Matching 1-dimensional engine flow solution with digital twin requirements for system-level simulations : A model-in-the-loop study of an engine-based stationary power plant

Abstract

Internal combustion engines hold their position as the main source of power in maritime applications, but the inescapable requirement of reducing overall emissions calls for more advanced solutions. This thesis explores the integration and simulation capabilities of a model-in-the-loop approach for a diesel engine-based hybrid power plant, with the primary focus being in evaluating the feasibility of using one-dimensional flow solutions in creating accurate and computationally efficient digital twins for system-level simulations.

The novelty of this approach lies in its ability to integrate high-fidelity physical modelling with real-time simulation capabilities, providing an unprecedented level of detail and accuracy. The modelling technique offers significant improvements over traditional black-box models by retaining the physical realism required for predictive simulations while ensuring computational efficiency.

The use of a Speedgoat Mobile target machine is demonstrated to handle the computational demands of the hybrid power plant model, ensuring real-time performance. Key results show that the upgraded system successfully meets real-time requirements, proving its potential for hardware-in-the-loop simulations. Explicitly, the model could be run at sample times corresponding to 14 crank angle degrees for the isolated engine model and 18 crank angle degrees for the combined hybrid power plant model. This speed matches the phenomenological time-scale of in-cylinder combustion, enabling the future digital twin with state-of-the art fidelity. Additionally, sample time effect on model accuracy was assessed extensively.

Polttomoottorit puolustavat paikkaansa merisovellusten pääasiallisena voimanlähteenä, mutta pakottava tarve vähentää kokonaispäästöjä vaatii niiden kehittämistä taloudellisemmaksi. Tämä opinnäytetyö tutkii model-in-the-loop -lähestymistavan tarjoamia mahdollisuuksia dieselmoottoripohjaisten hybridivoimalaitosten integroinnissa ja simuloinnissa. Työ keskittyy ensisijaisesti yksiulotteisten virtausratkaisujen käyttökelpoisuuden arviointiin tarkkojen ja laskennallisesti tehokkaiden digitaalisten kaksosten luomiseksi järjestelmätason simulointeja varten. Lähestymistavan uutuusarvo piilee sen kyvyssä toteuttaa korkean tarkkuuden fysiikkapohjainen mallinnus reaaliaikaisesti. Mallinnustekniikka tarjoaa merkittävän parannuksen verrattuna perinteisiin black-box -malleihin yhdistämällä korkean tarkkuuden ennustavan mallinnustavan matalaan laskennalliseen kustannukseen. Speedgoat Mobile -kohdekoneen osoitetaan kykenevän ajamaan hybridivoimalaitoksen mallia reaaliaikaisesti. Näin ollen päivitetyn järjestelmän voidaan osoittaa soveltuvan hardware-in-the-loop -simulaatioihin. Mallia voitiin ajaa näytteistystaajuuksilla jotka vastasivat moottorimallin tapauksessa 14:ää kammenkulma-astetta ja voimalaitosmallin tapauksessa 18:aa kammenkulma-astetta. Nopeuden todettiin riittävän sylinterin palotapahtuman aiheuttaman paineenlisäyksen mallintamiseen riittävällä tarkkuudella. Lisäksi näytteistystaajuuden vaikutuksia mallin tarkkuuteen arvioitiin laajasti.