Design, retrofit and predictive optimal control of a conventional marine diesel engine for diesel - methanol dual - fuel operation

Abstract

The escalating urgency of the global climate crisis, combined with the stringent regulations imposed by the International Maritime Organization (IMO), has prompted major shifts in the maritime industry, necessitating an immediate transition to carbon-neutral propulsion. In this context, methanol has emerged as a viable alternative fuel owing to its established production infrastructure, liquid state at ambient temperature, and sustainable production methods. As the deployment of new methanol-fueled vessels accelerates, the worldwide fleet requires viable methods to convert the numerous existing internal combustion engines still in operation. This Doctoral Thesis investigates the complex engineering challenges associated with modifying high-speed marine diesel engines for Diesel-Methanol Dual-Fuel operation, establishing a comprehensive research framework that encompasses experimental evaluation, high-fidelity multi-scale modeling, and advanced real-time optimal control. The research commences with the development and validation of a standardized retrofit methodology for conventional marine engines equipped with mechanical rotary fuel pumps, a prevalent yet understudied architecture in the dual-fuel conversion domain. A conventional high-speed diesel engine was modified for port-premixed methanol application by installing a custom low-pressure injection system, designed specifically for this application, and an independent electronic management unit. An extensive testing campaign was performed on a fully instrumented testbed to evaluate the performance and the operational limits of the retrofitted engine. It highlighted the non-linear trade-offs between Brake Thermal Efficiency and regulated emissions across various Methanol Energy Substitution Ratios. The findings indicated a significant reduction in Nitrogen Oxides (NOₓ) and soot; however, they also revealed a greater propensity for Volatile Organic Compounds and unburned methanol at partial loads, necessitating meticulous combustion control. A comprehensive modeling framework has been established to evaluate dual-fuel combustion, performance, and emission characteristics, and to support the development of control strategies. Initially, a high-fidelity 3-D Computational Fluid Dynamics (CFD) model was developed and utilized to perform a parametric study to elucidate the intricate dual-fuel combustion mechanisms and the kinetic pathways responsible for the generation of regulated and unregulated emissions. This study focused on fuel injection characteristics, particularly diesel injection timing and fuel ratios. Subsequently, a novel zero-dimensional (0-D) phenomenological combustion model was developed to predict the complex combustion process with relatively low computational cost. This model utilizes a modified Triple Wiebe function to accurately depict the multi-stage heat release rates of dual-fuel combustion and was calibrated against the CFD data. This formulation was subsequently integrated into a physics-based Mean Value Engine Model (MVEM), providing a control-oriented platform capable of accurately predicting the system's steady-state and transient response. A pivotal innovation of this dissertation is the development of a vessel-to-engine simulation ecosystem designed to evaluate propulsion performance in realistic maritime conditions. The research couples the MVEM with a dynamic 4-Degree-of-Freedom model of a planing craft, including hydrodynamic resistance and stochastic wave loads based on JONSWAP spectra. Furthermore, to address the absence of typical load cycles for this category of vessels, a novel data-driven methodology was developed utilizing Automatic Identification System (AIS) recordings. The research employed Conditional Adversarial Autoencoders to generate synthetic, statistically representative transient operational profiles that serve as rigorous disturbances for control validation. The framework evaluates various observer architectures, including Extended Kalman Filters and Moving Horizon Estimators, to facilitate the real-time estimation of propeller load torque from stochastic onboard measurements for practical application. Finally, the Thesis culminates in the design, implementation, and rigorous experimental validation of real-time optimal control strategies tailored for common or separate ECU architectures of retrofitted propulsion systems. The research formulates a constrained optimal control problem designed to arbitrate the trade-offs between thermal efficiency, emission compliance, and mechanical limitations. Three distinct control paradigms were synthesized and evaluated: Adaptive Linear Model Predictive Control, Nonlinear Model Predictive Control, and data-driven Soft Actor-Critic Reinforcement Learning. Furthermore, Dynamic Programming was employed to derive non-causal global optima, serving as a rigorous benchmark to quantify the "optimality gap" of the proposed real-time strategies. The comparative analysis reveals that while NMPC exhibits superior capability in handling hard constraints related to knock and misfire, the developed RL agents offer a robust, model-free alternative capable of adapting to the stochastic nature of marine environmental disturbances. Collectively, this work establishes a validated, holistic technical framework for the reliable operation of retrofitted methanol-fueled vessels, significantly contributing to the operational viability of the maritime energy transition.

Ο κλιμακούμενος επείγων χαρακτήρας της παγκόσμιας κλιματικής κρίσης, σε συνδυασμό με τους αυστηρούς κανονισμούς που επιβάλλονται από τον Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (IMO), έχει επιφέρει σημαντικές αλλαγές στη ναυτιλιακή βιομηχανία, καθιστώντας επιτακτική την άμεση μετάβαση σε πρόωση με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα. Σε αυτό το πλαίσιο, η μεθανόλη έχει αναδειχθεί ως βιώσιμο εναλλακτικό καύσιμο λόγω της καθιερωμένης υποδομής παραγωγής της, της υγρής της κατάστασης σε συνθήκες περιβάλλοντος και των μεθόδων βιώσιμης σύνθεσης. Καθώς η ναυπήγηση νέων πλοίων καύσης μεθανόλης επιταχύνεται, ο παγκόσμιος στόλος απαιτεί βιώσιμες μεθόδους για τη μετατροπή των πολυάριθμων υπαρχόντων κινητήρων εσωτερικής καύσης που εξακολουθούν να λειτουργούν. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνά τις σύνθετες μηχανικές προκλήσεις που σχετίζονται με τη μετασκευή ταχύστροφων ναυτικών κινητήρων ντίζελ για λειτουργία διπλού καυσίμου ντίζελ-μεθανόλης (Diesel-Methanol Dual-Fuel), καθιερώνοντας ένα ολοκληρωμένο ερευνητικό πλαίσιο που περιλαμβάνει πειραματική αξιολόγηση, μοντελοποίηση πολλαπλής κλίμακας υψηλής πιστότητας και προηγμένο βέλτιστο έλεγχο σε πραγματικό χρόνο. Η έρευνα ξεκινά με την ανάπτυξη και την επικύρωση μιας τυποποιημένης μεθοδολογίας μετασκευής για συμβατικούς ναυτικούς κινητήρες εξοπλισμένους με μηχανικές περιστροφικές αντλίες καυσίμου, μια διαδεδομένη αλλά ελάχιστα μελετημένη αρχιτεκτονική στον τομέα των μετατροπών διπλού καυσίμου. Ένας συμβατικός ταχύστροφος κινητήρας ντίζελ τροποποιήθηκε για λειτουργία προ-αναμεμιγμένης μεθανόλης με ψεκασμό στις θυρίδες εισαγωγής, μέσω της εγκατάστασης ενός προσαρμοσμένου συστήματος ψεκασμού χαμηλής πίεσης και μιας ανεξάρτητης ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου (ECU). Πραγματοποιήθηκε μια εκτεταμένη πειραματική εκστρατεία σε πλήρως εξοπλισμένη κλίνη δοκιμών για την αξιολόγηση της απόδοσης και των λειτουργικών ορίων του μετασκευασμένου κινητήρα. Η διαδικασία αυτή ανέδειξε τις μη γραμμικές αντισταθμίσεις μεταξύ του θερμικού βαθμού απόδοσης πέδησης και των ρυθμιζόμενων εκπομπών σε διάφορους λόγους υποκατάστασης ενέργειας μεθανόλης. Τα ευρήματα κατέδειξαν σημαντική μείωση των οξειδίων του αζώτου (NOₓ) και της αιθάλης, αποκαλύπτοντας ωστόσο μεγαλύτερη τάση για εκπομπές πτητικών οργανικών ενώσεων και άκαυστης μεθανόλης σε συνθήκες μερικού φορτίου, απαιτώντας έτσι σχολαστικό έλεγχο της καύσης. Έχει δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο μοντελοποίησης για την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών καύσης, απόδοσης και εκπομπών διπλού καυσίμου και για την υποστήριξη της ανάπτυξης στρατηγικών ελέγχου. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο 3-D Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) υψηλής πιστότητας, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση παραμετρικής μελέτης με στόχο την αποσαφήνιση των περίπλοκων μηχανισμών καύσης διπλού καυσίμου και των κινητικών οδών που ευθύνονται για τη δημιουργία ρυθμιζόμενων και μη ρυθμιζόμενων εκπομπών. Η μελέτη αυτή επικεντρώθηκε στα χαρακτηριστικά ψεκασμού, ιδιαίτερα στον χρονισμό ψεκασμού ντίζελ και στις αναλογίες καυσίμου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα νέο φαινομενολογικό μοντέλο καύσης μηδενικών διαστάσεων (0-D) για την πρόβλεψη της πολύπλοκης διαδικασίας καύσης με σχετικά χαμηλό υπολογιστικό κόστος. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη συνάρτηση Triple Wiebe για την ακριβή απεικόνιση των ρυθμών απελευθέρωσης θερμότητας πολλαπλών σταδίων της καύσης διπλού καυσίμου και βαθμονομήθηκε βάσει των δεδομένων CFD. Η διατύπωση αυτή ενσωματώθηκε στη συνέχεια σε ένα μοντέλο Μέσων Τιμών Κινητήρα βασισμένο στη φυσική του συστήματος, παρέχοντας μια πλατφόρμα προσανατολισμένη στον έλεγχο, ικανή να προβλέψει με ακρίβεια τη μόνιμη κατάσταση και τη μεταβατική απόκριση του συστήματος. Μια κομβική καινοτομία της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός οικοσυστήματος προσομοίωσης «σκάφους-κινητήρα», σχεδιασμένου να αξιολογεί την απόδοση της πρόωσης σε ρεαλιστικές θαλάσσιες συνθήκες. Η έρευνα συνδέει το μοντέλο μηχανής με ένα δυναμικό μοντέλο 4 βαθμών ελευθερίας ενός ταχύπλοου σκάφους, συμπεριλαμβανομένης της υδροδυναμικής αντίστασης και των στοχαστικών κυματικών φορτίων βάσει φασμάτων JONSWAP. Επιπλέον, για την αντιμετώπιση της απουσίας τυπικών κύκλων φόρτισης για αυτήν την κατηγορία σκαφών, αναπτύχθηκε μια νέα μεθοδολογία βασισμένη σε δεδομένα, χρησιμοποιώντας καταγραφές του Συστήματος Αυτόματης Αναγνώρισης (AIS). Η έρευνα χρησιμοποίησε Conditional Adversarial Autoencoders (C-AAE) για τη δημιουργία συνθετικών, στατιστικά αντιπροσωπευτικών μεταβατικών λειτουργικών προφίλ, τα οποία χρησιμεύουν ως αυστηρές διαταραχές για την επικύρωση του ελέγχου. Το πλαίσιο αξιολογεί διάφορες αρχιτεκτονικές παρατηρητών, συμπεριλαμβανομένων των Εκτεταμένων Φίλτρων Kalman (EKF) και των Εκτιμητών Κινούμενου Ορίζοντα (MHE), για τη διευκόλυνση της εκτίμησης σε πραγματικό χρόνο της ροπής φορτίου της προπέλας από στοχαστικές μετρήσεις επί του σκάφους. Τέλος, η διατριβή κορυφώνεται με τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και την αυστηρή πειραματική επικύρωση στρατηγικών βέλτιστου ελέγχου σε πραγματικό χρόνο, προσαρμοσμένων για κοινές και αποκεντρωμένες αρχιτεκτονικές ECU μετασκευασμένων συστημάτων πρόωσης. Η έρευνα διατυπώνει ένα πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου με περιορισμούς, σχεδιασμένο να διαχειρίζεται τις αντισταθμίσεις μεταξύ θερμικής απόδοσης, συμμόρφωσης με τα όρια εκπομπών και μηχανικών περιορισμών. Συντέθηκαν και αξιολογήθηκαν τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες ελέγχου: Προσαρμοστικός Γραμμικός Προβλεπτικός Έλεγχος, Μη Γραμμικός Προβλεπτικός Έλεγχος και Ενισχυτική Μάθηση. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε Δυναμικός Προγραμματισμός για την εξαγωγή μη αιτιωδών παγκόσμιων βέλτιστων λύσεων, λειτουργώντας ως αυστηρό σημείο αναφοράς για την ποσοτικοποίηση του «χάσματος βελτιστοποίησης» των προτεινόμενων στρατηγικών πραγματικού χρόνου. Η συγκριτική ανάλυση αποκαλύπτει ότι, ενώ ο Μη Γραμμικός Προβλεπτικός Έλεγχος επιδεικνύει ανώτερη ικανότητα στον χειρισμό αυστηρών περιορισμών που σχετίζονται με την κρουστική καύση (knock) και τις αποτυχίες ανάφλεξης, η ενισχυτική μάθηση προσφέρει μια ισχυρή εναλλακτική λύση χωρίς την ανάγκη μοντέλου, ικανή να προσαρμόζεται στη στοχαστική φύση των θαλάσσιων περιβαλλοντικών διαταραχών. Συνολικά, η εργασία αυτή καθιερώνει ένα επικυρωμένο, ολιστικό τεχνικό πλαίσιο για την αξιόπιστη λειτουργία μετασκευασμένων πλοίων με μεθανόλη, συμβάλλοντας σημαντικά στην επιχειρησιακή βιωσιμότητα της θαλάσσιας ενεργειακής μετάβασης.