大连海事大学2025年轮机工程(智能船舶)拔尖计划船舶能源与动力系统试题及答案

大连海事大学2025年轮机工程(智能船舶)拔尖计划船舶能源与动力系统试题及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.现代低速二冲程柴油机采用定压涡轮增压系统时，其扫气口与排气阀的重叠角通常为（）A.10°~20°CAB.30°~50°CAC.60°~90°CAD.100°~120°CA2.船用双燃料发动机切换至天然气模式运行时，缸内燃烧过程的主要特点是（）A.预混燃烧为主，爆震倾向降低B.扩散燃烧为主，热效率提升C.分层燃烧为主，NOx排放增加D.压燃点火为主，燃烧温度降低3.氢燃料电池船舶动力系统中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的最佳工作温度范围是（）A.20~40℃B.60~80℃C.120~150℃D.200~250℃4.基于模型预测控制（MPC）的船舶动力系统优化中，状态变量通常不包括（）A.柴油机转速B.电池SOCC.环境温度D.螺旋桨推力5.船用LNG燃料罐的真空绝热层设计中，静态蒸发率的标准要求一般不超过（）A.0.1%/dB.0.5%/dC.1.0%/dD.2.0%/d6.智能船舶动力系统状态监测中，振动信号分析常用的时频域转换方法是（）A.傅里叶变换B.小波变换C.主成分分析D.卡尔曼滤波7.四冲程柴油机的气阀重叠角是指（）A.进气阀开启到排气阀关闭的曲轴转角B.排气阀开启到进气阀关闭的曲轴转角C.进气阀和排气阀同时开启的曲轴转角D.进气阀和排气阀同时关闭的曲轴转角8.船舶综合电力推进系统中，中压直流（MVDC）组网的典型电压等级是（）A.1kVB.3kVC.6.6kVD.10kV9.船用SCR（选择性催化还原）系统的最佳反应温度区间为（）A.150~200℃B.250~450℃C.500~600℃D.700~800℃10.氢燃料船舶的燃料储存方式中，液氢储存的体积能量密度约为气态氢（70MPa）的（）A.2倍B.5倍C.10倍D.20倍11.基于神经网络的柴油机故障诊断模型训练时，输入层节点数通常等于（）A.故障类型数量B.传感器信号维度C.隐含层节点数D.输出层节点数12.船舶动力系统能量流分析中，柴油机的机械效率ηm计算公式为（）A.ηm=指示功率/有效功率B.ηm=有效功率/指示功率C.ηm=有效功率/燃料热值D.ηm=指示功率/燃料热值13.船用LPG燃料发动机与LNG发动机的主要区别在于（）A.燃料储存压力B.燃烧温度C.点火方式D.排放物成分14.智能动力管理系统（IPMS）的核心功能不包括（）A.多能源动态调度B.设备健康评估C.船员操作培训D.能效优化控制15.船舶余热回收系统（WHR）中，有机朗肯循环（ORC）的工质选择主要考虑（）A.临界温度高于排气温度B.沸点低于环境温度C.比热容小于水D.环保性（ODP=0，GWP≤150）二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分。每题至少2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.船用低速柴油机的典型特征包括（）A.十字头式结构B.爆压≥20MPaC.转速≤300r/minD.采用机械喷射系统2.船舶新能源动力系统的技术挑战包括（）A.能量密度与续航能力矛盾B.低温环境下的性能衰减C.燃料加注基础设施不足D.动力响应速度慢于传统柴油机3.智能船舶动力系统的关键技术包括（）A.数字孪生建模B.边缘计算节点部署C.5G+北斗船岸通信D.船员经验知识库构建4.船用柴油机排放控制技术中，属于机内净化的有（）A.高压共轨燃油系统B.废气再循环（EGR）C.SCR后处理装置D.可变气门正时（VVT）5.船舶综合电力系统的优势体现在（）A.动力装置布置灵活性高B.部分负荷效率提升C.噪声振动水平降低D.初始投资成本显著下降三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.船用柴油机的燃烧过程可分为滞燃期、急燃期、缓燃期和______四个阶段。2.氢燃料电池的电化学反应中，阳极反应式为______。3.船舶动力系统的能效设计指数（EEDI）计算公式中，基准线值与船舶______直接相关。4.智能状态监测系统中，常用的传感器融合方法有______和______（列举两种）。5.船用LNG燃料的主要成分是______（体积分数≥85%）。6.柴油机的过量空气系数α>1时，缸内燃烧属于______燃烧。7.船舶动力系统的能量流分析中，______损失是最大的能量损失项（占比约30%~40%）。8.基于大数据的故障预测模型需要满足______、______和______三个基本要求（选填：准确性、可解释性、实时性、复杂性）。四、简答题（共4题，第13题各6分，第4题7分，共25分）1.（封闭型）简述二冲程柴油机与四冲程柴油机在换气过程上的主要区别。2.（封闭型）说明船用双燃料发动机采用“柴油引燃+天然气主燃”模式的技术原理及优势。3.（开放型）分析智能船舶动力系统中，传感器网络部署需要考虑的关键因素（至少列出5项）。4.（综合型）对比分析船舶传统柴油机动力系统与锂电池动力系统的技术特性（从能量密度、续航能力、环境适应性、维护成本四个维度展开）。五、应用题（共2题，第1题10分，第2题20分，共30分）1.（计算类）某船用低速柴油机标定工况参数：缸径D=800mm，行程S=2500mm，缸数Z=6，转速n=100r/min，平均有效压力pme=1.8MPa。求该柴油机的有效功率Pe（单位：kW，计算结果保留2位小数，有效功率公式：Pe=pme×L×A×n×Z/60000，其中L=S，A=πD²/4）。2.（分析设计类）某5000吨级沿海散货船拟改造为智能混合动力船舶，动力配置包括：1台2000kW低速柴油机（效率ηd=38%）、1套500kWh磷酸铁锂电池组（效率ηb=92%）、1台300kW轴带发电机（效率ηg=95%）、1台2500kW永磁同步推进电机（效率ηm=96%）。设计要求：①满足0~12节航速范围内的动力需求；②优先使用电池供电（SOC≥20%时）；③柴油机仅在电池SOC<20%或航速>8节时启动；④轴带发电机在柴油机运行时同步发电，多余电能存储至电池。（1）绘制该混合动力系统的能量流动示意图（标注主要设备及能量传输方向）；（2）计算船舶以6节航速（推进功率需求P=800kW）匀速航行2小时的能量消耗及电池SOC变化（初始SOC=80%，电池容量按500kWh计算）；（3）分析该设计方案在实际应用中可能存在的技术风险（至少列出3项）。参考答案及评分标准一、单项选择题（每题2分）1.C2.A3.B4.C5.B6.B7.C8.C9.B10.C11.B12.B13.A14.C15.D二、多项选择题（每题3分，全选对得3分，漏选得1分，错选0分）1.ABC2.ABC3.ABC4.ABD5.ABC三、填空题（每空2分）1.后燃期2.2H₂→4H⁺+4e⁻3.总吨（GT）4.卡尔曼滤波、贝叶斯估计（或DS证据理论、神经网络融合等）5.甲烷（CH₄）6.稀燃（或贫燃）7.排气（或余热）8.准确性、可解释性、实时性四、简答题1.（6分）主要区别：①换气方式：二冲程通过扫气口/排气口（或排气阀）完成，四冲程通过进排气阀；②换气时间：二冲程换气发生在约130°CA内，四冲程约230°CA；③扫气质量：二冲程存在新气与废气掺混（短路损失），四冲程换气更彻底；④辅助设备：二冲程需扫气泵（或增压器）提供正压扫气，四冲程依靠活塞抽吸（2分/点，共6分）。2.（6分）技术原理：在压缩冲程末期先喷入少量柴油（约5%~10%油量），利用柴油压燃产生的高温高压点燃缸内预混的天然气空气混合气（3分）。优势：保留柴油机高压缩比特性，避免天然气压燃困难；实现稳定燃烧，降低爆震风险；兼顾天然气的低排放与柴油的高可靠性（3分）。3.（7分）关键因素：①测点布置合理性（覆盖关键部件如曲轴、轴承、增压器）；②传感器类型匹配（振动/温度/压力/转速等）；③抗干扰能力（船舶振动、电磁环境）；④数据采集频率（满足故障特征提取需求）；⑤冗余设计（重要参数双传感器）；⑥安装维护便利性（防水/防腐蚀/可及性）（任意5项，每项1.4分）。4.（7分）对比分析：能量密度：柴油机（约12,000Wh/kg）远高于锂电池（约180Wh/kg）；续航能力：柴油机受燃料储量限制但补充方便，锂电池受电池容量限制且充电时间长；环境适应性：柴油机在低温/高湿环境下性能稳定，锂电池低温容量衰减（20℃时容量降30%）；维护成本：柴油机需定期更换机油、检修缸套，维护复杂；锂电池主要维护电池管理系统（BMS），成本较低（每维度1.75分）。五、应用题1.（10分）计算步骤：①计算活塞面积A=πD²/4=3.14×(0.8)²/4=0.5024m²（2分）；②行程L=S=2.5m（1分）；③有效功率Pe=pme×L×A×n×Z/60000=1.8×10⁶Pa×2.5m×0.5024m²×100r/min×6/(60×1000)（单位转换）（3分）；④计算得Pe=1.8×2.5×0.5024×100×6/(60)=1.8×2.5×0.5024×10=22.608kW？（此处发现计算错误，正确公式应为Pe=pme×Vh×n×Z/(60×1000)，其中Vh=πD²/4×S=0.5024×2.5=1.256m³/缸）；正确计算：Pe=1.8×10⁶Pa×1.256m³×100r/min×6/(60×1000)=1.8×1.256×100×6/(60)=1.8×1.256×10=22.608×10=2260.8kW（修正后，步骤正确得5分，结果正确得3分）。最终答案：2260.80kW（2分）。2.（20分）（1）能量流动示意图（5分）：柴油机→轴带发电机→电池（充电）/推进电机；电池→推进电机；柴油机直接驱动推进（机械传动）需标注离合器（示意图要素完整得5分）。（2）能量消耗计算（8分）：6节航速时，电池优先供电。推进功率800kW，电机效率96%，则电池输出功率P_out=800/0.96≈833.33kW（2分）；2小时消耗能量E=833.33kW×2h=1666.66kWh（2分）；电池初始容量=500kWh×80%=400kWh（2分）；SOC变化=400kWh1666.66kWh（此处矛盾，实际应电池容量500kWh，80%即400kWh，无法满足2小时800kW需求，说明此时柴油机需启动）。修正分析：800kW需求下，电池最大输出功率受电池容量限制（500kWh×92%效率=460kWh可用），460kWh/2h=230kW，剩余800230=570kW需柴油机提供（2分）；