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A. Kies:
"A contribution to the analysis of fuel efficiency measures for heavy-duty vehicles";
Supervisor, Reviewer: S. Hausberger, B. Geringer; TU Graz-Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, 2017.

In this thesis a selection of efficiency measures to reduce the fuel consumption (FC) of
European heavy-duty vehicles (HDV) was analysed by simulation. Efficiency is motivated by saved fuel costs, by lower emissions of greenhouse gases (GHG) and by a reduced dependence on oil imports. The analysis of the efficiency measures was done by the simulation of longitudinal vehicle dynamics with the program VECTO, which is mandatory from 2019 for the C02 certification of new European trucks. The inputs are characteristic parameters to describe the power consumption of every relevant vehicle component, which are explained in the theory chapter. Amongst others the parameters for rolling resistance, air drag, masses and inertias, drivetrain friction, auxiliary power and engine performance are input values to simulate FC and GHG on standardised driving cycles. New models were created to calculate the power demand of the cooling fan and the saving potential of regenerative braking with auxiliaries. F or the compressor of the pneumatic system an existing model was further elaborated. Gas engines were considered by changing the engine performance map. To depict further alternative powertrains like diesel-electrical parallel and serial hybrids plus battery-electrical vehicles, new models were created, and for parallel hybrid buses an existing model was revised. An extensive effort was spent to collect and sort measurement values for the FC and energy consumption (EC) of many vehicle variations, to check the simulations of single efficiency measures and alternative powertrains for plausibility. The saving measures were analysed separately, and bundled to packages and simulated for all
powertrain concepts. The reduction potentials for the EC and GHG were elaborated for future HDV in the mid-2020ies, the results are shown in Figure 1.

Figure 1.Results for different propulsion systems with bundled saving measures.
FC HDV models "basis ", average payload, in L-Diesel/100km: TT 27.8, DT 19.0, RB 41.0 Change in% of EC tank-to-wheel and of GHG well-to-wheel towards the HDV models of technical level basis, year 2014. GHG labelled separately, if not diesel fuel. LNG: Liquefied natural gas.
CNG: Compressed natural gas. Battery-electrical: EC including 10% charging losses grid to battery.
GHG factor electricity 0.34 kg-C02e/kWhe el, grid ENTSO-E continental Europe 2014.

Thus with the selected and bundled efficiency measures the energy consumption and GHG emissions from driving can be reduced by ca. 21 to ca. 76 %, depending on application and powertrain. The highest reduction is possible with battery-electrical vehicles. But also HDV with conventional diesel powertrains still offer significant reduction potentials, and can be combined with GHG-reduced fuels from partly regenerative sources.

In dieser Arbeit wurde eine Auswahl von Sparmaßnahmen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs (KV) von europäischen Nutzfahrzeugen (Nfz) mittels Simulation untersucht. Die Motivation für Sparmaßnahmen ist verringerte Kraftstoffkosten, niedrigere Treibhausgasemission (THG) und eine geringere Abhängigkeit von Ölimporten.
Die Untersuchung der Sparmaßnahmen wurde durch Simulation der Fahrzeug-Längsdynamik mit dem Programm VECTO durchgeführt, welches ab 2019 für die C02-Zertifizierung neuer europäischer Lastkraftwagen vorgeschrieben ist. Die Eingabegrössen sind Kennwerte, welche den Leistungsbedarf jeder relevanten Fahrzeugkomponente angeben und im Theorieteil beschrieben werden. Die Eingabedaten bestehen unter anderem aus den Kennwerten für den Rollwiderstand, den Luftwiderstand, die Massen und Massenträgheitsmomente, die Antriebstrangreibung, den Leistungsbedarf der Nebenverbraucher und für die Motorleistung.
Neue Modelle wurden erstellt, um den Leistungsbedarf des Lüfters und das Einsparpotential der Nutzbremsung mit Nebenverbrauchern zu berechnen. Für den Kompressor des Druckluftsystems wurde eine bestehendes Modell weiter ausgearbeitet. Gasmotoren wurden durch den Austausch des Verbrauchskennfeldes simuliert. Um weitere alternative Antriebssysteme wie diesel-elektrische parallele und serielle Hybride sowie batterie-elektrische Fahrzeuge darzustellen, wurden neue Modell erstellt, oder für parallele Hybridbusse ein bestehendes Modell überarbeitet.
Ein beträchtlicher Aufwand wurde betrieben, um Messwerte für KV und Energieverbrauch(EV) von vielen Fahrzeugvariationen zu sammeln und zu sortieren, um die Simulationen der einzelnen Sparmaßnahmen und alternativen Antriebsysteme zu plausibilisieren.
Die Maßnahmen wurden getrennt analysiert sowie zu Paketen gebündelt und für alle Antriebssysteme simuliert. Die Reduktionspotentiale für EV und THG wurden für zukünftige Nfz für Mitte der 2020er Jahre erarbeitet. die Ergebnisse werden in Figur2 gezeigt.
Figure 2 Ergebnisse für verschiedene Antriebssysteme mit gebündelten Sparmaßnahmen.
KV Nfz Modelle "basis", durchschnittliche Zuladung, in L-Diesel/100km: SZ 27.8, VL 19.0, NB 41.0
Änderung in % von EV Tank-zu-Rad und THG Quelle-zu-Rad zu Nfz Modellen auf technischem Niveau "basis ", Jahr 2014.THG separat eingetragen, falls kein Dieselkraftstoff. LNG: Liquefied natural gas.
CNG: Compressed natural gas. Batterie-elektrisch: EV inkl. 10% Ladeverluste Netz zu Batterie.
THG Faktor Strom 0.34kg-C02el/kWh el, Netz ENTSO-E Kontinentaleuropa 2014.

Mit den ausgewählten und gebündelten Sparmaßnahmen können Energieverbrauch und THG-Emissionen für den Fahrbetrieb um ca. 21 bis ca. 76% reduziert werden, abhängig von Anwendungsfall und Antriebssystem. Die höchste Reduzierung ist mit batterie-elektrischen Fahrzeugen möglich.
Aber auch Nfz mit konventionellen Diesel-Antriebssystemen bieten weiterhin beträchtliche Einsparpotentiale, und können mit THG-reduziertem Kraftstoff aus teilweise regenerativen Quellen kombiniert werden.