《Journal of Marine Science and Engineering》：Shaft-Power-Based Load Reconstruction for Operating-Point Alignment During Sea Trials of a CPP-Equipped Two-Stroke Marine Diesel Engine
Jaesung Moon and
Jeongmin Cheon
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为解决可控螺距螺旋桨（CPP）船舶在海上试航时，发动机性能与实测轴功率难以准确对齐的难题，研究人员通过整合主机性能数据与轴功率测量数据，重构了基于轴功率的负载定义。研究结果表明，实测轴功率可有效协调不同试航数据集，并能比名义负载标签更一致地区分推进侧运行条件。该研究为CPP装备的低速二冲程船用柴油机在可比试验条件下的代表性工况点对齐提供了实用框架。
为了应对国际海事组织（IMO）日益严格的排放法规和燃油效率要求，船舶推进系统在实际海况下的性能评估变得至关重要。虽然船厂和制造商在台架试验中能提供主机的基准性能数据，但受控环境无法完全复现海上复杂的“发动机-轴系-螺旋桨-船体”相互作用。因此，台架试验测得的发动机性能与海上试航中观察到的推进性能之间常存在差异，这凸显了基于全尺度海上试航数据进行分析研究的必要性。特别是对于广泛用于训练船、客船等特种船舶的可控螺距螺旋桨（CPP）系统，其桨距可独立于发动机转速进行调节，这带来了操作灵活性，但也使得发动机运行变量与实际输出功率之间的关系变得复杂。以往的研究多聚焦于控制策略、操纵性能或特定运行模式下的油耗趋势，而基于海上试航条件下直接测量轴扭矩和轴功率，并结合详细主机性能参数（如转速、输出功率、平均指示有效压力等）进行系统性全尺度分析的研究相对有限。本研究旨在填补这一空白。
为了探究CPP船舶在真实海况下的综合性能，研究人员开展了一项基于实船海上试航数据的整合分析。该研究以韩国釜庆大学所属的渔业训练船“T/S Baek-Kyung”为测试平台，该船配备一台MAN 5S35ME-B9.5型低速电控二冲程柴油主机和CPP系统。研究核心在于将STX ENGINE公司记录的主机性能数据与NAVISCO公司独立采集的轴功率测量数据，在一个统一的运行工况点框架下进行关联与比对。
研究人员采用了几个关键技术方法来确保数据的可比性与分析的有效性。首先，确立了统一的运行工况点框架：依据官方试航程序，定义了速度试验（25%、50%、80%、100%负载）和耐久试验（NCR、MCR）共六个工况点。速度试验的每个工况点包含两个对向航次（Run 1和Run 2），各持续600秒，取平均值作为代表值；耐久试验的NCR和MCR点则取自3小时稳定运行段。其次，进行了轴功率数据的采集与负载重构：在中间轴上安装了基于应变片的扭矩测量系统（NAVISCO扭矩测量系统），同步测量轴转速，以此计算实际轴功率。研究创新性地以实测轴功率为基准重新定义运行负载，公式为：Loadshaft(%) = (Pshaft, measured/ Pref) × 100，其中Pref取速度试验100%点的平均轴功率（3471.1 kW）。这种方法避免了不同试航文件中名义负载标签的歧义，为不同数据集的整合提供了物理上一致的基准。最后，采用了布兰德-奥特曼分析（Bland-Altman analysis） 来验证主机侧（STX）与轴测量侧（NAVISCO）记录的转速之间的一致性，确认其差异在可接受范围内，从而支持将两个独立数据集视为同一试航实验的测量结果进行整合分析。
研究结果如下：
3.1. STX与NAVISCO转速记录的一致性
通过布兰德-奥特曼分析比较了匹配工况点（N=10）下发动机侧（STX）与轴测量报告（NAVISCO）记录的转速。结果显示，平均偏差为-0.16 rpm，标准差为0.664 rpm，95%一致性界限为-1.46至+1.14 rpm。转速差异保持在约±1.5 rpm以内，这支持了将NAVISCO轴转速记录作为轴功率负载重构的参考，同时将STX转速视为独立的发动机侧记录。
3.2. 轴负载的重构与耐久点的解读
研究比较了名义负载标签与基于实测轴功率重构的轴负载。速度试验平均点的重构轴负载值分别为：名义25%处24.91%，名义50%处49.04%，名义80%处80.85%，名义100%处100.00%。而耐久点NCR和MCR的重构负载分别为76.99%和95.29%。与对应的速度试验参考点相比，耐久点的轴功率分别低了约4.7%。这表明耐久试验点（NCR/MCR）不应被解释为与名义速度试验负载标签相同，它们代表了不同的运行状态。
3.3. 轴功率和轴扭矩随轴转速条件的变化
该部分可视化了轴测量的重复性以及符合物理规律的趋势。在低负载（如名义25%）时，尽管轴转速几乎相同，但测量的扭矩和功率在R1和R2航次间存在显著差异（+35.4%），随着负载增加，差异逐渐减小。耐久点NCR和MCR落在相应区域附近，但与速度试验平均值保持明显区别，这支持了耐久工况并不简单复现速度试验80%/100%平均状态的解读。
3.4. 速度试验与耐久条件下的燃油性能特性
研究展示了各工况点下的ISO修正燃油消耗率（SFOC）和燃油流量。在速度试验中，燃油流量从低负载到高负载单调增加，ISO SFOC在名义50%区域附近显示最高值。航次间（R1与R2）的SFOC和燃油流量存在差异。耐久点NCR和MCR表现出与速度试验平均点不同的消耗模式，例如NCR点的燃油流量和ISO SFOC均高于名义80%平均值。这证明在解释CPP海上试航运行下的油耗和效率趋势时，应将耐久NCR/MCR视为与连续速度试验负载线分开的额定点段。
3.5. 气缸平均燃烧特性
该部分总结了气缸平均燃烧指标，包括最高燃烧压力（Pmax）和平均指示有效压力（IMEP）。在低负载时，R1和R2航次间的Pmax和IMEP差异较大，随着负载增加而减小。耐久点NCR和MCR的Pmax和IMEP值与对应的速度试验平均值存在定量差距，这进一步支持将耐久NCR/MCR视为独立的运行点，而非速度试验负载序列的延伸。
结论与意义
本研究通过整合全尺度海上试航中主机性能记录与实测轴功率数据，为配备可控螺距螺旋桨（CPP）的低速二冲程船用柴油机提出了一种基于轴功率的负载重构与工况点对齐框架。关键结论在于：实测轴功率为协调海上试航数据集和区分推进侧运行条件提供了一个比单纯依赖名义负载标签更一致、更可靠的物理基础。研究发现，速度试验中重构的工况点（24.91%， 49.04%， 80.85%， 100.00%）与耐久试验点（NCR: 76.99%， MCR: 95.29%）在轴功率上存在约4.7%的差异，表明两者不应等同看待。燃油流量、ISO修正燃油消耗率（SFOC）以及燃烧指标（Pmax, IMEP）均随重构负载的增加呈现出物理一致的变化趋势，但耐久点与速度试验对应点之间存在显著差异，这突出了在分析中区分不同试验程序（速度试验 vs. 耐久试验）的重要性。
这项研究的意义在于，它提供了一种实用的方法，能够更准确地关联和解读在真实、多变海况下获取的复杂试航数据。对于船东、船舶设计者和研究人员而言，该方法有助于更精确地评估CPP船舶的推进效率、燃油经济性和排放性能，为优化运营策略和满足环保法规提供了数据支持和分析工具。该研究成果已发表在《Journal of Marine Science and Engineering》期刊上。
