Master's Thesis

Development of an electrohydraulic oil thermostat

Author of thesis: Bc. Jakub Salaj

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Appel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ivo Řehák

Abstract:

This thesis addresses the development of an electrohydraulic oil thermostat prototype for internal combustion engines used in heavy-duty trucks. The work builds on a patented concept of Mann+Hummel and is based on a non-functional prototype received from the company. Its objective is to identify the prototype's shortcomings, to propose and verify their elimination, to experimentally characterize the hydraulic behaviour of the component and to design a thermostat control algorithm.

A set of experiments was designed, a non-contact piston position sensing method based on Hall-effect sensors was implemented and a data acquisition and control software was developed in the LabVIEW environment. Experimental identification of the original prototype revealed two major shortcomings: an unacceptably high pressure drop and an unsuitable control valve. CFD analysis localized the cause of the pressure drop to the thermostat outlet ports, whose dimensions were modified based on a sensitivity study, and a new solenoid valve was implemented. Repeated identification of the new prototype demonstrated an order-of-magnitude reduction in pressure drop. A thermal dynamic model of the oil circuit was assembled in MATLAB Simscape in order to determine optimal switching parameters. Two control algorithms were designed and successfully validated under laboratory conditions: a thermostatic controller with hysteresis and a feedforward PWM piston position controller.

The component is thereby brought to a state -- thanks to the improvements made, supported by experimental identification of the new hydraulic parameters and supplemented by validated control algorithms the component in which it is ready for implementation in new generations of oil modules for truck engines.

Keywords:

electrohydraulic thermostat; engine oil circuit; experimental system identification; CFD analysis; Hall-effect sensors; LabVIEW; feedforward control

Date of defence

18.06.2026

Date of publish

17.06.2031

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Vysvětlete funkčnost zařízení Jakou regulaci používáte? Co je na zařízení patentované? Podle čeho jste volil řídicí ventil? Obhajoba byla komisí hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (N-MET-P)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Appel, Ph.D.

Diplomová práce studenta Jakuba Salaje se věnuje vývoji prototypu elektrohydraulického olejového termostatu pro spalovací motory nákladních vozidel. Práce vychází z patentovaného konceptu a převzatého nefunkčního prototypu společnosti Mann+Hummel. Téma má jasný průmyslový přesah a nejde pouze o akademické cvičení, ale o reálný vývoj komponenty.

Velmi kladně hodnotím rozsah a technickou úroveň práce. Student navrhl experimentální identifikaci systému, vytvořil metodu bezkontaktního snímání polohy pístku pomocí Hallových senzorů a vyvinul měřicí a řídicí program v prostředí LabVIEW. Na původním prototypu identifikoval zásadní problémy, zejména vysokou tlakovou ztrátu a nevhodný řídicí ventil.

Za hlavní přínos považuji propojení experimentů, CFD analýzy a následné konstrukční úpravy prototypu. Úpravou odtokových kanálů a výměnou ventilu se podařilo dosáhnout přibližně řádového snížení tlakové ztráty. Práce dále obsahuje model tepelné dynamiky v MATLAB Simscape a laboratorní validaci dvou řídicích algoritmů. Oceňuji také nadprůměrnou grafickou podobu práce, přehledné grafy a velmi dobrou dokumentaci výsledků.

K práci mám pouze dílčí výhrady. Validace řídicích algoritmů proběhla v laboratorních podmínkách, nikoliv přímo v reálném motorovém olejovém okruhu. Obě strategie jsou zatím realizovány v otevřené smyčce a pro sériovou aplikaci bude nutné doplnit zpětnovazební řízení. Tyto limity jsou ale pro danou fázi vývoje přirozené a student je v práci korektně pojmenovává.

Celkově hodnotím práci jako velmi kvalitní diplomovou práci s výrazným praktickým přínosem. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ivo Řehák

Diplomová práce se zabývá návrhem a ověřením elektrohydraulického termostatu pro řízení teploty oleje ve spalovacím motoru. V úvodu práce jsou srozumitelně a správně popsány důvody, které vedou k vývoji daného konceptu, včetně jeho zamýšleného využití. Kapitoly 1 a 2 přehledně shrnují požadavky na řízení teploty motorového oleje a detailně vysvětlují souvislosti mezi teplotou, viskozitou oleje a požadavky na mazací film. Autor zde prokazuje velmi dobré pochopení problematiky, včetně správného vymezení optimálního teplotního rozsahu a jeho vlivu na provoz spalovacího motoru.

V rešeršní části je většina principů řízení teploty popsána správně a přehledně, včetně jejich výhod a nevýhod. Určitým nedostatkem je absence explicitního popisu principu tlakového ventilu pro řízení teploty na základě změny viskozity, přičemž obrázek 2.9 (první varianta) tomuto principu odpovídá. Přes tuto dílčí výhradu je rešerše zpracována kvalitně a poskytuje dobrý teoretický základ. Pozitivně hodnotím také rozbor možností matematického modelování systému včetně uvedení omezení jednotlivých přístupů a kritického posouzení strategií řízení ve vztahu k produktovému portfoliu společnosti.

Kapitola 3 logicky navazuje na teoretickou část a správně popisuje princip proporcionálního ventilu. Oceňuji zejména systematický postup návrhu experimentů, který umožnil získat relevantní data pro korelaci mezi reálným měřením a simulačním modelem. V praktické části práce autor identifikoval klíčové nedostatky původního prototypu a prokázal dobré pochopení požadavků na funkci systému.

Velmi pozitivně hodnotím návrh bezkontaktního snímání polohy pístku, které minimalizuje vliv vnějších faktorů na měření a zvyšuje kvalitu získaných dat. Experimentální ověření funkčnosti v dostupném rozsahu teplot a tlaků prokázalo funkčnost konceptu, přičemž dosažené reakční doby lze považovat za dostatečné. Přínosná je i úvaha o rozdílech v dynamice při otevírání a zavírání ventilu.

Za důležitý výstup považuji návrh optimalizací prototypu, které jsou nezbytné pro další vývoj a ověřování v reálných provozních podmínkách. Zásadním zjištěním je také identifikace omezení dostupných PWM ventilů na trhu a potřeba jejich dalšího vývoje. Nad rámec zadání oceňuji vytvoření simulačního modelu olejového okruhu, který má potenciál sloužit jako základ pro další porovnávání různých koncepcí termostatů.

Celkově je práce technicky na velmi dobré úrovni, je srozumitelná a vhodně kombinuje teoretické poznatky, matematické modelování i experimentální ověřování. Autor prokázal schopnost analyzovat problém, navrhnout řešení a kriticky zhodnotit jeho vlastnosti.

Diplomovou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jaký je názor autora na využitelnost systému v reálném provozu spalovacího motoru?
  2. Proč prozatím nejsou podobné systémy termálního managementu motorů využívané v praxi?

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová