Waste heat recovery technologies : modeling and optimization of an internal combustion engine with organic Rankine cycle and a split cycle engine

In an internal combustion engine, a considerable amount of heat produced by the fuel combustion is released into the ambient as waste heat. This phenomenon greatly reduces the efficiencies and performances of engines, leading to higher fuel consumptions and higher emissions. Waste heat recovery techniques can help mitigating this issue, by collecting part of the heat released to the ambient and converting it into useful mechanical or electric power. In this work three different models have been built. The first is a mechanical and thermal model for a commercial gasoline engine, validated against experimental data. The second aims at characterizing the behavior of an Organic Rankine Cycle, used as a bottoming cycle. The coupling between the two has been optimized by means of a numerical optimization method as to maximize the power extracted from the waste heat recovery. The third allows to simulate the mechanical behavior of a split-cycle engine, which enables a different methodology for waste heat recovery, called integrated waste heat recovery. What it has been found is that the implementation of a recuperative bottoming system can indeed increase the engine efficiency, but it adds a layer of complexity that need to be evaluated accurately to understand if it's worth the improvement. Integrated waste heat recovery systems are simpler, but they need future work to truly assess their potentials and viability.

In un motore a combustione interna, una notevole quantità di calore prodotta dalla combustione viene rilasciata nell'ambiente come calore di scarto. Questo fenomeno riduce notevolmente l'efficienza e le prestazioni dei motori, portando a consumi più elevati e a maggiori emissioni. Le tecniche di recupero di calore di scarto possono contribuire a mitigare questo problema, raccogliendo parte del calore rilasciato nell'ambiente e convertendolo in lavoro meccanico o elettrico utile. Durante lo svolgimento di questa tesi sono stati costruiti tre modelli simulativi. Il primo è un modello meccanico e termico per un motore a benzina per automobile, validato sperimentalmente. Il secondo mira a caratterizzare il comportamento di un ciclo di Rankine Organico, utilizzato come ciclo bottoming. L'accoppiamento tra i due è stato ottimizzato per mezzo di un metodo di ottimizzazione numerico, allo scopo di massimizzare la potenza estratta dal recupero di calore di scarto. Il terzo modello permette di simulare il comportamento meccanico di un motore a ciclo split, potenzialmente in grado di permettere una diversa metodologia per il recupero di calore, chiamata recupero del calore di scarto integrato. Da quanto ottenuto si puà dire che l'adozione di un sistema di ciclo bottoming può effettivamente aumentare l'efficienza del motore, ma aggiunge uno livello di complessità che deve essere valutato accuratamente per capire se valga o meno l'adozione. I sistemi di recupero del calore di scarto integrati sono più semplici, ma hanno bisogno di ulteriori studi futuri per valutare i loro reali potenziali e la fattibilità.