Recupero del calore di scarto di un motore a combustione interna mediante tecnologia ORC

Abstract. The present thesis describes the development stages of an Organic Rankine Cycle (ORC) simulation model aimed at automotive applications. Considering that Internal Combustion Engines (ICEs) maximum efficiency stands at 35% for Spark Ignited (SI) engines and 45% for diesel, and 55% of the energy resulting from the combustion is wasted as heat, the coupling of an ICE to an ORC system is a viable solution for the recovery of a part of the amount of energy due to the exhaust gases produced by combustion, otherwise wasted. From mid-sized SI engine dynamometer testing results as input, has been developed a model that can provide all the engine energy data while running a generic standardized test cycle. For right power amount detection and for parameters’ characterization of the heat flows, it is supposed to install the engine on a compact multi-purpose vehicle (MPV), in such a way as to guarantee the necessary spaces for the housing of both the ORC facility and a potentially installed hybrid propulsion system. Also the space necessary for housing a potential natural gas storage facility has been taken into account, in order to get as close as possible to the goal of 95 grams of CO2 emission per kilometre, as stated in the 443/2009 European Directive for the year 2020. The ORC evaporator, i.e. the interface between the ICE and the recovery system, was designed by vehicle driving simulations results through the NEDC standardized test cycle. From the same simulations was also possible to determine the amount of recoverable energy while driving. The behaviour of the scroll-type expander used in the system was modelled by the data obtained from the experimental characterization of a small ORC plant prototype with R245fa as working fluid. The test bench setup has been described and the test results have been discussed.

Sommario. Il presente lavoro di tesi illustra le fasi di sviluppo di un modello per la simulazione del comportamento di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) volto ad applicazioni automotive. Considerato che il massimo rendimento dei motori a combustione interna (MCI) si attesta al 35% per i motori ad accensione comandata e al 45% per quelli ad accensione spontanea e che il 55% dell’energia risultante dalla combustione viene dissipata sotto forma di calore, l’accoppiamento di un MCI ad un sistema ORC risulta una valida soluzione per il recupero di una parte dell’aliquota di energia spettante ai fumi prodotti dalla combustione. A partire dai risultati ottenuti da prove al banco freno dinamometrico di un motore di media cilindrata alimentato a benzina, è stato sviluppato un modello in grado di fornirne i dati energetici durante la percorrenza di un generico ciclo di prova standardizzato. Per una corretta individuazione delle potenze in gioco e dei parametri caratteristi dei flussi termici disponibili al recupero, si è ipotizzato di installare il propulsore su di una monovolume compatta, in maniera tale da garantire la disponibilità degli spazi necessari ad ospitare sia l’impianto a fluido organico, sia un eventuale sistema di propulsione ibrida o l’alloggiamento di serbatoi per il metano, nell’ottica di avvicinarsi quanto più possibile al traguardo dei 95 grammi di CO2 emessa per chilometro percorso, stabilito dalla Direttiva Europea 443/2009 per l’anno 2020. Dai risultati delle simulazioni su ciclo prova standardizzato NEDC si è potuto procedere al dimensionamento dell’evaporatore dell’impianto ORC, ovvero l’interfaccia tra il MCI ed il sistema di recupero, e sviluppare un modello in grado di determinare il quantitativo di energia recuperabile durante l’esercizio. Il comportamento dell’espansore di tipo scroll utilizzato nel sistema è stato modellato a partire dai dati ottenuti dalla sperimentazione effettuata su di un prototipo di impianto ORC di piccola taglia caricato con fluido organico R245fa. Di tale sperimentazione è stata descritta la fase implementativa e ne sono stati esposti i risultati.