论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 混合动力系统已经成为海洋工业发展的新焦点，因为它们承诺为日益增长的环境问题提供解决方案。针对这些挑战，介绍了新技术和先进的控制方法。 本文采用模型预测控制（MPC）的实现方法，研究了混合动力柴油-电力船舶推进系统的能量管理策略问题。利用所开发的方法，基于动力总成实验数据的系统辨识，用数学模型描述了系统的动态行为。已经考虑了影响动力装置性能的各种输入和干扰源。重点是柴油发动机瞬态运行期间的发动机空燃比（λ）值、氮氧化物排放量和燃油消耗量，以及应用于船舶的总负载的变化、动力总成转速及提供给电机用于产生扭矩的控制命令。该装置的模型可用于预测控制器的设计。 MPC是一种复杂的控制方法，它在短时间内根据对未来设备响应的了解，计算出下一步控制输入的最佳序列。在闭环操作期间，遵循从查找表派生的λ值引用。同时，MPC控制器设计用于处理电机可提供的最大扭矩的物理限制，并满足柴油机氮氧化物排放和燃油消耗的操作限制。对功率分配命令进行计算，使预测范围内的性能指标最小化。在性能指标中，对λ参考的跟踪误差、控制指令的振荡，以及违反氮氧化物和燃油消耗限制进行修正。 在船舶工程实验室（LME/NTUA）的混合式柴油-电力实验装置中，对所提出的控制器设计方法进行了评估。确定了2种多输入多输出（MIMO）模型。第一个模型使用预先知道的负荷需求来预测未来的装置行为，而第二个模型使用动力总成的其他信号来估计系统输出。 在柴油-电力混合动力试验台上，在实际运行条件下对控制器的性能进行了实验验证，评估了各种抑制干扰的策略，并在理想的范围内对装置进行了操作。实验研究了螺旋桨、发电机等各种负载情况。结果表明，在处理输入和输出约束的同时，MPC在减少气体排放和提高燃料消耗方面是一种很有前途的控制方法，可以有效地控制核电站的瞬态运行。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 为了提高推进系统的能效，提高天然气发动机在低负荷工况下的性能，如动力特性差、油耗高。本文提出了一种船舶并联气电混合动力推进系统方案，并在仿真平台上建立了该系统的仿真模块。根据混合动力船舶系统的运行特点，选择适合于系统研究的循环条件。以港口拖轮为例，设计了系统的运行周期，计算了系统中电池的平均储能效率。以港口拖轮为例，研究了系统在不同工况、不同杂交程度下的节能效果和节能率，并对系统的实际节能效果进行了评价。结果表明，当系统杂化程度大于0.25时，节能效果较好；当系统杂化程度为0.25～0.35时，系统综合经济性最好。本文得出的结论可为船舶并联气电混合动力推进系统的匹配优化、能量管理策略和设计提供理论依据。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 高压共轨燃油喷射系统是现代柴油机实现节能减排的最新技术。电控喷油器作为系统的关键部件，涉及到喷油过程中的机械场、电子场、磁场和液压场的多能量域耦合。高压共轨燃油喷射系统的循环喷油量特性直接影响柴油机的稳定性和可靠性。试验研究不仅增加了成本，而且费时。另外，在试验条件下，对高压共轨燃油喷射系统在燃油喷射过程中的循环喷油量特性进行深入分析比较困难。因此，研究高压共轨喷油器的数值模拟具有理论和现实意义。目前，高压共轨喷油器的仿真主要集中在商用软件的建模上。此外，流体动力学建模方法中涉及的公式比较复杂，其求解精度随着数值求解方法的复杂性而提高。作为一种图形化的数学建模方法，键合图理论提供了一系列标准化的符号系统，描述了不同物理场中的各种成分，并为不同的能量类别提供了交互效应分析工具。为了合理预测循环喷油量，提出了一种基于键合图理论的高压共轨喷油器数值模型。导出了系统的状态方程。通过状态方程的计算，得到了不同工况下的循环注量特性。同时建立了高压共轨喷油系统循环喷油量测试台架。将不同轨压和脉宽下的循环注入量试验结果和数值模拟结果与最大相对误差小于5.05%进行了比较。因此，开发的高压共轨喷油器键合图数值模型能够准确预测系统的循环喷油量特性。本文的研究结果可为高压共轨燃油喷射系统的多能量域仿真建模和数值计算提供重要参考。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 深海钻井船在油气资源开发中发挥着重要作用。钻井船与其他大型船舶的主要区别在于在船上安装了一套完整的钻井设备。与传统船舶不同，深海钻井船要求更高的安全性能，特别是在发生火灾或有毒气体泄漏时，如果工作人员不能及时发现和处理警报，后果将难以想象。因此，传统的监测报警系统已不再适用于深海钻井船。为了满足安全完整性的要求，必须建立可靠、功能齐全的安全控制系统，保证深海钻井船的安全生产。如何协调安全生产问题也是安全控制系统设计中一个非常重要和困难的问题。在对深海钻井船作业过程进行详细、深入分析的基础上，设计了一套安全控制仿真系统。为了减少误报警，研究了深海钻井船安全保护系统的报警策略和火灾停堆逻辑表决功能，保证了系统逻辑判断的准确性和安全性。此外，本文介绍的安全保护系统可以自动检测危险气体的泄漏，并根据气体浓度的大小区分报警等级。只有达到一定的报警水平，才会触发紧急停车系统，并采取相应的停车措施，保证人员安全，减少对生产的影响，最大限度地减少经济损失。 针对深海钻井船安全保护系统，简要介绍了系统结构的组成，并对系统的安全性进行了讨论。介绍了系统的实现方法，并介绍了一些典型的人机界面设计。最后，对系统的评价和未来的优化方向进行了总结。安全保护系统符合SIL3安全等级标准，支持网络和电源冗余、SOE读取和容错控制。经中国船级社认可，这对今后深海船舶安全系统的发展具有重要意义，值得推广。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 天然气是基于主要气体成分甲烷的各种气体质量的通用名称。因此，它涵盖了与气体成分相关的许多不同质量，包括原料气来源和炼油工艺。天然气可以由合成技术、天然工艺或“可再生能源到天然气”技术生产。天然气网络相互连接，并在战略上与多个来源相连。因此，在给定的位置，气体质量会发生变化，当从一个来源切换到另一个来源时，这些变化可能会很快。此外，在终端用户面临的其他情况下，如从储气罐到燃气管网的现场切换，也可能发生燃气质量的快速变化。此外，当气体仅在罐中可用时，从空罐切换到满罐可能会导致气体质量的显著变化，因为空罐将输送天然气中包含的最重分子，而满罐可能输送最轻的分子。在船舶应用中，推进气体发动机通常由液化天然气储罐的蒸发来提供燃料。当发动机功率超过蒸发流量的容量时，额外的气体流量从油箱底部供给发动机，蒸发是由最轻的天然气分子产生的，特别是当油箱快满的时候。相反，从罐底输送的气体是由最重的天然气分子构成的。因此，产生的混合气质量随发动机负载而变化。在大浪中，螺旋桨上的负载波动通常会导致发动机入口处的气体质量发生快速变化，发动机制造商非常清楚这些情况对燃气发动机内部的燃烧有着深刻的影响。这些燃气发动机大多按照奥托原理运转，奥托原理对甲烷指数很敏感。甲烷指数高（80–90）的气体将从火花点火装置开始提供平稳的燃烧，而甲烷指数低（55-65）的气体则会增加在燃烧室内多个位置自动点火时发生爆震的风险。为了解决这一问题，发动机制造商使用振动传感器和燃烧压力传感器来监测高水平的爆震，并通过改变发动机的调谐将其降低到低水平。通常情况下，这样的管理循环并不总是足够快以匹配突然的气体质量变化，从而导致发动机紧急停机。附加裕度通常是通过保守的发动机调整获得的，例如在上止点之前降低火花点火正时，这会损害发动机的效率。为了克服与奥托原理和快速气体质量变化有关的敲击问题，设计了一种新的传感器，称为NIRIS NG，用于分析燃气发动机入口处的天然气成分。NIRIS NG传感器的设计具有响应时间短（不到一秒钟）的特点，安装简单，维护简单，成本低，以便在所有燃气发动机上实现标准化。NIRIS NG传感器基于近红外光谱法，专门设计用于安装在发动机上。与其他气体质量分析仪相比，NIRIS NG传感器通过使用低成本光学元件和专有的信号处理软件，在能够承受振动和热量的坚固包装内，实现了技术突破。它是一个气管堵塞传感器，提供快速响应时间。通过传感器探测器分析传感器自身发出的光及通过发动机供应管内的气体发出的光。探测器输出信号是一个简单的频谱，然后由计算矩阵处理，以提供气体成分和相关参数。该矩阵是针对每个传感器的，由于气体混合物的数据库，并通过主成分回归和偏最小二乘回归等多变量方法进行计算，因此已在校准步骤的制造过程中预先实现。测量数据通过CAN协议提供给发动机。发动机制造商可以使用发动机电控单元处的甲烷值输入来持续优化火花点火正时和其他发动机执行器。本文将介绍传感器的硬件和软件技术、验证测试以及工业燃气发动机在安装、效率和排放方面的预期优势。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 天然气在全球能源消费总量中所占比例不断扩大，这一趋势预计将在未来几十年内持续下去。面对各种排放法规和个人客户的要求，现代燃气发动机发电的灵活性越来越重要。为了满足这些要求，开发了G20CM34稀燃奥托燃气发动机的不同应用。目标是在广泛变化的边界条件（海拔、环境温度、燃料成分和电厂运行模式）下，在高发动机效率和低氮氧化物排放下分别提供10.5 mw（750 rpm）的额定发动机功率输出。因此，可以提供定制的发动机设置，以满足客户在特定地点的个人需求。除了这些要求外，今天的发电厂还必须满足有关其运行模式和策略的复杂要求。因此，热电联产变得越来越重要。一般来说，利用废热可以减少一次能源需求。从生态学和经济学的角度来看，这是一个理想的目标。因此，除了“纯功率发电机”外，还考虑了卡特彼勒G20CM34的各种应用。其中包括“联合循环”，即通过底部循环产生额外电能，以及“热电联产”模式，即余热用于加热或冷却。根据发电厂的地理位置，这两种技术的组合可以最佳地满足客户需求，从而确保为客户带来经济利益。关键市场用于评估每个应用程序，从而得出系统的技术解决方案。本文对这些方案进行了举例讨论和介绍。其中重点是针对德国市场的CHP应用。在这种情况下，高度灵活的热电联产发电厂作为可再生能源的未来支持者的重要性变得更加明显。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 由于自由活塞直线发电机（FPLG）的特殊结构，燃烧波动大，对其运行有很大的不利影响。本文提出了一种主动式电磁控制方法，该方法能使FPLG在发生剧烈燃烧波动时仍能稳定工作。设计了一种新的发动机结构，发动机两侧各有一个固定的电磁阀，连杆上有2个永久磁铁。在Matlab/Simulink仿真中，当2个循环中喷油量减少20%时，FPLG可以稳定运行。当发动机在运行中成功点火时，电磁阀的最大瞬时功率小于发电机输出功率的14%。此外，该方法还可以实现固定压缩比的运算。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 在过去的20年中，大型低速十字头发动机的设计得到了大力发展，从而显著提高了热效率、燃油经济性和燃烧劣质燃料的能力。通过开发更高的燃烧压力和更好的燃烧特性，可以期望在性能和寿命方面取得进一步进展。这些进步对发动机气缸润滑系统构成了一个持续的挑战。然而，较高的压力、温度和高速运动部件使在临界区提供油膜变得更加困难。特别是近年来，随着高增压、长冲程（又一设计趋势）发动机的广泛应用，加上高粘度、低质、高硫燃油的使用量的增加，气缸油耗率急剧上升，主机气缸润滑已引起越来越多的关注。因此，在节约燃油消耗后，控制石油消耗成为降低船舶营运成本、保护环境的另一个重要途径。新一代发动机的成功甚至将继续取决于其气缸润滑的质量。 本文首先简要回顾了之前开发的电控气缸润滑系统（请参阅2013年上海市第27届CIMAC大会第42篇论文），该系统仍在实际运行中。然后，阐述了推动现有系统结构部件优化和控制策略的动因。这导致了第二代产品的开发，以弥补原有润滑系统的缺陷。本文主要研究了原系统在运行中的缺陷分析及相应的优化设计。优化方案包括简化系统设备、改造传感器安装、提高系统控制功能和精度、提高系统安全性和可靠性、提高系统运行和维护的便利性。在这些改进和优化的基础上，提出了一种新的系统，并对其组成和相应的工作机理进行了描述。最后，在实际发动机上进行了实验室台架试验，并在工作船上进行了后续验证试验。 研究结果表明，本文研制并验证的第二代电控气缸润滑系统，为降低气缸磨损的气缸润滑提供了一种稳定、经济、创新和良好的解决方案，能够很好地满足未来气缸润滑的要求。主要性能数据如下：喷油压力约3.0Mpa；喷油正时精度0.1ms；喷油持续时间不超过15°CA。喷油集中在活塞环组件上，以保证良好的润滑和中和，喷油频率根据发动机负荷、燃油含硫量、气缸油总碱值（总碱值）、气缸套磨合状况等进行调节。在缸套表面保留了薄而均匀的油膜分布，从而节省了气缸机油消耗，降低了颗粒物排放水平，改善了缸套和活塞环的运行条件。实验结果表明，与传统的机械润滑系统相比，该系统的油耗可降低50%以上。此外，第二代润滑系统安装简单，维护方便，在实际船用发动机上运行良好。作为在役船舶的改装，它已安装了120多台船用发动机，回收期不到2年。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 为了减少污染物排放，提高内燃机的热效率，对HCCI、PCCI、LTC等先进技术进行了广泛的研究。喷雾雾化过程是影响发动机性能的关键因素之一，对今后发动机的研究具有重要意义。根据这些技术，喷油压力和涡轮增压缸压力都有了很大的提高。由于发动机的压力和温度很高，已经达到了大多数燃料的临界点，喷雾将经历跨临界或超临界条件。与传统条件相比，燃料的理化性质将有明显的差异，传统的数值模拟模型也将不匹配。因此，有助于了解跨临界和超临界条件下的喷雾和雾化过程。 这项工作的目的是在一个恒定体积的实验室与几个诊断测量和数值分析的主要喷雾特性与设计的三元柴油代用品的实验。本文设计了一个内径为300毫米的模拟船用发动机气缸的定容室，利用纹影技术和直接摄影技术，在超临界环境下进行光学实验，在惰性气体中可以得到6MPa的最大的压力和800K的最大温度。利用多阈值技术处理图像，获得定量的喷雾参数，如蒸汽渗透、液体渗透、扩散角和其他无量纲参数。根据柴油分子量、粘度、密度、十六烷值和HC比等关键参数，建立了3组分替代物的配方。采用一种新的基于CONVERGE软件的超临界喷雾模型，对超临界条件下的雾化和流动过程进行了预测。根据定量喷雾参数，通过实验优化了超临界喷雾模型。 实验结果表明，超临界条件和跨临界条件下的喷雾相变和流动行为有明显差异。与跨临界条件相比，超临界条件下燃料具有较低的粘度和较高的扩散率，这将增强燃料与空气的混合，从而实现完全燃烧和更好的排放。根据这项工作，模拟结果与实验数据一致，参考宏观参数。环境密度、温度和燃料组分对蒸汽透过率、液体透过率和扩散角有明显的影响。一般来说，这项工作有助于了解柴油在跨临界和超临界条件下的喷雾和雾化的详细过程。此外，在上述条件下的化学动力学和反应将在今后的工作中得到讨论。

论文已在温哥华2019年CIMAC大会上发表，论文版权归CIMAC所有。 动力液化天然气是一种很有前途的未来燃料，因为燃料供应量不断增加，固定和移动存储技术也出现在市场上。如今，在大多数应用中，液化天然气在低压燃气发动机中气化和燃烧。在这里，均匀燃烧导致低颗粒和氮氧化物排放。然而，与柴油机相比，甲烷泄漏除了降低比功率外，还具有强烈的温室气体效应，这是这种燃烧概念的一个显著缺点。燃气-柴油燃烧采用高压气体喷射器。天然气燃烧的不均匀性与柴油机中的液体燃料相似，因此解决了当今天然气发动机的几个缺点。首先，甲烷泄漏量减少，接近当今柴油机的水平。其次，几乎不受爆震的限制，气缸的特定功率接近于柴油机的功率。此外，发动机具有良好的瞬态工作特性。国际海事组织最近承诺在未来10~20年内大幅减少海洋部门的气候气体排放，这加大了寻找新解决方案的压力。因此，其他替代能源，如甲醇甚至氨，正成为潜在的燃料选择。提出的喷油器系列准备喷射几种低能液体或气体燃料。高压气体及其他直接喷射的低热量燃料的挑战和设计方法在于它们需要高点火能量才能稳定燃烧。如今，典型的柴油机先导可以使用柴油机作为双燃料应用的备用柴油系统。喷射系统面临的挑战是在气体侧（典型值为200bar至500bar）和液体燃料引燃侧（典型值600至超过2000bar）处理不同的压力水平，以及喷射器在气体和气体之间的不同比率下的操作。 液体燃料（典型值0~100％）。必须注意引燃燃料和气体之间的密封情况，以防止不需要的柴油泄漏到气路中，因为它会影响气体燃烧过程。另一方面，气体泄漏到柴油回路中可能导致液压部件的功能障碍或混合的气液泄漏系统的不希望的复杂性。在大约30年的时间里，L'Orange已经为中速发动机生产了GD喷油器，这些喷油器采用了气体-柴油原理。新的喷油器系列专为高速发动机设计，可以轻易适应中速发动机。它准备为客户提供广泛的新燃烧选择。多针喷油器能够在仅先导模式下喷射压力超过2000 bar的液体先导燃油，并设计为运行至满额定功率。在主燃烧模式（气体模式）中，先导侧在中等压力下操作，而与主燃料的压力无关。这种主要燃料可以是高压气体，也可以是液态燃料，如甲醇或氨。液压概念允许喷射主燃料的最大纯度，同时也提供了防止主燃料从喷射器中失控泄漏的高安全性。这是通过一个内部密封油系统来确保的，该系统包含沿气路的每个气体界面，密封油压力高于气体压力。主燃料针由独立阀门驱动，该阀门可以高度灵活地定位，以允许适合客户发动机概念的包装。喷油器要高度适应广泛的发动机配置。开发了一种高压气体测试装置，用于对480bar以下的调节气体进行喷油器测试。与仪器供应商合作，对测量装置进行了优化，从而可以测量系统的注入速率。非反应性和反应性喷雾室中的气体注入可视化给出了喷嘴的传播行为和主导设计参数的信息。这些研究得到了注气脉冲测量的支持。这里有几个研究项目为全面了解高压注气提供了投入。通过功能测试和短期耐久性测试，对SCE燃烧前景进行了展望，并将该系统应用于不同研究设施下的单缸发动机。第一个结果表明，达到了CH4排放的目标。燃烧系统的众多参数显示了发动机燃烧的广泛形态。