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Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)

Diseño de un Recuperador de Energía Térmica para Turismos - Resumen

DISEÑO DE UN RECUPERADOR DE ENERGÍA TÉRMICA PARA TURISMOS Autor: Vilches Mangada, Pablo. Director: Norverto Moriñigo, Juan de. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas RESUMEN DEL PROYECTO 1.- Introducción La Revolución Industrial, comprendida entre la segunda mitad del siglo XVIII y principios del siglo XIX, llevó a cabo unas profundas transformaciones en prácticamente todos los aspectos de la sociedad, desarrollándose una industria centrada en asegurar una calidad bajo el máximo desarrollo económico. No obstante, este desarrollo económico se desligó completamente de la sostenibilidad ambiental, generándose un gran aumento de la contaminación a lo largo del siglo XIX, sin producir ninguna alarma hasta finales del mismo. A día de hoy, el transporte genera un 51 % de los contaminantes emitidos a la atmósfera1, por lo que es necesario aplicar medidas en este sector con la finalidad de reducir unos niveles de contaminación cada vez más preocupantes. La creación de las normas EURO X son un claro ejemplo de ello, junto con el downsizing de los motores y la reducción de la masa usando materiales ligeros. No obstante, no fue hasta 1973 cuando los fabricantes comenzaron a concienciarse de que el sector de la automoción estaba obligado a disminuir el consumo de combustible y de emisiones, motivados por la crisis del petróleo de ese mismo año. BMW y Porsche diseñaron los primeros vehículos con turbocompresor ese mismo año, dando inicio a una nueva era donde se comienzan a crear vehículos donde la eficiencia y consumo se tienen muy presentes. La gran problemática de este desafío son sus propias bases; el transporte y la automoción en sí misma se basan en motores térmicos de combustión interna, cuyos rendimientos reales se encuentran, en el mejor de los casos, entorno al 30 %. Esto quiere decir que, de toda la energía contenida en el combustible, como máximo, un tercio se convierte en trabajo mecánico y los otros dos tercios en pérdidas, sobre todo térmicas.

1 María de Mar Cledera Castro – Apuntes de contaminación atmosférica 14 – 15. Parte 1. Pg. 9.



El primer mayor intento de recuperar esta energía térmica perdida fue llevado a cabo por BMW en 2005. Sin embargo, tanto este proyecto, como el de otros fabricantes destacados fueron dejados de lado sin aparente explicación. El proyecto de BMW, bautizado como Turbosteamer, tenía como objetivo generar potencia mecánica a través de un ciclo Rankine y de esta forma disminuir en trabajo del motor, y por tanto, su consumo y emisiones. Consecuentemente, el objetivo de este proyecto es el diseño completo de un recuperador de energía térmica para turismos para maximizar la eficiencia de un vehículo. Este recuperador estará basado en un ciclo Rankine, que utilizará como fuentes térmicas los gases de escape así como el líquido refrigerante para evaporar un fluido llamado FCR, que será agua destilada y etilenglicol disuelto en un 30 %, para posteriormente hacerlo pasar por una turbina y generar trabajo mecánico. En resumidas cuentas, en una era donde los fabricantes se encuentran inmersos en incrementar la eficiencia, este sistema se antoja como algo prometedor, al poder recuperar gran parte de la energía que hace que la eficiencia del ciclo sea tan baja frente a los motores eléctricos con valores de eficiencia mucho más elevados. 2.- Metodología El primer paso para diseñar el recuperador es seleccionar una unidad de potencia, siendo la configuración de cuatro cilindros en línea la más utilizada a día de hoy. Por tanto, se selecciona un motor gasolina Zetec 2.0L, que cuenta con dicha disposición y que además es la más desfavorable desde el punto de vista de recuperación al tener menor pérdidas que una con más cilindros. También se ha seleccionado esta unidad en concreto al contar con un gran número de temperaturas experimentales en diversos puntos reales de funcionamiento, recogidas en el estudio “Under hood temperatures measurement of four vehicles” escrito por el Dr. Ken Digges.

Por tanto, y gracias a las ecuaciones que rigen la dinámica de un vehículo, teniendo en cuenta las fuerzas aerodinámicas, resistencia a la rodadura, etc., se pueden obtener los parámetros de funcionamiento del motor. Sin embargo, del análisis del estudio del Dr. Digges, las temperaturas y calor disponible, sin ninguna modificación del escape, no son suficientes para que el ciclo sea viable técnicamente. Mediante un recubrimiento cerámico y fibras térmicas en los colectores, se evitan gran parte de las pérdidas de calor permitiendo tener temperaturas que puedan evaporar suficiente FCR. Mediante mapas de temperaturas del motor, y unos cálculos de las pérdidas por convección y radiación en los colectores, se calculan todos los parámetros necesarios para definir la transferencia de calor al FCR. Como aún se antoja necesario aumentar la temperatura de los gases de escape para mejorar más la eficiencia, se aplica la patente US 4300353 A, según la cual se puede aumentar la



temperatura de los gases mediante un fenómeno de postcombustión de las especies a oxidar presentes, generando aumentos de hasta un 100 % de las temperaturas de los mismos. Llevando a cabo una postcombustión poco agresiva, como máximo un aumento del 20 % en la temperatura del gas, en la Tabla 1 se muestran los valores que definen completamente el fluido caliente en el fenómeno de transmisión de calor.

Tabla 1: Especificaciones del gas de escape para la recuperación en el intercambiador

Tal que a ralentí el vehículo cuenta con un sistema de Start&Stop por lo que el motor se encuentra apagado, y por ello esta situación se descarta. El principal problema de un ciclo Rankine con estas particularidades, de tamaño y calor disponible, es encontrar una turbina adecuada para el mismo. Por este motivo el diseño del ciclo se centra en la turbina de GreenTurbine™, y el objetivo será asegurar las condiciones a la entrada de la misma. Dichas condiciones son de 200 ºC y 12 bar, generando 15 kW si el gasto másico de gas es de 50 g/s. Al ser una turbina modulada mediante 6 inyectores, se pueden conseguir franjas de 2,5 kW por inyector de forma muy lineal con respecto del gasto másico de FCR. Ahora bien, como se ha dicho, se tienen dos fuentes térmicas; la del refrigerante y la de los gases de escape. Al tener que asegurar unas condiciones de salida, se comienza con el segundo intercambiador o el intercambiador de escape. Este intercambiador tiene una longitud total de 2,20 metros, y una geometría definida, concéntrica al tubo de escape, por lo que se discretiza en sobrecalentador – evaporador - calentador realizando iteraciones mediante el programa HT y sus subprogramas HEX1.exe y CONV.exe en escalones de gasto másico de 5 g/s desde 5 g/s hasta 50 g/s para calcular la longitud de cada una de las partes.

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1,22

-

Llano a [km/h]

48 41,8 734 64 39,7 769 80 37,3 823 96 44,9 879

112 52,6 996

Pendiente ascendente a [km/h]

64 40,8 879 80 38,8 996 96 47,1 1.024

112 55,3 1.087



De estas iteraciones se obtiene el valor de U*A y los coeficientes de convección, tal que U es el coeficiente global de transferencia de calor y A el área de transferencia. Mediante teoría de transmisión de calor, se calcula el valor de U en función de la geometría, conductividad del material y los coeficientes de convección y se despeja el valor de longitud, ya que la geometría transversal se encuentra completamente definida. Se realiza un procedimiento similar en el primer intercambiador, donde se intercambia potencia térmica con el refrigerante mediante un intercambiador de placas paralelas, donde la temperatura del refrigerante oscila entre 85 y 110 ºC dependiendo del punto de funcionamiento y la carga del motor. Con todos estos valores en los diversos puntos, se selecciona aquel de mayor gasto másico con las condiciones de que la longitud total del segundo intercambiador sea menor de 2,20 metros y que la eficiencia de los procesos de transmisión de calor sea menor o igual a la unidad. Por la linealidad de la turbina, una vez que se conoce el gasto másico de gas, se conocen la potencia y sus revoluciones, y por tanto el par. Este par generado por la turbina es transmitido directamente al cigüeñal mediante un acoplamiento de planetarios variables continuos llamado NuVinci®. Conocidas las revoluciones del cigüeñal, y que el acoplamiento adopta infinitas relaciones de transmisión, se conoce por tanto el par aportado en el cigüeñal. Como la temperatura de los gases de escape depende directamente del par motor, se calculan los nuevos puntos de equilibrio y funcionamiento del sistema derivados de añadir una nueva fuente de potencia que hace que el motor tenga que generar un par motor menor, y consecuentemente, menor temperatura de escape. Conocidos los nuevos puntos de funcionamiento, se pueden calcular los consumos de combustible en dichos puntos, y por tanto, el diferencial de consumo y emisiones con respecto al original. Para finalizar con los cálculos, se seleccionan los elementos de control, manguitos, depósito, condensadores, bomba de vacío al trabajar con presiones relativas negativas y se calculan las pérdidas de carga para seleccionar la bomba de presión adecuada. Además, se comprueba que la temperatura de servicio del motor no se ve amenazada al sustraer calor al refrigerante y se calcula también el aire a inyectar en el postquemador, la compatibilidad térmica y química de los materiales utilizados con el FCR, el apantallamiento del escape debido a sus altas temperaturas y una adaptación del sistema al vehículo de competición desarrollado por el compañero Pablo Morales Pereira en su proyecto titulado “Diseño de un vehículo para su uso en track days”. Por último y para completar el proyecto, se citan los posibles estudios futuros derivados del mismo, como son el diseño específico de una turbina de geometría variable para esta aplicación o un sistema de refrigeración específico. A parte, se realiza un pliego de



condiciones del sistema y un presupuesto donde se muestran las muy ventajosas aplicaciones en el automovilismo de competición. 3.- Resultados Los resultados obtenidos del diseño son sensacionales. En la Tabla 2 se puede observar el par y potencia transmitidos al cigüeñal en las diversas situaciones, y el diferencial de consumo y emisiones absoluto y relativo, que es muy destacable. Se debe tener en cuenta que el motor Zetec 2.0L de serie, rinde como máximo 96,94 kW y 185 N*m.

Tabla 2: Par y potencia transmitidos al cigüeñal. Mejora en la eficiencia En cuanto al vehículo de competición, teniendo en cuenta las especificaciones del mismo y el aumento de la masa que produce la instalación del sistema, se obtiene una disminución del tiempo de 0 – 100 km/h de 1,2 décimas de segundo y un aumento en la velocidad punta de 7 km/h. De forma más representativa, desde una salida parada, la distancia entre el vehículo con y sin el recuperador es de aproximadamente 4 vehículos tras veinte segundos de aceleración, lo cual es una distancia muy elevada en competición. 4.- Conclusiones Así como los resultados técnicos son asombrosos, consiguiendo una reducción media del consumo de combustible y emisiones de un 22 %, el coste neto del kit de recuperación es de 49.586,79 €, prácticamente el coste de un vehículo de alta gama nuevo. Por tanto, y aunque la mejora en la eficiencia sea muy notable, su viabilidad económica es nula para la mayor parte del parque automovilístico. En el aspecto económico se encuentran los motivos por los cuales el sistema no se ha implantado ni se ha seguido desarrollando por parte de BMW. Consecuentemente, y hasta que, el precio

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[! ∗!] P2 [kW] ∆∅![ !!""#$] % ∆!"!![

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Ralentí parado -

Llano a [km/h]

48 7,91 1,88 2,4 43,5 57 43,6 64 8,35 1,88 0,3 5,3 7 6,0 80 17,88 3,75 1,5 29,0 36 28,3 96 14,90 3,75 1,3 20,9 31 21,3

112 25,54 7,50 1,7 24,5 41 23,9


64 16,66 3,75 1,8 13,9 43 13,6 80 26,82 5,63 3,5 25,0 84 25,0 96 29,80 7,50 6,1 35,9 146 35,7

112 31,93 9,37 6,8 36,7 163 36,6



del petróleo o las necesidades medioambientales sean mucho más criticas que las actuales, el mercado del kit es la alta competición o los hipercoches. Los clientes de hipercoches, vehículos valorados cerca del millón de euros, no ven alterada su compra si el precio aumenta un 5 %. Así mismo, los fabricantes de estos vehículos, inmersos en guerras por aumentar las prestaciones bajo directrices de eficiencia como el Porsche 918 Spyder, híbrido de 887 caballos y un consumo homologado de 3,3 litros cada 100 kilómetros, encontrarían en este sistema de recuperación un modo perfecto de aumentar las prestaciones manteniendo este compromiso con la eficiencia. Por tanto, este es realmente el mercado automovilístico al cual está dirigido este proyecto, junto con el de alta competición, y donde el sistema podría verse más aprovechado tanto técnica como económicamente. En la alta competición cada décima de segundo es importante, y este sistema ofrece esa diferencia entre ganar o perder. Ofreciendo servicios personalizados de alta competición, a nivel de diseño y mantenimiento, denominados HC Care Plan, la introducción del sistema en este sector es más que viable económica y técnicamente, antojándose realmente casi como algo obligatorio a realizar en cualquier competición automovilística actual.


Passenger Car Thermal Energy Recovery System - Abstract

PASSENGER CAR THERMAL ENERGY RECOVERY SYSTEM DESIGN Author: Vilches Mangada, Pablo. Director: Norverto Moriñigo, Juan de. Collaborating Institution: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas PROYECT ABSTRACT 1.- Introduction The Industrial Revolution, which covered the second half of the XVIII century and the beginning of the XIX century, carried out many deep transformations almost in every society facet, developing an industry focused on guarantying quality standards under maximum economic growth. Nevertheless, this economical growth was completely separated from the environmental sustainability, producing a great rise on the contamination during the XIX century, without generating any concern until the end of it. Nowadays, transport generates the 51 % of the pollution emitted to the atmosphere1, and that is why it is necessary to apply measures in this sector in order to reduce the more and more concerning level of pollutants. The creation of EURO X regulations is a clear example of it, together with the engines downsizing and the reduction of mass using lightweight materials. However, it was not until 1973 when the manufacturers started to become aware that the automotive sector was being forced to reduce the fuel consumption and the emissions, triggered by the oil crisis that same year. BMW and Porsche designed the first cars with a turbo that year, beginning a new period where efficiency and fuel consumption are taken into account to design the vehicles. The main problem of this challenge are their own basis; the transport and the automotive industry itself are based on internal combustion engines, whose real efficiencies are, on the best scenario, close to 30 %. That means that, from the whole energy of the fuel, at most, one third is converted to mechanical power and the other two thirds into looses, essentially thermal.

1 María de Mar Cledera Castro – Apuntes de contaminación atmosférica 14 – 15. Parte 1. Pg. 9.



The first major attempt to recover this thermal losses was carried out by BMW in 2005. However, this project, and other ones from distinguished manufacturers were put aside without any obvious explanation. The BMW project, baptized as Turbosteamer, had as its goal generating mechanical power by means of a Rankine cycle and in consequence, reducing the engine work, thus its fuel consumption and emissions. Accordingly, the aim of this project is the design of a complete heat recovery system for passenger cars to maximize the efficiency of the vehicle. This system will be based on a Rankine cycle, which will use the exhaust and the coolant as heat sources to evaporate a fluid named FCR, a distilled water and ethylene glycol in 30 % mass compound, to finally generate mechanical work forcing the FCR into a turbine. To sum it all up, in a new period where the manufacturers are absorbed into increasing the efficiency, this system fancies as something promising, recovering a great amount of the energy which makes the overall efficiency of the cycle so low against the electric motors with higher efficiency values. 2.- Methodology The first step to design the recovery system is choosing a power unit, being the 4 cylinder in line the most used configuration nowadays. Therefore, a Zetec 2.0L petrol engine is chosen, which has that configuration and is the most unfavorable from the recovery point of view because of its lower looses against more cylinder configurations. Then also this particular unit has been chosen because a great number of experimental temperatures in several operating points are given, published in the study “Under hood temperatures measurement of four vehicles” written by Dr. Ken Digges. Thus, and thank to the equations which govern the dynamic of a vehicle, taking into account drag, rolling resistance, etc. operating parameters of the engine can be obtained. Nevertheless, from the analysis of Dr. Digges study, the temperatures and heat available without modifications on the exhaust, are not enough to make the cycle technically viable. By means of a ceramic coating and a thermal fibers cover on the exhaust manifold, great amount of thermal looses are prevented allowing having high temperatures which can evaporate enough FCR. By means of thermal maps of the engine and convection and radiation looses calculation in the exhaust manifold, every parameter needed to define the heat transfer process to the FCR is calculated. Because it is still needed to rise the temperatures of the exhaust gases to improve the efficiency even more, the US 4300353 A patent is used, according to which the temperatures of the exhaust gas can be rose by means of a postcombustion process of the particles to oxidize, producing temperature risings up to 100 % in the gas. Carrying out a not much aggressive postcombustion, 20 % maximum in the exhaust gases, in Table 1 the values which completely define the hot stream in the heat transfer process are shown.



Table 1: Exhaust gas specifications for the heat recovery in the heat exchanger

So that idle condition operating point is dismissed because of Start&Stop system shuts off the engine. The main obstacle of a Rankine cycle with this special features, as the size and available heat, is finding a suitable turbine for this application. Because of this reason the design of the cycle is focused on the GreenTurbine™ turbine, and the objective is ensuring the inlet conditions of it. Those conditions are 200 ºC and 12 bar, generating 15 kW if the mass flow of steam is 50 g/s. Because the turbine is modulated into six nozzles, 2,5 kW steps can be achieved linearly in relation to the mass flow of FCR. Having said that, two thermal sources are used: the coolant and the exhaust gases. Having to ensure the outlet conditions of the FCR, the first step is starting with the second heat exchanger or exhaust gas exchanger. This one has a total length of 2,20 meters, and a defined geometry, concentric to the exhaust, so the heat exchanger is discretized into overheater – boiler – heater, calculating iterations with HT software and its HEX1.exe and CONV.exe programs in 5 g/s steps from 5 g/s to 50 g/s to calculate the length of each part. From this iterations the value of U*A and heat transfer coefficients are obtained, so that U is the global heat transfer coefficient and A is the heat transfer area. By means of heat transfer theory, the value of U is calculated as a function of the geometry, the material conductivity and the heat transfer coefficients, solving the length value as the transversal geometry is completely defined. Following a similar procedure on the first heat exchanger, where the heat power is exchanged with the coolant through a parallel plate heat exchanger, where the coolant temperature is between 85 and 110 ºC depending on the operating point and the engine load.

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1,22

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Level road at [km/h]

48 41,8 734 64 39,7 769 80 37,3 823 96 44,9 879

112 52,6 996

Rising slope at [km/h]

64 40,8 879 80 38,8 996 96 47,1 1.024

112 55,3 1.087



With all these values on diverse operating points, the one with the higher mass flow is selected regarding two conditions; the second heat exchanger length can not exceed 2,20 meters and the efficiency of all heat transfer processes can not be higher than one. Because of the linearity of the turbine, once the mass flow of steam is known, power, rpm and torque are known too. This generated torque is directly transferred to the crankshaft through a continuously variable planetary coupling called NuVinci®. Once the crankshaft rpm are known, as the coupling takes infinite transmission ratios, the torque applied in the crankshaft is also know. As the gas temperature directly depends on the engine torque, the new equilibrium and operating points are calculated consequence of adding a new power source which forces the engine to develop a lower engine torque, therefore, lower exhaust gas temperature. Once the new operating points are calculated, the fuel consumption on those points is calculated in order to obtain the fuel consumption and emissions difference facing the original engine. To complete the calculations, control parts, hoses, tank, condenser, vacuum pump as negative relative pressures are involved are chosen and calculating the hydraulic looses in order the choose the suitable pressure pump. In addition, the engine standard temperature is checked as the system extracts heat from the coolant. The amount of air to inject in the postcombustion, chemical and thermal compatibility of the materials with respect to the FCR, the exhaust shield due to its high temperatures and a conversion to the competition car from the classmate Pablo Morales Pereira Final Decree Project “Track day vehicle design” are also calculated. To finish and complete the project, many plausible future studies are mentioned, as the design of a specific variable turbine geometry for this application or a specialized refrigeration system. A conditions sheet and a budget are also written, where the great beneficial uses of the system in automotive competition are highlighted. 3.- Results The obtained results are sensational. In the Table 2 it can be analyzed the transmitted power and torque to the crankshaft in several operating points, and the fuel consumption and emissions difference absolute and relative, which are very appreciable. Is has to be taken into account the fact that the stock Zetec 2.0L performs 96,94 kW and 185 N*m maximum.



Table 2: Torque and power transmitted to the crankshaft. Efficiency improvement

Regarding the competition vehicle, taking into account the specifications of the vehicle and the mass increase because of the installation of the system, 1,2 tenths of a second decrease is achieved in 0 – 100 km/h situation, as well as an increase of 7 km/h in the top speed. In a more representative way, from a full stop, the distance between the vehicle equipped with the heat recovery system and the original is approximately 4 cars in acceleration, which is an impressive figure in competition. 4.- Conclusions As the technical results are astonishing, achieving a mean reduction of a 22 % on the fuel consumption and emissions, the net worth of the system is 49.586,79 €, practically a brand new premium car. Therefore, and even with a very noticeable improvement on the efficiency, the economical viability of the project is non – existent for the greater part of the automotive fleet. On the economical facet many reasons are found to explain why the system has not been developed in any production car and by BMW. In consequence, until the price of the petrol or the environmental needs become more critical than nowadays, the market of this system are the hypercars and competition.

Hypercars clients, one million worth vehicles, will not change their purchase because of a 5 % price rise. Likewise, the manufacturers of this vehicles, absorbed into wars to increase the performance under efficiency guidelines, like the Porsche 918 Spyder, 887 hp and an approved fuel consumption of 3,3 liters per 100 km, would find in this recovery system the perfect way to increase performance keeping the compromise with the efficiency. Therefore, this is the real market for the system and the aim of this project, together with high competition, and where the system would be better taken advantage of in an economical and technical way.

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[! ∗!] P2 [kW] ∆∅![ !!""#$] % ∆!"!![

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Ralentí parado -

Llano a [km/h]

48 7,91 1,88 2,4 43,5 57 43,6 64 8,35 1,88 0,3 5,3 7 6,0 80 17,88 3,75 1,5 29,0 36 28,3 96 14,90 3,75 1,3 20,9 31 21,3

112 25,54 7,50 1,7 24,5 41 23,9


64 16,66 3,75 1,8 13,9 43 13,6 80 26,82 5,63 3,5 25,0 84 25,0 96 29,80 7,50 6,1 35,9 146 35,7

112 31,93 9,37 6,8 36,7 163 36,6



In high competition each tenth of a second is important, and this system offers that difference between winning or loosing. Offering individual and personalized services, at the level of design and maintenance, called HC Care Plan, the insertion of the system in this sector is more than viable technical and economically, becoming in reality as something mandatory to equip on every automotive competition nowadays.

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