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。

根据IMO描述炭黑的产生规律，船舶产生的炭黑被视为造成空气污染及全球气候变暖的一种物质。IMO的MEPC委员会正在通过下级组织PPR对炭黑的定义、测量和控制方法展开工作。在MEPC的第68届会议上，通过了来自PPR第二届会议中关于炭黑的定义，第四届PPR会议上，对成员国及国际组织自发进行的研究成果进行了收集，该会议回顾了第三届会议上提出的测量方法及草案。作为该活动的一部分，本文研究了低速机（7400kW，二冲程）、中速机（1920kW，四冲程）、高速机（403kW，四冲程）的炭黑排放特性，上述发动机被安装在绿色船舶测试和认证中心，该中心采用了FSN过滤方法。由FSN转化成的等价炭黑质量分为如下：低速机为0.02~2.53mg/m3，中速机为0.87~6.89mg/m3，高速机为22.42~35.92mg/m3，如果炭黑排放规律在未来逐渐收紧，且呈线性增加，可以预测安装后处理设备可以作为满足炭黑排放法规的一种选择。本文研究了在中低速机上安装静电沉淀剂，高速机上安装DPF，通过这2种排放后处理方式来降低炭黑，并且额外配置了同样的炭黑消除测试系统。由于采用后处理系统消除炭黑的效率超过90%，在发动机特定工况下，配置静电沉淀剂的低速机等价炭黑质量比一般测量设备的测量精度（0.02mg/m3）低，因此，在采用FSN方法来评价后处理系统时，必须要扩大测量范围，并校准设备以保证测量结果的可信度。

本文基于二冲程重油柴油机开展仿真研究，该仿真模型通过实验数据进行验证。基于该仿真模型研究了EGR、进气加湿、喷油时刻、米勒循环等措施对降低Nox排放的作用。结果表明，米勒循环、进气加湿、喷油时刻可以降低NOx排放，但是效果并不明显。满足Tier III排放要求EGR率需要达到28%，同时存在较高的燃油消耗。采用21%的EGR率和排气门晚关20ºCA的方法是较优的技术路线，可以在不降低燃油消耗率的基础上将NOx排放降低3.14g/kWh。采用21%的EGR率和第二种进气加湿方案可以将NOx排放降低1.43g/kWh，但燃油消耗率也有所提高。而采用EGR结合米勒循环以及进气加湿，可以在降低NOx排放方面有较好的结果

柴油机由于其高功率输出、高传热效率和耐用性被广泛的应用于船舶、发电、运输和农业机械行业。但是，柴油扩散燃烧方式会导致高颗粒（PM）排放值。柴油微粒的尺寸有90%在1~1000nm的范围内，并且占了排放颗粒数量（PN）的主要部分，也是雾霾的主要组成成分。在柴油机中采用新的燃烧方式和混合燃料，排放的颗粒质量会降低，但微小颗粒的比例会显著上升。目前，DPF是公认降低颗粒排放最有效的措施，并且，成为满足柴油机严苛排放要求的标准配置。即使DFP的颗粒捕获率能到达90%以上，但对于晶核颗粒（活动直径＜50nm）的捕获效率是极低的。增加壁厚和降低微孔直径可以提高DPF的捕获效率，但是会造成DPF压损的增高，以及发动机性能的退化。双极带电凝结的方法如下：当颗粒经过高电压环放电形成的充电区域时，会被充上相异的电荷。在混流运输过程中，带电粒子之间由于库伦力和相象力会相互碰撞，促进微小颗粒凝结成为较大的颗粒，从而降低PN，且无须改变DPF过滤器的结构直径，采用双极带电凝结方法可以提高DPF对微小颗粒的捕获效率。 在本文的研究中，柴油机尾气排放系统应用了自研线柱式放电设备，并以此来评估双极带电凝结方案在微小颗粒捕获上的效果。采用Zeta电压和质量比例充电方法研究了颗粒大小、放电反应的结构参数和柴油机颗粒充电特性的金属附加性。研究结果表面：更高的电压有助于颗粒的充电，并且反向放电拥有更低的初始电压、更高的衰减电压和更优的充电效果，这也更加适合颗粒的充电。在同样的电场条件下，放出电压越高，单个颗粒的带电电荷及电荷-质量比会显著升高，从而提高了Zeta电压的绝对值。金属附加性可使碳微晶达到低能量稳定性，并且能提高粒子表面电荷的数量。采用20kV的放电电压和小直径铜电极时，放电反应能够获得最佳的充电效果。 此外，本文通过电荷移动、PM样本分析系统和观测微观电子等方法，研究了充电凝结在粒子颗粒大小分布，DPF捕获效率及分布的影响。研究结果表明：采用双电极充电凝结可以减低柴油机尾气排放颗粒中的集中总数，提高数量平均直径（CDM）和质量平均直径（CMM）。提高放电电压，直径低于93nm的颗粒数量会降低，直径大于93nm的堆积颗粒数量会升高。在额定条件及20kV，平均颗粒集中数会降低22%,10~20nm的颗粒数甚至可降低60%，CDM和CMM分别降低20%和13%。双极电荷凝结能同时提高颗粒质量和DPF颗粒捕获数量。按照欧标稳态循环，放电电压从0提高至10kV时，平均颗粒质量捕获效率提高了11%。在额定条件下，对于直径在6~17nm之间的颗粒，捕获效率从60%提高至75%，对于直径在17~220nm的颗粒捕获效率从81%提高至91%。随着放电电压的升高，颗粒的重量分布及DPF压降均提高，但是，壁面沿着DPF轴向通道方向的渗出速度是降低的。此外，在DPF中充电凝结的颗粒分布变得更加的均匀。 本文采用双极带电凝结协同DPF能够有效的捕获柴油机尾气中的微粒，并且将柴油尾气中的颗粒排放由质量控制转变为数量控制

利用50%的NaOH作为脱硫剂，自主设计的船用废气脱硫装置在6EX340EF型柴油发动机实现废气脱硫化试验。试验中，通过改变冲洗水流速、PH值、温度及柴油机运行工况等参数研究其对脱硫效率及整体系统压降的影响。试验结果表明，冲洗水流速对脱硫效率有显著的影响，而对压降几乎没有影响。冲洗水PH值对脱硫效率有明显的影响，冲洗水的适宜PH值为7.5~8.0，冲洗水温度对脱硫效率也有影响，并存在最优的温度范围。当柴油机运行工况上升时，装置的脱硫效率是降低的，并且系统总压降同运行工况是成比例的。

摘要：随着双燃料发动机在船舶领域中的广泛应用，甲烷逃逸已经引起了持续高度关注，因为甲烷的温室效应是二氧化碳的28倍。甲烷需要在温度超过600℃时才会发生C-H键断裂氧化，而稀薄燃烧的双燃料发动机的排气温度在400℃以下，故采用后处理技术控制甲烷逃逸是一个巨大的挑战，在排气温度较低的情况下，催化氧化是一种技术方案，但仍未解决催化剂降解和甲烷转化比的关系。 为了解决在低温废气下的甲烷转化问题，本文研究了使用非均质低温等离子DBD技术催化激活低温下的甲烷活性。等离子反应器固定在管状火炉中，从不同的稀有金属中提取出来的钯、铂催化剂分别放置在反应器的下游放电区。分别开展单独等离子和等离子-催化条件下的对比研究。通过试验，对输入功率、混合气体流动率、混合燃气温度和甲烷初始浓度对甲烷转化效率的影响及CO、CO2的选择性均进行了研究。另外，在催化剂方面，研究了不同稀有金属的影响情况。最终确认了甲烷转化效率最高的最佳条件。而且，低温等离子技术能大幅降低甲烷反应温度。相比单独等离子体方案，等离子体-催化剂方案即便在排气温度低的情况下，通过提高等离子反应器的功率可以使甲烷的反应效率提高。 译者简介： 李垂孝，男，32，中国船舶重工集团公司第七一一研究所，工程师，研究方向：发动机性能。 翻译：李垂孝 校对：李翔

尽管当前全球动力市场正在发生变化，但内燃机仍起到重要的作用。相比于传统的柴油燃料发动机，采用稀薄燃烧的天然气发动机由于高经济性和环境友好性而被广泛研究和应用，而且相比于2008年，IMO已经初步制定政策：到2030年，至少降低船舶GHG40%排放；到2050年，至少降低50%排放。为了达到上述环境目标，寻找比柴油更低，甚至零碳排放的燃料显得更为迫切。由于甲烷相比于CO2的温室效应更强，法规对未燃碳氢，尤其是甲烷的要求更加严格，这也限制了诸如德国或荷兰在CHP市场的天然气销量。对于航运业，IMO的政策并没有忽略这样的一个事实：随着甲烷排放的快速发展，LNG燃料混合物的份额也越来越高（虽然全球航运的基数低，但是这与发动机的燃烧过程有关）。由于CH4的氧化需要极高的激活能量, 因此对于稀燃发动机应对最严格排放设定标准而采用的甲烷排放技术，其商业可行性仍旧是受到限制的。 本文研究了在小的热电单元中采用2种不同的方案降低高速稀薄燃烧开式燃烧室气体机的甲烷逃逸。第一种方案是集中在燃料方面，具体研究在天然气和沼气中添加不同体积分数的氢气（2.5VOL.-%,5 VOL.-%，8 VOL.-%）。通常调节点火正时对循环变动、热效率、CO和碳氢排放会有积极作用，同时一定程度上降低NOx排放。当氢气浓度为88VOL.-%时，甲烷逃逸量将减小10%。因此，诸如天然气中添氢的措施能够提高燃烧性能和稀薄燃烧发动机的品质。高氢气掺混比可以实现非常低的甲烷逃逸。 稀薄燃烧较低的排气温度对催化甲烷是一大挑战，因此，一项关于采用局部电加热的钯金属网催化后处理装置已用于试验。为了获得一个基本对机制和过程的理解，针对停留时间、过量空气系数、最关键的局部温度、电功率等不同参数进行了研究。试验结果表明，局部加热废气的方式可以减小甲烷排放至两位数ppm水平。通过改变加热顺序和催化剂金属网结构，能够很好的体现局部加热反应加速的重要性。从概念研究中得出的重要结论可以进一步借助研究项目的具体工作包展开研究，目的是增加对在线甲烷氧化机制的理解和当前排序的设计优化，进而开发出一整套用于发动机的测试系统。上述研究信息和数据的分析将会有力的支撑安装在挪威的渡轮上的大型船用天然气发动机的测试设备的改进提升。 关键词：甲烷逃逸；开放式燃烧室；稀薄燃烧；气体机 译者简介： 李垂孝，男，32，中国船舶重工集团公司第七一一研究所，工程师，研究方向：发动机性能。 翻译：李垂孝 校对：李翔