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。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 Winterthur Gas＆Diesel正在开发一种新的控制系统，以满足数字发动机控制系统控制方面和诊断能力不断提高的需求，主要功能包括硬件组件的模块化设计，对于二冲程发动机，包括MCU（主控制单元），CCU（气缸控制模块）和GTU（网关单元）。 除了常规的连接，如SSI和总线系统（CAN），还将应用更强大的以太网总线结构。通过安装冗余以太网环，实现了适用于功能更强大的监控和诊断系统的数据采集平台。 软件架构根据最新概念分为多个层次。系统软件（包括软件基础的所有元素）是新开发的，可在实时操作系统（带Linux内核的RTOS）上运行。 使用图形开发工具（MATLAB /Simulink），模块化应用软件从现有控制应用程序到新控制硬件的传输重用现有经验，包括用户和客户反馈，以改进发动机控制并便于调试和操作。 此外，通过最佳用户和客户反馈选择调试工具，并通过采用现代GUI功能适应新硬件和系统软件。 由于该开发是CSSC创新计划的一部分，该架构是完全模块化的，这使得技术解决方案可以轻松适应海洋环境中的未来需求。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 越来越多的人关注环境污染及减少硫磺等海洋应用的法律法规，迫切需求瑞典破冰船队的先进技术解决方案。最先进的电子燃油喷射（EFI）系统通过对HEINZMANN改造技术的适度投资，为长期、生态和经济的发动机寿命提供了关键。 瑞典海事局（SMA）是瑞典破冰船的母公司，波罗的海即将出台的硫排放控制区限制形成了有关注入系统的现代要求。SMA被认为是政府机构的一个榜样，也是波罗的海的一个创新概念，从1977年建造的破冰船YMER的升级项目开始，研究了他们破冰船船队的技术可能性。在现场调查期间，HEINZMANN的发动机和电喷专家审查了对S.E.M.T. Pielstick生产的五台主要发动机PC2-2实施电喷系统的可行性和收益率。实施HEINZMANN共轨（CR）电喷系统显然是为了应对未来船舶的挑战。最初，发动机使用的是重质燃油（HFO）。然而，在波罗的海破冰船的瞬态工作剖面中，发现海洋天然气油是最有益的可燃物。此外，该系统是为较轻的HFO混合物开发的，如ISO-8217所述。 为了从原始图纸中获得改造概念规范数据，进行了包括发动机测量在内的现场调查，并建立了高压燃油管道和轨道系统的模型。作为概念证明和确定项目第一阶段提高发动机效率的方法，在2013年，五分之一的主发动机通过Heinzmann CR-EFI系统进行了改装。调试工作包括拆除旧的燃油喷射系统、用新过滤器升级燃油供应系统、安装本地操作面板、从工程室远程接线、安装CR泵和CR喷射器、安装轨道系统、控制器编程，包括喷射和轨压绘图、紧急停机系统、过压保护、集成到船舶自动化系统以及传感器和监控设备的应用。第二台主发动机在相同的条件下持续运行，以获得可比和实际的现场效率额定值。 在整个2013～2015年测试期间，系统被永久监控。在这次广泛的海上试验中发生了一些小的技术问题。从基本工程概念成功实施以来，所有问题都可以被迅速解决。除了主要目标之外，还研究了诸如废气再循环和顺序注入歧管的附加特征并进行了现场测试。在测试期之后，证明了无须额外组件的普通CR-EFI安装即可满足排放（IMO / Tier I）和消耗目标。在此测试期间，船东SMA对发动机进行了新的涡轮增压升级，以进一步提高发动机效率并仍能达到排放目标。基于卓越的性能，超过百分之五的燃油节省，通过达到一级减排，减少30％的振动水平，加上减少维护费用和努力和消除黑烟排放，决定转换剩余的四个主要引擎是有理由的。 2016年夏末，HEINZMANN CR电喷系统进行了4次改造。以前，发动机转速固定为485转/分。试验表明，根据发动机的负载情况，引入变速图可以进一步降低燃油消耗。此外，采用了名为“Green Drive”的变速选项后，润滑油消耗量降低了50%。在安装过程中，燃油供应和过滤系统在YMER总工程师的领导下重新布线，以接受新部件。随后，对固定和变速及排放测量的最终映射进行了执行和测试。完成后，在海上试验期间验证了与船舶自动化系统的集成。根据这些测量结果，已颁发废气排放证书。从2016～2017年破冰季开始，该船的主要推进系统由HEINZMANN提供的CR-EFI系统操作。从这段时间开始，这个装置就以优异的性能给人留下了深刻的印象。目前，投资回报率研究是为了根据有效投资来分析总拥有成本。考虑到这些结果，将对未来导向的瑞典破冰船船队中的姊妹船进行进一步的共轨改造。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 电池辅助推进解决方案在海洋中的应用越来越广泛，特别是由于动力需求的内在变化，拖船和挖泥船、短程渡船和各种海上支持船等几种特种船舶特别适合这种混合动力系统。因此，运营成本和资本成本都很容易实现大幅降低。然而，混合动力也可以在各种其他应用中证明是有用的。例如，在排放控制区域，混合动力系统允许船舶在零排放的情况下运行，或在性质脆弱的区域大幅降低噪音水平。为了实现混合动力系统解决方案所能提供的所有益处，必须在早期设计阶段优化此类系统的尺寸和控制。随着计算资源的发展，仿真为系统性能的早期评估和优化提供了有力的手段。此外，由控制、电气和机械领域，以及基于CFD的船体和螺旋桨替代模型组成的仿真模型使分析和优化上述所有领域成为可能。例如，从模型中可以直接看到由载荷变化引起的齿轮应力，如果出现问题，可以通过改变控制算法而不是重新设计齿轮来缓解。本文介绍了一个由主发动机通过带PTI/PTO的双速齿轮与可调螺距螺旋桨耦合而成的混合动力系统，或者更简单地说，是一个与变速箱相连的电动发电机和一个蓄电池组成的混合动力系统。提出了2种不同的PTI/PTO控制策略在不同负载下的结果，采用扭矩或基于速度的控制策略。系统的功能通过一个Simulink模型进行模拟，该模型由带控制的动力系统、螺旋桨和船舶模型组成。根据控制策略的选择，在动态海况下的发动机负荷有明显的差异，还对混合动力系统在动态海况下的燃油消耗效益进行了定性分析。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 聚合物电解质燃料电池（PEFC）能够高效运行，减少温室气体排放，并符合废气（SOx、NOx和PM）法规。因此，船用燃料电池的应用将是减少环境影响、解决能源危机的有效手段。提高耐久性、可靠性和耐受海洋环境中常见的恶劣条件（如船舶振动和海盐暴露）的能力，对海洋燃料电池的商业化至关重要。燃料电池系统由电池组和辅助装置组成，如冷却、氢气和空气供给和加湿系统。多个单体电池通常串联在一起产生高输出功率，即使是单个电池的异常运行也会导致整个电池组的故障。因此，检测船舶燃料电池的异常运行状况，对于提高船舶燃料电池的耐久性和可靠性，保证船舶燃料电池的长期安全稳定运行至关重要。 本文研究了由辅助装置故障引起的电池温度、供气流量和相对湿度异常变化对等效电路模型中电阻、电荷转移和传质电阻的影响，应用电化学阻抗谱分析。降低空气流速会减少从分离器流道到电极的氧气供应，这会增加传质阻力，从而降低电池性能。提高电池温度和降低供应气体湿度都会降低膜的质子导电性，从而提高欧姆电阻。维持膜的水化是获得足够的质子导电性的关键。然而，过高的气体湿度会促进水浸，这意味着电极、气体扩散层和流动通道中积聚了过量的水，从而增加了质量传递阻力。为了提高燃料电池的性能和耐久性，必须防止薄膜脱水和浸水。气体扩散层（GDLS）包覆疏水微孔层（MPL）是改善燃料电池水管理的常用方法。然而，设计用于在低湿度条件下防止膜脱水的疏水性MPL涂层GDL在降低高湿度条件下的淹水方面通常较差。因此，与传统MPL涂层GDL相比，开发了一种含亲水性碳纳米管的MPL涂层GDL，以进一步提高低湿度和高湿度条件下的性能。 还评价了向阴极进气中注入氯化钠溶液对电池性能的影响。注入氯化钠溶液后，恒电流密度下的电池电压降低。钠离子置换膜中的质子会降低质子的导电性。氯离子阻断活性铂位点，加速铂的溶解。这些效应降低了催化剂层的总活性面积。在阴极气流中存在氯化钠会增加所有电阻，从而降低电池性能。然而，电荷转移电阻的增加是最显著的。最后，评价了检测到氯化钠污染导致的性能下降后，用蒸馏水代替氯化钠溶液的效果。在性能退化初期，催化剂层的铂对氯离子吸附程度相对较低。在开始注入蒸馏水后，电池电压逐渐升高，并达到一个恒定值，与正常条件下获得的没有氯化钠污染的恢复值相比，恢复值为97%。在初始检测到异常操作条件后注入蒸馏水，可以有效地恢复电池早期的性能。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 新型二冲程和四冲程燃气发动机的开发越来越多地渗透到操作区域中，这些操作区域需要非常精确地了解每个气缸中燃烧过程的当前状态，以实现可靠的控制和监控概念。闭环燃烧控制（CLCC）已在新一代燃气发动机中建立起来，即使使用各种类型的燃料，也能使发动机效率极高。由于在速度范围为100~1800 rpm的小型、中型和大型燃气发动机上平均指示有效压力越来越高，所需的气缸压力传感器会受到越来越多的操作和环境条件的影响。未来的气缸压力传感器要求更加坚固，更具高精度和长期稳定性。开发了一种带有前膜的M10或M14螺纹的新型传感器。该传感器具有极高的鲁棒性，满足高精度、低动态和静态零漂的要求。获得专利的传感器通过特殊设计的测量弹簧传输压力。在测量表面（测量弹簧的一部分）上形成具有相同拉伸强度和压缩强度的区域。由于测量表面容易变形，因此采用了高温薄膜技术中的电阻桥。根据应变的大小，电压信号将按压力变化的比例进行测量。由于其特殊的结构，测量弹簧能够抵抗异常燃烧，具有高达1000 bar/ms的极高压力，同时达到发动机控制的高热力学精度。它的设计负载周期超过10亿次。一种专门开发的耐高温陶瓷，可在最高400°C的温度下使用，为传感器的电气连接提供了基础。测量弹簧和陶瓷垫的电阻结构通过线键连接，因此电气连接可承受350°C以上的温度。传感器的良好热力学特性使气缸压力测量具有高精度，这使得它非常适合发动机控制。与水冷压电参考传感器相比，单缸试验发动机的热力学评估证实了其准确性。与参考值相比，1500 rpm时18 bar IMEP的测量PMI偏差为0.5 bar。该传感器的性能不仅在IMES试验发动机上进行了内部热力学试验，而且在双燃料船发动机上进行了成功的试验。自2017年3月起，传感器安装在瑞典沥青运输车BIT VIKING上，并安装在加勒比地区的动力驳船上，配备6缸18缸瓦锡兰双燃料发动机。连续工作7000小时后的评估结果与传感器的原始校准相比，跨度误差小于0.5%。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。介绍 由于涡轮增压器、活塞和气门的内部存在泄漏，每台内燃机都需要对曲轴箱进行排气。这些泄漏称为窜气。窜气成分主要包括空气、油滴、未燃燃料和废气排放。这些气体主要通过OCV（打开曲轴箱通风）排放到大气中。或者，另一种解决方案是通过气门扫气来收集窜气并通过进气口重定向，然后通过CCV（封闭曲轴箱通风）循环到曲轴箱。CCV因其环保和经济效益而成为当今的首选技术。 为什么CCV用于大型发动机？ 许多大型燃气或柴油发动机制造商不在其发动机上使用闭式曲轴箱通风（CCV）。开放式曲轴箱通风（OCV）仍然是无数发动机应用中的主流，导致浪费和排放大量有毒气体到环境中。例如，一艘没有过滤曲轴箱窜气的游轮每年通过曲轴箱通风排放约700至2000升润滑油。考虑到世界范围内有大量的邮轮和海运船只，包括航行在水道上的渡轮，而且在这些船只上还增加了发电装置，这会给我们的环境带来令人震惊的不必要的污染。此外，与CCV相比，OCV的油耗要高得多。装有OCV的燃气发动机通过曲轴箱通风将大量未燃烧的甲烷排放到大气中，会造成更严重的负面影响，例如： -甲烷对全球变暖的影响 -燃烧过程燃料损失 所有这些污染和低效率都可以用成熟的CCV技术来消除。 EPA Tier 4 Final成为关键驱动因素 几十年来，环境因素使CCV成为乘用车的强制性要求，但是这还没有成为大型发动机的标准是个谜。也许立法部门还没有意识到CCV技术也适用于大型发动机。然而，一些发动机制造商认识到，自从美国环保署推出Tier 4 Final以来，情况将发生变化。为了符合Tier 4最终排放标准，大多数OCV发动机将需要新的排放控制技术。并非所有的发动机都需要获得EPA Tier 4最终版，但测量曲轴箱通风排放量将是复杂和强制性的。随着更严格的大型发动机排放法规的制定，清洁窜气最终将成为一个合法的标准。 有说服力的益处 目前，油雾分离的现代过滤系统已经很容易得到。将OCV改为CCV系统的费用很低，在某些情况下，CCV可以比OCV成本低，而且实现速度快。由于以下原因，转换为CCV将产生巨大的效益，使其成为发动机和工厂制造商以及运营商的双赢局面： CCV +减少现有和未来排放法规的问题 +增加机舱或甲板上的安全，因为油雾不会排放到大气中 +与接触网相比大大降低了油耗，从而降低了运行成本和安装成本。最后，燃气或DF发动机的效率将提高0.7%。 +大型发动机的运营商可以根据CCV技术的环境友好性推广绿色环保概念 结论 CCV等高效油雾分离技术降低了发动机运行成本，提高了现场安全性，消除了环境法规的潜在问题。这是一项行之有效的技术。它可以防止油雾和废气排放到大气中。 近20年来，UT99在为250kW至32MW的大型发动机提供CCV解决方案方面一直处于领先地位。通过压力调节装置和长期的实践经验，CCV过滤器的操作简单，维护计划可预测。根据发动机制造商的定义，曲轴箱压力值的单位设置可确保油雾分离按照规格24/7工作。此外，残余油雾传感器将指示过滤器的预测性维护。 本文将对大型发动机OCV与CCV的主要区别、相关成本（包括经济效益和生态效益）进行实证分析。