This thesis presents a simulation-driven study on the optimization of a High-Pressure Direct Injection Argon-Hydrogen internal combustion engine operating in a closed-loop configuration. The objective is to explore the potential of hydrogen as a carbon-free fuel, combined with argon as a thermodynamically advantageous inert working fluid. A detailed 1D model is developed in GT-POWER, starting from a conventional six-cylinder diesel engine architecture and progressively modified to implement turbocharging, charge-air cooling, and turbo-matching strategies. The work begins with baseline simulations to assess convergence behavior and the inherent efficiency of the closed-loop base architecture. A fixed-geometry turbocharger is then introduced to recover exhaust energy, revealing the need for improved thermal management due to increased intake temperatures. A charge-air cooler is subsequently added, successfully restoring thermal stability and improving Brake Thermal Efficiency. Parametric studies on argon content, initial pressure, and air-fuel equivalence ratio (λ) demonstrate that argon dilution and system pressure are critical to achieving optimal efficiency. Finally, a compressor and turbine matching analysis is carried out by tuning mass and efficiency multipliers, resulting in a peak BTE of 57% and a reduction in Brake Specific Fuel Consumption by 2%. The final model confirms that turbo-matching is essential to unlock the full potential of a closed-loop hydrogen ICE. From an environmental standpoint, the proposed system eliminates carbon emissions, making it a promising solution for the future of sustainable heavy-duty transportation. Future work will involve extending this model with variable geometry and electric turbochargers and conducting real engine validation in test cells, as a means to implement it in commercial vehicles.

Denna avhandling presenterar en simuleringsdriven studie av optimeringen av en högtrycks direktinsprutad argon-vätgas-förbränningsmotor som arbetar i en sluten krets. Syftet är att undersöka potentialen hos vätgas som ett koldioxidfritt bränsle, i kombination med argon som ett termodynamiskt fördelaktigt inert arbetsmedium. En detaljerad endimensionell modell utvecklas i GT-POWER, med utgångspunkt i en konventionell sexcylindrig dieselmotorkonfiguration som gradvis modifieras för att implementera turboladdning, laddluftkylning och strategi för turbo- matchning. Arbetet inleds med bassimuleringar för att bedöma konvergensbeteende och den inneboende effektiviteten hos den slutna basarkitekturen. En turboladdare med fast geometri introduceras därefter för att återvinna avgaser, vilket avslöjar behovet av förbättrad värmehantering på grund av ökade insugstemperaturer. En laddluftkylare läggs till i nästa steg, vilket framgångsrikt återställer termisk stabilitet och förbättrar bromsad termisk verkningsgrad. Parametriska studier av argonhalt, initialtryck och luft-bränsle-ekvivalensförhållande (λ ) visar att argonutspädning och systemtryck är avgörande för att uppnå optimal verkningsgrad. Slutligen genomförs en turbomatchningsanalys för kompressor och turbin genom justering av mass- och verkningsgradsfaktorer, vilket resulterar i ett verkningsgradsmaximum på 57% och en minskning av den specifika bränsleförbrukningen med 2%. Den slutliga modellen bekräftar att turbomatchning är avgörande för att frigöra hela potentialen hos en vätgasdriven förbränningsmotor i sluten cykel. Ur ett miljöperspektiv eliminerar det föreslagna systemet koldioxidutsläpp, vilket gör det till en lovande lösning för framtidens hållbara tunga transporter. Framtida arbete kommer att innebära att modellen utökas med variabel geometri och elektriska turboladdare samt att verkliga motortester genomförs i provceller, inför en möjlig implementering i kommersiella fordon.