当前化石燃料主导着运输业的燃料市场，尤其是在海洋商业运输领域。甚至在2020年执行国际海事组织的限硫令后，化石燃料仍将占据着主导地位。近期关于二氧化碳排放、温室效应和由此引起气候变化的讨论进一步加强。巴黎协议要实现的目标使社会和工业都面临着巨大挑战，同时需要运输部门为此做出重大贡献。2018年4月，国际海事组织针对海洋运输业的二氧化碳减排目标达成一致：与2008年相比，到2030年减排40%，到2050年减排70%。为达到既定目标，国际海事组织阐述了非化石、碳中性燃料的重要性，规定了一系列短期、中期和长期计划，并强调开展短期计划的紧迫性。因此，商业航运业同时面临着两个巨大的挑战：有害物减排，如NOX, PM和SOX, 和减少温室气体，尤其是CO2，这些将导致海运能源类型发生变化。当然，这是一个长期目标，但正如海事组织强调的那样，现在就需要朝着脱碳方向迈出第一步。为实现航运业务的可持续发展，未来需要清洁燃料和日益增多的碳中性燃料。在气体燃料领域，天然气显然具有巨大的潜力，它可使CO2减排20%，并且可以通过使用可再生的生物甲烷和合成甲烷（PtG）来进一步提高CO2减排量。基于船舶可用空间考虑，大型船舶和远洋运输未来还是需要能量密度非常高的燃料，即液体燃料。未来的碳中性燃料是许多研究项目的重点研究内容和主题，但它们的实用性仍然非常有限。针对运输业，目前还不清楚哪种合成燃料是最优的。不同的运输方式可能需要不同的合成燃料。显然，合成燃料应该是无硫无灰的。但针对实船应用，还需要考虑更多的要求，例如高闪点（考虑船上储存和使用安全）和良好的可燃性。石蜡燃料均满足这些要求。它们可以由天然气（GTL）、潜在的碳中性燃料或氢化植物油（HVO）制取，也可使用可再生电力（PtL）来合成（如费托合成）。它们与当前的液态化石燃料的相容性非常高。本文对比了石蜡燃料与传统的船用燃料及其它碳中性燃料（如OME、甲醇、二甲醚）的物理化学特性，这些特性参数会直接影响发动机和燃烧性能。对比分析结果表明石蜡燃料具有良好的可燃性，其能量密度与船用柴油相近。同时，进一步研究了石蜡燃料与发动机性能相关的一些特性。之后，在燃料实验室测试了石蜡燃料在现代柴油喷射系统中的喷射特性。试验结果表明，像HVO这样的无芳烃燃料能够有效减少在金属热表面形成的沉积物。同时，通过试验分析石蜡燃料对燃油喷射和预混合的影响。为此，使用纹影散射法在定容弹中进行光学喷雾和蒸气测量，同时与化石燃料进行对比分析。结果表明，石蜡燃料的贯穿距稍短，但喷雾锥角增大。此外，基于单缸机和中速性能样机，测试在多个运行工况下的石蜡燃料的燃烧特性。试验表明，与柴油相比，石蜡燃料的滞燃期更短，对燃烧更有利。由于没有芳烃及具有更好的组分，所以发动机在使用石蜡燃料时的碳烟排放更少。本文着重介绍了石蜡燃料在更高效、更清洁燃烧方面的潜力。基于单缸机的排放检测结果和石蜡燃料的化学特性，表明了石蜡燃料像SCR、DPF一样对发动机的排放有着积极作用。最后，本文总结了石蜡燃料的研究成果，提出了一种海运能源潜在替代燃料的通用研究方法。

在现有的4个硫排放控制区（SECA）：波罗的海、北海、北美和美国加勒比海，排放控制区之内运行的船舶燃料的硫含量限值为0.1％。SECA之外，从2020年1月1日开始，硫含量由现在的3.5%下降至0.5%。船东为应对硫含量限制法规可以有多种选择，使用低硫燃料例如天然气，安装废气清洗系统等。因此预测2020年以后，燃料多样化的需求会增加。 作为应对限硫法规的重质燃料，是馏分油和废气清洗系统的替代品，并需要了解发动机使用的不同硫含量燃料的燃料性能。出于这个原因，Neste公司决定测试当下使用的燃料和未来可能使用的船用燃料：在中速发动机上分别测试不同的燃料油，其硫的质量含量分别为0.1%和0.5%的燃料产品。使用商业低硫船用柴油Neste DMB作为参考燃料，其硫含量上限为0.1%。试验使用的所有燃料产品均通过Neste炼油厂的设备生产。 测试发动机是Wartsila VASA 4R32（气缸直径：320 mm，转速：750 rpm，额定功率：1640 kW），连接到VTT实验室的制动发电机上。稳态试验循环由5个负荷组成，负荷在额定功率的90%到10%之间。试验过程中，发动机每种燃料运行16到18小时。测量发动机性能（制动功率、燃油消耗、进气质量流量、涡轮增压器转速等）以及排放产物，其包括气体（NOx、CO、THC、O2和CO2）、颗粒物（PM）和烟度。排气中SO2的浓度通过傅立叶变换红外光谱法(FTIR)测定。PM排放物的检测根据ISO 8178:2006提供的分流稀释法测定。每缸都配有缸压传感器，用于燃烧过程分析。之后，计算每种燃料、每个负载下，测量组分的比排放量和发动机效率。绘制放热率曲线，并根据缸压数据，通过指示功率对缸内工作平衡进行评估。

巴黎协定达成的将气候变化控制在2℃以下的共识对人类来说是一项必要而又极富挑战的事业。随后，IMO提出了航运业2050年温室气体排放量相比2009年降低50%的目标。同时，由于业内对于未来运量需求的增长预期，每条船的CO2减排量必须大于50%。 为了实现这一激进的减排目标，必须综合应用多项减排技术，一项关键技术将是使用通过可再生电力制备的合成燃料。其基本原理是使用可再生电能将电解制得的H2与CO2合成制取可再生气体合成燃料和可再生液体合成燃料。 本文阐述了这种合成燃料对于实现航运业低碳化的意义，经济的运营Power-to-X装置的经济界限，并介绍了由MAN Energy Solution公司设计的世界上最大的合成甲烷装置及反应器。 MAN公司除了在CO2制甲烷领域动作频频以外，还开发了电力合成甲醇的反应器和合成装置。MAN发起成立了一个由16个行业及高校成员组成的联盟，由德国联邦经济事务和能源部协调各成员合作开展未来能源转化研究。 一个可能的结果或者说不同技术的综合应用场景被认为是满足这个激进碳减排目标的可选方案之一，例如将船体优化、螺旋桨优化、减速航行结合合成燃料的使用。

近年来，天然气作为一种能源被广泛应用，预计将进一步增加。这些应用主要体现在移动式和热电联供的固定往复式天然气发动机上。由于这些发动机长期高负荷工作，润滑油承受高应力，致使润滑油的配方面临挑战。 随着发动机效率和功率逐步增加、排放不断降低，发动机厂商针对发动机做出持续改进设计和操作优化。比如为了增加平均有效压力，活塞需要优化设计，金属材料需要改进设计，配缸间隙及公差范围需要减小，这些都导致润滑油面临挑战。从某种程度而言，应用于老发动机的润滑油将不适用于现代发动机，这就迫切需要开发新润滑油以满足这一需求。 未经优化的老发动机润滑油应用于现代发动机将导致润滑油使用寿命下降，发动机润滑保护功能失效，导致发动机大修期缩短并引发潜在故障，使发动机不能实现预期的效率提升。 本文将介绍现代高效气体发动机新型润滑油的开发过程，包含为提高润滑油使用寿命，采取提高抗氧化性能和碱值保持能力的手段，同时酸值仍在控制范围内。现在发动机针对积炭开展的大量研究表明，添加剂正确、合理的使用可以有效控制积炭，避免积炭大量堆积。对于润滑油配方工程师来说，采取有效的工具来评估试验结果是非常关键的。大量的性能试验数据不仅年代久远，不能代表现代发动机，而且来源于其他技术领域，并非专门针对气体发动机。本文将考虑通用试验的有效性，探索本领域范围内有代表性的评价方法，使配方工程师可以在化学领域范围内高效评估优选方案，并应用于现场试验验证。

在过去的几年里，对于全球变暖日益增长的担忧和发动机进一步降低排放的努力使双燃料发动机在船舶发动机行业中收到关注。双燃料发动机使用天然气作为替代燃料，相比传统柴油具有排放性和经济性的双重优势。但是，稀燃条件下的失火现象限制了双燃料燃烧模式的可用范围，同时带来未燃甲烷的排放问题（也即甲烷逃逸）。甲烷的温室效应被认为是CO2的20倍，这增加了政府及船用主机制造商们的担忧。因此，本课题研究了计算十六烷值和引燃油芳烃含量对柴油-甲烷双燃料燃烧特性、稀燃条件下发动机动力性和排放指标的影响。试验载体为一台大功率单缸试验机，标定转速1500r/min、标定工况3%引燃油量时IMEP约11.5bar。试验边界条件为所有测试工况上止点时保持进气压力1.5bar、甲烷混合气空燃比1.95以及缸内温度835K一致。另外，试验研究了1000bar和1500bar引燃油喷射压力对燃烧特性和排放物生成量的影响。研究过程中，定制了三种柴油，它们的十六烷值在43～56之间、芳烃含量0～24%，定制原则为两种油的十六烷值不同而芳烃含量相同，另两种油的芳烃含量不同而十六烷值相同。研究结果表明，相同芳烃含量的引燃油，较低的十六烷值有助于降低稀燃条件下未燃甲烷的排放量；同样的，相同十六烷值的引燃油、较低的芳烃含量有助于抑制未燃甲烷排放。而两种引燃油喷射压力的研究表明高喷射压力能够提高燃烧性能，同时降低未燃甲烷排放量。

随着人们日益增加的减少温室气体排放的需求，船舶工业面临着一个有趣的时代。与此同时，2020年全球将开始执行限硫令。对船东而言，最新的液化天然气动力装置和低压气体机是一个很好的选择。然而，作为一个尚未安装液化天然气设备的商用船舶来说，液体燃料仍将扮演主要角色。用于商船推进的大型船用二冲程发动机通过采用传统燃料，如重质燃料油（HFO）、船用柴油（MDO）、船用汽油（MGO）或类似的可通过蒸馏方式获取的燃油。但2020年开始执行的“全球限硫令”（GSC2020）和正在进行的关于黑碳的讨论有可能会改变这一点。 按“全球限硫令”（GSC2020）要求，在全球范围内任何海域使用的燃料硫含量都将被限制在0.5%。这就为替代燃料提供了发展空间。对于今天的航运业来说，酒精燃料只在非常特殊的情况下才会使用，因为它们的实用性和价格都没有竞争力。然而Winterthur Gas & Diesel公司通过一套既能喷射传统燃料，如HFO或MDO，又能喷射低粘度、低能量密度燃料，如乙醇和甲醇的能够覆盖大部分燃料的喷射系统解决了广泛燃料应用的难题。 欧盟Hercules-2项目的工作包1的目标是“开发能够切换燃料，同时能以最经济的模式运行，并遵守所有航行区域法规的发动机”。其在2015年至2018年期间，已经开发出这样一个系统，并在2018年芝加哥ICLASS会议上首次展示。其通过以下工具或方法开发并验证灵活燃料喷射系统，主要包括燃油喷射平台测试；在Winterthur Gas & Diesel公司的定容燃烧弹（SCC）上做喷雾特性和燃烧特性测试，以此了解发动机燃烧室内的工作过程；最后，Winterthur Gas & Diesel公司在RTX-6发动机上搭载灵活燃料喷射系统，通过使用广泛燃料中具有代表性的乙醇和柴油2种燃料进行配机验证。 相比于其他的测试，本文将只分析讨论配机试验结果。结果表明，发动机的放热率很好，燃油消耗率和发动机效率可以接受。同时证明了灵活燃料喷油器具有良好的可靠性和稳定性。 Winterthur Gas & Diesel公司现在有一个原型机可以根据客户对特定燃料的需求来研究开发新燃料及其供给和喷射系统。

本文通过喷雾弹测试对五种燃料的喷雾特性进行了对比研究。这五种燃料分别是：欧洲标准柴油（EN590）、甲醇、煤油、己烷、丙烷。喷雾弹试验条件为非蒸发态（室温）。所有燃料的试验条件均分别设置为三种环境气体密度（(1.2 kg/m3, 35 kg/m3 and 100 kg/m3）和两种喷射压力（550 bar and 1000 bar）。燃料的喷雾特性测试采用高速背光成像的方法。测试使用的单色摄像头为Photron Fastcam SA3 120K，其帧速率在10000到20000帧每秒之间。在光学测量中使用的是Nikon AF-S NIKKOR 50mm 1:1.4G相机。本研究使用一个船用发动机电控单孔（0.30毫米）喷油器。本研究的目的是测试所有燃料在不同条件下的喷雾贯穿距和喷雾夹角。此外，试验还测量了柴油（EN590）和甲醇的液滴尺寸。针对液滴尺寸，试验通过长距离显微镜（Questar QM-1）将图像面积减小到约2.64mm×2.64mm，将分辨率为2048×2048像素的12位灰度CCD摄像机连接到显微镜机。因此，在焦平面上，一个像素对应1.29μm左右的区域。基于对燃料喷雾贯穿距和喷雾夹角的测试结果，除丙烷外的其他燃料有着相似的喷雾特性。然而，对于所有燃料而言，燃料喷射压力和环境气体密度对两个喷雾特性指标都有显著的影响。在本次研究的条件下，观察到甲醇的液滴尺寸索特平均直径比柴油（EN590）低。

本文从发动机设计者的角度，探讨了即将应对2020年1月1日起生效的燃料硫含量上限为0.50%（以下简称0.50％S燃料）的挑战和解决方案。高可靠性和高可用性对沿海和远洋船舶至关重要，整个船舶行业的共同责任是确保2020年之后不会受到严重影响。燃料供应商、立法机构、发动机设计者和制造商、系统供应商和船舶运营商必须共同努力，通过测试和准备，解决这一重要任务。 0.50％S燃料将是以低硫原油为基础的低硫燃料，正如我们今天所知道的来源，例如南美洲等地，但也包括新型调和燃料，其相关组分以前在海运市场上从未见过。燃料通常符合国际船用燃料标准ISO 8217，但燃料供应的分布程度预计会有所不同，尤其是在新立法的最初几年。 作为发动机设计者，我们正在为新燃料的发动机设计做准备，必须能够对新燃料提出建议和限制，并且能够就如何使用它们提出建议和意见。我们发现，可能与新燃料类型相关的主要挑战是： 燃料不稳定。 必须向船上提供良好、稳定的燃料。 不同燃料批次之间的兼容性问题。 不同的燃料批次不应在船上直接混合，因为不同的燃料类型可能不相容，并导致燃料中的沥青质析出，引起高污泥情况。 燃料中有高浓度的催化剂粉末。 在进入发动机之前，燃料必须针对催化剂粉末进行清洁。催化剂粉末来源于燃料精炼过程中非常小而硬的颗粒。如果将它们引入发动机，会导致高磨损。 不利的燃烧特性。 新的0.50％S燃料应表现出正常的良好燃烧特性。 在哥本哈根，不同的燃料类型已在实验室和我们的试验发动机上进行了测试。本文将介绍极端和更真实的燃料成分分析结果。 0.50％S燃料的另一个关键特征是它们含硫量低于目前通常使用的高硫燃料。燃料中的硫含量决定了燃烧室中的腐蚀程度。燃料中的硫越少，在燃烧过程中产生的硫酸就越少，从而在燃烧室中产生的腐蚀和磨损就越少。为了准备使用0.50%S燃料，我们采取了许多设计上的变化。这种设计上的变化包括：在所有活塞环表面增加金属陶瓷涂层，降低缸套温度。 本文将包含我们对未来0.50％S燃料的预期，以及如何为2020年做好准备的行业建议。

Anglo Belgian公司（ABC）成立于1912年，是一家获得鲁道夫柴油机专利许可证的内燃机开发商和生产商。从第一台到最新发动机的发展过程中，ABC一直保持打造强大可靠发动机的愿景。因此，在船舶、工业、牵引和应急应用等领域的许多客户都信赖我们的发动机。多年来，在这些应用领域中，柴油和重油（HFO）一直是最常用的燃料。 几年前，我们在产品系列中增加了船用双燃料发动机。在天然气（NG）发动机上运行双燃料模式，其满足IMO Tier III排放法规要求，同时不需要大型和昂贵的后处理系统。此外，该模式还减少了PM和CO2的排放。综上所述，与柴油机相比，双燃料天然气发动机能显著减少空气污染，如NOx、SOx和PM，但其对温室气体（GHG）的减排作用有限。 在推广新燃料应用过程中，双燃料模式是最容易被市场接受的完美发动机类型。因为当第二种燃料不可获得时，客户可以切换回纯柴油模式运行。通常情况下，新燃料不能保证在世界任何一个地方都能加注，但柴油可以。因此，双燃料发动机有着非常显著的优势。 考虑到相关知识，ABC已经组建了一个专门的团队来开发全新的双燃料方案，该方案与双燃料气体机相比具有相同的优势，此外，还可以显著的减少GHG排放。基于少GHG减排潜力和燃烧特性两方面考虑，ABC选择甲醇和氢气作为双燃料。事实上，这些燃料已经为业内所知，并实现了工业领域的应用，这是一项额外的资产，因为这些燃料将更容易被市场接受。这两种燃料都有其独特的特性，并且在许多方面均与甲烷不同，而这些特性导致其与气体机完全不同的发动机热力学，喷射策略和安全理念。 本文将介绍到目前为止我们的研究和开发过程，主要介绍基于单缸机试验的燃油喷射系统概念、燃烧过程和排放特性，分析并重点突出这两种试验燃料与纯柴油模式和气体机双燃料模式对比的优缺点。 下一步，将讨论针对不同应用环境的安全理念、燃料储存和燃料的实用性等方面，并搭建全尺寸原型机。

颗粒物会造成人体健康问题，例如哮喘和心脏病，甚至增高了死亡率。研究表明，尺寸更小的颗粒在颗粒密集程度和死亡率方面表现出更高的相关性。内燃机已经被提出是都市环境中颗粒物的重要来源。柴油机尾气已经在2012年被世界卫生组织列为致癌物质。另外，在世界海事组织举办的以“世界船舶排放的炭黑对北极的影响”为主题的会议上，黑烟作为促进气候变暖的因素被激烈的讨论。 针对颗粒排放（PM）的法规伴随动力的出现已经存在几十年了，不论在发电还是船舶领域，均通过美国的清洁能源实施办法进行施行。这意味着在此过程中形成了针对PM的测量标准，目前存在2种不同测量颗粒数总重量的标准。直接测量标准是：ISO9096,US-EPA，方法17和方法5应用于能源生成设备，同时稀释法ISO8178-4:2017用于船舶。 颗粒数量（PN）限制措施首次应用时在2013～2014年，主要用于乘用车和重型交通工具，促进了柴油机颗粒过滤器的运用。最新的非路用移动机械表明，PN排放物是可调节的，这也同样适用于内河中大于300kW的船用发动机。尽管对乘用车和重型机械的测量标准在此期间得到了发展，UNECE的颗粒测量程序标准在大型内燃机上很难实施，由于没有兼容的设备和方法，尽管这些方法也适用于小型发动机的瞬态循环测量。因此，针对大型发动机颗粒物测量方法的研究是必须的。 PM和PN的测量结果很大程度取决于测试设备，本文将针对不同的测试设备和实际情况进行评估，包括质疑性观察。由于PN具有难以定义的特性，主要聚焦于PN的测量上。本文也将展示整机采用了不同燃料和后处理系统的测量结果，本文的主旨在于提出大型内燃机PN排放测量的难点,并且说明排放控制区域是如何规定PM和PN排放的。