Model-Based Predictive Safety Logic for an Electro-Hydraulic Valve Actuator

Abstract

The electro-hydraulic valve actuator (EHVA) enables flexible and fully variable control of intake and exhaust valve lift profiles in internal combustion engines. While this flexibility offers significant benefits for research applications, such as improved efficiency and convenient adaptability to alternative fuels, it also introduces safety-critical risks. In particular, the lack of mechanical synchronization between the piston and the valves creates the possibility of piston–valve collisions, which can result in severe engine damage.

The objective of this thesis was to design and evaluate a safety logic capable of preventing such collisions in a single-cylinder research engine equipped with an EHVA system. The proposed solution is based on a model-based predictive approach. First, a dynamic model of the EHVA system was identified using a first-order model with integration (FOI) model. A simplified predictor model was then derived to estimate future valve motion under an assumed safety reaction. The safety logic utilizes real-time measurements of valve positions, control signal, and crank angle to predict future valve and piston trajectories over a defined horizon. If a potential violation of a predefined safe zone is detected, the safety logic initiates a control signal pull-down to close the valve.

The performance of the safety logic was evaluated through simulation in a Simulink test environment. Test cases included advanced intake and delayed exhaust valve lift profiles at both low and high engine speeds, as well as nominal operation. The results demonstrate that the predictive safety logic is capable of detecting hazardous situations and preventing collisions across the investigated operating range. The system was able to intervene sufficiently early even under high-speed conditions with limited reaction time, while maintaining normal operation without unnecessary interventions.

Although the results are based on simulation, the study shows that model-based prediction is a viable approach for ensuring safety in the EHVA system. Further work is required to validate the method experimentally and to refine model accuracy under real operating conditions.

Sähköhydraulinen venttiiliohjaus (EHVA) mahdollistaa imu- ja pakoventtiilien nostoprofiilien joustavan ja täysin vapaasti säädettävän ohjauksen polttomoottoreissa. Tämä tuo merkittäviä etuja erityisesti tutkimuskäytössä, jossa moottorin mukauttaminen esimerkiksi hyötysuhdetutkimuksiin tai vaihtoehtoisiin polttoaineisiin on luontevaa. Samalla järjestelmästä kuitenkin puuttuu venttiilien ja männän mekaaninen synkronointi, mikä mahdollistaa niiden väliset törmäykset ja joka voi johtaa vakavaan moottorivaurioon.

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja testata turvalogiikka, joka estää kyseiset törmäystilanteet yksisylinterisessä tutkimusmoottorissa, jossa EHVA-järjestelmä on käytössä. Työssä kehitettiin mallipohjainen ennustava turvalogiikka venttiilien säädön tarkkailemiseksi. EHVA-järjestelmä mallinnettiin käyttäen ensimmäisen kertaluvun mallin ja integraattorin sarjaankytkentää (FOI). Tämän pohjalta muodostettiin yksinkertaistettu ennustemalli, jolla voidaan ennustaa venttiilin liikettä turvatoiminnon aikana. Turvalogiikka hyödyntää reaaliaikaisia mittauksia venttiilien asennoista, ohjaussignaalista sekä kampiakselin kulmasta ennustaakseen venttiilin ja männän tulevat liikeradat. Mikäli ennusteessa havaitaan turva-rajan ylitys, turvalogiikka laukaisee ohjaussignaalin alasvedon, joka palauttaa venttiilin turvalliseen asentoon.

Turvalogiikan toimintaa arvioitiin Simulink-ympäristössä suoritetuilla simulaatiotesteillä. Testit kattoivat aikaistettuja imuventtiilin nostoprofiileja, viivästettyjä pakoventtiilin nostoprofiileja ja normaalin käytön tilanteita niin matalilla kuin korkeillakin moottorin pyörimisnopeuksilla. Tulokset osoittavat, että ennustava turvalogiikka kykenee havaitsemaan vaaratilanteet ja estämään törmäykset tarkastellulla käyttöalueella. Järjestelmä reagoi riittävän ajoissa myös suurilla pyörimisnopeuksilla rajoitetusta reagointiajasta huolimatta, eikä aiheuta tarpeettomia häiriöitä normaalissa toiminnassa.

Tulokset perustuvat simulaatioihin, joten menetelmän toimivuus tulee vielä varmistaa kokeellisesti. Työ osoittaa kuitenkin mallipohjaisen ennustamisen soveltuvuuden EHVA-järjestelmien turvallisuuden varmistamiseen.