国际海事组织正在加强环境限制。此后，在开发发动机时，有必要考虑IMO限制，如NOx Tire III、BC（炭黑）、硫化物和能效设计指数（EEDI：CO2）。然而，由于NOx和CO2之间存在权衡关系，因此很难同时降低它们。 在本研究中，开发了环保型发动机，研究减少NOx、BC和CO2排放的技术。其中一项技术是旭化成公司开发的氧气还原膜（ORM）。该系统使用一种特殊的膜，通过降低进气或扫气中的氧气浓度来减少NOx排放。它设置在进气侧或扫气侧，所以具体的燃料性质（如硫含量）或燃料类型（如重油、船用柴油和气体燃料）不是考虑的因素。此外，该系统仅使用空气，因此不存在危害环境的可能性。另一种技术是新开发的水混合燃料（WMF）系统，它是一种不使用添加剂的水基技术。在这里，燃油在喷油装置前与水混合，在没有添加剂的情况下产生稳定的燃烧。由于水和燃料混合后，水的汽化热使燃烧温度降低，使生成的NOx减少。此外，由于总喷射量与混合物中的水量成比例增加，因此喷雾过程中的空气量增加，燃烧得到改善，BC和CO2的排放量减少。ORM系统和WMF系统已安装在现役船舶上进行性能测试，在2500总吨位（GT）船舶的发电机上建立了ORM系统，在998GT船舶的发电机上建立了WMF系统。 本研究结果与当前研究结果相结合，明确了以下几点：（1）NOx排放随氧浓度的降低而降低，ORM系统将空气中的氧浓度降低到20%时，NOx排放可以降低约25%，且对油耗无显著影响。（2）998GT船舶采用WFM系统，当混合气中的水比例为15%时，对油耗无明显影响，NOx排放降低约15%，BC量减半。（3）在非ECA区，先通过使用ORM系统或WMF系统减少NOx排放，对油耗没有显著影响，然后利用NOx和燃油成本（SFOC）之间的权衡特性，将SFOC提高1%～3%，使NOx保持不变。（4）在ECA区，通过将ORM和WMF系统结合，NOx排放可以满足IMO TierIII的要求。 最重要的是这些节能系统仅使用空气和水，因此在任何运行条件下都没有潜在的环境危害性。

因对快速瞬态响应不断增长的需求，从而对大型发动机和涡轮增压系统的发展提出了挑战。如今电力市场的特点是供应商种类繁多，但并不总是能够满足需求。因此，需要灵活的电力生产来平衡能源需求。稀燃气体发动机结合了低排放和高效率，适合提供平衡能量和/或运行储备以确保电网稳定性。因此，冷态或预热的发动机必须满足严格的启动要求。发动机和涡轮增压系统参数的详细建模是分析和优化瞬态性能，以及识别限制过程步骤或组件的有效工具。为了研究加载到全功率输出过程，必须特别关注从怠速状态模拟发动机启动的准确性，其中压气机可以作为几乎不可压缩的机器以低速运行，直到压缩比约为2。因此，了解涡轮增压系统在设计工况及非设计工况下的物理特性至关重要。ABB涡轮增压系统将其内部开发的仿真平台ACTUS（涡轮增压系统高级仿真）应用于发动机和涡轮增压系统的仿真。应用的涡轮增压器模型基于3D CFD模拟、涡轮增压器试验台测试及大量发动机测试的丰富经验。针对冷态或预热，以及热态发动机条件对不同通用高速稀燃燃气发动机进行了全面的模拟研究。基于仿真结果，对效率和加速性能方面的不同测量进行了比较：发动机方面（例如混合气浓度、发动机控制、压缩比和气门正时），涡轮增压概念（例如涡轮增压器数量、排气系统）和涡轮增压器设计（例如扩压器布局、匹配、滚子轴承）。此外，将单级涡轮增压器的全功率输出与两级涡轮增压系统进行比较，并就如何优化装备了两级涡轮增压系统的高平均有效压力发动机的效率和加速性能提出指导方针。这些研究显示了不同元素的重要性，这些元素不被视为独立的解决方案，而是作为实现最佳效率和负载响应行为的补充系统。

国际海事组织（IMO）不断加强海事部门的排放限制，特别是必须降低NOx和SOx污染物排放及CO2输出（能效设计指数-EDDI）。因此，对LNG作为清洁燃料的需求和双燃料（DF）发动机的市场份额正在上升。在双燃料发动机中使用不同的燃烧原理要求基础发动机的布局具有较低的压缩比以用于气体模式以防止不稳定的燃烧（爆震）。然而，这种布局导致柴油机操作模式的缺点，其需要更高的压缩比以获得更高的燃料效率。 本文揭示了可变压缩比（VCR）系统如何在发动机运行期间在2个压缩比之间切换，可以应用于DF发动机。通过改变有效长度，VCR连杆可以使上止点处的活塞位置适应所使用的燃烧原理。鉴于操作DF发动机所涉及的特殊挑战（例如峰值气缸压力上升、封装限制、切换间隔数等）和之前的调查，FEV和亚琛工业大学的燃烧研究所开发了一种VCR conrod概念，在conrod内部应用了一种新的功能原理。除了两个压缩比位置外，该系统还配备了两个封闭的机械固定装置及用于活塞冷却的连续供油装置。本文还通过应用有限元分析（FEA）和多体仿真来解决虚拟验证过程（MBS）用于系统的切换行为。还将描述VCR系统针对不同引擎尺寸的扩展性与未来功能测试的背景。最后，使用一维模拟工具分析应用VCR系统的米勒循环DF发动机的热力学效率潜力。

降低NOx排放的要求引发了对不同减排技术的强烈关注。瓦锡兰在开发稀薄燃烧气体机和柴油机方面投入了大量精力，在采用SCR技术后能够满足IMO TIer III NOx排放标准。但基于不同类型的废气再循环（EGR）技术，还有其他一些有趣的技术可以有效降低柴油中的NOx排放。瓦锡兰采用了更多非常规方法以减少NOx¬排放，如直接注水（DWI）。 诸多可行的方法是将废气再循环回进气口，但面临最大的挑战是当使用除超低硫燃料之外的任何其他燃料时，因为硫是冷凝的，冷却废气易形成腐蚀性硫酸，并堵塞EGR冷却器。硫含量越高，越难以避免冷凝，从而造成堵塞和腐蚀。 为了克服上述问题，并允许使用重油（HFO），在实验室中开发并广泛测试了新型EGR技术，即水冷内部EGR（WCIEGR）。在WCIEGR解决方案中没有使用传统的排气冷却器，没有额外的EGR管道和压缩机来引导和驱动EGR返回气缸。相反，通过在排气道喷水或直接气缸喷水的方式，在进气冲程期间重新打开排气阀将排气吸回气缸，从而冷却进气和排气。由于水具有极高的比热容，所以即使EGR率降低也仍然可以大幅减少NOx生成。 发动机试验证明， IMO Tier III与 IMO Tier II模式相比，每循环NOx降低的同时，缸内油耗有一定增加。这意味着发动机可以在不停机的情况下，通过将IMO Tier II和III 2种模式下自由切换，在进出排放控制区域时最小化运营成本。为了实现WCIEGR，需要更高要求的排气阀和高压喷水系统。与更传统的后处理和EGR NOx减排系统相比 ，WCIEGR强调了在增加最大负载裕度方面的诸多优势，即不同气缸配置的可扩展性、辅助系统位置和空间利用率。在所有可能的操作中，控制水喷射和气缸壁之间的交互条件要求很高，需要仔细优化。 本文研究并展示了WCIEGR的优点和挑战，在实现使用HFO满足IMO Tier III NOx排放限值领域提出了一项小而新的技术方案。

国际海事组织（IMO）提出了Tier III阶段严格限制由船用发动机产生的氮氧化物（NOx）排放。根据IMO Tier III要求，在排放控制区（ECA）中运行的船用发动机，在转速小于130r/min时，NOx排放量在3.4g/kW·h以内，与IMO Tier II相比减少了76％。NOx降低量超过了通过改善燃烧过程的优化幅度。因此需要“附加”技术，如废气再循环（EGR），它在车机降低NOx排放方面是一项非常成熟和有效的技术。EGR对船用发动机满足Tier III排放要求至关重要。它的工作原理是将一部分废气再循环回发动机气缸。有两种类型的EGR回路：高压EGR（HP-EGR）回路和低压EGR（LP-EGR）回路。HP-EGR将涡轮机前的废气引回压缩空气歧管；而在LP-EGR回路中，一部分涡轮后废气被引导到压缩机入口。MAN的二冲程船用柴油机使用HP-EGR作为达标Tier III要求的解决方案之一。3个主要机制导致EGR对柴油机燃烧特性和NOx排放产生影响：热机制，由于再循环废气在CO2和H2O浓度的增加，致使比热容增加，进而导致缸内温度下降；稀释机制，由于CO2和H2O的置换效应导致进气氧浓度降低，使缸内燃烧速度和温度降低；化学解离机理，解离燃烧过程中再循环的CO2和H2O，影响燃烧过程和NOx的形成。EGR主要通过降低缸内温度和氧浓度来减少NOx的形成。在本文中，使用三维流体动力学（3D-CFD）软件，通过分析不同的EGR率对额定工况的缸压、比消耗（SFOC）、NOx、Soot、HC和CO排放等，研究了EGR对大缸径二冲程船用柴油机性能和排放的影响。此外，通过3D-CFD仿真给出了等高线图和Φ-T图，分析了当量比、氧浓度、温度和温度分布对缸内燃烧过程中的排放。结果表明，EGR可以明显降低峰值压力和缸内温度，从而减少NOx的形成。从Φ-T中可以看到：当EGR率增加时，Φ-T运行边界向左移动、远离了NOx形成区域，这意味着峰值温度下降和NOx形成减少。在额定工况下，通过使用31％EGR，NOx排放量减少82.21％并达到IMO Tier III水平，同时SFOC增加9.6％，Soot、HC和CO排放分别增加81.7％，341.21％和93.66％。NOx排放与EGR率之间有一个反转S形关系，即当EGR率小于5％或大于35％，NOx排放的变化非常小。当EGR率为超过35％，即使SFOC持续上升，NOx排放也几乎没有变化。随着EGR率增加，总当量比的变化不明显，但在相同的曲柄转角下，由于Φ ∝F/A，最小当量比有小幅上升，进气稀释使A变小，因此Φ更大；由于空气比热容的上升引起压缩温度降低，进而导致燃烧温度急剧下降，使当量比接近1的点火区域缸内燃烧更加恶化；并且由于氧浓度的降低，导致燃烧率快速下降。从等高线图和Φ-T图中可以看出，基本方案中，峰值温度在15°CA ATDC处，缸内燃烧温度大多高于2200 K，同时形成大量的NOx，而当缸内EGR为30％时，燃烧温度很少在2125K以上，因此NOx排放迅速降低，缸内峰值温度也从2600 K降至2400 K。在基本方案中，曲轴转角为35°CA ATDC时，燃烧温度大多高于2200 K，有大量的NOx形成，而在30％EGR情况下，只有一小部分燃烧区域的峰值温度接近2125K，高温区域和峰值温度，即利于NOx生成的面积和数量，也随着EGR率的增加而急剧下降。

传统上，柴油发动机已被广泛用作海上的主要动力源。然而在最近，随着环境问题的日益突出，降低船舶发动机的颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）排放的要求已经引起了高度关注。此外，降低温室气体（GHG），减少化石燃料发动机二氧化碳（CO2）排放的需求也在增加。压缩点火（CI）柴油发动机虽然可以实现高热效率，但同时也产生了较高水平的PM和NOx排放。另一方面，虽然火花点火（SI）压缩天然气（CNG）发动机可以通过使用低碳燃料来减少二氧化碳排放，但是由于热效率较低它们并不能有效地减少二氧化碳排放。双燃料预混压缩点火燃烧概念（DF-PCCI），通常同时采用柴油和CNG，被认为是实现高效率和低二氧化碳排放的解决方案。然而，双燃料燃烧有一些缺点，例如在气门重叠期间的影响下，发动机在低负荷运行时，由于大量淬火和吹扫，导致缸内燃烧效率恶化、碳氢化合物（THC）排放总量较高。THC排放被认为是严重的温室气体之一。在这项研究中，各种混合物形成策略，如通过采用进气节流和废气再循环（EGR），研究了双燃料燃烧模式的低CO2排放特征，并大量降低了淬火现象和提高热效率。根据试验结果，与双燃料燃烧模式相比，选择具有合适当量比和增压温度的混合物形成策略，可以明显降低THC排放。此外，它还可以减少NOx和PM排放，同时满足EU-VI排放法规。最后，混合物形成策略可以实现比传统柴油燃烧更高的热效率，试验结果表明，通过将混合物形成策略与双燃料PCCI燃烧模式相结合，可以减少船用发动机的温室气体排放，如CO2和THC排放。

电站用气体发动机往往面临大幅度加载需求。目前气体机的应用需求已从以往的满负荷长期运行向高瞬变应用的逐渐过渡，但当前气体机的起动加载能力较柴油机还有较大差距。为面对高瞬变、严排放备用电站的市场需求，气体机起动加载时间需降低至30s及以下。由于气体机在其他方面有明显优势，有必要对其进行重点研究，以最终替代柴油机成为应急电站的主要动力方案。 为了提高往复式气体机瞬态性能，本文对某起动加载时间为300s（至满负荷）的颜巴赫气体机的各起动加载过程及各阶段稳定时间进行详细测量和研究。为将目标机起动加载时间缩短270s以上，发动机需进行重大改造： 首先，发动机需保持充分的冷却和润滑，随时具备起动能力。燃气进入气缸的路径需大幅度缩短，因此进气道喷射技术在颜巴赫发动机上得到了广泛应用。该技术方案下，发动机进气中只有新鲜空气而非空气燃气混合物，使在进、排气系统不同位置进行补气以提高发动机瞬态特性成为可能。另外，通过优化气动马达也可有效降低发动机的起动时间。而这些技术的应用均与颜巴赫的Gen2控制系统实现了无缝衔接。各方案的在施工设计之前均通过1维GT power软件和硬件再循环的方式对其效果进行了评估。 研究表明，各技术方案对起动加载性能影响程度的理论评估结果在奥地利的某颜巴赫2MW气体发动机上都得到了验证。最终，超额完成前期设定的目标，将气体机起动加载时间降低至20s以内，较当前起动机平均加载起动时间缩短了90%以上。该研究成果是快速加载电站用气体机起动加载能力提升的一个重要里程碑。

随着发动机特殊用途的定制需求、严苛排放法规及燃料多样性的不断发展，各主机生产商需不断开发各种类型的发动机，导致其产品开发的成本不断攀升，但在当前市场条件下产品售价则往往面临较大压力。 作为降低成本的主要措施之一，发动机零部件的标准化、模块化设计被广泛采纳。基于两级增压及可变气门机构的的柔性进气可调系统，使发动机按运行工况调整进气量成为可能。不受产品用途、环境条件、燃料质量和种类的影响，配气正时可根据排放法规要求、目标性能水平和运行限值进行优化确定。ABB研发的各型两级增压系统和高柔性气门可调机构可有效满足上述需求，系统详细信息在往届CIMAC会议已有详细描述。 本文对如何通过两级增压+可变气门技术提高发动机对环境温度、海拔、燃油种类适应性，控制发动机排温，提升瞬态特性进行了详细研究。并基于某高速发动机的运行区域要求，从上述方面出发，对先进空气管理系统与传统进排气控制方式（废气旁通、进排气旁通等）发动机的性能水平进行了对比评估。

高速内燃机发动机制造商以增加功率密度、提高燃烧效率、降低特定生命周期的成本为目标，不断开发新的发动机平台。10年前，先进的两级涡轮增压技术成功应用于内燃机发电市场，并取得了较好的运行效果。但由于现有发动机部件的机械负荷限制和燃烧过程的影响，采用两级涡轮增压技术时需要重新设计发动机的结构，新的单级涡轮增压是较好的解决方案，其单级增压器压比远高于ABB A100-H系列目前5.8的压比水平，单级涡轮增压器200-H将弥补单级100-H与两级增压技术之间的差距。 深入分析高速内燃机在发电领域的需求和挑战后，一种新型的高压比单级涡轮增压器系列正被开发中，A200-H的应用将会使高速内燃机的性能到达较高的水平，与目前A100-H相比，A200-H可显著提供发动机的功率密度，将在高海拔和高温环境条件下得到推广应用。本文将介绍A200-H的最新进展，重点介绍压气机压比和增压器效率显著提升进展。 本文还描述了与基本负荷相比，未来发电应用面临不同负荷的挑战，例如电力应用方面的削峰和平衡功率。因此，新涡轮增压器系列的总体概念将与数字解决方案带来的机遇和新的服务方法相结合，以优化材料的利用率和客户特定的产品。本文为帮助客户满足对性能改进、正常运行时间保障和降低生命周期成本的需求，对新型增压器产品、专用服务与支持性数字解决方案结合进行深入探讨。

随着二冲程低速发动机在商船推进领域的领先地位，相关技术在实现减排目标方面取得了飞跃。目前新兴的二冲程减排技术包括高压共轨和低压选择性催化还原（SCR）、高压和低压废气再循环（EGR）和低压双燃料燃气模式技术。采用SOx洗涤器作为解决方案之一，以满足2020年限硫法规的要求。国际海事组织最近的可持续发展目标与温室气体排放有关，这进一步增加了开发人员面临的挑战，朝着越来越高效的发动机迈进，并最终转向非石化燃料。 本文论述了涡轮增压技术的进展，使二冲程船用推进发动机在实现零排放的道路上实现短期和中期步骤。 某些减排技术，如SCR和SOx洗涤器，不可避免地会给排气系统带来额外的背压。根据安装过程中的背压大小和发动机的工作特性，这可能会对油耗产生轻微或严重的负面影响。提高涡轮增压效率可以抵消背压增加的影响，最大限度地减少或消除油耗损失。 低压EGR要求涡轮增压器的压气机侧处理经过的排气，因此，先进的材料被开发和应用，以满足可靠性和部件寿命的期望。高压EGR解决方案需要与宽广的压气机map图仔细匹配，以应对运行过程中IMO Tier II和Tire III模式的切换。 在某些工况下提高涡轮增压效率，对涡轮增压参数进行优化，有助于改善低压双燃料发动机的燃气模式的燃烧性能，提高燃油效率。 要实现IMO设定的CO2减排目标，需要进一步提高发动机效率。因此具有尖端性能的涡轮增压解决方案将有助于相关技术的进步。 展望未来，涡轮增压技术将在可持续维护二冲程低速发动机方面发挥关键作用，成为全球商船队的主要推进方法。