Simulation study of a high speed on/off valve

Abstract

Controlling a fuel injector’s behaviour in a medium-speed combustion engine can be effectively achieved by using a high-speed on/off valve to regulate the pressure that controls the injector’s needle movement. The valve’s rapid response and excellent repeatability are crucial for precise fuel injection, which in turn influences combustion and engine’s emissions. A literature review was conducted to explore various control strategies and structural modifications that impact the opening and closing dynamics of valves. The most common way to improve the opening and closing dynamics is utilizing multiple voltage levels during different phases of the valve operation. Notably, there is limited research on external high-speed valves used for fuel injector control, as the majority of studies focus on solenoid-controlled fuel injectors. This thesis includes the development of a highly detailed one-dimensional simulation model of an electronic rail valve, built with GT-Suite software. The model’s accuracy was verified by comparing the simulation results with empirical data. The GT-Suite’s Integrated Design Optimizer was employed to optimize the discharge coefficients of the valve’s control edges, utilizing measured flow rates at various pressure differences as the optimization targets. Sensitivity analysis was performed to assess the influence of valve parameter variations on the fuel injector’s needle behaviour. Parameters with a significant impact were identified, including the spring’s preload, inner and outer diameters of the flow path past the armature, and the diameters of lower poppet hole and upper poppet. It was observed that the changes affecting the valve’s flow area or the forces applied on the spool surfaces were most influential on needle movement, while other parameter modifications had negligible effects. To benchmark the electronic rail valve, a simplified valve model was used to evaluate four commercial high-speed valves. Moog G761-/761 and Parker D1FP valves showed promising results with similar needle movement and injected fuel quantity, whereas the other two valves did not meet the required opening and closing dynamics to maintain the required performance of the fuel injector.

Keskinopean polttomoottorin ruiskutusventtiiliä voidaan tehokkaasti ohjata nopealla on/off-venttiilillä. Venttiiliä käytetään ohjaamaan ohjauskammion painetta, joka vastaa ruiskutusventtiilin neulan liikkeestä. Koska käytetyn on/off-venttiilin toiminta vaikuttaa muun muassa ruiskutuksen pituuteen, ajoitukseen sekä ruiskutettuun polttoainemäärään, venttiililtä vaaditaan nopeaa vasteaikaa ja erinomaista toistettavuutta mahdollisimman tarkan ruiskutuksen toteuttamiseksi. Tietoa erilaisista ohjausstrategioista ja rakenteellisista muutoksista, jotka vaikuttavat venttiilien avautumisen ja sulkeutumisen dynamiikkaan, kerättiin kirjallisuuskatsauksen avulla. Yleisin tapa dynamiikan parantamiseen on usean eri jännitetason hyödyntäminen venttiilin toiminnan eri vaiheissa. Näiden eri tasojen avulla pystytään parantamaan sekä avautumis- ja sulkeutumisaikoja että -viiveitä. Kirjallisuudesta ei juurikaan löydy tapauksia, joissa mallinnetaan tai tutkitaan nopeaa on/off-venttiiliä, jota käytetään ruiskutusventtiilin ohjaamiseen. Tämä johtuu pitkälti siitä, että useimmat aiemmin tehdyt tutkimukset keskittyvät solenoidiohjattuihin ruiskutusventtiileihin. Sähköisen ohjausventtiilin (myöhemmin ERV) simulointia varten tehtiin yksiulotteinen malli GT-Suite-ohjelman avulla. Simulointimallin verifioimisessa hyödynnettiin tehtyjen mittausten tuloksia ja GT-Suite:n Integrated Design Optimizer -työkalua hyödynnettiin ylä- ja alaohjausreunojen purkauskertoimien optimoinnissa. Optimointityökalun tavoitteina käytettiin mitattuja tilavuusvirta-arvoja ohjausreunojen yli eri paine-eroilla. Simulointimallin avulla suoritetun herkkyysanalyysin perusteella saatiin parempi käsitys siitä, miten ERV:n parametrien muutokset vaikuttavat ruiskutusventtiilin neulan käyttäytymiseen. Parametrit, joiden muutokset aiheuttivat merkittävän muutoksen sisältävät jousen esijännityksen, ankkurin ohi kulkevan virtauspinta-alan sisä- ja ulkohalkaisijat, sekä alemman istukan reiän ja ylemmän istukan halkaisijat. Neulan liikeeseen vaikuttavat parametrimuutokset muuttivat joko venttiilin ohjausreunojen virtauspinta-aloja tai venttiilin karaan kohdistuvia voimia. Muiden parametrien muutoksilla ei ollut merkittävää vaikutusta venttiilin tai neulan liikkeeseen. Neljää markkinoilta löytyvää nopeaa venttiiliä verrattiin tämän työn simuloituun venttiiliin yksinkertaisen simulointimallin avulla. Verratuista venttiileistä Moog G761/-761 ja Parker D1FP osoittivat lupaavia tuloksia, jolloin niitä voisi harkita korvaamaan nykyisen ERV:n. Kaksi muuta simuloitua venttiiliä olivat vasteajoiltaan liian hitaita ylläpitämään ruiskutusventtiilin vaadittua suorituskykyä.