A Portable Emissions Measurement System (PEMS) is widely used for analysing the emissions of a vehicle. However, the PEMS is quite cumbersome and time-consuming to use for vehicle testing. This thesis investigates the possibilities of a Smart Emissions Measurement System (SEMS) and how it correlates to the more advanced PEMS. The second factor is of a shortened drive cycle, and how it is compared to the legislated drive cycle. The main hypothesis of this thesis was that a shortened drive cycle with the SEMS equipment should be able to predict the outcome of a full Real Driving Emissions (RDE) test with PEMS equipment with a statistical significance that is large enough to prove the SEMS to be a useful tool. The experiment was performed with a PEMS in parallel with a SEMS on both a shortened and a legislated drive cycle. The study concludes that the SEMS is showing promising results as to how well an RDE test can be predicted, and it would be a useful resource to increase testing on vehicles, both on a shortened and a legislated route. However, as the emissions of light-duty vehicles get smaller, they also get harder to measure with accuracy. This will always be a problem for the SEMS equipment, and even more on a shortened route. As a future application for light-duty vehicles, this might not be the perfect system due to many inaccuracies, but there are many other applications where SEMS could be useful with enough precision, such as heavier and older vehicles. / Portable Emissions Measurement System (PEMS) används i stor utsträckning för att analysera utsläpp av fordon. PEMS är dock ganska besvärligt och tidskrävande att använda vid fordonstestning. Det här examensarbetet undersöker möjligheterna med Smart Emissions Measurement System (SEMS) och hur det korrelerar med PEMS. Den andra faktorn som undersöks är en förkortad körcykel och hur den jämförs med den lagstadgade körcykeln. Huvudhypotesen i det här examensarbetet var att en förkortad körcykel med SEMS bör kunna förutsäga resultatet av ett fullständigt Real Driving Emissions (RDE)-test med PEMS med en tillräckligt stor statistisk signifikans för att visa att SEMS är ett användbart verktyg. Studien utfördes med PEMS parallellt monterat med SEMS på både en förkortad och en lagstadgad körcykel. Studien drar slutsatsen att SEMS visar lovande resultat för hur väl ett RDE-test kan förutsägas, och det skulle vara en användbar resurs för att öka testningen av fordon, både på en förkortad och en lagstadgad körcykel. Eftersom utsläppen från lätta fordon blir allt lägre, blir de även svårare att mäta med noggrannhet. Det kommer alltid att vara ett problem för SEMS, och särskilt på en förkortad rutt. Som en framtida applikation för lätta fordon kanske SEMS inte är det perfekta systemet på grund av att det inte är särskilt precist, men det finns många andra applikationer där SEMS kan vara användbart och där det har tillräcklig precision, så som för tyngre och äldre fordon.

The transportation sector has a significant impact on the environment both nationally and globally since it is a major vehicle fuel consumption and emissions contributor. These emissions are considered a major environmental threat. Consequently, decision makers desperately need tools that can estimate vehicle emissions accurately to quantify the impact of transportation operational projects on the environment. Microscopic fuel consumption and emission models should be capable of computing vehicle emissions reliably to assist decision makers in developing emission mitigation strategies. However, the majority of current state-of-the-art models suffer from two major shortcomings, namely; they either produce a bang-bang control system because they use a linear fuel consumption versus power model or they cannot be calibrated using publicly available data and thus require expensive laboratory or field data collection. Consequently, this dissertation attempts to fill this gap in state-of-the-art emission modeling through a framework based on the Virginia Tech Comprehensive Power-Based Fuel consumption Model (VT-CPFM), which overcomes the above mentioned drawbacks. Specifically, VT-CPFM does not result in a bang-bang control and can be calibrated using publicly available vehicle and road pavement parameters. The main emphasis of this dissertation is to develop a simple and reliable emission model that is able to compute instantaneous emission rates of carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx) for the light-duty vehicles (LDVs) and heavy-duty diesel trucks (HDDTs). The proposed extension is entitled Virginia Tech Comprehensive Power-Based Fuel consumption and Emission Model (VT-CPFEM). The study proposes two square root models where the first model structure is a cubic polynomial function that depends on fuel estimates derived solely from VT-CPFM fuel estimates, which enhances the simplicity of the model. The second modeling framework combines the cubic function of the VT-CPFM fuel estimates with a linear speed term. The additional speed term improves the accuracy of the model and can be used as a reference for the driving condition of the vehicle. Moreover, the model is tested and compared with existing models to demonstrate the robustness of the model. Furthermore, the performance of the model was further investigated by applying the model on driving cycles based on real-world driving conditions. The results demonstrate the efficacy of the model in replicating empirical observations reliably and simply with only two parameters. / Ph. D. / The transportation sector places a huge burden on our environment and is one of the major emitters of pollutants. The resulting emissions have a negative impact on human health and could be a concern for national security. Therefore, policymakers are keen to develop models that accurately estimate the emissions from on-road vehicles. Microscopic emission models are capable of estimating the instantaneous vehicle emissions from operational-level projects, and policymakers can use them to evaluate their emission reduction plans and the environmental impact of transportation projects. However, the majority of the current existing models indicate that to achieve the optimum fuel economy, the driver should accelerate at full throttle and full braking for deceleration to minimize the acceleration and deceleration times. This assumption is obviously incorrect since it requires aggressive driving which will result in increasing the fuel consumption rate. Also, the models cannot use publicly accessible and available data to estimate the emissions which require expensive laboratory or field data collection. Consequently, this dissertation attempts to fill this gap in emission modeling through a framework based on the Virginia Tech Comprehensive Power-Based Fuel consumption Model (VT-CPFM), which overcomes the above mentioned drawbacks. Specifically, VT-CPFM does not follow the mentioned assumption of aggressive driving to minimize the fuel consumption as previously explained and can use publicly available vehicle and road pavement variables to estimate the emissions. Also, it utilizes US Environmental Protection Agency (EPA) city and highway the fuel economy ratings to calibrate its parameters. The main emphasis of this dissertation is to develop a simple and reliable emission model that is able to compute instantaneous emission rates of carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx) for the light-duty vehicles (LDVs) and heavy-duty diesel trucks (HDDTs). The proposed extension is entitled Virginia Tech Comprehensive PowerBased Fuel consumption and Emission Model (VT-CPFEM). The study proposes two models where the first model structure that depends on fuel estimates derived solely from VT-CPFM fuel estimates, which enhances the simplicity of the model. The second modeling framework combines the VT-CPFM fuel estimates with the speed parameter. The additional speed term improves the accuracy of the model and can be used as a reference for the driving condition of the vehicle. The model framework is consistent in estimating the three emissions for LDVs and HDDTs. Moreover, the performance of the model was investigated in comparison with existing models to demonstrate the reliability of the model. Furthermore, the performance of the model was further evaluated by applying the model on driving cycles based on real-world driving conditions. The results demonstrate the capability of the model in generating accurate and reliable estimates based on the goodness of fit and error values for the three types of emissions.

[EN] The automotive industry is currently experiencing one of its most rapidly changing periods in recent decades, driven by a growing interest in reducing the negative environmental impacts caused by fossil fuels consumption and the resulting carbon dioxide (CO2) emissions generated during the operation of the internal combustion engine (ICE) which have proven to contribute significantly to Global Warming. Given the fact that a total replacement of the current fleet, dependent of fossil fuels, is unlikely to happen in the immediate future and the urgency to reducing CO2 emissions from transportation in order to tackle Global Warming, it is possible to say that optimizing current ICE technologies and conventional vehicles and engines is a first order priority. Among the technical solutions developed to improve the efficiency of ICE, low viscosity engine oils (LVEO) have emerged as an effective and low-cost method that provides reductions in fuel consumption between 0.5% and 5%. During the development of this thesis, a test plan focused on determining fuel consumption reduction when low viscosity oils are used in light duty vehicles (LDV) and heavy duty vehicles (HDV) were carried out. The test plan has been divided in three parts; the first part was focused on the study of light-duty vehicles (LDV) using one diesel engine representative of the European market. During this part three testing modes were used: comparative motored, fired stationary points and transient homologation cycle tests. All test were performed in the engine test bed. The second part of the study consisted of another comparative test, this time using a different engine oils in a HDV fleet. The study was conducted using the urban buses fleet of the city of Valencia, including 3 buses models , with 2 different powertrain technologies. The third part of the study was focused on the friction coefficient behavior within the engine tribological pairs making comparative tests in two specialized tribometers; one of reciprocating action to simulate the lubrication conditions in the piston ring-cylinder liner contact and a "ball-on-disk" tribometer to simulate the lubrication in the distribution system. The various comparative studies have served to analyze how the friction and fuel consumption responded when LVEO were used both in the ICE and the complete vehicle contexts. The fuel consumption benefit found during the test was used to calculate the carbon footprint reduction when LVEO were used. / [ES] Actualmente la industria de la automoción vive uno de los periodos de cambio más vertiginosos de las últimas décadas, marcado por un creciente interés en reducir los impactos medioambientales negativos generados por el consumo de combustibles fósiles y sus consecuentes emisiones nocivas de dioxido de carbono (CO2) generados durante el funcionamiento del motor de combustión interna alternativo (MCIA). Teniendo en cuenta que el proceso de sustitución de la flota actual por una totalmente independiente de los combustibles fósiles puede tomar varias décadas, y ante la urgencia inmediata de reducir las emisiones de CO2, se puede decir que actualmente es más urgente hacer una optimización de los vehículos con motorizaciones convencionales. Entre las soluciones técnicas que se han desarrollado para mejorar la eficiencia del MCIA destaca la utilización de aceites de baja viscosidad como un método efectivo y de bajo coste de implementación que brinda reducciones del consumo entre el 0.5% y el 5%. Durante el desarrollo de esta tesis se ha llevado a cabo un plan de ensayos enfocado en determinar valores concretos de ahorro de combustible esperados cuando se utilizan aceites de baja viscosidad en vehículos de trabajo ligero y pesado. El plan de estudios se dividió en tres partes; la primera se centró en el estudio de MCIA de vehículos de trabajo ligero, utilizando un motor Diesel representativo del mercado Europeo y llevando a cabo pruebas comparativas en arrastre, puntos de funcionamiento estacionarios y ciclos transitorios de homologación. La segunda parte del estudio consta de otro ensayo comparativo, esta vez utilizando una flota de vehículos de trabajo pesado. El estudio se realizó con la flota de autobuses urbanos de la ciudad de Valencia, incluyéndose 3 modelos de autobuses, con 2 tipos de motorización diferente. La tercera parte del estudio se centró en el comportamiento del coeficiente de friction en los pares tribológicos del motor haciendo ensayos comparativos con tribómetros especializados; uno de movimiento alternativo para simular las condiciones de la interfaz piston-camisa y un "bola y disco" para simular la lubricación en el sistema de distribución, específicamente en la interfaz leva-taqué. Los diversos estudios comparativos han servido para analizar como es la respuesta general de la fricción y el consumo de combustible cuando se usan aceites de baja viscosidad, tanto a nivel de motor como para la totalidad del vehículo, encontrando diferencias de par en los ensayos de arrastre, de consumo específico de combustible en los ensayos de motor en estado estacionario y diferencias totales de consumo de combustible en los ensayos en régimen transitorio y en flota, que a su vez han permitido estimar la reducción esperada en la huella de carbono. / [CA] Actualment la indústria de l'automoció viu un dels períodes de canvi més vertiginoses de les últimes dècades, marcat per un creixent interès en reduir els impactes mediambientals negatius generats pel consum de combustibles fòssils i els seus conseqüents emissions nocives de diòxid de carboni (CO2) generats durant el funcionament del motor de combustió interna alternatiu (MCIA). Tenint en compte que el procés de substitució de la flota actual per una totalment independent dels combustibles fòssils pot prendre diverses dècades, i davant la urgència immediata de reduir les emissions de CO2, es pot dir que actualment és més urgent fer una optimització dels vehicles amb motoritzacions convencionals. Entre les solucions tècniques que s'han desenvolupat per millorar l'eficiència del MCIA destaca la utilització d'olis de baixa viscositat com un mètode efectiu i de baix cost d'implementació que brinda reduccions del consum entre el 0.5% i el 5%. Durant el desenvolupament d'aquesta tesi s'ha dut a terme un pla d'assajos enfocat a determinar valors concrets d'estalvi de combustible esperats quan s'utilitzen olis de baixa viscositat en vehicles de treball lleuger i pesat. El pla d'estudis es va dividir en tres parts; la primera es va centrar en l'estudi de MCIA de vehicles de treball lleuger, utilitzant un motor dièsel representatiu del mercat Europeu i portant a terme proves comparatives en arrossegament, punts de funcionament estacionaris i cicles transitoris d'homologació. la segona part de l'estudi consta d'un altre assaig comparatiu, aquest cop utilitzant una flota de vehicles de treball pesat. L'estudi es va realitzar amb la flota d'autobusos urbans de la ciutat de València, incloent-se 3 models d'autobusos, amb 2 tipus de motorització diferent. La tercera part de l'estudi es va centrar en el comportament del coeficient de friction en els parells tribològics del motor fent assajos comparatius amb tribómetros especialitzats; Un acció reciprocante per simular les condicions del piston camisa i un bola i disc per simular la lubricació en el sistema de distribució. Els diversos estudis comparatius han servit per analitzar com és la resposta general de la fricció i el consum de combustible quan es fan servir olis de baixa viscositat, tant a nivell de motor com la totalitat del vehicle, trobant diferències de bat a els assajos d'arrossegament, de consum específic de combustible en els assajos de motor en estat estacionari i diferències totals de consum de combustible en els assajos en règim transitori i en flota, que al seu torn han permès calcular la reducció en la petjada de carbono. / Ramírez Roa, LA. (2016). Contribution to the Assessment of the Potential of Low Viscosity Engine Oils to Reduce ICE Fuel Consumption and CO2 Emissions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73068

The well-to-wheel (WTW) environmental performance of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) is sensitive to driving patterns, which vary within and across regions. This thesis develops and applies a novel approach for estimating specific regional driving patterns. The approach employs a macroscopic traffic assignment model linked with a vehicle motion model to construct driving cycles, which is done for a wide range of driving patterns. For each driving cycle, the tank-to-wheel energy use of two PHEVs and comparable non-plug-in alternatives is estimated. These estimates are then employed within a WTW analysis to investigate implications of driving patterns on the energy use and greenhouse gas emission of PHEVs, and the WTW performance of PHEVs relative to non-plug-in alternatives for various electricity generation scenarios. The results of the WTW analysis demonstrate that driving patterns and the electricity generation supply interact to substantially impact the WTW performance of PHEVs.

The well-to-wheel (WTW) environmental performance of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) is sensitive to driving patterns, which vary within and across regions. This thesis develops and applies a novel approach for estimating specific regional driving patterns. The approach employs a macroscopic traffic assignment model linked with a vehicle motion model to construct driving cycles, which is done for a wide range of driving patterns. For each driving cycle, the tank-to-wheel energy use of two PHEVs and comparable non-plug-in alternatives is estimated. These estimates are then employed within a WTW analysis to investigate implications of driving patterns on the energy use and greenhouse gas emission of PHEVs, and the WTW performance of PHEVs relative to non-plug-in alternatives for various electricity generation scenarios. The results of the WTW analysis demonstrate that driving patterns and the electricity generation supply interact to substantially impact the WTW performance of PHEVs.

[ES] Las nuevas regulaciones en materia de emisiones de efecto invernadero y calidad del aire han conducido la evolución tecnológica de los motores de combustión interna durante los últimos años. Las mejoras en el proceso de la combustión, la sobrealimentación, la gestión térmica, los sistemas de post tratamiento y técnicas como la recirculación de gases de escape, han permitido que los motores de combustión interna de hoy en día sean cada vez más limpios. La adopción en Europa del nuevo ciclo de homologación WLTP, que considera un ciclo de conducción más realista que su predecesor el NEDC, así como la necesidad de evaluar las emisiones contaminantes en diferentes escenarios de temperatura ambiente y de altitud, suponen un desafío para los fabricantes a la hora de diseñar y optimizar sus motores. En este contexto, el modelado unidimensional del motor ofrece la posibilidad de desarrollar y probar diferentes soluciones con la suficiente precisión,a la vez que permite agilizar el proceso de diseño del motor y reducir los costes de éste. El objetivo de esta tesis es el de desarrollar un modelo completo de motor virtual que permita simular condiciones transitorias de régimen de giro y grado de carga, así como diferentes condiciones ambientales de presión y temperatura. Con este modelo de motor se pretende predecir las principales variables termo-fluidodinámicas en diferentes puntos del motor y las emisiones contaminantes liberadas en el escape. Por otra parte, el arranque en frío y el funcionamiento a bajas temperaturas están asociados a un mayor consumo, mayores emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO), así como mayores emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) debido a la desactivación de los sistemas de recirculación de gases de escape. Para paliar estos efectos adversos, una opción es lograr que el sistema de postratamiento alcance su temperatura de activación lo más pronto posible. En este trabajo se aborda este objetivo mediante dos soluciones. Por un lado, se ha explorado la posibilidad de elevar la temperatura de los gases en el escape mediante un sistema de distribución variable. Con este método se pueden reducir las emisiones de CO y HC en torno a un 40-50 % y las emisiones de NOx hasta un 15 % durante la primera fase del ciclo WLTC, a costa de una penalización en el consumo de combustible. Por otro lado, también se ha estudiado la posibilidad de aislar térmicamente el sistema de escape. En este caso, es posible reducir las emisiones de CO y HC en torno a un 30 % sin mejorar las de NOx. / [CA] Les noves regulacions en matèria d'emissions d'efecte d'hivernacle i qualitat de l'aire han conduït la evolució tecnològica dels motors de combustió interna durant els darrers anys. Les millores en el procés de la combustió, la sobrealimentació, la gestió tèrmica, els sistemes de postractament i tècniques com la recirculació de gasos d'escapament, han permès que els motors de combustió interna d'avui dia siguen cada vegada més nets. L'adopció a Europa del nou cicle d'homologació WLTP, que considera un cicle de conducció més realista que el seu predecessor el NEDC, així com la necessitat d'avaluar les emissions de gasos contaminants en diferents escenaris de temperatura ambient i humitat, suposen un repte per als fabricants a l'hora de dissenyar i optimitzar els seus motors. En aquest context, el modelatge unidimensional del motor ofereix la possibilitat de desenvolupar i provar diferents solucions amb la suficient precisió, al mateix temps que agilitza el procés de disseny del motor i reduïx els costos derivats d'aquest. L'objectiu d'aquesta tesi és el de desenvolupar un model complete de motor virtual que permeta simular condicions transitòries de règim de gir i grau de càrrega, així com diferents condicions ambientals de pressió i temperatura. Amb aquest model de motor es pretén predir les principals variables termo-fluidodinàmiques en diferents punts del motor i les emissions contaminants alliberades en l'escapament. Per altra banda, l'arrancada en fred i el funcionament a baixes temperatures están associats a un major consum, majors emissions d'hidrocarburs (HC) i monòxid de carboni (CO), així com majors emissions d'òxids de nitrògen (NOx) degudes a la desactivació dels sistemes de recirculació de gasos d'escapament. Per a pal·liar aquestos efectes indesitjats, una opció és aconseguir que el sistema de postractament arribe a la seua temperatura d'activació el més prompte possible. En aquest treball, aquest objectiu s'aborda mitjançant dues solucions. Per una banda, s'ha investigat la possibilitat d'augmentar la temperatura dels gasos en l'escapament per mitjà d'un sistema de distribució variable. Amb aquest mètode s'ha aconseguit reduïr les emissions de CO i HC al voltant d'un 40-50 % i les emissions de NOx fins a un 15 % durant la primera fase del cicle WLTC, acosta d'una penalització en el consum de combustible. Per altra banda, també s'ha estudiat la possibilitat d'aïllar tèrmicament el sistema d'escapament. En aquest cas, és possible reduir les emissions de CO i HC vora un 30 % sense millorar les de NOx . / [EN] The new regulations regarding greenhouse emissions and air quality have led the technological progress of the internal combustion engines during the recent years. Improvements in the combustion process, turbocharging, thermal management, after-treatment systems and techniques such as the exhaust gases recirculation, have resulted in cleaner internal combustion engines. The adoption of the new type approval test in Europe, so-called WLTP, which represents a more realistic driving cycle than its forerunner the NEDC, as well as the need to evaluate pollutant emissions at different conditions of ambient temperature and altitude, represent a challenge for manufacturers when it comes to design and optimise their engines. In this context, one-dimensional engine models offer the possibility to develop and test different solutions with enough accuracy, while hastening the engine design process and reducing its costs. The main objective of this thesis is to develop a complete virtual engine model able to simulate transient conditions of engine speed and load, as well as different ambient conditions of pressure and temperature. The engine model is used to predict the main thermo-and fluid dynamic variables at different engine locations and the tailpipe pollutant emissions. Furthermore, engine cold start and its operation at low temperature is associated to a greater fuel consumption, hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions; as well as more nitrogen oxide (NOx) emissions due to the deactivation of the exhaust gases recirculation systems. A solution to mitigate these negative effects is to heat up the after-treatment system so as to achieve its activation temperature as soon as possible. In the work presented, this goal is addressed through two different standpoints. On the one hand, variable valve timing systems have been studied as a way to increase the exhaust gases temperature. With this option it is possible to reduce CO and HC emissions by 40-50 % and NOx emissions by 15 % during the first stage of the WLTC cycle, at the expense of a penalty in the fuel consumption. On the other hand, the thermal insulation of the exhaust system has also been studied with the same objective. In this case, it is possible to reduce CO and HC emissions by 30 %, while not improving NOx ones. / The author wishes to acknowledge the financial support received through the FPI S2 2018 1048 grant of Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. / Auñón García, Á. (2021). Development and validation of a virtual engine model for simulating standard testing cycles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168906