大功率船舶发动机高强化低碳零碳燃烧技术与创新人才培养

　　一、大功率船舶发动机自主创新是国家创新驱动发展战略的重要任务之一

　　党的二十大报告中将“加快实施创新驱动发展战略,加快实现高水平科技自立自强”作为重要战略目标。船舶工业是支撑国民经济和国防建设的战略性产业，在加快建设海洋强国、制造强国、交通强国等国家战略规划中都具有重要的战略地位。发动机是船舶的“心脏”，大功率船舶发动机占船舶建造成本的 30%-40%、运营成本的 70%，是保证船舶安全、可靠、高效运行的核心装备。但是，我国船舶发动机长期依赖引进专利技术生产，关键技术和关重 件配套受制于人，缺乏船舶发动机自主研发能力，难以支撑船舶工业高质量发展的需要，使船舶工业的可持续发展和贸易运输安全面临巨大风险。特别是随着“双碳”战略的实施，以低碳/零碳船舶发动机技术为代表的新一轮技术革命已经展开，欧、美、日等国家已经率先开展低碳/零碳燃料发动机技术研究和产品开发，在船舶法规和标准上占具主导地位，掌控国际海事的话语权，使我国船舶行业发展面临新的严峻挑战。因此，我国针对大功率船舶发动机的自主创新进行了具体规划部署，《中国制造 2025》重点领域技术路线图中将船用大型低速发动机列为重点产品，工信部等 6 部委联合发布的《船舶工业深化结构调整加快转型升级行动计划(2016-2020 年)》中提出了船舶发动机的基础共性技术研发和品牌竞争力提升目标，工信部《船舶工业中长期发展规划(2021-2035 年)》对船舶发动机能力提升进一步做出了明确规划，船舶发动机自主研发能力建设和新产品开发已列入国家发展战略。

　　二、大功率船舶发动机燃烧技术瓶颈问题

　　燃烧是船舶发动机的核心过程，燃烧基础理论及其调控机制的创新是船舶发动机技术创新的源头，是实现船舶发动机自主研发和创新的必要环节。高功率密度、高热效率、高可靠性和低排放是船舶发动机不断追求的核心指标。特别是高功率密度和高热效率是大功率船舶发动机燃烧系统设计的首先要考虑的指标。通常大功率船舶发动机需要采用大流量高压燃料喷射和高增压实现大量燃料急速燃烧，缩短燃烧持续期，形成高强化燃烧，获得更高功率密度。然而，急速燃烧会导致热损失与热负荷、机械损失与机械负荷都大幅增加，从而降低热效率和可靠性，使功率密度和热效率提升困难。

　　如图1所示，大功率船舶发动机具有缸内空间尺度大(国产最大缸径920mm)、压力及温度(着火前压缩压力16MPa以上、温度1000K以上)等燃烧边界条件高、缸内火焰分布不均匀的特点，大流量高压喷雾火焰特性及其高强化燃烧过程与现有理论存在较大的不同，并且目前仍缺少对大流量高压喷雾火焰特性与燃烧过程的内在联系的理论认知。同时，随着船舶温室气体排放法规的日益严格，使用氨燃料已经成为未来船舶发动机实现低碳和零碳排放的主要技术路线之一。然而，氨燃料能量密度低、着火能量高、燃烧速率慢，导致氨燃料船舶发动机着火困难和热效率低，难以实现高效稳定燃烧，进一步增加了大功率低碳船舶发动机缸内燃烧的复杂性。

　　因此，本案例针对自主研发大功率船舶发动机功率密度和热效率难以提升并导致整机可靠性差等“卡脖子”问题，发展大视场高耐压喷雾火焰可视化测试技术，揭示大流量高压喷雾火焰发展机理，提出急速可控燃烧理论与技术，实现了功率密度与热效率的同步提升，有力支撑了我国全部5型船舶发动机的自主研发。同时，为落实“双碳”战略目标，针对氨燃料发动机燃烧的技术瓶颈，提出了氨-柴油分层喷射燃烧技术与氨燃料发动机分缸重整活性定压压燃技术，实现了氨燃料船舶发动机高效稳定燃烧。并开展新型动力技术研究，开发了两阶热循环氨燃料直线发动机，理论热效率达到60%以上，为低碳零碳船舶发动机的自主创新奠定了技术基础。

　技术瓶颈与科学问题概况

　　三、主要创新成果和突出贡献

　　3.1建立了高功率密度条件下大流量高压喷雾火焰基础理论

　　突破了高功率密度柴油机大流量高压喷雾火焰测试技术，国际上首次研制了耐压35MPa条件下大视场可视化测试系统，创新提出了能够准确预测大流量高压燃料喷射形成的长贯穿高浓度喷雾发展的数学模型和喷雾火焰概念模型，解决了我国第三代船舶中高速柴油机自主研发中缺乏喷雾火焰基础数据和模型的问题。进一步构建了可变喷油率的柴油喷雾模型，采用该模型实现基于模型的油气混合控制技术，解决了由于燃烧恶化导致转速波动率过大的问题，。

　　技术瓶颈与科学问题：

　　高功率密度船舶柴油机的大流量高压喷雾火焰具有长贯穿、高浓度、非稳态的特征，喷雾火焰难以观测且特性尚不清晰，基础数据、模型和理论的缺乏成为制约我国船舶柴油机自主设计开发的瓶颈。同时，由于缸内油气混合状态难以实时判断，燃烧控制策略得不到正确调整，喷油器和气门老化造成缸内燃烧异常与恶化、转速波动过大，导致船舶柴油机无法稳定运转，严重影响了船舶的航行安全

　　创新点：

　　(1)发明了压力平衡式高耐压定容弹可视化窗口;提出了单程透过式双光程反射式阴影或纹影成像方法，开发了35MPa条件下170-300毫米可视化直径的高浓度多喷孔喷雾火焰可视化测试系统。

　　(2)研究了大流量高压燃料喷射形成的长贯穿高浓度喷雾的非稳态特性，揭示了喷雾头部动量对喷孔附近瞬态变化的响应机理，创新的提出了喷雾瞬态过渡过程的数学模型，发展了湍流射流混合理论;发现了长贯穿高浓度喷雾火焰发展过程和结构，区别现有常规小喷孔条件下形成的喷雾火焰发展过程和结构，具有喷孔附近着火，火焰向喷雾头部传播，并具有喷雾合火焰相互竞争的强瞬态过程，首次提出了大喷孔条件下喷雾火焰概念模型。

　　(3)进一步构建了可变喷油率的柴油喷雾模型，能够在任意喷射策略条件下实时预测燃油喷雾发展状态。从而建立了燃料、排温与过量空气系数之间的数学关系，发明了油气混合状态评估方法与异常燃烧控制技术，开发了新型船舶柴油机综合电控系统(ECS)，判断油气混合状态，调节供油控制燃烧，解决了船舶柴油机转速波动过大的问题。

　　3.2 创新提出了大功率船舶发动机急速可控燃烧理论与技术。

　　创新提出了大功率船舶发动机急速可控燃烧理论与技术，形成了燃烧系统正向设计方法，突破了大功率船舶柴油机和双燃料机热负荷和机械负荷过高导致热效率难以提升的技术瓶颈，成果在我国全部5型自主研发机型上得到应用，提升有效热效率2.3-4.9%，有力支撑了船舶发动机实现自主设计，打破了欧洲独霸专利市场的局面。

　　技术瓶颈与科学问题：

　　船舶发动机缸内大空间尺度、多向复杂射流混合控制的燃烧过程，造成缸内燃烧压力和温度高、燃烧持续期长、火焰分布不均和近壁面燃烧等问题，导致热负荷和机械负荷过高。大尺度强旋流的复杂射流燃烧组织技术长期难以突破，使自主品牌船舶发动机的性能与可靠性指标与国际先进水平有较大差距。

　　创新点：

　　(1)提出了萨巴托-米勒耦合的热力学循环，构建了有效热效率与等容度和米勒度的函数关系，在爆压和压缩比的限制下获得最高有效热效率及其对应的等容度，从而能够获得等容燃烧与等压燃烧对应的燃料量，进而分别对应发动机燃烧过程中预混合燃烧相和扩散燃烧相的燃料量。

　　(2)突破了大视场复杂边界条件的燃烧可视化测试技术，通过发明多组分混气加热与快速压缩复合装置和多向多元燃料射流燃烧耦合旋流场的可视化装置，开发了可视范围280毫米、耐压25MPa的可视化快速压缩膨胀机，解决了船用低速机缸内超高压缩压力与温度难以模拟以及复杂射流与旋流火焰不易观测的难题。技术指标和测试功能均优于欧洲地平线计划中船舶发动机“大力神2期”专项中开发的燃烧可视化试验装置。

　　(3)基于复杂射流火焰的可视化观测，建立了目标放热率不同燃烧阶段可燃燃油质量与喷油压力、喷孔直径和燃烧室几何参数的量化关系。结合(1)中研究成果，首次揭示了热力循环、燃烧放热与燃烧控制参数之间的内在理论联系，提出了萨巴托-米勒热力学循环耦合强化卷吸燃烧的急速可控燃烧技术，形成了基于最优放热率的燃烧系统正向设计方法，实现了提升热效率的同时，满足热负荷与机械负荷的设计要求。

　　(4)面向柴油-天然气双燃料发动机燃烧的爆震问题，揭示了预燃室引燃火焰在天然气-空气混合气中前锋急速传播引发局部爆震的机理，提出了加速天然气-空气混合、基于废气再循环的当量比调节和扩大引燃火焰面积等抑制超大缸径双燃料低速机局部爆震的燃烧调控技术，提升了燃烧过程的可控性，提高了热效率与功率输出。

　　3.3发展氨燃料燃烧机理，创新提出氨燃料船舶发动机高效稳定燃烧的系列技术路线。

　　在船舶发动机压燃边界条件下，发展了活性氛围下氨燃料燃烧机理，创新提出了多项氨燃料发动机燃烧技术，国际上首次开发了两阶热循环氨燃料直线发动机，理论热效率可达60%以上，为我国未来零碳船舶发动机自主创新提供了新的技术路线。

　　技术瓶颈与科学问题：

　　氨燃料着火能量高，燃烧速度慢、燃烧温度低，导致难以稳定着火和燃烧，造成船舶发动机功率输出与热效率低的问题。

　　创新点：

　　(1)在船舶发动机压燃边界条件下，揭示了氨燃料、氨-氢、氨-柴、氨-亚硝酸铵等着火与燃烧机理。发现了氨氢混合气着火过程受控于低温氧化生成的H自由基的特性与机理;针对船舶低速机，氨氢混合气压燃边界过高的问题，提出了氨-亚硝酸铵混合策略，可将进气温度降低到300-360K，首次使氨燃料船舶低速机压燃成为可能。基于人工智能方法扩展氨燃料燃烧反应机理边界，发展了高压氨燃料燃烧机理。

　　(2)针对船舶低速发动机，首先探索了预燃室引燃氨-空气混合气的燃烧方案，探索了液态氨喷射和气态氨喷射的燃烧过程与性能表现，提出了预燃室火焰引燃液态氨喷射预混燃烧的氨燃料船舶低速机技术路线。创新提出了氨-柴油分层喷射燃烧技术，不适用引燃柴油喷油器，使引燃柴油与氨燃料在同一个喷油器分层喷射，氨射流同轴接触引燃柴油火焰形成高温扩散火焰，能够仅用1%能量占比的引燃柴油实现氨射流稳定着火和燃烧，并且有潜力实现NOx排放满足Tier III排放法规要求。发明了氨燃料发动机分缸重整活性定压压燃技术，通过低/高压缸实现重整和活性压燃，并采用脉冲喷射策略控制实现定压燃烧过程，降低爆发压力。

　　(3)发明了自由活塞发动机直线发电机构，结合氨燃料分缸重整活性定压压燃技术，开发了两阶热循环氨燃料直线发动机，通过分缸氨燃料重整、相继压缩和膨胀，改善燃烧速率和热效率，并采用直线传动发电作功大幅提升了有效热效率。

　　上述成果获得授权国际发明专利6件、授权国家发明专利54件、软件著作权登记12项;在能源动力领域顶级期刊ECM、FUEL、ENERGY、IJHE等发表学术论文66篇，其中ESI高被引论文6篇(含热点论文3篇);获得2022年中国造船工程学会科技进步特等奖、2021年国防技术发明二等奖、2021年中国发明协会发明创新一等奖、2022年金砖国家工业创新大赛二等奖等8项省部级科技奖励。

　　四、低碳零碳船舶动力创新人才培养

　　船舶动力自主创新能力提升的前提是具有一支海洋零碳数智动力跨学科高端工程人才队伍。本案例以服务国家“海洋强国”和“双碳”战略为牵引，面向人工智能和低碳排放发展的时代主题，创新智能低碳船舶动力紧缺人才培养模式，建立“智能低碳、全链条、创新驱动”的海洋动力人才培养理念，以国家战略及企业未来引领市场的产品为导向，将人才培养融入船舶零碳数智动力产业技术创新，构建工程技术人才培养链条和平台，共同培养船舶动力领域高端工程人才。该模式将适用于所有船舶与海洋工程的轮机工程专业、动力工程与工程热物理学科下工程硕博士的培养，是我国卓越工程师培养战略在海洋动力领域的一项重要落实，有力支撑我国船舶动力自主创新发展。获得了黑龙江省高等教育教学成果奖二等奖、2021年和2022年教育部全国能源动力类专业百篇优秀毕业论文(设计)、2022年国家“云说新科技”的科普大赛“科普新星奖”、“最具人气科普之星”，2022年第九届中国研究生能源装备创新设计大赛一等奖等国家级研究生创新竞赛全国银奖1项、领航项目1项、一等奖3项、二等奖3项、三等奖1项、省级金奖1项、省级银奖1项。

　　本案例中的团队负责人为掌握我国大功率船舶发动机产业技术创新和人才培养的真正瓶颈，高质量解决技术和人才的“卡脖子”难题，深度融入行业领军企业，挂职中船动力研究院研发部副部长和兼职中船集团第七一一所特聘教授，先后担任两项国家重大专项的关键技术负责人和副总设计师，打通从基础研究到工程应用的全链条产教融合路径，与船舶发动机整机企业、零部件企业、研究所以及船级社和中国内燃机学会等建立稳定的“1+2+N”产学研合作体系，落实技术能力创新和创新人才产教融合培养，引领大功率船舶发动机的产学协同创新。2023年3月27日，《光明日报》第7版“光明视野”《聚英才 筑基础 托举制造强国梦》专稿以《矢志创新，让中国船用上“中国心”》为题，刊载团队负责人筑基聚才、矢志创新，支撑船舶动力制造业高质量发展的历程与贡献。