Cam phasers allow improvements to the efficiency and emissions of internal combustion engines. The usage of hydraulic vane type cam phasers for heavy-duty applications have shown problems with oscillations during testing at Scania CV. To investigate the root cause of the oscillations a detailed 1-d simulation model has been created. The 1-d simulation model was calibrated and compared against measurements of a cam phaser system mounted on a physical engine. The 1-d simulation model of the cam phaser system was shown to be able to reproduce the oscillatory behavior seen in engine tests. But there are some concerns regarding the model's reliability, due to its dependence on the integration time step. It was determined that free air in the phaser chambers is causing the excessive oscillations. The source of the free air present in physical phasers are not yet fully understood, but the movement of the phaser control valve, opening and closing of the phaser chamber vents, in conjunction with motion of the phase oscillations has a significant effect on the phaser's chamber pressure, resulting in reduce pressures. The reduced pressures result in air being sucked in to the phaser, form both the oil control valve vent and external chamber leakages. Another potential sources of free air is dissolved air in the oil supply being released due to low pressures from oil pressure fluctuations. A potential solution to increase the stability of the phaser is to reduce the sources of air, by having an oil accumulator at the vent, limiting leakage, having a high and steady oil supply pressure, modifying the oil control valve ports to have a more gradual initial opening area and controlling the oil control valve appropriately. How to implement these implementations and evaluate them are left as future work. Potential improvements to get rid of the 1-d simulation model's dependence on the time step, increasing the model's reliability, are discussed, but not tested.

Litiumjon-batterier har blivit väldigt populära för tillämpning i fordon. Den här teknologin har fler olika kemier att erbjuda som kontinuerligt förbättras. Litium-titanat-oxid-batterier använder (LTO) LTO som anod och erbjuder långt cyklingsliv samt minskar risk för SEI-bildning och litiumplätering.  Det här examensarbetet siktade på att undersöka om LTO-batterier kan användas som startbatterier i kommersiella fordon. Metodologin inkluderade två motorstart försök med en kommersiell 12s1p LTO-modul, laddnings/urladdningtester med en kommersiell LTO-cell med nominell spänning 2.3V samt överurladdningstester med byggda pouchceller. Materialet för pouchceller extraherades från en kommersiell LTO-cell och sedan studerades med SEM-EDX före och efter överurladdningstesterna. Resultatet visade att LTO-batterier kan användas som startbatterier i en diesel V8 motor även vid 39%SoC. Dessutom visade simuleringar att LTO-batterier kan användas inom Kinetic Energy Recovery System (KERS) tillämpning och behålla 60% SoC efter 500 laddning/urladdnings cykler. Resultaten från både KERS och motorstarterna visade att LTO är en lovande kandidat för ersättning av blybatterier. Laddnings/urladdnings tester visade att en kommersiell 12s1p LTO modul kan maximalt uppnå 73%SoC när den laddas med fordon-liknande strömmar. Däremot var SoC oberoende av laddningsström. Överurladdningstester med pouchceller visade att det är relativt ofarligt att urladda LTO 0.4V under spänningsgränsen utan stora ökningar i impedans eller stor kapacitetsförlust. Största förluster kopplades till åldring av NMC-baserade positiva elektroden. / Lithium ion batteries have become quite popular in vehicle applications in the past few decades. This technology offers multiple chemistries to choose from, that are continuously studied and improved. Lithium-titanate-oxide (LTO) batteries use LTO material as an anode, providing long cycling life, as well as essentially eliminating risk for SEI formation and lithium plating.  This Master thesis project aimed to investigate how well LTO-based lithium-ion batteries can perform in Start Ignition Lighting (SLI) application in commercial vehicles. The methodology included two engine crank tests with a commercial 12s1p LTO module, charge/discharge tests on a commercial LTO cell with nominal voltage 2.3V, as well as overdischarge cycling tests on assembled pouch cells. The materials for the pouch cells were extracted from a commercial LTO cell and later analysed with SEM-EDX before and after overdischarge tests. The results demonstrated that LTO-based Li-ion batteries can be successfully start a diesel V8 engine even at 39% SoC. Furthermore, when simulating an urban vehicle with an implemented Kinetic Energy Recovery System (KERS) application, a commercial cell LTO cell achieved and retained around 60\%SoC throughout 500 charge/discharge cycles. Combined results from KERS and engine start tests imply that LTO is a strong candidate for replacing lead-acid in these applications. Charge/discharge tests showed that commercial 12s1p LTO cell can maximum reach around 73%SoC when charged in a vehicle-like way. However, this maximum SoC limit was more or less independent of applied charging current. Furthermore, electrochemical overdischarge tests on the pouch cells demonstrated that it is relatively safe to overdischarge the cell 0.4V below the specified safety limit without significant rise in impedance or capacity fade. Major performance losses were attributed to the aging of the NMC-based positive electrode.

The transport sector is currently facing challenges to reduce environmental impacts during the vehicle’s operation due to its reliance on fossil fuels. The introduction of new technologies such as alternative fuels or battery electric vehicles (BEVs) are therefore rapidly growing because they can significantly reduce the vehicle’s tailpipe emissions. There is however the concern that these could transfer environmental burdens to other life cycle phases such as production. Therefore, a development towards sustainable transport will require more than just the development of alternative fuels or EVs, but also a more sustainable production. Considering that 80% of the product related environmental impacts are determined during the design phase of a product, the significance of product design is studied. Scania offers the opportunity to customize trucks with a high level of detail through customized design, also called S-order design. Design engineers want to know if their customized solutions have the potential to reduce environmental impacts within the production of a truck. Therefore, the life cycle assessment (LCA) framework is used to know the environmental impacts of a truck designed with S- and A-order design and to compare them in order to determine if there is an environmental performance difference between these two designs. The results show that the production of a truck with a S-order design has on average 3% lower environmental impacts on all impact categories than when it’s produced with an A-order design. This is due to the S-order design’s great level of flexibility to consider small details of the truck’s functionality. Nevertheless, this design flexibility can lead to multiple configurations for one truck, thus meaning that the results will vary from product to product since the customer decides the specifications of the truck. The main conclusion is that the early implementation of adaptations through S-order design in heavy truck development at Scania can potentially reduce resource consumption and environmental impacts, and aid to sustainable production. / Transportsektorn står för närvarande inför utmaningar för att minska miljöpåverkan under fordonets drift på grund av dess beroende av fossila bränslen. Introduktionen av ny teknik som alternativa bränslen eller elektriska fordon (BEV) växer därför snabbt eftersom de avsevärt kan minska fordonets utsläpp från avgasröret. Det finns emellertid oro för att dessa skulle kunna överföra miljöbelastningar till andra livscykelfaser som exempelvis produktionen. Därför kommer en utveckling mot hållbara transporter att kräva mer än bara utveckling av alternativa bränslen eller eldrift, men också en mer hållbar produktion. Med tanke på att 80% av de produktrelaterade miljöeffekterna bestäms under en produkts designfas studeras därför produktens design. Scania erbjuder möjligheten att skräddarsy lastbilar med hög detaljnivå genom skräddarsydd design, även kallat S-orderdesign. Designingenjörer vill veta om deras skräddarsydda lösningar har potential att minska miljöpåverkan inom tillverkningen av en lastbil. En livscykelanalys (LCA) används därför för att känna till miljöpåverkan från en lastbil konstruerad med S- och A-orderdesign och för att jämföra dem för att avgöra om det finns en skillnad i miljöprestanda mellan dessa två konstruktioner. Resultaten visar att tillverkningen av en lastbil med S-orderdesign har i genomsnitt 3% lägre miljöpåverkan på alla kategorier av miljöpåverkan än en med A-orderdesign. Detta beror på S- orderdesignens stora flexibilitet för att ta hänsyn till små detaljer gällande lastbilens funktionalitet. Dock kan denna konstruktionsflexibilitet leda till flera konfigurationer för en lastbil, vilket innebär att resultaten kommer att variera från produkt till produkt eftersom kunden bestämmer lastbilens specifikationer. Huvudslutsatsen är att det tidiga genomförandet av anpassningar genom S- orderdesign vid utvecklingen av tunga lastbilar hos Scania potentiellt kan minska resursförbrukningen och miljöpåverkan och stöd till hållbar produktion.

[ES] A la luz de la crisis medioambiental y del creciente interés en el uso del H2 para avanzar hacia la Economía del Hidrógeno, esta tesis tiene como objetivo analizar y optimizar nuevas arquitecturas de sistemas propulsivos de FCV para aplicaciones en turismos y vehículos pesados en términos de rendimiento, durabilidad e impacto medioambiental. Para ello, se ha desarrollado una plataforma de modelado de FCV multifísica y flexible que integra un modelo de pila de combustible validado junto con los componentes del BoP, los componentes mecánicos y eléctricos del vehículo y el sistema propulsivo, un modelo de degradación de FC semi-empírico informado por tendencias físicas diseñado para ser utilizado en condiciones de conducción y un optimizador de EMS en tiempo real que ofrece el mejor rendimiento dado un diseño de sistema propulsivo y un ciclo de conducción, de tal forma que todas las arquitecturas propuestas para una aplicación determinada sean comparables en términos justos. La discusión de los resultados puede dividirse en tres partes diferentes. La primera está orientada a la optimización del rendimiento del FCS. Los resultados de esta parte ayudaron a identificar la estrategia de gestión del aire que, dado un conjunto de restricciones impuestas en los componentes del BoP, maximizaba la potencia neta del FCS (eficiencia) para cada valor de densidad de corriente. El balance energético resultante, que comprende la potencia producida por la pila de combustible, las perdidas electroquímicas y el consumo de los componentes del BoP, fue analizado y utilizado para determinar y diseñar la estrategia de control de los actuadores del BoP para condiciones de conducción. La segunda parte se centra en la evaluación y optimización, cuando es posible, de la arquitectura FCREx para aplicaciones de turismos y la configuración multi-FCS para aplicaciones de vehículos de transporte pesado. Desde el punto de vista del rendimiento, la arquitectura FCREx ofrecía un consumo mínimo de H2 con una elevada potencia de la pila de combustible y una gran capacidad de la batería, pero este diseño podría ser prohibitivo en términos de costes. Podía ofrecer hasta un 16.8-25% menos de consumo de H2 y un 6.8% menos de consumo de energía. La limitación en la dinámica de esta arquitectura aumento la durabilidad de la FC en un 110% con una penalización en el consumo de H2 del 4.7%. La arquitectura multi-FCS para aplicaciones pesadas podría funcionar con una dinámica aún menor, con un aumento de la durabilidad de la pila del 471% con una penalización en el consumo de H2 del 3.8%, ya que el perfil de conducción de los vehículos pesados suele ser menos dinámico. El control y el dimensionamiento diferencial solo podrían aportar beneficios en términos de impacto ambiental o de coste, pero no de rendimiento. La última parte considera los resultados obtenidos en términos de rendimiento y durabilidad para analizar el impacto medioambiental de cada arquitectura. La estrategia de producción de H2 afecta significativamente a las emisiones del ciclo de vida en ambas aplicaciones sobre cualquier otra elección de diseño. El diseño óptimo para la arquitectura FCREx que minimiza las emisiones tiene una alta potencia de la pila de combustible y una capacidad moderada de la batería. En el caso de la aplicación para vehículos pesados, se identificó la dinámica de control óptima para cada diseño y estrategia de producción de H2, y se determinó que la estrategia de diseño de dimensionado diferencial solo proporcionaba beneficios si se consideraba una tecnología de pila de combustible diferente para las distintas pilas integradas en el sistema propulsivo. / [CA] A la llum de la crisi mediambiental i del creixent interés en l'ús de l'H2 per a avançar cap a l'Economia de l'Hidrogen, aquesta tesi té com a objectiu analitzar i optimitzar noves arquitectures de sistemes propulsius de FCV per a aplicacions en turismes i vehicles pesants en termes de rendiment, durabilitat i impacte mediambiental. Per a això, s'ha desenvolupat una plataforma de modelatge de FCV multifísica i flexible que integra un model de pila de combustible validat juntament amb els components del BoP, els components mecànics i elèctrics del vehicle i el sistema propulsiu, un model de degradació de pila de combustible semi-empíric informat per tendències físiques dissenyat per a ser utilitzat en condicions de conducció i un optimitzador d'EMS en temps real que ofereix el millor rendiment donat un disseny de sistema propulsiu i un cicle de conducció, de tal forma que totes les arquitectures proposades per a una aplicació determinada siguen comparables en termes justos. La discussió dels resultats pot dividir-se en tres parts diferents. La primera està orientada a l'optimització del rendiment del FCS. Els resultats d'aquesta part van ajudar a identificar l'estratègia de gestió de l'aire que, donat un conjunt de restriccions imposades en els components del BoP, maximitzava la potència neta del FCS (eficiència) per a cada valor de densitat de corrent. El balanç energètic resultant, que comprén la potència produïda per la pila de combustible, les pèrdues electroquímiques i el consum dels components del BoP, va ser analitzat i utilitzat per a determinar i dissenyar l'estratègia de control dels actuadors del BoP per a condicions de conducció. La segona part se centra en l'avaluació i optimització, quan ¿es possible, de l'arquitectura FCREx per a aplicacions de turismes i la configuració multi-FCS per a aplicacions de vehicles de transport pesat. Des del punt de vista del rendiment, l'arquitectura FCREx oferia un consum mínim d'H2 amb una elevada potència de la pila de combustible i una gran capacitat de la bateria, però aquest disseny podría ser prohibitiu en termes de costos. Podia oferir fins a un 16.8-25% menys de consum d'H2 i un 6.8% menys de consum d'energia. La limitació en la dinàmica d'aquesta arquitectura va augmentar la durabilitat de la pila en un 110% amb una penalització en el consum d'H2 del 4.7%. L'arquitectura multi-FCS per a aplicacions pesades podria funcionar amb una dinàmica encara menor, amb un augment de la durabilitat de la pila del 471% i una penalització en el consum d'H2 del 3.8%, ja que el perfil de conducció dels vehicles pesants sol ser menys dinàmic. El control i el dimensionament diferencial només podrien aportar beneficis en termes d'impacte ambiental o de cost, però no de rendiment. L'última part considera els resultats obtinguts en termes de rendiment i durabilitat per a analitzar l'impacte mediambiental de cada arquitectura. L'estratègia de producció d'H2 afecta significativament a les emissions del cicle de vida en totes dues aplicacions sobre qualsevol altra elecció de disseny. El disseny òptim per a l'arquitectura FCREx que minimitza les emissions té una alta potència de la pila de combustible i una capacitat moderada de la bateria. En el cas de l'aplicació per a vehicles pesants, es va identificar la dinàmica de control `optima per a cada disseny i estratègia de producció d'H2, i es va determinar que l'estratègia de disseny de dimensionament diferencial només proporcionava beneficis si es considerava una tecnologia de pila de combustible diferent per a les diferents piles integrades en el sistema propulsiu. / [EN] In light of the environmental crisis and the growing interest in the use of H2 to advance toward the Hydrogen Economy, this thesis aims at analyzing and optimizing novel FCV powerplant architectures for passenger car and heavy-duty vehicle applications in terms of performance, durability, and environmental impact. For that purpose, a multi-physics flexible FCV modeling platform was developed integrating a validated FC stack model together with the BoP components, the mechanical and electrical components of the vehicle and powertrain, a semi-empirical physics-informed FC degradation model designed to be used in driving conditions and a real-time EMS optimizer that offers the best performance given a powerplant design and driving cycle so that all the proposed architectures for a given application are comparable. The discussion of the results can be divided into 3 different parts. The first one is oriented towards the FCS performance optimization. The results in this part helped to identify the air management strategy that, given a set of constraints imposed in the BoP components, maximized the FCS net power output (efficiency) for each value of current density. The resulting energy balance comprising the FC stack power produced, the electrochemical losses, and the consumption of the BoP components was analyzed and used to determine and design the control strategy of the BoP actuators for driving cycle conditions. The second part is focused on the evaluation and optimization, when possible, of the FCREx architecture for passenger car applications and the multi-FCS configuration for heavy-duty vehicle applications. Performance-wise the FCREx architecture offered minimum H2 consumption with high FC stack power and high battery capacity, but this design could be prohibitive in terms of costs. It could offer up to 16.8-25% lower H2 consumption and 6.8% lower energy consumption. Limiting the dynamics of this architecture increased the FC durability by 110% with a penalty in H2 consumption of 4.7%. The multi-FCS architecture for heavy-duty applications could operate with even lower dynamics, with an increase in the FC durability of 471% with a penalty in H2 consumption of 3.8%, since the driving profile of heavy-duty vehicles is usually more steady. Differential control and sizing could only provide benefits in terms of environmental impact or cost, not performance. The last part considers the results obtained in terms of performance and durability to analyze the environmental impact of each architecture. The H2 production pathway affected significantly the life cycle emissions of both applications over any other design choice. The optimum design for FCREx architecture that minimized emissions had high FC stack power and moderate battery capacity. In the case of heavy-duty application, the optimum control dynamics for each design and H2 production pathway were identified, and the differential sizing design strategy was determined to only provide benefits if different FC stack technology was considered for the various stacks in the powerplant. / López Juárez, M. (2022). Analysis of Hydrogen Fuel Cell Powerplant Architectures for Future Transport Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/189212

[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

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität. / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.

This master thesis project was performed in collaboration with Scania CV AB, Engine Materials group. The purpose with the project was to investigate different ceramic TBC (Thermal Barrier Coating) thermal insulation properties inside the combustion chamber. Experimental testing was performed with a Single-Cylinder engine with TBC deposited on selected components. A dummy-valve was developed and manufactured specifically for this test in order to enable a water cooling system and to ease the testing procedure. The dummy-valve consists of a headlock, socket, valve poppet and valve shaft. Additionally, a copper ring is mounted between the cylinder head and the valve poppet to seal the system from combustion gases. Thermocouples attached to the modified valve poppet and valve shaft measured the temperature during engine test to calculate the heat flux. The TBCs consisted of three different materials: 7-8% yttrium-stabilized zirconia (8YSZ), gadolinium zirconia and lanthanum zirconia. The 8YSZ TBC was tested as standard, but also with microstructural modifications. Modifications such as pre-induced segmented cracks, nanostructured zones and sealed porosity were used. The results indicated that the heat flux of 8YSZ-standard, 8YSZ-nano and 8YSZ-segmented cracks was in level with the steel reference. In the case of 8YSZ-sealed porosity the heat flux was measured higher than the steel reference. Since 8YSZ-standard and 8YSZ-sealed porosity are deposited with the same powder it is believed that the high heat flux is caused by radiative heat transfer. The remaining samples have had some microstructural changes during engine testing. 8YSZ-nano had undergone sintering and its nanostructured zones became fewer and almost gone after engine testing leading to less heat barrier in the top coat of the TBC. However, for 8YSZ-segmented cracks and gadolinium zirconia lower heat flux was measured due to the appearance of horizontal cracks. These cracks are believed to act as internal barriers as they are orientated perpendicular to the heat flow. During long-time (5 hour) engine tests the 8YSZ-standard exhibited the same phenomena: a decrease in heat flux due to propagation of horizontal cracks. One-dimensional heat flux was not achieved and the main reason for that was caused by heating and cooling of the shafts outer surface. However, the dummy-valve system has proven to be a quick, easy and stable to perform tests with a Single-Cylinder engine. Both water-cooling and long-time engine tests were conducted with minor issues. The dummy-valve has been further developed for future tests. Changes to the valve shaft are the most remarkable: smaller diameter to reduce heat transfer and smaller pockets to ensure better thermocouple positioning. Another issue was gas leakage from the combustion chamber through the copper ring and valve poppet joint. The copper ring will be designed with a 1 mm thick track to improve sealing, hence better attachment to the valve poppet.

Depuis plusieurs années les chiffres de l'insécurité routière montrent la nécessité de développer un outil technologique qui vise à connaitre le comportement de véhicules deux roues motorisés (2RM) afin d'améliorer leursécurité. De cette problématique découle nos travaux de recherche qui s'inscrivent dans le cadre de projet METRAMOTO (MEsure du TRAfic des deux-roues MOTOrisés pour la sécurité routière et l'évaluation des risques)L’objectif principal visé concerne la modélisation, le dimensionnement et l'optimisation d'un capteur hybride constitué d'une part de boucles électromagnétiques et d'autre part de capteurs de chocs piézo-électriques. L’idée consiste à utiliser les boucles électromagnétiques pour discriminer la présence des 2RM de celle des autresvéhicules, associées à des segments piézo-électriques pour détecter le choc produit par le passage des roues desdifférents véhicules, le tout associé à un algorithme de gestion et de traitement de données. Aujourd'hui redimensionnement des systèmes de détection à base de boucles électromagnétiques ou de câble piézo-électriquese fait de manière expérimentale sur des sites contrôlés en utilisant plusieurs types de véhicules. Cette technique gourmande en temps nécessite une série importante d'essais couteux et dangereux. La présente étude a pour butde modéliser les différentes interactions entre le capteur hybride étudié et les véhicules en vue de son dimensionnement. Des modèles électromagnétiques et électromécaniques sont développés pour décrire les différentes interactions se produisant entre les boucles électromagnétiques d'une part, les boucles électromagnétiques et les véhicules d'autre part ainsi que celles des roues de véhicules et le câble piézoélectrique.Sur la base de ces modèles établis, une démarche générale est élaborée conduisant au dimensionnement du capteur hybride pour une route donnée. Nous nous sommes également intéressés au traitement des données issues du capteur hybride pour lesquelles nous proposons une approche d'identification des différentes catégories de véhicules dont les 2RM. Deux configurations de capteurs pour deux routes différentes sont alors proposées.Elles sont associées à des algorithmes de traitement de données permettant l'acquisition des signaux de boucles et de câbles, la distinction des différents types de véhicules, l'estimation de la position des véhicules sur la chaussée ainsi que la mesure de la vitesse de véhicules. / For several years the road safety numbers show the need to develop a technological tool that aims to know thepowered two wheelers vehicles behavior (2PW) to improve their security. From this problematic arise our researchworks that come under the project METRAMOTO (Powered two wheelers traffic measurement for road safety andrisks assessment). The main objective is modeling, sizing and optimization of an hybrid sensor consisted ofelectromagnetic loops and piezoelectric shock sensors. The idea is to use electromagnetic loops to discriminate the2PW presence from the other vehicles, combined with piezoelectric segments to detect the shocks produced by thevehicles wheels passage, all associated with a management algorithm and data processing. Today the sizing of thedetection systems based on electromagnetic loops or piezoelectric cables is done experimentally on controlled sitesusing several vehicles types. This technique requires significant test series which are costly and dangerous. Thisstudy aims to modeling the different interactions between the studied sensor and vehicles in order to its sizing.Electromagnetic and electromechanical models are developed to describe the different interactions that take placebetween electromagnetic loops on the one hand, between electromagnetic loops and vehicles on the other handand those between vehicle wheels and piezoelectric cable. On the basis of established models, a general approachis elaborated driving to sizing the hybrid sensor for any given road. We are also interested to the data processingcoming from the hybrid sensor for which we propose an approach to identifying the different vehicle categoriesincluding the 2PW. Two sensor configurations for two different roads are then proposed. They are associated atdata processing algorithms allowing the acquisition of loops and cables signals, the distinction between the differentvehicles classes, the estimation of the vehicles positions on the road and the measuring of their speed.

<p>The weight of a heavy duty vehicle plays an important role when dealing with different control systems. Examples of control units in a truck that need this parameter are the ones used to control the brakes, the engine and the gearbox. An accurate estimation of the weight leads not only to a more fuel efficient and safer transport, but also assures the driver that current law limits are not exceeded. The weight can be estimated with pretty good accuracy if the truck is equipped with air suspension. In trucks that lack this type of suspension other methods are used to estimate the weight. At present these methods are inaccurate. In this thesis a new method where the weight is to be estimated through frequency analysis of the truck's driveline is developed and evaluated.</p>

The weight of a heavy duty vehicle plays an important role when dealing with different control systems. Examples of control units in a truck that need this parameter are the ones used to control the brakes, the engine and the gearbox. An accurate estimation of the weight leads not only to a more fuel efficient and safer transport, but also assures the driver that current law limits are not exceeded. The weight can be estimated with pretty good accuracy if the truck is equipped with air suspension. In trucks that lack this type of suspension other methods are used to estimate the weight. At present these methods are inaccurate. In this thesis a new method where the weight is to be estimated through frequency analysis of the truck's driveline is developed and evaluated.