Long haul truck on board waste heat recovery with ORC. Thermodynamic optimization, encumbrance analysis and impact on CO2 emissions

During the last years the increasingly stringent regulations regarding the pollutants emissions in the automotive sector, adopted to improve the air quality, are enhancing the interest toward the development of possible innovative technologies to boost the performances of the engines and to reduce their consumptions. A possible promising solution would seem to be the waste heat recovery produced during the engine operation through an ORC system. The goal of this thesis is analysing the possible advantages in terms of fuel consumption in Heavy-Duty Diesel applications, being these the more inclined and suitable to include an additional system of this type, giving a first qualitative evaluation from which a deeper and more complete analysis can be conducted. The study was made thanks to 3 software: Gasdyn, VECTO and MATLAB. Gasdyn is a 1D program developed by the Department of Energy of Politecnico di Milano which simulates thermo-fluid-dynamically the entire engine and thanks to which it was possible to evaluate the reductions of the performances caused by the installation of the added system. VECTO is a software developed from the European Commission which was used to compute the emission levels of CO2 and the fuel consumption of the Heavy-Duty vehicle, through the simulations of the dynamics of the truck along a defined driving cycle. Differently, Matlab was used to obtain the results of all the others analyses performed, such as: a first thermodynamic optimization to focus on the most promising fluids, a sensitivity analysis on the geometric parameters of the heat exchangers and a final multi-objective optimization to draw the Pareto Fronts regarding efficiency and encumbrance. The results show Cyclopentane as the most promising fluid from a thermodynamic and encumbrance point of view, even if with some security and sealing problems, which could be overcome adopting R1233zd(E) which though would imply a lower fuel consumption discount compared to that of the hydrocarbon.

Negli ultimi anni le normative sempre più severe riguardanti le emissioni degli inquinanti nel settore automobilistico, adottate con lo scopo di migliorare la qualità dell’aria, stanno accrescendo l’interesse verso lo sviluppo di tecnologie innovative per migliorare le prestazioni e i consumi dei motori. Una soluzione promettente sembrerebbe essere il recupero del calore di scarto prodotto dal motore attraverso un modulo ORC. Lo scopo di questa tesi è analizzarne i possibili vantaggi in termini di consumo di carburante in applicazioni Diesel Heavy-Duty, essendo i più propensi e adatti ad accogliere un sistema aggiuntivo di questo tipo, fornendo una prima valutazione qualitativa da cui poter condurre un’analisi più completa e approfondita. Lo studio è stato affrontato grazie all’utilizzo di 3 software: Gasdyn, VECTO e Matlab. Gasdyn è un software 1D sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano che simula termo-fluidodinamicamente l’intero motore e grazie al quale è stato possibile valutare le perdite di prestazioni causate dall’installazione del nuovo sistema. VECTO è un software sviluppato dalla Commissione Europea che è stato utilizzato per calcolare le emissioni di CO2 e il consumo di carburante del veicolo Heavy-Duty, attraverso le simulazioni della dinamica del camion lungo un determinato ciclo di guida. Infine, Matlab è stato utilizzato per ottenere i risultati di tutte le altre analisi condotte, quali: una prima ottimizzazione termodinamica per concentrarsi sui fluidi più promettenti, un’analisi di sensibilità sui parametri geometrici degli scambiatori di calore e un’ultima ottimizzazione multi-obiettivo per ottenere i Fronti di Pareto riguardanti efficienza ed ingombro. I risultati indicano il Ciclopentano come fluido più promettente dal punto di vista termodinamico e di ingombro, seppur con alcune problematiche riguardo la sicurezza e l’ermeticità del sistema, che potrebbero essere risolte adottando l’R1233zd(E) il quale a sua volta però porterebbe a un minor risparmio di combustibile rispetto all’idrocarburo.