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基于全方位的船舶推进模型的燃油效率研究
摘要
在本次研究中提出一个涉及到主机，推进器和动力的全方位的船舶模型。用周期均值模型来描述引擎动力，进排气和涡轮增压系统的运转过程。利用动平衡和其效率来将船舶轴系模型化。在不同的发动机响应下用实测数据对燃料消耗，发动机输出功率和船舶速度等预测结果进行了测试。整个航次模型将在不同的航行条件下进行进一步研究预测油耗和排放。
介绍
为了满足近期节能减排的要求，很多研究着力于建立仿真模型去预测在实际海洋情况下船舶实际工况。船舶在实际航行情况下的工况是设计者和船舶所有者最关心的事情。船舶气象导航被定义为一个基于天气预测和流体学运动而选择最优路线的程序。对于推进动力源，螺旋桨t或发动力功率将保持不变。然而，船舶从机动航行到全速航行，发动机负荷从百分之10变化到百分之80。当船遇到风暴或大浪时，螺旋桨在非常恶劣的环境下工作，发动机转速应降低，以减少无用输出工作和燃料消耗，确保航行安全。螺旋桨和发动机组成强耦合系统以确定船舶的速度。因此，在实际航程中评估燃料消耗和排放时发动机在波浪中的响应我们也不应该忽视。
在本次研究中，我们建立了包括二冲程船用发动机的船舶推进模型和固定螺距螺旋桨系统。再加上船舶航行模型，集装箱船可以沿着预期的航线执行不同的发动机响应。然后在不同的航行中消耗燃料条件就可以被预测，为研究最佳航线提供了新的视角。
主机模型
燃油消耗量与主机运行情况直接相关。一般来说，更大的集装箱船舶装备速度低于130转每分钟的二冲程柴油机作为主机给螺旋桨输送动力。四冲程柴油机被用作副机负责船上的电力设备和装卸设备。在本次研究中，我们对船舶发动机进行了建模，利用周期平均值模型方法，结合微分方程，对发动机曲轴转速和输出功率的快速瞬态动力装置性能进行了计算。并将发动机运行过程中的热力学和动态过程考虑进去，主要的发动机组件如图一所示。
对于一台直喷船用柴油机，燃料/空气混合均匀程度对确定热效率和油耗非常重要，对于这个周期平均值模型,指示热效率n表示为一个函数的过量空气系数，这个系数的测量是基于MAN Diesel amp; Turbo公司的数据。燃油质量流量是由每个缸和每次循环由燃油泵齿条位置变化所发出的不同喷油量来计算的。由下式计算出燃油和空气质量：
mf=mfNcylne/(60revcy) (1)
ma=eta;vpinlvcylNcylne(60RrevcyTinl) (2)
在这里mf 是喷射进入气缸的燃油质量；Ncyl 是气缸数；ne 是发动机转速；revcy 是每循环的转数；pinl 和 Tinl 分别是进气压力和进气温度；eta;v是容积效率；vcyl是每缸容积； R是气体常数。
发动机输出扭矩Qi 采用发动机指示的热效率，燃料质量流量和转速。
Qi=30eta;iHumf/(pi;ne)
这里Hu 是燃料的低热值
在本次研究中，Qf 是活塞往复运动引起的力矩损失。可以被表达为摩擦力函数和发动机速度。因此在推进装置系统中应用角动量守恒，可以计算出发动机轴转速ne:
dne/dt=30[Qi(t-tau;i)-Qf-Qp]/(pi;Ie)
在这里，tau;i 表示点火延时；Qp 表示螺旋桨扭矩；Ie表示发动机的惯性矩。
通过进气和排气歧管的流动质量、温度和压力的变化，以体积动态为基础来描述：
dTout/dt=(minkTin-moutkTout-Toutdmg/dt)/mg (5)
dmg/dt=min-mout (6)
dpout/dt=kR(minTin-moutTout)/Vg (7)
其中，下标in和out 分别表示流型的入口和出口的变量
在通过排气歧管后，废气在涡轮中膨胀，然后驱动压缩机。涡轮增压器的运行工作图是获得质量流量和效率信息的必要条件。
2.发动机调速器模型
增量式PID发动机调速器模型被用来根据目标发动机转速偏差和反馈计算值控制喷油器齿条位置。它着重的是通过错误的行为来达到目的收效甚微。当螺旋桨负荷由于海浪波动或机械事故突然改变，它可以实现燃料供应的自调整，保持相同的发动机转速，以便在快速瞬变过程中保护发动机的完整性
3.螺旋桨模型
如果在二冲程船用引擎和螺旋桨直接没有齿轮箱，那么螺旋桨的选择速度就直接等于发动机转速。当发动力传递的动力和运行转速已知的情况下，螺旋桨扭矩Qp和推力Tp可以用无纲量系数来计算。
Qp=KQrho;np2Dp5 (8)
Tp=KTrho;np2Dp4 (9)
在这里KQ是无因次转矩系数；KT是无因次推力系数；rho;是海水密度；np是螺旋桨旋转速度；Dp是螺旋桨直径。
船舶推进装置的数学建模是在Matlab/Simulink环境下的船舶系统模拟器工具箱中实现的。如图二所示船的运动是由螺旋桨推力驱动的
4.船舶水动力模型
在不同的航行状况下描述船舶水动力的精确度也同样能影响发动机燃油消耗量的预测。在本次研究中，船舶运动包括六自由度(DOF)来确定平移和旋转运动。与位置和平移运动相关的前三个坐标是浪涌、摇摆和隆起，与滚动、俯仰和偏航相对应。最后三个坐标的方向和旋转运动，如图3所示。
船速是由流体记忆效应的运动方程给出的：Mnu;rsquo; CRBnu; CAnu;r Bnu;r Geta;=tau; tau;H (10)
在这里MR66是系统惯性矩阵和附加质量矩阵的和；CRBR66是Coriolis-Centripetal 矩阵；CAR66是常数无限频率增加质量矩阵；nu;r=nu;-nu;cR66是船之间的相对速度速度nu;和海流速度nu;c；BR66是常数无限频率势阻尼矩阵；GR66是恢复矩阵；tau;R66是由螺旋桨系统产生的控制力矢量；tau;HR66是时变水动力的矢量。在此以上矩阵和向量的所有详细定义和计算都可以参考。
5.结果与讨论
在本次研究中，一个典型的馈线集装箱船的推进动力装置S175，长度为1.75米，重量为24610吨，使用上面描述的模型进行模拟。该船是通过一个2型模糊控制器的跟踪控制驱动的，并在存在时变流体动力干扰的情况下，沿着理想的轨迹运动。MAN公司的6S60ME 发动机被装备上该船作为该船主机。主机是带有增压装置的二冲程柴油机。最大输出功率14280千瓦，为了满足这艘集装箱船近20节的最大服役速度。应考虑到船身和恶劣天气的15%的海缘和10%的发动机裕度。主机规格如表1所示，五叶固定螺距螺旋桨长度为6.5米，通过轴系直接连接到主发动机。
最初，对发动机模型进行校准，以便发动机调速器齿条位置的各种响应的模拟结果与由发动机制造商给出的各自响应的模拟结果很好地吻合。图4显示了不同发动机转速下的指定燃油消耗量（SFOC）和发动机指示输出功率的模拟和实验结果比较。由此看来准确预测各种发动机负载下的燃料消耗率和发动机输出功率对于实际航行期间的燃料消耗预测是必不可少的。
然后将校准的发动机模型与螺旋桨模型一起用于沿期望的轨迹驱动S175集装箱船的跟踪。图5描绘了各种发动机响应下的校准船舶航行速度，以及与来自文献的发动机负荷相关的船舶数据。模拟结果与发动机负荷较低时的参考数据有偏差，这主要是因为波浪预报不足或天气对阻力负荷的影响不大，但误差仍然可以接受。另一个原因可能是由于在机动过程中对其他推进器或辅助引擎的无知所致。未来，植入船舶推进模型的船舶航行模型将用于研究不同航行条件下的燃料消耗和尾气排放。
6.结论
在本次研究中，介绍了在MATLAB / Simulink环境中的集装箱船航行模型中实施的整体船舶推进装置的数学模型。通过不同发动机响应下的测量数据对燃料消耗，发动机输出功率和船舶速度的预测结果进行了验证。在未来的研究中，整个船舶航行模型将用于预测不同航行条件下的燃料消耗和尾气排放。
版权
作者对Energy Procedia中发表的论文拥有完整的版权
致谢
本研究得到新加坡海事学院资助的研究项目“航运线能源消耗和排放分析”的支持。
翻译第二篇，翻译至FAST-TIME SIMULATION FOR PREDICTION OF FUEL ONSUMPTION AND EMISSIONS DURING SHIP MANOEUVRES的2.2TIME ASPECTS
船舶机动燃料消耗和排放预测的快速模拟
摘要
低碳运输可以通过各种方式实现，例如， 采取建设性措施，使用低碳燃料或替代推进系统。本文将讨论另一种方法：通过快速时间模拟（FTS）技术，船舶的运动可以在一秒内计算超过20次，在项目ISTTES（有效船舶控制和风险处理改进的模拟和修正的综合应用）中，正在开发一种使船舶模型适应不同纵倾和吃水条件的方法，以便于日常运输业务。
通过在线FTS监测模块提供路径和状态预测，可以显示船舶在任何有序控制（即发动机，方向舵或舵机）上的即时反应。在离线FTS规划模块中，可以预先试用和讨论各种机动策略。以便导航员能够考虑到机动技术，安全和经济方面以及时间消耗。
通过船模的推进单元计算发动机扭矩，从而计算螺旋桨的旋转和推力。目前，为了增强这种简化的发动机模型，并尽可能详细地考虑尽可能详细地考虑燃烧过程的挑战，并且保持FTS的能力，我们在正在开发增强型模型以预测燃料消耗和排放研究上已经走了一段路程，以估计详细的优势，进行更耗时的瞬态发动机运行过程计算。来自实验室测试床的数据以及安装在真实RoPax渡轮上的发动机构成了正在进行的研究工作的基础。
这样的综合预测也涵盖了发动机过程，将为航行人员做出决策提供更多更深入的基础，并支持船上人员更好地参与节能船舶操作。
关键词：人类在节能船舶操作，监测，记录，数据利用，模拟，预测，修剪和吃水方面的作用
术语
快速模拟（FTS）技术可以预测船舶行为长达24分钟，该预测计算未来船舶对命令转向值实际输入的行为，并以1 Hz的频率更新。 它基于高度非线性的运动方程组。模拟增强机动设计和监测（SAMMON）是一种工具箱，它允许一种新型的机动计划设计，作为通用纯航点计划的增强和对船舶处理过程的完美监测，以及对未来船舶运动的多重预测 遵循潜在的机动计划。
引言
减排行动和措施可以按照几个方面进行分类。 例如，法律框架可以被视为间接的，而且是全球性的通用措施，通过制定规则和条例来促进更环保的海运。 这些间接措施还可能包括通过学习如何顺利和优化地应用程序，方法和技术来对可持续航运进行培训和教育。
而直接措施通常是那些与运输和混凝土航行过程直接相关的行动和措施，主要是技术和操作。 技术措施是有助于可持续航运和减少温室气体（GHG）排放的技术措施，并且涉及船舶设计技术系统的开发和安装，例如， 用于推进，发动机和使用替代燃料或清洁废气等。运营措施与时间和能源效率的计划和执行航程的过程有关，并考虑到通过船舶在不同的情况下的复杂操作减少温室气体排放，改善环境条件和船舶状况。
原则上，实现航运的低排放有两种方法：一方面通过放弃部分世界范围的海上贸易或通过提高海上贸易效率来减少能源
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