摘要:本文基于一台四冲程中速发动机试验台架开展瞬态工况的试验研究，该试验台架可以模拟其在船上的实际运行情况。瞬态测量数据与稳态数据进行对比以显示不同特征。进行这些实验研究的主要目标是测定瞬态工况下燃油耗和排放特性。此外，本文详细阐述了微粒排放及微粒尺寸分布。后续又按照标准ISO 8178-4的要求开展了发电工况和螺旋桨工况试验，试验时使用EN590号柴油。测试过程中试验台架上的发动机装配高压共轨燃油喷射系统。 试验首要目的和工作背景是为碳烟模型建立验证基础，该碳烟模型未在本文中进行讨论。其中一种使用实例，将包含碳烟生成模型的排放模型作为模拟缸内燃烧过程的一部分，从而对瞬态工况进行模拟仿真。这可以用于优化发动机运行特性和策略，从而改善燃油消耗及排放的瞬态工作特性，解决了现有的及新型推进系统在航运上日益复杂的问题。此外，这些模型将被用于船用发动机模拟器上，以得到在不同的船舶操控系统中的预测排放的能力。 高强度的瞬态性能还用来表征操控性，通常在船舶加速、减速和转弯时得以体现。此时将带来较高的燃油消耗和尾气排放，通常还会冒黑烟。由于没有针对船舶颗粒物排放的法规，因此至少从美观角度应避免出现可见烟。发动机工作过程仿真工具，尤其是先进的船机模拟器将有利于解决上述问题，本文将根据当前测试数据对未来应用前景进行简要阐述。

摘要:在减碳目标(2050年)和严格的排放法规下,船舶行业面临更大的挑战。排放控制区(ECA)已经对SOx进行限制，2020年硫含量超过0.5wt%的燃油将在全球范围内限制使用。Tier III收紧了NOx排放限制，因此在NOx排放控制区需要新的应对措施。目前，全球范围内未有对PM排放的明确限制要求。然而，随着对微粒排放关注度的增长，欧洲内河已经限制微粒排放，该区域在2020年将进一步限制PN排放。此外，IMO目前的工作包含碳烟问题，预示着碳烟限排时代将要到来。由于许多技术还处于发展阶段和短期供应存在的问题，为满足当前和未来排放限令，对此需要保持密切关注。替代燃料和诸如洗涤器催化器的后处理系统的使用也正在增加。 在先前研究中，在船上和发动机试验室探索了不同的船机减排技术。研究了SOx、NOx等各种气体排放和包含PM、PN 、BC的微粒排放。在2艘船上开展相关测试，其中一艘是装有SCR和混合洗涤器的游轮，另一艘是装有海水清洗器的RoPax船。在实验室对使用硫含量从2.2%到低于0.1%的燃油和生物燃油的一台中速柴油机排放性能进行测试。 另外，还对以天然气作为主要燃料的双燃料发动机进行了相关测试。对高负荷（典型的海上运行工况）和低负荷（典型的港口运行工况）时发动机不同工况进行了研究。 本文展示了不同燃油和后处理系统下气体和微粒排放特性。讨论了相关清洁技术(馏分油、生物燃油、LNG、洗涤器和SCR)对降低船机排放的效果。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 船舶、发动机和螺旋桨的匹配在船舶设计、建造和运行阶段起着重要作用，并被认为对船舶的整个生命周期产生影响。世界主要船用柴油机制造商，如MAN、Wärtsilä、WinGD、Rolls-Royce等，一直在发展其船舶推进系统集成和成套供应业务，逐步成为船舶设计和建造的主流概念，以及未来发展的必然趋势。随着计算机容量的快速发展和应用，回归分析已被许多大学和研究机构应用于船舶、发动机和螺旋桨匹配的计算机辅助设计中，逐步取代了基于设计图的传统方法。然而，匹配过程是一门涉及热力学、物理动力学、流体力学等多学科交叉的学科，给设计平台的开发和应用带来了挑战。因此，建立一个具有良好的灵活性、足够的精度和令人满意的应用便利性的船舶-发动机-螺旋桨匹配平台具有重要意义，可以模拟和评估船舶推进系统的设计特点，改善船舶的航行性能、设计和施工效率。 本文根据船用发动机螺旋桨匹配的原理和过程，研制了一种能够进行设计和匹配的船用推进系统匹配平台。在这个平台中，有几个子模型。首先，采用HoltropMennen法计算船舶阻力，得到不同航速下的船舶有效功率。然后，基于匹配的基本理论和案例研究，建立了一个能够解决6个匹配问题的匹配子模型。最后，对螺旋桨进行空化检查和强度检查，确保设计的螺旋桨满足规范要求。用38800DWT货船对平台进行了标定，表明该匹配平台是合理可行的。 如果本地发动机制造商无法自行设计发动机而只是购买许可证，则没有资源进行匹配研究。 此外，行业中使用的匹配过程有时是不明智的。最后，船主希望看到船舶、螺旋桨和发动机正确匹配的证据，因为不匹配的装置在不同的操作条件下不能令人满意地航行。 因此，这些人员对大学在健全的科学基础上开发的匹配平台感兴趣，使之可以在实际情况中使用。 本文以低速二冲程船用柴油WinGD 5x52为基准，在该综合配套平台的基础上，研究了集装箱船、油轮和散货船3种主要船型的适用吨位范围。X52发动机是WinGD公司新设计的发动机类型，具有结构紧凑、工作范围广的优点。本文以船舶载重吨为变量，通过对影响阻力的参数进行回归分析，计算出某一载重吨的船舶有效功率，从而利用匹配平台预测不同吨位船舶的发动机制动功率。布局区域内的发动机装机功率和转数可根据发动机降额特性选择为CMCR（合同最大连续额定值）点。因此，发动机制动功率和转速（MCR和CSR）是否在现场，决定了发动机在具有特定载重吨的船舶上的应用。因此，通过对5x52发动机的研究，验证了船舶推进系统综合匹配平台的适用性。该平台不仅为船舶设计人员选择和匹配主机提供了参考，而且为某柴油机厂新型发动机的应用提供了理论依据。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 随着船舶运输业的发展，船舶柴油机产生的废气问题越来越严重，相关法规对船舶排放的限制也越来越严格。选择性催化还原（SCR）系统已被证明是去除船用柴油机氮氧化物排放的有效技术。SCR技术的关键在于SCR控制策略的制定，硬件在环技术具有实时性好、研究成本低的优点。 本文重点对一台SCR反应器进行了建模，开发了基于模型的尿素投加控制策略，并对控制策略进行了硬件在环仿真。建立了SCR反应器的数学模型。根据SCR在催化剂上的反应机理，建立了反应器模型，并进行了实验标定。反应器模型还可用于开发基于模型的尿素控制策略，有利于限制发动机突然升温工况下过量的NH3泄漏。基于模型的尿素控制策略需要反应器状态的完整信息。采用基于dspace实时仿真平台的硬件在环仿真试验，验证了控制策略的可靠性。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 如今，许多行业正在经历快速转型。海事部门也不例外，正在经历全行业的中断。瓦锡兰公司在这次改革中发挥了主导作用，并于2017年秋末宣布了其新的智能海洋生态系统战略。 智能海洋生态系统的主要关注领域之一是针对低效率和浪费的不同来源。 例如在最高端，此类浪费可能包括过剩产能，路由效率低下及价值链不足。对于电源和发动机，存在与系统效率、排放足迹、可维护性和自主操作相关的重要机会领域。在这些领域，当发动机是船舶动力源的一部分时，发动机控制起着不可或缺的作用。 中速发动机监控可追溯到20世纪70年代，当时引入了监控和报警系统。例如，瓦锡兰推出了四代自动化系统及新一代发动机。第一个系统仅进行监控，随后在引入第一个共轨燃油喷射发动机时引入控制功能，需要电子喷射控制。从那时起，发动机控制领域已大幅增长。现代化的多燃料四冲程中速发动机控制系统包括数百个测量点和多个气缸控制功能。同时，引入了数据和与周围系统的交互。例如，为实现最佳运行而采用的不同负荷分担方案，以及基于状态的维护服务概念，多年来一直都是该服务的组成部分。然而，计算能力和数据传输带宽的快速增长，以及电池等新电源的引入，增加了发动机控制作为更大生态系统中新价值和优化的推动者之一的重要性。 本文讨论了这种系统需要考虑的重要设计方面，并采用最佳生命周期性能的基础方法。 然后，控制系统如何与周围的电力系统相互作用，以建立最先进的电力系统，最后这个系统如何与船舶、云和岸相互联系，成为智能海洋生态系统的重要组成部分不同的应用程序。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 对于混合动力船舶的优化设计，初步分析所提出的载荷分布提供了系统运行性能的第一个参考点。然而，由于每艘船的实际时间表和需求通常与最初的计划有很大的不同，因此船上能源系统必须以一种非常灵活和经过深思熟虑的方式运行。根据设计动力系统的复杂性及其环境条件，控制系统有较高的可变性。因此，船东和船上船员的决策变得越来越具有挑战性。 利用现代瞬态仿真概念，可以评估不同动力系统配置的潜力，包括新造和改装。特别是电池尺寸对于生态和经济的船舶操作非常重要，在任何能量调查中都需要充分考虑。 在这项研究中，我们提出了一个混合动力柴油-电力传动系统的物理耦合模型。在Dymola仿真环境中，使用Modelica语言对瞬态行为进行仿真。利用语言特定的多物理可能性，可以扩展模型，几乎有各种附加系统，如发动机冷却、余热回收、空调或废气处理系统。此外，甚至可以调查非海事应用，如铁路或电力部门的能源供应。为了控制和优化，热力学模型被集成到一个matlab程序中。 综合模型环境使用简化的运行状态负荷曲线，可以确定船舶电气化对其特定用途的益处。为了保持经济竞争力，复杂度的提高使对负荷分配进行复杂的智能系统控制变得绝对必要。为了满足这一要求，已经实施了一种基于模糊的电池策略，使用户能够设置不同的优先级设置，例如港口排放低、电池寿命长或里程数高。除了探索广泛的操作策略的可能性外，还使用元启发式优化算法来确定所需设置的最佳系统配置。通过这一点，可以轻易评估传统发动机和电池的不同尺寸和数量。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 海事业务必须减少污染并具备可具备持续发展潜力，因此，皆面临着巨大的变化。自2016年以来，低硫矿物油或液化天然气等清洁燃料是ECA地区的标准，也将于2020年引入非ECA地区。 对于某些应用，另一种选择是从公路车辆业务中继承电力驱动技术。因此，在汽车和卡车应用领域的最新技术已被测试，其适用于海洋推进系统。将详细介绍电动或电动支持的混合动力系统及其所需的模块或组件。 重要的技术考虑，如系统效率、复杂性和驱动能力，必须与重量和空间因素一起考虑，这些因素必须经过评估才能将此类系统安装在一个狭窄的机舱中。同时，运营成本等财务因素也起着重要作用，必须深入分析。 在此背景下，本研究将概述船用电驱动系统的选择和限制因素。这项研究是与Siemens Marine合作进行的，该公司负责电力驱动部件的研究，并与汉堡大学合作，对复杂的机械/电气系统进行实时性能模拟。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 柴油机严格的排放法规要求得到满足，导致了目前多孔和超多孔喷油器的广泛应用。这些喷油器有助于提高空气燃料混合物的质量和燃烧，从而有助于在发动机运行期间减少污染物排放。本研究是对一个双层8孔柴油喷嘴的数值模拟（CFD分析）和实验（喷雾动量通量技术）。利用喷雾动量通量技术，同时捕获垂直于每个孔的各种压电传感器上的所有相应的喷雾冲击力。然后计算和分析每个孔的瞬时注入速度，并进行比较。通过实验结果验证模型的正确性，采用三维喷管模型分析了喷管的喷射特性（包括喷油速率和循环喷油量）。通过比较计算出的实验喷油率结果和模拟得出的喷油率（同时从喷油嘴模型的所有孔中获得）进行验证。模拟和实验的注入速率时间历程总体上几乎遵循相同的趋势。比较结果之间的相对误差仅为5%。因此，模型的预测能力在可接受的范围内。所建立的模型对喷嘴孔的瞬时喷射速率和其他流动特性的预测是充分的，可用于研究其他工况下的流动特性。进一步分析表明，下层喷嘴孔（1、3、5、7）的喷油率和循环喷油量比上层喷嘴孔（2、4、6、8）高4～8%。这是因为通过上层喷嘴孔的燃料流经历了更剧烈的重定向和加速（与通过下层喷嘴孔的燃料流相比），因此产生了更高程度的气穴发展。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 柴油点燃的高压气体直接喷射燃烧概念（气体-柴油燃烧概念）能够在高压缩比下使用甲烷含量低的气体，从而提高热效率，同时保持未燃烧碳氢化合物和甲烷的排放量非常低。Woodward L'Orange GmbH开发了一种先进的组合式燃气-柴油喷油器概念，用于燃气-柴油燃烧过程的高速应用。本文在对一台LEC喷油率分析系统和一台排量约为6 dm3的高速单缸发动机进行全面研究的基础上，对该喷油器的样机进行了评估。 首先，讨论了柴油机燃油喷射的挑战和要求，介绍了所研究的柴油机喷油器及其评价方法。接下来，根据LEC喷射速率分析系统的测量结果对喷油器进行了表征。分析了喷油器各气嘴孔的总喷油量与不同工作参数的关系，以及各气嘴孔喷油量特性的偏差和喷-喷波动。基于单缸研究发动机的喷射器验证结果，评估了利用500 bar的最大允许气体喷射压力的益处，并评估了与天然气相比，富氢天然气与发动机的性能和排放。最后，讨论了喷油器行为对发动机结果的影响。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 大口径中低速发动机是大型远洋客货运输船最有效的推进系统。因此，人类能源解决方案的工程师们几十年来一直致力于进一步优化这些系统，以提高效率并减少对环境的影响。近些年来，诸如共轨喷射设备、双燃料发动机、废气再循环或后处理系统等技术进步已被引进。除了许多额外的机械装置外，这些系统还需要自动化和控制。在船舶和发电厂成功地建立了这些技术之后，可以通过加强控制策略来进一步改进。大部分时间的改进是通过同时增强发动机设备和控制系统来实现的。随着新型控制技术的发展，如基于模型的控制技术的发展，已经表明，仅通过复杂的控制策略就可以提高发动机的性能。例如，可以通过停用气缸来减少温室气体排放。有了这项技术，一些气缸被点燃，而另一些气缸则被驱动，这会降低排放，提高效率，尤其是在部分负载运行时。主动气缸在较高的平均有效压力下工作，具有较高的预混合燃烧份额，从而减少排放并提高效率。作为进一步的例子，双燃料发动机可以满足IMO Tier III排放法规，而无须额外的排气后处理系统。过去的缺点是发动机是以液体燃料模式启动的。为了克服这个问题，开发了在燃气运行中启动双燃料发动机的可能性，这有助于利用燃气模式下运行的优势，即使在最低负荷范围内。另一个有趣的控制案例是大型二冲程发动机的废气再循环。该系统最初在发动机低负荷加速过程中出现问题，在这种情况下，观察到烟尘和黑烟的数量增加。多年的研究，包括与几所技术大学的合作，开发先进和简化的废气再循环系统行为模型，新颖的废气再循环控制算法，成功的实际测试活动和多项研究奖项，现在已经发展为MAN 发动机的最成熟先进的EGR控制系统。新的控制概念允许在低负荷范围内更快地加速，而不会形成过多的烟雾。 在所有情况下，都可以保持发动机的机械布局不变，从而减少变量来管理设备成本。除了更好地了解系统行为之外，通过模拟进行的前向加载还可以通过减少设计循环和精确的控制设计实现高效的开发过程。本文将从环境和经济影响方面描述控制功能、开发和测试过程以及优势。