Progettazione, ottimizzazione e controllo di sistemi di recupero del calore di scarto orientati all'elettrificazione basati sul ciclo Rankine organico per veicoli pesanti

The subject of this dissertation is the design, optimization and control of a waste heat recovery system (WHR) based on the organic Rankine cycle (ORC) for heavy vehicles. The final goal of such systems is to improve the fuel efficiency of the ve hicle. Commercial heavy trucks, powered by heavy-duty Diesel engines, appear as suitable candidates for WHR because their typical on-highway working conditions result in a significant production of waste heat that could be recovered. However, the highly variable working conditions in which an engine usually works make the operation of the ORC system very challenging. In the management of ORC systems, optimization and control are considered as an essential step in order to attain good performance during the whole operation of the engine on a driving cycle. In this dissertation a GT-Power model of a 12.6 liters turbocharged Diesel engine is used as a typical heavy duty Diesel engine to retrieve the temperature and the mass flow rate of the exhaust gases during a heavy heavy-duty driving cycle. An optimiza tion process is performed to maximize the power output of the ORC as a function of the revolution speeds of the pump and of the turbine. For powertrain electrifica tion purposes, two different ORC architectures are proposed, both seeking to store the recovered energy into the vehicle’s battery. The first architecture is optimized based on mean values of exhausts temperature and mass flow rate, while the second architecture is designed to independently control the revolutions of the pump and of the turbine of the ORC system toward optimal values for maximum net power output. In spite of a straightforward control strategy, both architectures proved to be able to recover an interesting amount of energy, which is comparable with the en ergy demand of the auxiliary loads. Nonetheless, results show that optimizing the net power of the ORC by decoupling the turbine and the pump may not ensure the maximization of the recovered energy. In fact, the storable energy from the ORC is strongly affected by the conversion efficiencies related to the specific architecture

L’argomento di questa tesi è la progettazione, l’ottimizzazione e il controllo di un sistema di recupero del calore per veicoli pesanti basato sul ciclo organico di Rank ine (ORC). L’obiettivo finale di tali sistemi è migliorare l’efficienza energetica del veicolo. I camion pesanti per usi commerciali, alimentati da grandi motori Diesel, appaiono come candidati idonei per il recupero di energia dai gas di scarico poiché le loro condizioni operative in autostrada producono una significativa quantità di calore che può essere recuperato. Tuttavia, le condizioni estremamente variabili in cui funziona il motore costituiscono una sfida per il funzionamento del sistema ORC. Nella gestione dei sistemi ORC, l’ottimizzazione e il controllo sono considerati un el emento essenziale per raggiungere buone prestazioni per tutto il funzionamento del motore durante un ciclo di guida. In questa tesi è stato utilizzato un modello GT Power di un motore Diesel turbo da 12.6 litri come tipico esempio di motore Diesel heavy-duty. Il modello è stato usato per calcolare la temperatura e la portata massica dei gas di scarico durante un ciclo di guida. Un processo di ottimizzazione è stato es eguito per massimizzare la potenza dell’ORC in funzione delle velocità di rotazione della pompa e della turbina. Ai fini dell’elettrificazione del gruppo propulsore, sono state proposte due diverse architetture per il sistema di recupero, entrambe però mirano ad immagazzinare l’energia recuperata nella batteria del veicolo. La prima architettura è ottimizzata in base ai valori medi della temperatura e della portata massica dei gas di scarico, mentre la seconda architettura è progettata per control lare in modo indipendente i giri della pompa e della turbina verso i valori ottimali che realizzano la massima potenza netta del sistema ORC. Nonostante una semplice strategia di controllo, entrambe le architetture hanno dimostrato di essere in grado di recuperare una quantità interessante di energia, che è paragonabile al fabbisogno energetico dei carichi ausiliari. Tuttavia, i risultati mostrano che l’energia recuper abile dal sistema ORC è fortemente influenzata dalle efficienze di conversione legate alla specifica architettura