Exhaust waste heat recovery from a heavy-duty truck engine: Experiments and simulations

Waste heat recovery using an (organic) Rankine cycle is an important and promising technology for improving engine efficiency and thereby reducing the CO2 emissions due to heavy-duty transport. Experiments were performed using a Rankine cycle with water for waste heat recovery from the exhaust gases of a heavy-duty Diesel engine. The experimental results were used to calibrate and validate steady-state models of the main components in the cycle: the pump, pump bypass valve, evaporator, expander, and condenser. Simulations were performed to evaluate the cycle performance over a wide range of engine operating conditions using three working fluids: water, cyclopentane, and ethanol. Additionally, cycle simulations were performed for these working fluids over a typical long haul truck driving cycle. The predicted net power output with water as the working fluid varied between 0.5 and 5.7 kW, where the optimal expander speed was dependent on the engine operating point. The net power output for simulations with cyclopentane was between 1.8 and 9.6 kW and that for ethanol was between 1.0 and 7.8 kW. Over the driving cycle, the total recovered energy was 11.2, 8.2, and 5.2 MJ for cyclopentane, ethanol, and water, respectively. These values correspond to energy recoveries of 3.4, 2.5, and 1.6%, respectively, relative to the total energy requirement of the engine. The main contribution of this paper is the presentation of experimental data on a complete Rankine cycle-based WHR system coupled to a heavy-duty engine. These results were used to validate component models for simulations, allowing for a realistic estimation of the steady-state performance under a wide range of operating conditions for this type of system

Demonstrating the Performance and Emission Characteristics of a Variable Compression Ratio, Alvar-Cycle Engine

This paper is a direct continuation of a previous study that addressed the performance and design of a variable compression engine, the Alvar-Cycle Engine [1]. The earlier study was presented at the SAE International Conference and Exposition in Detroit during February 23- 26, 1998 as SAE paper 981027. In the present paper test results from a single cylinder prototype are reviewed and compared with a similar conventional engine. Efficiency and emissions are shown as function of speed, load, and compression ratio. The influence of residual gas on knock characteristics is shown. The potential for high power density through heavy supercharging is analyzed

Performance Analysis of a Reciprocating Piston Expander and a Plate Type Exhaust Gas Recirculation Boiler in a Water-Based Rankine Cycle for Heat Recovery from a Heavy Duty Diesel Engine

The exhaust gas in an internal combustion engine provides favorable conditions for a waste-heat recovery (WHR) system. The highest potential is achieved by the Rankine cycle as a heat recovery technology. There are only few experimental studies that investigate full-scale systems using water-based working fluids and their effects on the performance and operation of a Rankine cycle heat recovery system. This paper discusses experimental results and practical challenges with a WHR system when utilizing heat from the exhaust gas recirculation system of a truck engine. The results showed that the boiler’s pinch point necessitated trade-offs between maintaining adequate boiling pressure while achieving acceptable cooling of the EGR and superheating of the water. The expander used in the system had a geometric compression ratio of 21 together with a steam outlet timing that caused high re-compression. Inlet pressures of up to 30 bar were therefore required for a stable expander power output. Such high pressures increased the pump power, and reduced the EGR cooling in the boiler because of pinch-point effects. Simulations indicated that reducing the expander’s compression ratio from 21 to 13 would allow 30% lower steam supply pressures without adversely affecting the expander’s power output

Thermodynamic Simulation of HCCI Engine Systems

This thesis focuses on engine system simulation using thermodynamics and chemical kinetic models to investigate the performance and efficiency of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines for stationary applications. It includes the development of software as well as models for engine, turbocharger, intercooler, inlet and exhaust manifolds, wastegate valve, inlet air humidifier, inlet air heater and more. The engine model can be classified as a one-zone, zero-dimensional and includes sub-models for in-cylinder heat transfer, exhaust port heat transfer, heat release and the valve flow process. The turbocharger model is developed in steps and is based on a polynomial fit to experimental compressor and turbine performance data. Inlet and exhaust manifolds are treated as well-mixed volumes. A simplified model for the humidifier is adopted in order to simulate a humid air motor (HAM) concept. The whole engine system is zero dimensional and the different system components are linked by means of mean values for mass flow, temperatures, pressures and gas composition. The NASA-polynomials are used for calculating thermal and transport properties. The extended Zeldovich mechanism is used as an indicator of significant NO formation. The models are validated through comparisons with experiments on mainly diesel and HCCI engines, both cycle and system results.HCCI engine cycle simulations are made, showing the influence of various engine parameters e.g. compression ratio, engine speed, air-fuel ratio, exhaust gas recycling, inlet pressure and valve timing. Mainly natural gas and landfill gas are studied. The self-stabilizing feature of HCCI ignition timing is investigated using chemical kinetics. HCCI engine system simulations are made, both with (to find ignition timing) and without chemical kinetics, investigating turbocharging and the influence of turbine size. The HCCI - HAM concept is investigated and compared to simpler systems

Comparison of Tunnel Convergence Measurement Methods

When creating cavities below ground, movements occur in the surrounding soil due to disrupted equilibrium. In tunnel constructions these displacements are referred to as tunnel convergence. This report compares four dierent methods for monitoring tunnel convergence with regards to both measurement precision and method cost. Three of the methods are based on displacement measurements of optical targets placed at regular intervals in the tunnel. Presented is also a method using a combination of wireless tilt and distance sensors to monitor tunnel convergence. The overall conclusion is that measurement precision and cost are well correlated. However, important to consider is that tunnel convergence monitoring cost is faceted and not only the obvious cost of equipment and labour, but also the indirect cost from interfering with other activities in the tunnel. Measurement precision of the dierent methods was determined by applying the methods in a lab environment, congured to eliminate any possible movements, and analysing the distribution of the displacement demonstrated by each method. In addition, information regarding the labour eort required to prepare and perform the measurements was also collected. Based on the experiments and literature studies, the report discusses the criteria to consider when selecting a tunnel convergence monitoring method and presents a comparison of the four methods included in the study.Vid skapandet av underjordiska hålrum uppträder rörelser i den omgivande marken på grund av att jämvikten upphävs. I tunnelkonstruktioner kallas dessa förskjutningar för tunnelkonvergens. Denna rapport jämför, med avseende både på precision och kostnad, fyra metoder för mätning av tunnelkonvergens. Tre av metoderna baseras på förskjutningsmätningar av optiska mål placerade på regelbundna avstånd längs tunneln. Rapporten presenterar även en metod där en kombination av trådlösa tilt- och distanssensorer används för att monitorera tunnelkonvergens. Den övergripande slutsatsen är att mätprecision och kostnad är väl korrelerade. Viktigt är dock att beakta de olika delarna i den totala kostnaden, som inte bara består av kostnader för arbetskraft och utrustning utan även indirekta kostnader på grund av att annan verksamhet hindras under mätaktiviteter. Mätprecisionen för de olika metoderna uppskattades genom att analysera fördelningen av mätvärden uppmätta i en lab-miljö beskaffad så att inga rörelser förväntades. Från labmätningarna noterades även omfattningen av den arbetsinsats som krävs för att förbereda och utföra mätningarna. Med mätningarna och litteraturstudier som bakgrund diskuteras kriterier att beakta när man väler metod för konvergensmätning. Baserat på dessa kriterier jämförs de fyra metoderna

Comparison of Tunnel Convergence Measurement Methods

When creating cavities below ground, movements occur in the surrounding soil due to disrupted equilibrium. In tunnel constructions these displacements are referred to as tunnel convergence. This report compares four dierent methods for monitoring tunnel convergence with regards to both measurement precision and method cost. Three of the methods are based on displacement measurements of optical targets placed at regular intervals in the tunnel. Presented is also a method using a combination of wireless tilt and distance sensors to monitor tunnel convergence. The overall conclusion is that measurement precision and cost are well correlated. However, important to consider is that tunnel convergence monitoring cost is faceted and not only the obvious cost of equipment and labour, but also the indirect cost from interfering with other activities in the tunnel. Measurement precision of the dierent methods was determined by applying the methods in a lab environment, congured to eliminate any possible movements, and analysing the distribution of the displacement demonstrated by each method. In addition, information regarding the labour eort required to prepare and perform the measurements was also collected. Based on the experiments and literature studies, the report discusses the criteria to consider when selecting a tunnel convergence monitoring method and presents a comparison of the four methods included in the study.Vid skapandet av underjordiska hålrum uppträder rörelser i den omgivande marken på grund av att jämvikten upphävs. I tunnelkonstruktioner kallas dessa förskjutningar för tunnelkonvergens. Denna rapport jämför, med avseende både på precision och kostnad, fyra metoder för mätning av tunnelkonvergens. Tre av metoderna baseras på förskjutningsmätningar av optiska mål placerade på regelbundna avstånd längs tunneln. Rapporten presenterar även en metod där en kombination av trådlösa tilt- och distanssensorer används för att monitorera tunnelkonvergens. Den övergripande slutsatsen är att mätprecision och kostnad är väl korrelerade. Viktigt är dock att beakta de olika delarna i den totala kostnaden, som inte bara består av kostnader för arbetskraft och utrustning utan även indirekta kostnader på grund av att annan verksamhet hindras under mätaktiviteter. Mätprecisionen för de olika metoderna uppskattades genom att analysera fördelningen av mätvärden uppmätta i en lab-miljö beskaffad så att inga rörelser förväntades. Från labmätningarna noterades även omfattningen av den arbetsinsats som krävs för att förbereda och utföra mätningarna. Med mätningarna och litteraturstudier som bakgrund diskuteras kriterier att beakta när man väler metod för konvergensmätning. Baserat på dessa kriterier jämförs de fyra metoderna

Lathund till systemet Hållbara Byggnader - funktionskrav och klassificering

Föreliggande rapport utgör en introduktion till systemet Hållbara Byggnaders och är riktad till beställa-ren av ett byggprojekt. Ett viktigt syfte med systemet är att precisera och underlätta byggherrens roll som kravställare och ge en vägledning för hur miljökraven kan följas upp i byggprocessens olika skeden samt i den färdiga byggnaden. Systemet Hållbara Byggnader är till för dig som på ett kostnadseffektivt sätt och med trovärdiga meto-der vill målstyra och utvärdera byggnadens energianvändning, miljöpåverkan och kvalitéer på inne-miljön. Systemet omfattar energi-, miljö- och innemiljöklasser som används som funktionskrav och för klassificering av byggnader. Olika klasser har tagits fram för småhus, flerbostadshus och olika lokaler. Miljö- och energikraven har tagits fram där ambitionsnivåerna ansluter till dialogprojektet ByggaBo och byggsektorns miljömålsarbete som samordnas av Byggsektorns Kretsloppsråd. Miljö- och energikraven kan ställas som resursskrav (behov av primär energi, material och mark), egenskapskrav (byggnadens egen-skaper) eller påverkanskrav (miljöpåverkan i form av emissioner). För innemiljö tillkommer självskattad komfort baserad på enkätsvar som en påverkansindikator. Systemet är enkelt att använda som beställare genom att fokusera på att välja ambitionsnivå, dvs klass A - Hållbart, B - Bra val eller C - Acceptabelt. Vid utvärdering tillkommer klass D - Dålig. Om alla byggnader i Sverige uppfyller systemets miljö- och energiklass A - Hållbart, så kommer de nationella miljökvalitetsmålen som ingår att uppnås.Föreliggande rapport utgör en introduktion till systemet Hållbara Byggnaders och är riktad till beställa-ren av ett byggprojekt. Ett viktigt syfte med systemet är att precisera och underlätta byggherrens roll som kravställare och ge en vägledning för hur miljökraven kan följas upp i byggprocessens olika skeden samt i den färdiga byggnaden. Systemet Hållbara Byggnader är till för dig som på ett kostnadseffektivt sätt och med trovärdiga meto-der vill målstyra och utvärdera byggnadens energianvändning, miljöpåverkan och kvalitéer på inne-miljön. Systemet omfattar energi-, miljö- och innemiljöklasser som används som funktionskrav och för klassificering av byggnader. Olika klasser har tagits fram för småhus, flerbostadshus och olika lokaler. Miljö- och energikraven har tagits fram där ambitionsnivåerna ansluter till dialogprojektet ByggaBo och byggsektorns miljömålsarbete som samordnas av Byggsektorns Kretsloppsråd. Miljö- och energikraven kan ställas som resursskrav (behov av primär energi, material och mark), egenskapskrav (byggnadens egen-skaper) eller påverkanskrav (miljöpåverkan i form av emissioner). För innemiljö tillkommer självskattad komfort baserad på enkätsvar som en påverkansindikator. Systemet är enkelt att använda som beställare genom att fokusera på att välja ambitionsnivå, dvs klass A - Hållbart, B - Bra val eller C - Acceptabelt. Vid utvärdering tillkommer klass D - Dålig. Om alla byggnader i Sverige uppfyller systemets miljö- och energiklass A - Hållbart, så kommer de nationella miljökvalitetsmålen som ingår att uppnås

Miljöanpassade byggnader: Användarhandbok för funktionskrav och klassificering

Föreliggande rapport utgör systemets användarhandbok riktad till beställaren av ett byggprojekt. Systemet 'Miljöanpassade byggnader' beskriver hur miljörelaterade funktionskrav och därtill kopplat klassificeringssystem kan ställas och användas i bygg- och förvaltningsprocessen. Ett viktigt syfte med systemet är att precisera och underlätta byggherrens roll som kravställare och ge en vägledning för hur miljökraven kan följas upp i byggprocessens olika skeden samt i den färdiga byggnaden. Miljökraven kan ställas som ett resursbehovskrav (behov av energi, material och mark), egenskapskrav (byggnadens egenskaper, t ex innemiljö) eller påverkanskrav (miljöpåverkan i form av emissioner och resurskonsumtion). Påverkanskravet är det sätt som bäst beskriver miljökonsekvenserna i ett livscykelperspektiv. Miljökrav har tagits fram på tre olika ambitionsnivåer - så kallade miljöklasser - vilka ansluter till dialogprojektet Bygga Bo (Miljövårdsberedningen) och byggsektorns miljömålsarbete som samordnas av Byggsektorns Kretsloppsråd (BYKR). Miljöklasserna är indelade i A, B och C, där A = Hållbart motsvarar mycket bra miljöval, B = Bra miljöval och C = Acceptabelt enligt dagens praxis, norm- eller lagkrav. Begreppet hållbart används i systemet för att beskriver en situation där de aktuella nationella miljökvalitetsmålen och sektorns miljömål är uppfyllda med hjälp av socialt och ekonomiskt realiserbara lösningarFöreliggande rapport utgör systemets användarhandbok riktad till beställaren av ett byggprojekt. Systemet 'Miljöanpassade byggnader' beskriver hur miljörelaterade funktionskrav och därtill kopplat klassificeringssystem kan ställas och användas i bygg- och förvaltningsprocessen. Ett viktigt syfte med systemet är att precisera och underlätta byggherrens roll som kravställare och ge en vägledning för hur miljökraven kan följas upp i byggprocessens olika skeden samt i den färdiga byggnaden. Miljökraven kan ställas som ett resursbehovskrav (behov av energi, material och mark), egenskapskrav (byggnadens egenskaper, t ex innemiljö) eller påverkanskrav (miljöpåverkan i form av emissioner och resurskonsumtion). Påverkanskravet är det sätt som bäst beskriver miljökonsekvenserna i ett livscykelperspektiv. Miljökrav har tagits fram på tre olika ambitionsnivåer - så kallade miljöklasser - vilka ansluter till dialogprojektet Bygga Bo (Miljövårdsberedningen) och byggsektorns miljömålsarbete som samordnas av Byggsektorns Kretsloppsråd (BYKR). Miljöklasserna är indelade i A, B och C, där A = Hållbart motsvarar mycket bra miljöval, B = Bra miljöval och C = Acceptabelt enligt dagens praxis, norm- eller lagkrav. Begreppet hållbart används i systemet för att beskriver en situation där de aktuella nationella miljökvalitetsmålen och sektorns miljömål är uppfyllda med hjälp av socialt och ekonomiskt realiserbara lösninga

Miljöanpassade byggnader: Användarhandbok för funktionskrav och klassificering

Föreliggande rapport utgör systemets användarhandbok riktad till beställaren av ett byggprojekt. Systemet 'Miljöanpassade byggnader' beskriver hur miljörelaterade funktionskrav och därtill kopplat klassificeringssystem kan ställas och användas i bygg- och förvaltningsprocessen. Ett viktigt syfte med systemet är att precisera och underlätta byggherrens roll som kravställare och ge en vägledning för hur miljökraven kan följas upp i byggprocessens olika skeden samt i den färdiga byggnaden. Miljökraven kan ställas som ett resursbehovskrav (behov av energi, material och mark), egenskapskrav (byggnadens egenskaper, t ex innemiljö) eller påverkanskrav (miljöpåverkan i form av emissioner och resurskonsumtion). Påverkanskravet är det sätt som bäst beskriver miljökonsekvenserna i ett livscykelperspektiv. Miljökrav har tagits fram på tre olika ambitionsnivåer - så kallade miljöklasser - vilka ansluter till dialogprojektet Bygga Bo (Miljövårdsberedningen) och byggsektorns miljömålsarbete som samordnas av Byggsektorns Kretsloppsråd (BYKR). Miljöklasserna är indelade i A, B och C, där A = Hållbart motsvarar mycket bra miljöval, B = Bra miljöval och C = Acceptabelt enligt dagens praxis, norm- eller lagkrav. Begreppet hållbart används i systemet för att beskriver en situation där de aktuella nationella miljökvalitetsmålen och sektorns miljömål är uppfyllda med hjälp av socialt och ekonomiskt realiserbara lösningarFöreliggande rapport utgör systemets användarhandbok riktad till beställaren av ett byggprojekt. Systemet 'Miljöanpassade byggnader' beskriver hur miljörelaterade funktionskrav och därtill kopplat klassificeringssystem kan ställas och användas i bygg- och förvaltningsprocessen. Ett viktigt syfte med systemet är att precisera och underlätta byggherrens roll som kravställare och ge en vägledning för hur miljökraven kan följas upp i byggprocessens olika skeden samt i den färdiga byggnaden. Miljökraven kan ställas som ett resursbehovskrav (behov av energi, material och mark), egenskapskrav (byggnadens egenskaper, t ex innemiljö) eller påverkanskrav (miljöpåverkan i form av emissioner och resurskonsumtion). Påverkanskravet är det sätt som bäst beskriver miljökonsekvenserna i ett livscykelperspektiv. Miljökrav har tagits fram på tre olika ambitionsnivåer - så kallade miljöklasser - vilka ansluter till dialogprojektet Bygga Bo (Miljövårdsberedningen) och byggsektorns miljömålsarbete som samordnas av Byggsektorns Kretsloppsråd (BYKR). Miljöklasserna är indelade i A, B och C, där A = Hållbart motsvarar mycket bra miljöval, B = Bra miljöval och C = Acceptabelt enligt dagens praxis, norm- eller lagkrav. Begreppet hållbart används i systemet för att beskriver en situation där de aktuella nationella miljökvalitetsmålen och sektorns miljömål är uppfyllda med hjälp av socialt och ekonomiskt realiserbara lösninga

Product category rules (PCR) for building products on an international market - A draft based on life cycle assessment (LCA) methodology in compliance with ISO 14025

The objective of this product category rules (PCR) project is two-fold: to develop an international common operational methodology for building products environmental declarations (ED), and to identify aspects that are not yet agreed upon. This PCR cover technical aspects relevant for the declaration of building products based on a life-cycle assessment (LCA) covering the 'cradle-to-gate' perspective. The PCR also include specifications to develop a PCR on building products' applications that account for a full life cycle (cradle-to-grave). Only when the LCA covers a full life cycle is it, in theory, possible to use the result for supporting decision-making in comparative purpose, provided that a common functional unit can be established. The development of EDs also makes the type III declaration a useful tool to aid consumers in decision-making. To comply with the ISO 14025 standard for EDs, this PCR has to be complemented by administrative rules that are relevant to a program operator and the environmental declaration type III program that is specified by this program body. For implementation on the Swedish market, the PCR developed here will be complemented with such administrative issues defined in the type III program 'Requirements for Environmental Product Declarations', hosted by the Swedish Environmental Management Council (MSR).The objective of this product category rules (PCR) project is two-fold: to develop an international common operational methodology for building products environmental declarations (ED), and to identify aspects that are not yet agreed upon. This PCR cover technical aspects relevant for the declaration of building products based on a life-cycle assessment (LCA) covering the 'cradle-to-gate' perspective. The PCR also include specifications to develop a PCR on building products' applications that account for a full life cycle (cradle-to-grave). Only when the LCA covers a full life cycle is it, in theory, possible to use the result for supporting decision-making in comparative purpose, provided that a common functional unit can be established. The development of EDs also makes the type III declaration a useful tool to aid consumers in decision-making. To comply with the ISO 14025 standard for EDs, this PCR has to be complemented by administrative rules that are relevant to a program operator and the environmental declaration type III program that is specified by this program body. For implementation on the Swedish market, the PCR developed here will be complemented with such administrative issues defined in the type III program 'Requirements for Environmental Product Declarations', hosted by the Swedish Environmental Management Council (MSR)