Rankine cycle for waste heat recovery on board vehicles: control and energy management.
Récupération d’énergie par cycle de Rankine à bord d’un véhicule : commande et gestion énergétique.
Résumé
More than 30% of the energy produced by internal combustion engines (ICE) is dissipated as heat through the exhaust gases.
The interest of manufacturers in heat recovery systems based on the thermodynamic Rankine cycle is justified by announced
reductions in fuel consumption ranging from 5 and 10 depending on the system and the driving cycle.
The aim of this thesis is to help remove the main barriers associated with supervising and controlling Rankine processes for mobile applications.
This dissertation is based on three study cases, each corresponding to a pilot process installed in engine test benches at IFP Energies nouvelles (IFPEN).
These are applications to be integrated respectively on board light-duty vehicles with spark-ignition engine, heavy-duty trucks and trains with Diesel-electric propulsion.
An original nonlinear (model-based) control law for the temperature and the pressure tracking at the evaporator outlet is proposed.
It is shown experimentally that the system can be maintained under conditions allowing continuous energy recovery, even during highly transient road cycles.
Then the supervision of Rankine systems is addressed, resulting in the choice of optimal set-points (in term of energy management) for the low-level controller.
An optimal control problem is formulated, allowing online implementation via dynamic real-time optimization.
The proposed approach is validated on a realistic simulator, showing
significant benefits in the amount of energy recovered when compared with the classical (static) approach found in Rankine cycle literature.
Au moins 30% de l’énergie produite par les moteurs à combustion interne est dissipée sous
forme de chaleur dans les gaz d’échappement. L’intérêt des constructeurs pour les systèmes
de récupération de chaleur basés sur le cycle thermodynamique de Rankine est justifié par
des réductions de consommation espérées entre 5 et 10%.
L’ambition de cette thèse est de contribuer à lever les principaux verrous liés à la gestion
des procédés Rankine pour des applications « mobiles ». Ce manuscrit s’appuie sur trois cas
d’étude avec, pour chacun, un procédé pilote destiné à être intégré respectivement sur des
véhicules légers à moteur essence, sur des camions poids-lourds et sur des trains à propulsion
hybride Diesel-électrique. Pour cela, des approches de l’automatique à base de modèle ont
été développées.
Une nouvelle loi de commande non-linéaire, permettant l’asservissement de la température
et de la pression en sortie d’évaporateur, est proposée. Il est montré expérimentalement
que le système peut être maintenu dans des conditions permettant la récupération d’énergie
sans discontinuer, même sur des cycles routiers très dynamiques.
La supervision énergétique du cycle de Rankine à bord d’un véhicule est ensuite abordée.
Il s’agit de trouver les consignes pour la commande rapprochée qui permettent de maximiser
l’efficacité énergétique d’un véhicule équipé d’un système de récupération d’énergie par cycle
de Rankine. Il est montré que le gain énergétique apporté par l’optimisation dynamique
temps réel proposée est important, comparé à une stratégie basée sur l’optimisation statique
du système habituellement employée dans la littérature.