Rankine cycle based waste heat recovery system applied to heavy duty vehicles : topological optimization and model based control

par Vincent Grelet

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Pascal Dufour, Madiha Nadri et de Vincent Lemort.

Soutenue le 18-01-2016

à Lyon en cotutelle avec l'Université de Liège. Faculté des sciences appliquées , dans le cadre de École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés (Lyon) (laboratoire) et de Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Pierre Duysinx.

Le jury était composé de Roberto Cipollone, Sorin Olaru.

Les rapporteurs étaient Nicolas Petit, Franck Willems.

  • Titre traduit

    Récupération de chaleur par cycle de Rankine dans un véhicule poid lourd : optimisation topologique et commande


  • Résumé

    L’évolution croissante du prix des carburants ainsi que les normes antipollution de plus en plus drastiques obligent les fabricants de véhicules commerciaux à développer des solutions innovantes pour réduire la consommation de carburant. Dans cet objectif, comme une grande partie de l’énergie contenue dans le carburant est directement relâchée à l’ambient sous forme de chaleur, celle-ci peut être valorisée et transformée via un cycle thermodynamique secondaire. Dans ce cadre, l’importante utilisation du cycle de Rankine à travers le monde en font un candidat naturel pour une implémentation dans un véhicule. Mais contrairement à une utilisation stationnaire, de nombreux obstacles se dressent pour une intégration totale dans un poids lourd. De nombreuses études ont été menées ces trente dernières années afin de déterminer le potentiel réel d’un tel système une fois embarqué à bord d’un véhicule. Les nombreuses sources de chaleur valorisables, les contraintes inhérentes à l’application embarquée ou encore les forts régimes transitoires induits par l’utilisation du camion doivent mener à une optimisation à la fois de l’architecture du système ainsi que de son système de contrôle. L’optimisation du système mène à un choix en terme de sources chaudes et froides, de topologie, de fluide de travail ainsi que de dimensionnement des composants afin de maximiser les performances. Le système de contrôle joue lui un rôle primordial afin de tirer un bénéfice maximum d’un tel système connaissant ses limites physiques ainsi que d’assurer une utilisation efficace. Dans cette thèse, une méthodologie de conception d’un système de valorisation des rejets thermiques est proposée. En se basant sur des simulations du véhicule complet basées sur un modèle détaillé, les thématiques de la sélection du fluide de travail, des sources chaudes et froides ainsi que l’optimisation des composants et du cycle sont approchées. Par la suite, le problème de contrôle en ligne de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur est formalisé. En tenant compte des contraintes numériques d’implémentation, différentes stratégies de commande sont mises en place, allant du contrôleur PID à des structures plus avancées telle que la commande prédictive par modèle ou une loi de commande basée sur un observateur. La plupart de ces stratégies sont validées expérimentalement sur un banc d’essai mis en place durant la thèse


  • Résumé

    The constant evolution of oil prices and the more and more stringent automotive emission standards force the original engine manufacturers to search for innovative solutions in order to reduce oil consumption. As an important part of the energy contained in the primary carrier (the fuel) is lost to the ambient through heat, it seems convenient to recover a part of this thermal energy and to turn it into fuel consumption reduction. Thermodynamic bottoming cycle such as the Rankine cycle could be used to meet this objective. Its popular use throughout the world for electricity generation makes it a natural candidate for on-board implementation in vehicles. However, a certain number of hurdles are still present before the system can be efficiently applied to heavy-duty trucks. In the last thirty years, numerous studies heave been carried out to evaluate the real potential of that kind of system on a vehicle but nothing has yet been commercialized. The heat sources to recover from, the constraints relative to the on-board application and the long and frequent transient behavior of the vehicle mean both the system architecture and its control strategy need to be optimized. The system optimization leads to a choice in terms of working fluid, heat sources and sinks, and components sizing in order to maximize power recovery and hence the fuel saving. The control plays a major role by using the capability of such a system to ensure an efficient and safe operation and limiting the interactions with the other vehicle sub-systems. In this thesis, a system design methodology is introduced to optimize the system architecture using complete model-based vehicle simulation. The constraints relative to the mobile application are taken into consideration to evaluate the potential of such a system. Modelbased control strategies for on controlled variable, namely the superheat level, are developed. Constrained by the implementation platform, different control frameworks ranging from PID to model predictive controllers or observer based controllers are developed to fit into a normal automotive electronic control unit. Most of these novel strategies were experimentally validated on a test rig developed during the thesis


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