从实验室到实地：热硬化作用增强地中海贻贝应对全球变暖的生理性能

为解决船舶在港口和沿海区域机动过程中柴油发动机瞬态工况下的排放问题，研究人员开展了基于螺旋桨定律的瞬态循环模拟研究。通过开发定制驱动周期并在六缸测试发动机上进行实验，评估了不同转速变化率和负载条件下的性能和排放特性。研究发现发动机在快速加速时仅能实现56%的请求负载，且制动比油耗增加；通过主成分分析(PCA)确定了NOx、CO、PM1和PN与运行参数的强相关性。该研究为优化船舶推进系统和改进港口环境排放清单提供了重要依据，符合MARPOL Annex VI对低硫燃料的要求。

　　

随着全球航运业的快速发展，船舶排放已成为港口和沿海地区空气污染的重要来源。特别是在船舶机动操作（如进出港）过程中，柴油发动机处于瞬态工况，其排放特性与巡航状态存在显著差异。这些排放物包含氮氧化物(NO_x)、硫氧化物(SO_x)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)等多种有害物质，不仅对沿海居民健康造成威胁，还会影响海洋生态系统。国际海事组织(IMO)通过MARPOL Annex VI法规对船舶排放进行严格限制，但目前对瞬态工况下发动机性能与排放特性的认识仍不充分。

针对这一科学问题，澳大利亚昆士兰科技大学(QUT, Queensland University of Technology)生物燃料发动机研究设施(BERF)的研究团队开展了一项创新性研究。他们首次基于螺旋桨定律设计并表征了真实的船舶瞬态驱动周期，在高速试验台发动机上模拟了船舶机动过程中的负载-转速变化。相关研究成果发表在《Marine Pollution Bulletin》上。

研究人员采用的主要技术方法包括：1) 基于螺旋桨定律开发定制瞬态驱动周期，模拟8种不同转速变化率(12.5-300 rpm/s)的机动工况；2) 使用六缸涡轮增压柴油发动机(Cummins ISBe220)和水力测功机系统进行实验；3) 采用Testo 350气体分析仪和DMS 500快速颗粒光谱仪测量NO_x、CO、PM₁和PN排放；4) 应用主成分分析(PCA)和线性回归模型分析数据相关性。

研究结果部分：

1. 1.

   发动机负载和转速响应：研究发现发动机响应滞后于请求负载，在12.5-50 rpm/s转速变化率下可实现92-100%的请求负载，而在300 rpm/s时仅达到56%。快速加速导致制动比燃料消耗(BSFC)增加，效率降低。

2. 2.

   增压压力特性：快速转速变化导致明显的涡轮增压滞后现象。在T_measured/T_requested=1时，进气歧管压力范围为43-154%。

3. 3.

   制动比燃料消耗：BSFC随负载增加而降低，但在>3%负载时显著升高。快速加速工况下BSFC可达220 g/kWh。

4. 4.

   发动机排放特征：

   • •

     NO_x排放：在低负载条件(<3%)下较高，随负载增加先降低后升高，慢速加速时热力型NO_x生成更显著。

   • •

     CO排放：低负载时较高(0.9 g/kWh)，随转速变化率增加而降低，表现出非线性变化特征。

   • •

     PM₁和PN排放：低负载工况下较高，PM₁排放随转速变化率增加而升高，PN排放峰值达5.6×10¹⁴ #/kWh。

5. 5.

   主成分分析：第一主成分(PC1)解释了53.06%的方差，显示BSFC、NO_x、CO和PM₁强相关，而PN与发动机参数(rpm和负载)呈弱反相关。

6. 6.

   螺旋桨定律模型拟合：燃料消耗和NO_x、PM₁、PN排放的预测与实验数据吻合较好(R²>0.626)，但CO排放预测准确性较低(R²=0.574)。

这项研究的重要意义在于首次在试验台发动机上实现了基于螺旋桨定律的船舶瞬态工况模拟，系统评估了不同加速条件下的发动机性能和排放特性。研究结果为改进港口区域排放清单算法提供了实验依据，支持MARPOL Annex VI法规的实施。特别是发现低负载工况下排放因子显著升高(比高负载工况高10-30倍)，这对准确评估船舶机动操作的环境影响具有重要价值。研究建立的预测模型可用于优化船舶推进系统控制策略，为港口空气质量管理提供科学支持。未来研究可进一步扩展至不同发动机类型和实际船舶工况，以提高模型的普适性。