Analysis of the backpressure effect of an Organic Rankine Cycle (ORC) evaporator on the exhaust line of a turbocharged heavy duty diesel power generator for marine applications

In marine and power generation sectors, waste heat recovery technologies are attracting growing atten- tion in order to increase heavy duty diesel engines efficiency and decrease fuel consumption, with the purpose of respecting stringent emissions legislations. In this work, the backpressure effect of an Organic Rankine Cycle (ORC) evaporator on the exhaust line of a turbocharged, V12 heavy duty diesel engine, for typical marine and power generation applications has been investigated using the commercial software Ricardo WAVE. Three different state-of-the art turbocharging strategies are assessed in order to counterbalance the increased pumping losses of the engine due to the boiler installation: fixed turbine, Waste-Gate (WG) and Variable Geometry Turbine (VGT). At the same time, the steady-state thermodynamic performance of two different ORC configurations, simple tail-pipe evaporator and recuperated simple tail-pipe evaporator layouts, are assessed, with the scope of further increasing the engine power output, recovering unutilized exhaust gas heat. Several different working fluids, suitable for medium-high temperature waste heat recovery, are evaluated and screened, considering, as well, health and safety issues. Thermodynamic cycle parameters such as, for example, evaporation and condensing pressures, working fluid mass flow and cycle temperatures, are optimized in order to obtain the maximum improvement in Brake Specific Fuel Consumption (bsfc). From the engine side point of view, a VGT turbocharger is the most favorable solution to withstand increased backpressure, while, regarding the ORC side, between the considered fluids and layouts, acetone and a recuperated cycle show the most promising performance

A review of waste heat recovery and Organic Rankine Cycles (ORC) in on-off highway vehicle Heavy Duty Diesel Engine applications

Heavy Duty Diesel Engine (HDDE) are between the biggest contributors to CO2 emission and ambient pollution as they are the most widely used technology for commercial vehicles and ship propulsion applications, as well as, together with reciprocating gas engines, for small medium-size distributed stationary power generation. New emission legislations in the on and off highway sectors, such as for example EURO VI and Tier 4 final, regarding NOx and Particulate Matter (PM), are also becoming year by year more stringent. For these reasons, in the last years, concerns about further engine development and efficiency improvement are of primary importance and several technologies have been studied and implemented. This review is meant to give an overview of the Organic Rankine Cycle (ORC) technology to recover wasted thermal energy in Heavy Duty Diesel Engines (e.g. exhaust gas, EGR, coolant circuit, charge air cooling, oil circuit) with particular focus on vehicle applications for on and off highway sectors (e.g. long-haul trucks, earthmoving machines, agricultural tractors). In addition, multiple different engine operating profiles in terms of torque and speed are gathered and reported for a variety of typical vehicles, in order to characterize the best system design point for the chosen application

Numerical simulation of combustion and nitric oxide emissions of spark ignition engines operating on gaseous biofuels: Energy and exergy analysis

434 σ.Βασικός σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός προωθημένου θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης με στόχο την πρόβλεψη της λειτουργικής τους συμπεριφοράς και των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε εφαρμογή εξεργειακής ανάλυσης στη γόμωση του κυλίνδρου με στόχο την ποσοτικοποίηση των καταστροφών και απωλειών εξέργειας (διαθεσιμότητας) που λαμβάνουν χώρα εντός του θαλάμου καύσης. Ο συνδυασμός μοντέλου προσομοίωσης – εξεργειακής ανάλυσης εφαρμόστηκε στην ενδιαφέρουσα περίπτωση λειτουργίας κινητήρων Otto με αέρια βιοκαύσιμα. Τέλος, αναπτύχθηκε επιμέρους μοντέλο με στόχο να μελετηθεί η επίδραση της γεωμετρίας συμβατικών θαλάμων καύσης κινητήρων Otto στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του διαδιδόμενου μετώπου της φλόγας, τα οποία επηρεάζουν το ρυθμό καύσης και το ρυθμό απωλειών θερμότητας μέσω των τοιχωμάτων του κυλίνδρου. Το μοντέλο προσομοίωσης αναπτύχθηκε σε δύο στάδια. Αρχικά, αναπτύχθηκε 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης, το οποίο χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά για να επιβεβαιωθεί ότι το πολυζωνικό μοντέλο που ενσωματώνει για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης της γόμωσης του κυλίνδρου, διαιρώντας το καμένο αέριο σε πολλαπλές διακριτές ζώνες, παρέχει ακριβέστερες προβλέψεις εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου απ’ ό,τι τα απλούστερα διζωνικά μοντέλα. Το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης περιλαμβάνει ένα 0-διαστατικό μοντέλο καύσης, το οποίο χρησιμοποιείται για να προδιαγραφεί η λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα, αφού προηγηθεί βαθμονόμησή του σε κάθε σημείο λειτουργίας ξεχωριστά. Εφαρμογή του 0-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης πραγματοποιήθηκε για λειτουργία ενός κινητήρα Otto με αέριο σύνθεσης σε διάφορες περιπτώσεις φορτίου. Στη συνέχεια, το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης αναβαθμίστηκε σε οιονεί-διαστατικό (προωθημένο μοντέλο προσομοίωσης) με την αντικατάσταση του 0-διαστατικού μοντέλου καύσης με ένα οιονεί-διαστατικό για την προσομοίωση της διάδοσης της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης. Πέραν της πρόβλεψης των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου, το οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της λειτουργικής συμπεριφοράς ενός κινητήρα Otto λειτουργούντα με μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου. Μέσω του οιονεί-διαστατικού μοντέλου καύσης, προβλέπεται ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας, η διάδοση και ταχύτητα της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης, καθώς και η απόκρισή της στους ρυθμούς τάσης που αυτή υφίσταται λόγω επιδράσεων καμπυλότητας και αεροδυναμικής (τυρβώδους) τάσης στη γενική περίπτωση όπου ο αριθμός Lewis του καυσίμου μείγματος είναι διαφορετικός της μονάδας. Επίσης, παρέχονται εκτιμήσεις της δομής της φλόγας και, συνεπώς, της φαινομενολογίας της καύσης. Εφαρμογή εξεργειακής ανάλυσης πραγματοποιήθηκε τόσο στο 0- όσο και στο οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης. Στα πλαίσια της πολυζωνικής θεώρησης της γόμωσης του κυλίνδρου, η εξίσωση ισοζυγίου διαθεσιμότητας εφαρμόζεται σε κάθε ζώνη ξεχωριστά, λαμβάνοντας υπόψη για τον υπολογισμό των μη-αντιστρεψιμοτήτων της καύσης την τοπική θερμοκρασία καύσης. Ποσοτική αποτίμηση του βαθμού της θερμοδυναμικής τελειότητας (αντιστρεψιμότητας) της διεργασίας της καύσης επιτυγχάνεται με την εισαγωγή του εξεργειακού βαθμού απόδοσης καύσης. Επίσης, αναγνωρίζονται και ποσοτικοποιούνται όλες οι συνιστώσες διαθεσιμότητας που απαρτίζουν την ολική διαθεσιμότητα κάθε ζώνης με βάση τη σύστασή της. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής έχουν ως εξής: • Το προωθημένο μοντέλο προσομοίωσης προβλέπει ορθά την επίδραση λειτουργικών παραμέτρων και παραμέτρων καυσίμου στη λειτουργική συμπεριφορά (πίεση κυλίνδρου, κλάσμα καμένης μάζας) και τις εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου κινητήρων Otto. • Η χρήση πολυζωνικού μοντέλου για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης της γόμωσης του κυλίνδρου βελτιώνει σημαντικά την ακρίβεια των προβλέψεων των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου συγκριτικά με την περίπτωση χρησιμοποίησης διζωνικού μοντέλου. • Το προωθημένο μοντέλο προσομοίωσης αναπαράγει ποιοτικά ορθά το μηχανισμό στρωμάτωσης θερμοκρασιών και συγκεντρώσεων μονοξειδίου του αζώτου εντός του καμένου αερίου κατά τη διάρκεια της καύσης. • Κατά τη διάρκεια του κλειστού κύκλου λειτουργίας των κινητήρων Otto, καταστροφή διαθεσιμότητας λαμβάνει χώρα αποκλειστικά στη φάση της καύσης. • Ο βαθμός της αντιστρεψιμότητας της καύσης καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία καύσης. • Η προσθήκη υδρογόνου στο βιοαέριο οδηγεί σε επιτάχυνση της διεργασίας ανάπτυξης της φλόγας, όπως υποδεικνύεται τόσο από τη μείωση της γωνίας ανάπτυξης της φλόγας όσο και από την αύξηση του ρυθμού της καύσης, της ταχύτητας διάδοσης του μετώπου της φλόγας και των χαρακτηριστικών ταχυτήτων καύσης κατά το αρχικό στάδιο αυτής. • Ο συνδυασμός του υψηλού συντελεστή διάχυσης μάζας του υδρογόνου και των θετικά τεταμένων φλογών των κινητήρων Otto έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της έντασης της καύσης λόγω ύπαρξης τάσης φλόγας. • Η προσθήκη υδρογόνου στο βιοαέριο οδηγεί σε μείωση των μη-αντιστρεψιμοτήτων της καύσης. • Αύξηση του εμβαδού του μετώπου της φλόγας επιτυγχάνεται για θαλάμους καύσης με κοιλότητα εμβόλου και θαλάμους καύσης με κεντρική έναυση, με την επίδραση της θέσης του σπινθηριστή να υπερτερεί αυτής της μορφής του θαλάμου καύσης. • Θάλαμοι καύσης με κεντρική έναυση οδηγούν σε μείωση της διάρκειας της καύσης.The main scope of the present PhD dissertation was the development of an advanced thermodynamic simulation model of the closed part of the operating cycle of homogeneous charge spark ignition engines for the prediction of performance and nitric oxide emissions. In addition, exergy analysis of the cylinder charge was applied in order to quantify the destruction and loss of exergy (availability) taking place inside the combustion chamber. The combination of simulation model and exergy analysis was applied to the interesting case of spark ignition engines operation on gaseous biofuels. Finally, a special model was developed in order to study the effect of the geometry of conventional combustion chambers of spark ignition engines on the geometric characteristics of the propagating flame front, influencing the rate of combustion and the rate of heat loss through the cylinder walls. The simulation model was developed in two stages. Initially, a zero-dimensional simulation model was developed merely to verify that the multi-zone model incorporated for the description of the thermodynamic state of the cylinder charge, which was implemented by dividing the burned gas into multiple distinct zones, results in more accurate predictions of nitric oxide emissions, when compared to the simpler two-zone models. The zero-dimensional simulation model includes a zero-dimensional combustion model, which, after being calibrated at each operating point, is used in order to pre-specify the engine performance. Application of the zero-dimensional simulation model was carried out for a spark ignition engine operating on syngas fuel over various load cases. Then, the zero-dimensional simulation model was upgraded to a quasi-dimensional one (advanced simulation model). This was accomplished by substituting the zero-dimensional combustion model for a quasi-dimensional one, simulating the propagation of the flame inside the combustion chamber. Apart from predicting nitric oxide emissions, the quasi-dimensional simulation model was used for the prediction of the performance of a spark ignition engine operating on variable composition biogas-hydrogen blends. The quasi-dimensional combustion model predicts the rate of heat release, the propagation and speed of the flame inside the combustion chamber, as well as the response of the flame to the induced stretch rates due to curvature and aerodynamic (turbulent) strain effects for the general case of nonunity Lewis number mixtures. In addition, the structure of the flame and, therefore, the phenomenology of the combustion process can be evaluated. Both the zero- and quasi-dimensional simulation models were used for the application of exergy analysis. Within the framework of the multi-zone treatment of the cylinder charge, the availability balance equation is applied to each zone individually, with the local combustion temperatures taken into account for the calculation of the combustion irreversibilities. The degree of thermodynamic perfection (reversibility) of the combustion process is quantitatively assessed by the introduction of the combustion exergetic efficiency. Also, all availability components constituting the total availability of each zone are identified and quantified based on its composition. The main results of the present PhD dissertation are the following: • The advanced simulation model predicts correctly the effect of operating and fuel parameters on the performance (cylinder pressure, mass fraction burned) and nitric oxide emissions of spark ignition engines. • The use of a multi-zone model for the description of the thermodynamic state of the cylinder charge improves significantly the accuracy of nitric oxide emissions predictions comparatively to the use of a two-zone model. • The advanced simulation model reproduces qualitatively in a correct manner the mechanism of temperature and nitric oxide concentration stratification developed throughout the burned gas during combustion. • During the closed part of the operating cycle of spark ignition engines, destruction of availability takes place only throughout the combustion phase. • The degree of reversibility of the combustion process is determined mainly by the combustion temperatures. • The addition of hydrogen in biogas results in the acceleration of the flame development process, as indicated both by the reduction of the flame-development angle and the increase of the rate of combustion, the flame front propagation speed and the combustion velocities during the early stages of combustion. • The high mass diffusivity of hydrogen, combined with the positively stretched flames of spark ignition engines, results in the enhancement of the burning intensity due to flame stretch effects. • The addition of hydrogen in biogas results in combustion irreversibilities reduction. • Increase in the area of the flame front is achieved for bowl-in-piston combustion chambers and combustion chambers with centre ignition, with the effect of spark plug position predominating over that of combustion chamber shape. • Combustion chambers with centre ignition result in combustion duration reduction.Κωνσταντίνος Ν. Μίχο

A thermodynamic feasibility study of an Organic Rankine Cycle (ORC) for Heavy Duty Diesel Engine (HDDE) waste heat recovery in off-highway applications

This work assesses the possibility of fitting an Organic Rankine Cycle (ORC) system in a commercial agricultural tractor, recovering waste heat from a 300 kW brake power heavy duty diesel engine. Two different cycle architectures are considered: a single evaporator layout to recover tail-pipe exhaust heat, and a parallel evaporator configuration to recover both exhaust and Exhaust Gas Recirculation (EGR) heat. A second lower temperature cooling circuit is also considered as possible different heat sink for the ORC system. Ten different working fluids have been assessed and the optimum system configuration, in terms of fuel consumption, has been obtained applying an optimization algorithm to a process simulation model. A preliminary study has been carried out to evaluate the impact of the ORC system on the engine-vehicle cooling system. A maximum fuel consumption reduction of 10.6% has been obtained using methanol and recovering heat from tail pipe and EGR. However, considering also components and heat rejection performance, water-steam, toluene and ethanol allow to obtain the best compromises between thermodynamic performance and engine-vehicle cooling circuit impact

Overview of Turbocharging and ORC Analysis Activities in the ECCO-MATE Project

Presentation about engine and Organic Rankine Cycles analysis activities in the ECCO-MATE EU funded projec