Pietsotoimisen ruiskutusventtiilin kehittäminen

Effective way to reduce emissions of an internal combustion engine is to improve burning process. Modern diesel motors use common rail systems to achieve low emissions. In a common rail system the fuel is pressurized in a single tube shaped tank and fed commonly to all fuel injection valves. A fuel injection valve doses the fuel to a cylinder in controlled operations. The research problem of this thesis was to develop a faster and more accurate fuel injection valve. The operational principle of the fuel injection valve was decided to be based on piezoelectric technology. The selection of piezoelectric actuators was motivated by the previous research carried out in this field. Piezo actuators have some important benefits compared to other actuators: they are faster and they have better precision. Solution to the research problem came up in a product development process which was done after literature and technology reviews. Product development process was initiated by analyzing the requirements for the injection valve and by creating function tables of these structures. Analyzing process created three function tables where the differences of actuator concepts are listed and those differences were examined by comparing the actuator concepts with each other. Comparison result showed that there is one structure module that can be taken out from injector structure without problems. Structure modules were evaluated and after that best solutions were used to create four working concepts. All of those concepts have a motion amplifier between the piezo actuator and the injector needle. The concepts developed in this thesis offer several advantages over traditional piezoelectric injection valves. Injection speed of the concept valves will rise, operation becomes more efficient, costs are reduced and operational lifetime will rise because the structure is simpler. The structure does not require so many leak channels because one module is reduced from the structure and the fuel is fed directly to the injector needle. The overall leakage is reduced which reduces emissions as well.Tehokas tapa polttomoottorin päästöjen vähentämiseksi on sen palamisprosessin parantaminen. Nykyaikaiset dieselpolttomoottorit käyttävät yhteispaineruiskutusjärjestelmää päästöjen vähentämiseksi. Yhteispaineruiskutusjärjestelmässä polttoaine paineistetaan ruiskutusventtiilin ulkopuolella ja syötetään yhtenäisellä putkella ruiskutusventtiileille. Ruiskutusventtiilien tehtävä on annostella oikea määrä polttoainetta moottorin sylinterikammioon. Tämän diplomityön tavoitteena oli nopeamman ja ajoitukseltaan tarkemman ruiskutusventtiilin kehittäminen. Ruiskutusventtiilin toimilaite oli rajattu ainoastaan pietsosähköiseen ilmiöön perustuvaksi. Tähän teknologiaan oli päädytty aikaisemmin suoritetun tutkimustyön perusteella. Pietsotoimisen käyttölaitteen etuja muihin käyttölaitteisiin nähden ovat nopeampi toiminta ja liikematkan tarkkuus. Ratkaisu tutkimusongelmaan syntyi kirjallisuusselvityksen pohjalta muodostetun tuotekehitysprosessin avulla. Tuotekehitysprosessi aloitettiin analysoimalla ruiskutusventtiilin toiminnan kannalta olennaisimmat asiat ja näistä luotiin toimintorakenteet. Analysointiprosessissa muodostui kolme erilaista toimintorakennetta, joiden erot ja ominaisuudet tarkasteltiin kattavasti vertailemalla niitä keskenään. Vertailun avulla päädyttiin karsimaan ruiskutusventtiilin rakenteesta ylimääräinen ohjausmoduuli pois, ja korvaamaan moduulin poiston luomat ongelmat vaihtoehtoisilla ratkaisuilla. Ratkaisut pisteytettiin, ja arvostelun avulla muodostettiin neljä toiminnan toteuttavaa konseptia. Syntyneissä konsepteissa käyttölaitteen lyhyt liikematka vahvistettiin liikkeenvahvistimilla. Tässä diplomityössä kehitetyt konseptit tarjoavat monia etuja perinteisiin pietsotoimisiin ruiskutusventtiileihin nähden. Ruiskutusventtiilin nopeus kasvaa ja toiminta tehostuu, tuotantokustannukset pienenevät sekä laitteen toiminnallinen käyttö pitenee, kun sen rakenne yksinkertaistuu. Valituissa rakenteissa vältytään kokonaan esiohjauksessa käytettävien pienten painekanavien käytöltä ja korkeapaineinen polttoaine voidaan ohjata suoraan suutinneulalle. Vuotoja esiintyy edelleenkin, mutta painetta käyttävien moduulien määrän vähentyessä kokonaisvuoto vähenee. Kokonaisvuodon väheneminen auttaa nostamaan ruiskutusventtiilin hyötysuhdetta, jonka seurauksena päästöt vähenevät