Automotive engine exhaust gas energy recovery with an organic rankine cycle

Abstract

[EN] Waste Heat Recovery (WHR) in exhaust gas flow of automotive engines has proved to be a path to increase the overall efficiency of automotive vehicles. Recovery potential of up to 7% are showed in several works in the literature, however most of them are theoretical estimations, and only in some of them there are results from prototypes fed not with actual engine exhaust gases but steady flow generated in an auxiliary gas tank. The main objective of this project is the theoretical-experimental evaluation of a waste heat recovery system based on an Organic Rankine Cycle (ORC), applied to automotive reciprocating internal combustion engines in actual driving conditions. The purpose of this system is to achieve an improvement in the overall efficiency of the automotive engine and a subsequent reduction in fuel consumption and pollutant emissions. In order to perform an experimental evaluation of this system, an experimental ORC test bench is designed and built at CMT, which can be coupled to different types of automotive combustion engines (an automotive diesel engine, a Heavy Duty diesel engine and an automotive petrol engine). The specific objective of this research work is to obtain and quantify the potential of this technology for the use of residual energy in automotive engines. The ORC cycle experimental facility, which aims to design and build in this project, will be used as a demonstrator of this technology applied to automotive engines. If satisfactory results are obtained in this project, in a second phase, the experimental setup will be redesigned to compact it and integrate it into a vehicle with which to study the feasibility for the economic exploitation of this system.

[ES] La recuperación del calor residual en los gases de escape de los motores de automoción se muestra como un camino para mejorar la eficiencia en los vehículos. Potenciales de recuperación de hasta el 7% se muestran en diferentes estudios en la literatura, sin embargo, en la mayor parte de los casos estos estudios son teóricos, y solo en algunos de ellos los resultados no provienen de prototipos alimentados con generadores de gases que simulan los gases de escape de un motor en condiciones estacionarias. El objetivo principal de este proyecto es la evaluación teórico-experimental del potencial de recuperación de un sistema de aprovechamiento energía térmica residual, mediante un Ciclo Rankine Organico (ORC), aplicado a motores de combustión interna alternativos en condiciones reales de funcionamiento. La finalidad de este sistema será conseguir una mejora en la eficiencia de los motores de automoción y la consiguiente reducción en consumo de combustible y en emisiones de contaminantes. Para realizar la evaluación experimental de este sistema, una instalación experimental ORC fue diseñada y construida en el CMT, la cual puede ser acoplada a diferentes tipos de motores de combustión de automoción (motor Diésel de automovil, motor Diésel de vehículo pesado y motor de automóvil de gasolina). El objetivo específico de este trabajo de investigación será obtener y cuantificar el verdadero potencial que ofrece esta tecnología de aprovechamiento de energía residual en motores de automoción. La instalación experimental del ciclo ORC que se pretende diseñar y construir en el presente proyecto se utilizará como un demostrador de este tipo de tecnología aplicada a motores de automoción. Si se obtuvieran resultados satisfactorios de este proyecto, en una segunda fase, la instalación sería rediseñada para compactarla e integrarla en un vehículo con el que estudiar la viabilidad en la explotación económica de este sistema.