Optimal control strategies for operation of hybrid multi-prime-mover ship propulsion powertrains in transient conditions

Abstract

The prime movers used for ships today have certain limitations in their load re-sponse. As a ship accelerates, the diesel engine due to the temporary inability of theturbocharger to supply a sufficient amount of air to burn completely the fuel quantityrequired to meet the increasing load, emits smoke. One way of addressing this issueis the use of a hybrid diesel-electric configuration. Examples of ships with where ahybrid system could be useful, are vessels with fast maneuvering requirements withrapidly changing propeller demand. This Thesis investigates the improvement in per-formance of a combustion engine with the assistance of an electric motor, with appro-priate control systems, for transient load uptake, smoke emission reduction, reducedpollutant emissions and lower fuel consumption. The Hybrid Integrated PropulsionPOwertrain (HIPPO-1) test bed at NTUA/LME consists of a medium-duty 448 kW,turbocharged marine diesel engine, a water brake and an AC electric motor with fre-quency inverter rated at 110 kW, coupled to a water brake on the same shaft in aparallel hybrid configuration. The main purpose of the electric motor in the HIPPO-1powertrain is to assist the diesel engine at lower speed bands, where the engine pro-duces low torque, to meet faster the increasing torque demand. For the hybrid dieselelectric powertrain, two energy control management strategies are proposed, that dic-tate the required torque from the electric motor so as to track a reference air-to-fuelratio/stoichiometric (lambda value) in the diesel engine. The reference lambda values are stored in lookup tables which consider engine parameters, such as produced torque, speedand intake manifold pressure, derived from experimental data during steady-stateoperation. The feasibility and validity of the proposed control strategy was testedexperimentally, using rapid prototyping development tools. The tested loading timeseries is based on performance data from ship-board measurements with a multitudeof engine loading conditions. A comparison between the hybrid powertrain and thestandard engine setup (without the assistance from the electric motor), shows thebenefits of a hybrid setup during transient loading conditions.

Καθώς ένα πλοίο επιταχύνει, ο κινητήρας ντίζελ, λόγω της προσωρινής ανικανότητας τουυπερσυμπιεστή να παρέχει επαρκή ποσότητα αέρα για να κάψει εντελώς την ποσότητα καυσίμου που απαιτείται για να ανταποκριθεί στο αυξανόμενο φορτίο, εκπέμπει καπνό. Ένας τρόπος αντιμετώπισης του ζητήματος αυτού είναι η χρήση ενός υβριδικού ντίζελ-ηλεκτρικού συστήματος πρόωσης. Παραδείγματα των πλοίων με όπου έναςυβριδικό σύστημα θα μπορούσε να είναι χρήσιμη, είναι σκάφη με γρήγορες απαιτήσεις ελιγμών με ταχύτατα μεταβαλλόμενη ζήτηση της προπέλας. Αυτή η διατριβή διερευνά τη βελτίωση των επιδόσεων του κινητήρα εσωτερικής καύσης με τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού κινητήρα, με τη χρήση κατάλληλων συστημάτων ελέγχου, για την παροδική πρόσληψη φορτίου από τον ηλεκτρικό κινητήρα, η οποία οδηγεί στη μείωση των εκπομπών καπνού, μειωμένες εκπομπές ρύπων και χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου. Το υβριδικό ολοκληρωμένο σύστημα πρόωσης (HIPPO-1) στο ΕΜΠ / ΕΝΜ αποτελείται από ένανυπερτροφοδοτούμενο κινητήρα ντίζελ πλοίων 448 kW, μία πέδη νερού και ένα ηλεκτρικό κινητήρα AC με αντιστροφέα συχνότητας 110 kW, σε παράλληλη σύνδεση. Ο κύριος σκοπός του ηλεκτρικού κινητήρα στο HIPPO-1 είναι να βοηθήσει τον κινητήρα diesel στις χαμηλότερες περιοχές ταχύτητας, όπου ο κινητήρας diesel έχει χαμηλό βαθμό απόδοσης, για να ανταποκριθεί πιο γρήγορα στην αυξανόμενη ζήτηση ροπής. Οι δύο στρατηγικές δυναμικού ελέγχου της απαιτούμενης ροπής από τον ηλεκτρικό κινητήρα, λειτουργούν έτσι ώστε να παρακολουθείται μια αναφορική τιμή του λόγου αέρα-καυσίμου (τιμή λ) του κινητήρα ντίζελ. Οι τιμές αναφοράς του αριθμού λ αποθηκεύονται σε πίνακες που εξετάζουν τις παραμέτρους του κινητήρα, όπως η παραγόμενη ροπή, η ταχύτητα και πίεση της πολλαπλής εισαγωγής, που προέρχονται από τα πειραματικά αποτελέσματα κατά τη διάρκεια της σταθερής λειτουργίας του κινητήρα. Η σκοπιμότητα και η εγκυρότητα της προτεινόμενης στρατηγικής ελέγχου ελέγχθηκε πειραματικά. Οι υπό δοκιμή χρόνοσειρές φόρτωσης του κινητήρα βασίζονται σε δεδομένα από μετρήσεις που ελήφθησαν επί πλοίου. Μια σύγκριση ανάμεσα στο υβριδικό σύστημα πρόωσης και η στο συμβατικό σύστημα πρόωσης (χωρίς την βοήθεια ηλεκτροκινητήρα), δείχνει ότι οφέλη μιας υβριδικής εγκατάστασης κατά τη διάρκεια μεταβατικών συνθηκών φόρτισης.