Progettazione e sviluppo di sistemi di controllo per circuiti di lubrificazione e raffreddamento intelligenti per motori a combustione interna

One of the most important objective that today automotive industry is trying to achieve is low fuel consumption. In order to reach this goal, the engine efficiency has to be increased from the point of view of both thermal and organic efficiency. In this text are investigated the possibilities to obtain consumption reduction working on modern cooling and lubricating systems, based on smart valves and pumps that are controlled via engine ECU. In automotive applications, about one third of the total energy provided by the combustion of the injected fuel is removed by the engine cooling system. This is done in order to avoid engine overheating that can damage internal components. The standard engine cooling system is designed so to assure engine safety also in the worst conditions: low vehicle speed, high-load operating points and high ambient temperatures. In this conditions, the cooling system has to remove high heat fluxes in order to avoid overheating. But the low vehicle speed causes a low heat exchange coefficient between the radiator and the ambient air. This leads to design cooling systems with large radiators, additional cooling fans and large coolant pumps. Another critical point in the standard cooling system is represented by the thermostatic valve. The thermostat sensitive element is a wax element sensitive to the temperature. This wax element has a time constant quite high (typically 30 – 60 seconds). So, in order to avoid overheating in fast transient, the start-to-open thermostat temperature is relatively low. When engine runs in partial load conditions, that is the most common functional condition, the cooling system effect is too large. This leads to cool down the engine too much, causing low engine efficiency and consequently high fuel consumption. Modern engine cooling systems include electrically controlled thermostat and pumps that are able not only to better control the engine temperature, but also to reduce frictions when cooling effect is not desired. These new “smart” components require improved control systems which are able to operate the engine at partial load at higher temperature, ensuring proper engine cooling at high load. Also the lubricating system is designed so to guarantee the lubricant flow rate for the worst conditions (high load, engine speed and lubricant temperature). So, when the engine runs in partial load conditions, the lubricating effect is more than required. This leads to consume fuel in order to guarantee lubricant flow rate also when not required. For these reasons new smart actuators have been developed (oil pumps and valves), that can be controlled through engine ECU. The control system used for this new actuators has to be able to ensure the lubricant flow rate required from the engine guarantying fuel consumption reduction.

Uno degli obiettivi che la moderna industria motoristica sta cercando di raggiungere consiste nella riduzione del consumo di combustibile. Per ottenere questo risultato è necessario innalzare i rendimenti termici ed organici del motore endotermico. In questa tesi sono analizzate le metodologie percorribili per ottenere riduzione di consumi lavorando sui moderni circuiti di lubrificazione e raffreddamento intelligenti, basati su pompe e valvole che possano essere gestite mediante la centralina di controllo del motore. Nelle applicazioni automobilistiche, circa un terzo dell’energia totale sviluppata dalla combustione del combustibile iniettato in camera di combustione, viene asportato dal circuito di raffreddamento. Ciò accade per evitare temperature eccessive che potrebbero danneggiare i componenti interni del motore. I sistemi di raffreddamento tradizionali sono dimensionati in maniera tale da assicurare al motore condizioni sicure anche nei momenti di utilizzo più gravoso (alta temperature ambiente, bassa velocità di avanzamento veicolo e alto carico richiesto al motore). In queste condizioni il circuito di raffreddamento deve asportare alti flussi di calore, ma con bassi coefficienti di scambio termico al radiatore. Questo risulta nella progettazione di circuiti dotati di radiatori con superfici grandi, ventole di raffreddamento e pompe di grande cilindrata. Un’altro punto critico per i sistemi di raffreddamento standard è costituito dalla valvola termostatica. L’elemento sensibile del termostato è costituito da un nucleo in cera la cui dimensione varia in funzione della temperatura del liquido di raffreddamento. Questo elemento è caratterizzato da una costante di tempo abbastanza alta (tipicamente 30 – 60 secondi), così per evitare picchi di temperatura durante i transitori veloci, la temperatura di inizio apertura del piatto del termostato è regolata ad un valore abbastanza basso. Quando il motore funziona a carichi parziali, condizione che costituisce la maggior parte del tempo di funzionamento di un motore, l’effetto di raffreddamento del circuito standard è troppo alto. Questo porta a raffreddare il motore eccessivamente, causando una bassa efficienza termodinamica del motore e conseguentemente un alto consumo di combustibile. I sistemi di raffreddamento dei motori moderni più evoluti comprendono componenti gestiti elettronicamente dalla centralina, quali termostati e pompe. Questi componenti sono in grado di regolare in maniera ottimale la temperatura di esercizio del motore, nonché di ridurre gli assorbimenti all’albero quando l’effetto di raffreddamento non è desiderato. Questi nuovi componenti “intelligenti” richiedono sistemi di controllo dedicati che siano in grado di garantire alte temperature di esercizio ai carichi parziali, assicurando comunque condizioni di funzionamento accettabili quando si richiedono alti carichi. Anche il sistema di lubrificazione è progettato per garantire le necessarie pressioni e portate di lubrificante per le condizioni di funzionamento più gravose (alti carichi, giri motore e temperature del lubrificante). In questa maniera, quando il motore funziona ai carichi parziali, l’effetto di lubrificazione è superiore a quello necessario. Questo causa un consumo di combustibile aggiuntivo per garantire la portata di lubrificante anche quando quest’ultima non viene richiesta. Per questa ragione, nuovi componenti “intelligenti” sono stati sviluppati (pompe olio e valvole) che possano essere controllate attraverso l’ECU del motore. Il sistema di controllo di cui necessitano questi nuovi attuatori deve essere in grado di garantire la portata di lubrificante richiesta dal motore, assicurando così riduzione di consumo del combustibile.