-轴瓦间电势信号的产生机理及特征形式不明确问题，构造非接触状态和接触状态下曲轴-轴瓦等效电学模型。得出非接触状态下曲轴-轴瓦间存在油膜，使曲轴与轴瓦见存在可测电势差，且该电势差由曲轴与轴瓦间的温差电效应产生；接触状态下曲轴-轴瓦间表面存在凹凸体接触，使曲轴-轴瓦间的可测电势差消失这一特征规律。 为进一步验证上述接触状态和非接触状态下的曲轴-轴瓦电势特征规律，本文基于轴瓦疲劳试验机平台开展不同接触状态下的轴瓦模拟试验研究。研究结果表明：曲轴轴瓦间处于动压润滑状态时，轴与轴瓦间不存在接触，此时曲轴-轴瓦间存在可测电势；随着转速等外界条件变化，曲轴与轴瓦间润滑失效造成曲轴与轴瓦间存在接触时，曲轴-机体间不存在可测电势。即利用曲轴与轴瓦间的电势特征，可明显区分曲轴与轴瓦的润滑状态，实现曲轴与轴瓦间异常接触状态的识别。 为更直接对比电势监测方法在轴瓦状态检测领域的优势，本文利用轴瓦疲劳试验机开展了曲轴“抱轴”故障模拟试验：通过逐步增加被试轴瓦载荷，使被试轴瓦与曲轴之间的油膜失效。同时在轴瓦疲劳试验机上安装温度传感器，监测被试轴瓦的瓦被温度；安装曲轴电势信号传输装置，采集曲轴-轴瓦间的电势信号，对比两种信号在抱轴故障发生前的表现。试验结果表明：电势特征在抱轴故障发生前表现出明显突降特征，相对于瓦背温度超限报警，响应时间提前约15s。 以上研究结果表明：基于轴瓦电势特征可实现轴瓦异常接触监测，且在抱轴故障发生时，相对于瓦被温度监测响应时间更短，具有更高的实机应用推广价值。