Integrated Energy and Emission Management for Diesel Engines with Waste Heat Recovery Using Dynamic Models

Une stratégie intégrée de gestion des émissions et de l’énergie pour un moteur diesel avec un système WHR (Waste Heat Recovery)

¹ Eindhoven University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven – The Netherlands
² TNO Automotive, Steenovenweg 1, 5708 HN Helmond – The Netherlands
e-mail: f.p.t.willems@tue.nl – g.c.rascanu@student.tue.nl – e.feru@tue.nl

^* Corresponding author

Abstract

Rankine-cycle Waste Heat Recovery (WHR) systems are promising solutions to reduce fuel consumption for trucks. Due to coupling between engine and WHR system, control of these complex systems is challenging. This study presents an integrated energy and emission management strategy for an Euro-VI Diesel engine with WHR system. This Integrated Powertrain Control (IPC) strategy optimizes the CO₂-NO_x trade-off by minimizing online the operational costs associated with fuel and AdBlue consumption. Contrary to other control studies, the proposed control strategy optimizes overall engine-aftertreatment-WHR system performance and deals with emission constraints. From simulations, the potential of this IPC strategy is demonstrated over a World Harmonized Transient Cycle (WHTC) using a high-fidelity simulation model. These results are compared with a state-of-the-art baseline engine control strategy. By applying the IPC strategy, an additional 2.6% CO₂ reduction is achieved compare to the baseline strategy, while meeting the tailpipe NO_x emission limit. In addition, the proposed low-level WHR controller is shown to deal with the cold start challenges.

Résumé

Les systèmes WHR (Waste Heat Recovery) basés sur le cycle de Rankine sont des solutions prometteuses pour réduire la consommation de carburant pour les camions. En raison du couplage physique entre le moteur et le système WHR, l’asservissement de ces systèmes est particulièrement difficile. Cette étude présente une stratégie intégrée de gestion des émissions et de l’énergie pour un moteur Diesel EURO-VI avec un système WHR. Cette stratégie IPC (Integrated Powertrain Control) optimise le compromis entre CO₂ et NO_x en minimisant les coûts d’exploitation liés à la consommation de carburant et d’AdBlue. Contrairement à d’autres algorithmes d’asservissement, la stratégie proposée ici optimise les performances globales du système moteur – post-traitement des gaz d’échappement – WHR tout en respectant les contraintes d’émissions. À partir de simulations, le potentiel de cette stratégie IPC est montré sur un WHTC (World Harmonized Transient Cycle) en utilisant un modèle de simulation haute-fidélité. Ces résultats sont comparés à une stratégie d’asservissement de référence. En appliquant la stratégie IPC, une réduction supplémentaire de 2.6 % CO₂ est obtenue, tout en respectant la limite légale de NO_x. En plus, la loi de commande bas niveau pour le WHR arrive à gérer les problèmes de démarrage à froid.