Regulations for ICE-based transportation in the EU seek carbon dioxide
emissions lower than 95 g CO2/km by 2020. In order to fulfill these
limits, improvements in vehicle fuel consumption have to be achieved. One
of the main losses of ICEs happens in the exhaust line. Internal combustion
engines transform chemical energy into mechanical energy through
combustion; however, only about 15-32% of this energy is effectively used
to produce work, while most of the fuel energy is wasted through exhaust
gases and coolant. Therefore, these sources can be exploited to improve the
overall efficiency of the engine. Between these sources, exhaust gases show
the largest potential of Waste Heat Recovery (WHR) due to its high level of
exergy. Regarding WHR technologies, Rankine cycles are considered as the
most promising candidates for improving Internal Combustion Engines.
However, the implementation of this technology in modern passenger cars
requires additional features to achieve a compact integration and controllability
in the engine. While industrial applications typically operates in
steady state operating points, there is a huge challenge taking into account
its impact in the engine during typical daily driving profiles.
This thesis contributes to the knowledge and characterization of an
Organic Rankine Cycle coupled with an Internal Combustion Engine using
ethanol as working fluid and a swash-plate expander as expansion machine.
The main objective of this research work is to obtain and quantify the
potential of Organic Rankine Cycles for the use of residual energy in
automotive engines. To do this, an experimental ORC test bench was
designed and built at CMT (Polytechnic University of Valencia), which can
be coupled to different types of automotive combustion engines. Using
these results, an estimation of the main variables of the cycle was obtained
both in stationary and transient operating points. A potential of increasing
ICE mechanical efficiency up to 3.7% could be reached at points of high
load installing an ORC in a conventional turbocharged gasoline engine.
Regarding transient conditions, a slightly simple and robust control based
on adaptive PIDs, allows the control of the ORC in realistic driving profiles.
High loads and hot conditions should be the starting ideal conditions to
test and validate the control of the ORC in order to achieve high exhaust
temperatures that justify the feasibility of the system.
In order to deepen in the viability and characteristics of this particular
application, some theoretical studies were done. A 1D model was developed
using LMS Imagine.Lab Amesim platform. A potential improvement
of 2.5% in fuel conversion efficiency was obtained at the high operating
points as a direct consequence of the 23.5 g/kWh reduction in bsfc. To
conclude, a thermo-economic study was developed taking into account
the main elements of the installation costs and a minimum Specific Investment
Cost value of 2030 €/kW was obtained. Moreover, an exergetic
study showed that a total amount of 3.75 kW, 36.5% of exergy destruction
rate, could be lowered in the forthcoming years, taking account the maximum
efficiencies considering technical restrictions of the cycle components. / Las normativas anticontaminantes para el transporte propulsado por
motores de combustión interna alternativos en la Unión Europea muestran
límites de emisión menores a 95 g CO2/km para el año 2020. Con el fin
de cumplir estos límites, deberán ser realizadas mejoras en el consumo
de combustible en los vehículos. Una de las principales pérdidas en los
Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA) ocurre en la línea de
escape. Los MCIA transforman la energía química en energía mecánica
a través de la combustión; sin embargo, únicamente el 15-32% de esta
energía es eficazmente usada para producir trabajo, mientras que la mayor
parte es desperdiciada a través de los gases de escape y el agua de refrigeración
del motor. Por ello, estas fuentes de energía pueden ser utilizadas
para mejorar la eficiencia global del vehículo. De estas fuentes, los gases de
escape muestran un potencial mayor de recuperación de energía residual
debido a su mayor contenido exergético. De todos los tipos de Sistemas de
Recuperación de Energía Residual, los Ciclos Rankine son considerados
como los candidatos más prometedores para mejorar la eficiencia de los
MCIA. Sin embargo, la implementación de esta tecnología en los vehículos
de pasajeros modernos requiere nuevas características para conseguir una
integración compacta y una buena controlabilidad del motor. Mientras que
las aplicaciones industriales normalmente operan en puntos de operación
estacionarios, en el caso de los vehículos con MCIA existen importantes
retos teniendo en cuenta su impacto en el modo de conducción cotidianos.
Esta Tesis contribuye al conocimiento y caracterización de un Ciclo
Rankine Orgánico acoplado con un Motor de Combustión Interna Alternativo
utilizando etanol como fluido de trabajo y un expansor tipo Swash-plate
como máquina expansora. El principal objetivo de este trabajo de investigación
es obtener y cuantificar el potencial de los Ciclos Rankine Orgánicos
(ORC) para la recuperación de la energía residual en motores de automoción.
Para ello, una instalación experimental con un Ciclo Rankine
Orgánico fue diseñada y construida en el Instituto Universitario "CMT -
Motores Térmicos" (Universidad Politécnica de Valencia), que puede ser
acoplada a diferentes tipos de motores de combustión interna alternativos.
Usando esta instalación, una estimación de las principales variables del
ciclo fue obtenida tanto en puntos estacionarios como en transitorios. Un
potencial de mejora en torno a un 3.7 % puede ser alcanzada en puntos
de alta carga instalando un ORC en un motor gasolina turboalimentado.
Respecto a las condiciones transitorias, un control sencillo y robusto basado
en PIDs adaptativos permite el control del ORC en perfiles de conducción
reales. Las condiciones ideales para testear y validar el control del ORC
son alta carga en el motor comenzando con el motor en caliente para conseguir
altas temperaturas en el escape que justifiquen la viabilidad de
estos ciclos.
Para tratar de profundizar en la viabilidad y características de esta
aplicación particular, diversos estudios teóricos fueron realizados. Un
modelo 1D fue desarrollado usando el software LMS Imagine.Lab Amesim.
Un potencial de mejora en torno a un 2.5% en el rendimiento efectivo del
motor fue obtenido en condiciones transitorias en los puntos de alta carga
como una consecuencia directa de la reducción de 23.5 g/kWh del consumo
específico. Para concluir, un estudio termo-económico fue desarrollado
teniendo en cuenta los costes de los principales elementos de la instalación
y un valor mínimo de 2030 €/kW fue obtenido en el parámetro de Coste
Específico de inversión. Además, el estudio exergético muestra que un total
de 3.75 kW, 36.5 % de la tasa de destrucción total de exergía, podría ser
reducida en los años futuros, teniendo en cuenta las máximas eficiencias
considerando restricciones técnicas en los componentes del ciclo. / Les normatives anticontaminants per al transport propulsat per motors
de combustió interna alternatius a la Unió Europea mostren límits
d'emissió menors a 95 g·CO2/km per a l'any 2020. Per tal d'acomplir aquests
límits, s'hauran de realitzar millores al consum de combustible dels
vehicles. Una de les principals pèrdues als Motors de combustió interna
alternatius (MCIA) ocorre a la línia d'escapament. Els MCIA transformen
l'energia química en energia mecànica a través de la combustió; però, únicament
el 15-32% d'aquesta energia és usada per produir treball, mentre que
la major part és desaprofitada a través dels gasos d'escapament i l'aigua
de refrigeració del motor. Per això, aquestes fonts d'energia poden ser
utilitzades per millorar l'eficiència global del vehicle. Considerant aquestes
dues fonts d'energia, els gasos d'escapament mostren un potencial major
de recuperació d'energia residual debut al seu major contingut exergètic.
De tots els tipus de Sistemes de Recuperació d'Energia Residual, els Cicles
Rankine són considerats com els candidats més prometedors per millorar
l'eficiència dels MCIA. No obstant, la implementació d'aquesta tecnologia
en els vehicles de passatgers moderns requereix un desenvolupament
addicional per aconseguir una integració compacta i una bona controlabilitat
del motor. Mentre que les aplicacions industrials normalment operen
en punts d'operació estacionaris, en el cas dels vehicles amb MCIA hi
han importants reptes a solucionar tenint en compte el funcionament en
condicions variables del motor i el seu impacte en la manera de conducció
quotidiana del usuari.
Aquesta Tesi contribueix al coneixement i caracterització d'un Cicle
Rankine Orgànic (ORC) acoblat amb un motor de combustió interna alternatiu
(MCIA) utilitzant etanol com a fluid de treball i un expansor tipus
Swash-plate com a màquina expansora. El principal objectiu d'aquest
treball de recerca és obtenir i quantificar el potencial dels ORCs per a la
recuperació de l'energia residual en motors d'automoció. Per aconseguir-ho,
una instal·lació experimental amb un ORC va ser dissenyada i construïda
a l'Institut "CMT- Motores Térmicos" (Universitat Politècnica de València).
Esta installació pot ser acoblada a diferents tipus de MCIAs. Mitjançant
assajos experimentals en aquesta installació, una estimació de les principals
variables del cicle va ser obtinguda tant en punts estacionaris com
en punts transitoris. Un potencial de millora al voltant d'un 3.7% pot ser
aconseguida en punts d'alta càrrega instal·lant un ORC acoblat a un motor
gasolina turboalimentat. Pel que fa a les condicions transitòries, un control
senzill i robust basat en PIDs adaptatius permet el control del ORC en
perfils de conducció reals. Les condicions ideals per a testejar i validar
el control de l'ORC són alta càrrega al motor començant amb el motor en
calent per aconseguir altes temperatures d'escapament que justifiquen la
viabilitat d'aquests cicles.
Per tractar d'aprofundir en la viabilitat i característiques d'aquesta
aplicació particular, diversos estudis teòrics van ser realitzats. Un model
1D va ser desenvolupat usant el programari LMS Imagine.Lab Amesim.
Un potencial de millora al voltant d'un 2.5% en el rendiment efectiu del
motor va ser obtingut en condicions transitòries en els punts d'alta càrrega
com una conseqüència directa de la reducció de 23.5 g/kWh al consum
específic. Per concloure, un estudi termo-econòmic va ser desenvolupat
tenint en compte els costos dels principals elements de la installació i
un valor mínim de 2030 €/kW va ser obtingut en el paràmetre del Cost
Específic d'Inversió. A més, l'estudi exergètic mostra que un total de 3.75
kW, 36.5% de la taxa de destrucció total d'exergia, podria ser recuperat en
un pròxim, considerant restriccions tècniques en els components del cicle i
tenint en compte les màximes eficiències que es poden aconseguir. / Royo Pascual, L. (2017). Study of Organic Rankine Cycles for Waste Heat Recovery in Transportation Vehicles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84013
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/84013 |
| Date | 29 June 2017 |
| Creators | Royo Pascual, Lucía |
| Contributors | Dolz Ruiz, Vicente, Universitat Politècnica de València. Departamento de Máquinas y Motores Térmicos - Departament de Màquines i Motors Tèrmics |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0034 seconds