While there has been substantial body of work in the field of journal bearing research, much of it is today theoretical or simulated due to today’s computing power. Scania produces experimental data from motor testing, but these are expensive and time consuming. Furthermore there is a difficulty in keeping a sufficiently controlled environment, which at times makes it hard to draw conclusions from testing results. They therefore wish to develop a test-rig which can evaluate friction and wear in journal bearings. This thesis is a continuation of a project in the course Advanced Machine Design given at KTH Royal Institute of Technology. During this thesis the test-rig has been manufactured, built, and evaluated. Furthermore software for the test-rig was developed. Information on journal bearings, risk assessment and signal noise handling were sought. Mechanical development was done with Autodesk Inventor, while Matlab was used for software development. Factorial design was utilised when designing tests and compared to a simple theoretical model. Test results showed promising results for Stribeck curve-producing tests, with good resemblance to known frictional values and trends. Furthermore the test-rig showed good repeatability for replicated tests and produced wear on the bearing shells used. During a prolonged test, the shaft and support-bearings were damaged and requires servicing to be in an operational state. The test-rig requires to be further verified, but the tests that were carried out showed valuable and reliable information on wear and frictional values. Keywords: journal bearing, hydrodynamic lubrication, wear, start-stop, test-rig / Även om en betydande mängd forskning inom glidlager och fullfilmslager har genomförts så är med dagens datorkapacitet en stor del av resultaten numera teoretiska eller simulerade. Medan Scania producerar experimentella resultat, så är dessa dyra och tidskrävande. Vidare är det ibland svårt att hålla en tillräckligt kontrollerad miljö för att dra slutsatser från proverna. Med en dedikerad testrigg som kan tillförlitliga resultat tas fram billigare och snabbare. Detta examensarbete är en fortsättning av kursen Avancerad Maskinkonstruktion som ges vid Kungliga Tekniska Högskolan. Under detta examensarbete har testriggen tillverkats, byggts och utvärderats. Vidare har programvara för testriggen utvecklats. Informationssökning gjordes på glidlager, fullfilmslager, riskbedömning och signalbrushantering. Mekanisk utveckling har gjorts i Autodesk Inventor, medan Matlab användes för mjukvaruutveckling. Faktorial design har nyttjats vid utformningen av tester. Resultaten jämfördes med en enkel teoretisk modell. Testresultaten visade lovade resultat för Stribeck kurva-producerande tester, med god likhet till kända friktionsvärden och trender. Testriggen visade god reproducerbarhet vid replikerade tester. Testriggen producerar slitage på samtliga testade lagerytor. Under ett längre test så har axel och stödlager skadats, varför service behövs för att testriggen skall vara i brukbart skick. Testriggen kräver ytterligare verifiering, men resultaten från de prov som genomförts visar att test-riggen ger värdefull och tillförlitlig information om slitage och friktion kunna utrönas. Nyckelord: glidlager, hydrodynamisk smörjfilm, nötning, start-stop, testrigg

Increasing demands for lower emissions from heavy trucks and buses creates new demands on the components in the engine. One such component is the journal bearing which is used at many positions in the engine. Implementing a start-stop system in a truck engine leads to that the crankshaft journal bearing gets worn out too quickly. A journal bearing is a sliding bearing with a constant flow of oil. When the journal starts rotating an oil film is formed between the bearing and the journal, separating the journal from the bearing surface when the rotational speed is high enough. When this happens a hydrodynamic oil film is formed. During start and stop the bearing and journal passes through boundary and mixed lubrication regimes. The increase in starts and stops leads to a vast increase in the time that the bearing is experiencing boundary and mixed lubrication. During these regimes the journal comes in contact with the bearing surface and eventually leads to wear. This thesis has compared two new materials provided by Höganäs AB with an existing bearing as a reference material. The new materials were laser cladded onto bearing shells and sent to Scania for grinding and testing. The thought was to use a start-stop test rig at KTH that simulates start-stop cycles. The reference bearings were first run in the test rig, but when the shells with the new materials arrived it turned out that they would not fit in the test rig. This created the need for a new test method on a short notice and a reciprocating tribometer at Scania was chosen. The tribometer underwent a number of modifications to be able to fit the samples. Five tests with each new material and the reference material were carried out. The tests ran for 60 minutes except for a long term test that ran for 600 minutes. The results showed that the material designated “S”, which had a solid lubricant, had a coefficient of friction similar to the reference material, but produced less wear and could handle a higher load. The thesis has also proved that the start-stop test rig at KTH works well and can deliver reliable results. / På grund av skärpta miljökrav för tunga lastbilar och bussar ökar kraven på motorns komponenter. En av dessa komponenter är radialglidlager som används på många platser i motorn. Implementering av start-stoppsystem i en lastbilsmotor leder till att vevaxellagren slits ut i förtid. Ett radialglidlager är ett glidlager med ett kontant tillflöde av olja. När axeln börjar rotera skapas det en oljefilm mellan lagerytan och axeln. När rotationshastigheten är tillräckligt hög bär oljefilmen lasten och separerar axeln och lagerytan. Då har det bildats en fullfilm. Under start och stopp passerar lagret genom smörjregimerna gränsskiktssmörjning och blandsmörjning. Ökningen av start och stopp leder till en stor ökning av tiden som lagret upplever gränsskiktsoch blandsmörjning. Under dessa regimer är axeln och lagerytan i kontakt vilket leder till nötning. Detta examensarbete har jämfört två nya material från Höganäs AB med ett existerande lager som referens. De två nya materialen påsvetsades på lagerskålar och skickades till Scania för att slipas och testas. Tanken var att använda en start-stopprigg på KTH som simulerar startstoppcykler. Till att börja med kördes referenslagren i riggen, men när lagerskålarna med de nya materialen levererades visade det sig att de inte passade i testriggen. Detta innebar att en ny testmetod behövdes tas fram med kort varsel och valet föll på en reciprocerande tribometer på Scania. Tribometern var tvungen att modifieras för att proverna skulle passa. Fem test med varje material utfördes. Varje test tog 60 minuter, förutom ett långtidstest som kördes under 600 minuter. Resultaten visade att materialet kallat ”S”, vilket inkorporerade ett fast smörjmedel, hade en friktionskoefficient som liknade referensmaterialets, men producerade mindre nötning och klarade av en högre last. Examensarbetet har också kunnat påvisa att start-stoppriggen på KTH fungerar väl och kan leverera konsekventa resultat.

Start-stop systems are widely used in the car industry today but have not yet been fully implemented in the heavy-duty vehicle industry. The greater loads arising in the engines leads to excessive wear of the hydrodynamic bearings during starts and stops which has a distinct impact on the machine´s lifetime performance and reliability. This master thesis involves a comparative study of how different surface topographies of a shaft affects hydrodynamic bearing wear during start and stop conditions. The objective was to see if one can extend the bearing lifetime by doing minor changes to the shaft surface. This has been done by redesigning an existing start-stop test rig, increasing its operating system oil temperature to 90°C to provide a more accurate description of the bearing environment, to be able to conduct a series of start-stop cycling experiments. Upon examination of the experiment results, it becomes clear that a more polished surface of the shaft does reduce bearing wear significantly during starts and stops. It was also noticed that a more polished shaft surface does reach full-film lubrication at a lower rotational speed of the shaft, separating the shaft and the bearing surfaces. / Start-stoppsystem används idag i stor utsträckning inom bilindustrin men har ännu inte blivit implementerat fullt ut i den tunga fordonsindustrin. De större belastningarna som uppstår i motorn leder till överdrivet slitage på de hydrodynamiska glidlagren under start och stopp och har en tydlig inverkan på maskinens livslängd och pålitlighet. Detta examensarbete har innefattat en jämförande studie om hur olika axelytor påverkar nötningen av hydrodynamiska glidlager vid start och stoppförhållanden. Målet var att se ifall man kan lyckas förlänga lagrets livslängd genom att genomföra mindre förändringar av axelytan. Detta har utförts genom att omkonstruera en befintlig start-stopprigg, ökat oljesystemets driftstemperatur till 90°C för att ge en mer exakt beskrivning av den riktiga lagermiljön, för att sedan ha utfört en serie start och stopp experiment. Resultaten från experimenten visade tydligt att en mer polerad axelyta minskar lagerslitningen avsevärt under start och stopp. Det noterades också att en mer polerad axelyta ger fullfilmssörjning vid en lägre axelrotationshastighet, varvid axeln och lagerytorna separeras.

This work presents contributions to the modeling, control and management of an hybrid uninterrupted power supply (UPS) based on Otto cycle power generator set and lead acid battery bank. The proposed configuration is called hybrid due to the presence of two energy storage elements: i) the fuel fed the Otto cycle internal combustion engine (ICE) of the generator set and ii) a lead acid battery bank, which can be recharged from the grid or from the generator. With the hybridization it is possible to add up the advantages of UPS’s such as uninterrupted power supply and high output energy quality with the advantages of power generator sets, such as high autonomy and lower installation cost for high autonomy. In addition, with the hybrid topology it is possible to explore degrees of freedom that do not exist in the independent configurations, such as: i) variable speed operation and ii) start-stop operation of the MCI in order to reduce consumption/ emissions in lower loads, (iii) use of Otto cycle engine with lower cost in relation to a Diesel ICE. The hybrid UPS is composed of an Otto cycle internal combustion engine (ICE), a three-phase/three-wire rectifier, which can be connected via contactors to the grid, or to the permanent magnet synchronous generator (PMSG), a battery bank connected to the DC bus through a bi-directional boost converter, and a three-phase/four-wire inverter at the output. Experimental results are provided indicating that variable speed operation can achieve a reduction of up to 32% in specific fuel consumption, depending on the load range. For start-stop operation, the reduction in specific fuel consumption can reach up to 39%, depending on the load range. / Este trabalho apresenta contribuições a modelagem, controle e gerenciamento de uma fonte ininterrupta de energia (UPS) híbrida baseada em grupo motor ciclo Otto e bateria chumbo ácido. A configuração proposta é denominada híbrida devido a presença de dois armazenadores de energia: i) o combustível para alimentar o motor a combustão interna (MCI) ciclo Otto do grupo motor gerador e ii) um banco de baterias chumbo ácido, a qual pode ser recarregado pela rede ou pelo gerador. Com a hibridização é possível agregar as vantagens das UPSs tais como, ininterruptibilidade de fornecimento de energia e alta qualidade de energia da tensão de saída, com as vantagens dos grupos motores geradores, tais como, elevada autonomia e menor custo de instalação para autonomias elevadas. Além disso, com a topologia híbrida é possível explorar graus de liberdade não existentes nas configurações independentes, tais como: i) utilização de velocidade variável e ii) operação em regime start-stop no MCI afim de reduzir consumo/emissões em baixas cargas, iii) utilização de motor ciclo Otto com menor custo em relação a um MCI Diesel. A UPS híbrida é composta por um motor a combustão interna (MCI), um retificador trifásico a três/quatro fios, o qual pode ser conectado através de contatoras à rede, ou ao gerador síncrono de ímãs permanente (PMSG), um banco de baterias conectado ao barramento através de um conversor boost bidirecional, e um inversor a quatro fios na saída. Resultados experimentais são apresentados indicando que a operação em velocidade variável pode alcançar um redução de até 32% no consumo específico de combustível, dependendo a faixa de carga. Já para a operação em regime start-stop a redução no consumo específico de combustível pode alcançar até 39%, dependendo da faixa de carga.

[ES] The automotive industry represents one of the most important sectors in the world. Given its socio-economic influence, research is aimed at reducing fuel consumption and emissions. Turbochargers provide several benefits including increased power for a given engine size, improved fuel economy and reduced emissions. The turbocharger is an important piece for the new generation of engines that must comply with the Euro 6 or in the U.S. Tier 3 vehicle emissions and fuel standard program. As more effort is made to increase efficiencies and reduce emissions, the complexity of the system increases. The high rotational speeds, pulsating flow conditions and high temperature differences between working fluids (exhaust gases, compressed air, lubricating oil, coolant fluids) make the turbo-charging a challenging task. Numerical simulation opens a range of possibilities to study the performance, efficiency and design of components in the turbocharger, but requires continued accuracy refinements. In this thesis, a great effort has been made to improve the overall understanding of the different physical phenomena that occur inside the turbocharger. Both, experimental and modelling efforts have been made to understand the thermal behaviour of the turbocharger under engine start/stop conditions. After state-of-the-art review of thermal studies and heat transfer simulation codes, this work presents an extensive experimental testing campaign that includes a thermal characterization of the turbocharger in stationary and transient conditions. Subsequently, several turbochargers were measured to assess the consequences that degraded oils can generate in the bearing system during endurance tests of oil-coking. To minimize the possibilities of coke formation, some theoretical studies were done. First, a 1D turbocharger model was used in GT-PowerTM for a detailed study of the temperature rise in the central housing during an engine hot-stop. The simulated cooling strategies aims to find an optimal in terms of minimizing extra energy consumption per K housing temperature reduction. After, a 2D radial model is proposed as improvement of an existing one-dimensional model developed at CMT - Universitat Politècnica de València. Aiming for a low computational cost, the radial model was developed to be compatible with fast one-dimensional engine simulations. Later, a detailed solution of heat fluxes was made by means of CFD using a 3D design of the turbocharger's central housing. The 3D model improved the results when temperature of the bearings/shaft is required. Additionally, thermal properties within the turbocharger can be obtained and therefore a reduction of the experimental tasks in the thermohydraulic test bench. Both 2D and 3D models were validated using experimental data, demonstrating predictive accuracy improvements on the results of previous models. / [CA] La industria automotriz representa uno de los sectores más importantes del mundo. Dada su influencia socioeconómica, la investigación está destinada a reducir el consumo de combustible y las emisiones. Los turbocompresores ofrecen varios beneficios, entre ellos, mayor potencia para un tamaño de motor determinado, mejor economía de combustible y reducción de emisiones. El turbocompresor es una pieza importante para la nueva generación de motores que deben cumplir con la normativa Euro 6 o en el programa estándar de emisiones y combustible de los EE. UU. Tier 3. A medida que se hacen más esfuerzos para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones, la complejidad del sistema aumenta. Las altas velocidades de rotación, las condiciones de flujo pulsante y las altas diferencias de temperatura entre los fluidos de trabajo (gases de escape, aire comprimido, aceite lubricante, fluidos refrigerantes) hacen que la turbocarga sea una tarea desafiante. La simulación numérica abre un rango de posibilidades para estudiar el rendimiento, la eficiencia y el diseño de los componentes en el turbocompresor, pero requiere continuos refinamientos de precisión. En esta tesis, se ha hecho un gran esfuerzo para mejorar la comprensión global de los diferentes fenómenos físicos que ocurren al interior del turbocompresor. Se han hecho esfuerzos experimentales y de modelado para comprender el comportamiento térmico del turbocompresor en condiciones de arranque/parada del motor. Luego de una revisión de los estudios térmicos y de los códigos de simulación de transferencia de calor, éste trabajo presenta una extensa campaña de pruebas experimentales que incluye una caracterización térmica del turbocompresor en condiciones estacionarias y transitorias. Posteriormente, se midieron varios turbocompresores para evaluar las consecuencias que los aceites degradados pueden generar en el sistema de rodamientos durante pruebas de resistencia de coque de aceite. Para minimizar las posibilidades de formación de coque, se realizaron algunos estudios teóricos. En primer lugar, se usó un modelo de turbocompresor 1D en GT-PowerTM para un estudio detallado del aumento de temperatura de la carcasa central del turbocompresor durante un paro en caliente del motor. Las estrategias de enfriamiento simuladas apuntan a encontrar un óptimo en términos de minimizae el consumo de energía extra por reducción de la temperatura de la carcasa en Kelvin. Posteriormente, se propone un modelo radial 2D como mejora de un modelo unidimensional existente desarrollado en la CMT - Universitat Politècnica de València. Con el objetivo de conseguir un bajo costo computacional, el modelo radial 2D se desarrolló para ser compatible con simulaciones unidimensionales rápidas de motor. Después, se realizó una solución detallada de los flujos de calor mediante CFD utilizando un diseño 3D de la carcasa central del turbocompresor. El modelo 3D mejora los resultados cuando se requiere la temperatura de los cojinetes/eje. Además, con ésta campaña de CFD se pueden obtener propiedades térmicas dentro del turbocompresor y, por lo tanto, una reducción de las tareas experimentales en el banco de pruebas termohidráulico. Ambos modelos 2D y 3D fueron validados utilizando datos experimentales, demostrando mejoras de precisión de predicción sobre los resultados de modelos anteriores. / [EN] La indústria automotriu representa un dels sectors més importants del món. Donada la seua influència socioeconòmica, la investigació està destinada a reduir el consum de combustible i les emissions. Els turbocompressors oferixen diversos beneficis, entre ells, major potència per a una grandària de motor determinat, millor economia de combustible i reducció d'emissions. El turbocompressor és una peça important per a la nova generació de motors que han de complir amb la normativa Euro 6 o en el programa estàndard d'emissions i combustible dels EE. UU. Tier 3. A mesura que es fan més esforços per a augmentar l'eficiència i reduir les emissions, la complexitat del sistema augmenta. Les altes velocitats de rotació, les condicions de flux polsen-te i les altes diferències de temperatura entre els fluids de treball (gasos de fuga, aire comprimit, oli lubricant, fluids refrigerants) fan que la turbocarga siga una tasca desafiador. La simulació numèrica obri un rang de possibilitats per a estudiar el rendiment, l'eficiència i el disseny dels components en el turbocompressor, però requerix continus refinaments de precisión. En aquesta tesi, s'ha fet un gran esforç per a millorar la comprensió global dels diferents fenòmens físics que ocorren a l'interior del turbocompressor. S'han fet esforços experimentals i de modelatge per a comprendre el comportament tèrmic del turbocompressor en condicions d'arranque/parada del motor. Després d'una revisió dels estudis tèrmics i dels codis de simulació de transferència de calor, este treball presenta una extensa campanya de proves experimentals que inclou una caracterització tèrmica del turbocompressor en condicions estacionàries i transitòries. Posteriorment, es van mesurar uns quants turbocompressors per a avaluar les conseqüències que els olis degradats poden generar en el sistema de rodaments durant proves de resistència de coc d'aceite. Per a minimitzar les possibilitats de formació de coc, es van realitzar alguns estudis teòrics. En primer lloc, es va usar un model de turbocompressor 1D en GT- Power \textsuperscript{TM} per a un estudi detallat de l'augment de temperatura de la carcassa central del turbocompressor durant una desocupació en calent del motor. Les estratègies de refredament simulades apunten a trobar un òptim en termes de minimizae el consum d'energia extra per reducció de la temperatura de la carcassa en Kelvin. Posteriorment, es proposa un model radial 2D com a millora d'un model unidimensional existent desenrotllat en la CMT - Universitat Politècnica de València. Amb l'objectiu d'aconseguir un baix cost computacional, el model radial 2D es va desenrotllar per a ser compatible amb simulacions unidimensionals ràpides de motor. Después, es va realitzar una solució detallada dels fluxos de calor per mitjà de CFD utilitzant un disseny 3D de la carcassa central del turbocompressor. El model 3D millora els resultats quan es requerix la temperatura dels cojinetes/eje. A més, amb esta campanya de CFD es poden obtindre propietats tèrmiques dins del turbocompressor i, per tant, una reducció de les tasques experimentals en el banc de proves termohidráulico. Ambdós models 2D i 3D van ser validats utilitzant dades experimentals, demostrant millores de precisió de predicció sobre els resultats de models anteriores. / Rodriguez Usaquén, YT. (2019). Experimental study of oil coking problem and contribution to the modelling of heat transfer in turbochargers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117314