Introduction to Experimental study of spray generated by a new type of injector with rotary swinging needle

Numerous papers have  indicated that  the present standard systems of injecting  fuel directly into  the  combustion chamber, in the  most  economical, direct-injection diesel  engines, have reached the limits of development. In order to maintain the emission of toxic components of exhaust gases within the ranges defined by both EURO V and projected EURO VI standards, various modifications to the combustion system will be necessary. It is known that  injection through a conventional multi-hole nozzle,  in combination with  induced swirl  in the  air in the chamber, does  not ensure that  particulates and  oxides  of nitrogen are not formed. These toxic  components are  among the  most  difficult  to subsequently remove from  the  exhaust gases  (Hiroyasu & Arai, 1990; Peake,  1997; Kuszewski & Lejda, 2009). Effective limitation of NOX  and  PM emission can be achieved by providing proper macro  structure parameters of the  spray.  First  of all, it is very  important to distribute fuel  effectively in the  combustion chamber, considering the  rotary motion of the  air  and  the  spray  shape  (Beck et al., 1988; Dürnholz & Krüger, 1997; Kollmann & Bargende, 1997). Next,  a larger  range  of the  spray front  and  apex  angle  of spray  is needed (Kollmann & Bargende, 1997; Kuszewski & Lejda,

2009). Moreover, it is important to know  the distribution of fuel in the spray,  because then  it is  possible to  select  the  correct  rotary motion of  the  charge   in  the  cylinder, which   will guarantee as  effective  a  mix  of  the  air  and   the  fuel  as  is  possible. A  fuel  spray   with a different macro  structure might  have  an important effect on these  processes; however it is necessary  to  use  a  different  type   of  injector,   a  new   type   of  construction  and   modus operandum (Varde  and  Popa,  1983; Kuszewski, 2002). The design for such  a device  forms the  subject  of this  paper (Metz  & Seika,  1998; Szlachta  & Kuszewski, 2002; Szymański & Zabłocki,  1992). The special  feature of the spray  nozzle  of this injector is the variability of the fuel-spraying holes  during injection.  The  variability of the  cross-sections of these  holes  is achieved by  the  rotary swinging movement of  the  needle (RSN  injector).  The  results of investigations described below  show  that  a  spray   generated by  this  injector  design has macro-structural parameters that differ from those of a standard traditional injector.

The construction and principle of operation of an injector with rotary swinging needle movement

The construction of an injector  with  a rotary swinging needle movement is shown in Fig. 1. Fuel  is supplied through a high-pressure tube  to the  upper part  of the  injector  body.  The fuel pressure acts on the  working area  ‘b’ of a piston, 7, joined  by a pin,  13, to an injector needle driver, 14. This  causes  the  driver to rotate  simultaneously with  the  rotation of the needle, 17, which  is joined to the driver.

movement-causes  a  misalignment  of  the  spray   and   the  outlet   holes,   so  that   they   are momentarily occluded, resulting in a non-circular area of flow (Fig. 3). This area increases in proportion to the increasing angle of needle rotation. It should be mentioned that during the initial  phase  (low rotary angle),  the needle has a ‘dead’ movement, which  prevents increase of the flow area.  The rotation of the needle in one direction continues so long as the axes of the spraying and  outlet  holes  overlap. In this  position, the piston of the driver rests  on the end  stop,  3, which  acts  as a regulatory element, limiting needle movement. The release  of fuel  causes  a decrease in fuel  pressure, which  causes  the  spring, 6, to move  the  piston, 7 (moving  in  the   servo,   2),  screwed  into   the   injector   body,   until   it  reaches   a  position corresponding to the  closure  of the  injector.  During this  movement the  flow  area  from  the injector  decreases to  zero.  The  unique feature which  distinguishes the  new  construction from  the  standard construction is that  fuel  flows  out  through a non-circular area,  quasi- lenticular in shape,  during the beginning and  end  phases of injection.  During injection,  fuel is throttled only in this non-circular area.

Method of investigations

The parameters of the macrostructure of the stream of sprayed fuel were  determined on the basis  of measurements carried out  using  specially constructed equipment, which  enabled both  the  direct  observation of the  development of the  spray  during the  fuel  injection  to a chamber of fixed  volume (Metz  & Seika, 1998; Szlachta  & Kuszewski, 2002; Szymański & Zabłocki,  1992) and  the  measurement of the  fuel distribution within the  spray  of droplets. The scheme  of test stand for visual  studies is shown in Fig. 4.

Fig. 4. Scheme of test stand for visual  studies, 1: test bench  Hansmann EFH 5008; 2: injection pump P56-01; 3: position and  rotational speed sensor  of pump shaft  AVL; 4: synchronizing plates;   5:  charge   amplifiers  AVL  3056;  6:  tensometric  bridge;   7:  computer  with   data acquisition device  for high-speed courses recording AVL Indimeter 617; 8: signals  decoder;

9: feeder;  10: manometer; 11: visualization chamber of constant volume; 12: lights; 13: driver of high-speed camera;  14: high-speed camera;  15: pressure regulator with  manometers; 16: nitrogen cylinder; 17: auxiliary injector; 18: switching valve; 19: piezoquartz pressure sensor AVL 5QP6002; 20: inductive position sensor  of injector  piston (or needle);  21: tested injector;

22: release  valve

The essential elements of test stand were:  visualization chamber of constant volume, where a fuel was injected  by using  tested injector,  21, test bench  ,1, injection  pump, 2, for pumping the fuel to injector,  the high-speed camera, 14, with  driver, 13, and  the computer with  data

LCacquisition devices  for  high-speed courses recording 7. Inside  the  chamber to  which  fuel was injected,  there  was fixed backpressure verified with  manometer, 10. For safety  reasons, gas  filling  the  chamber was  nitrogen, passed from  the  cylinder 16.  The  fuel  for  tested injector,  21, was  supplied from  the  injection  pump, 2, driven by  an  electric  motor  of test bench,  1. Switching valve,  18, referred fuel from injection  pump to the tested injector,  21, (at the time  of visualization test of stream development) or to the auxiliary injector,  17, (in the intervals between fundamental tests).  To record of fuel stream images,  it was  necessary to synchronize  the  work   of  high-speed  camera,  14,  the  test  bench,   1,  the  lights,   12,  and switching valve,  18. It was  obtained using  a special  camera driver, 13, co-operating with synchronizing plates,  4, fixed  to  the  driving shaft  of the  test  bench  engine.  Additionally, during work  of the high-speed camera, using  piezoquartz pressure sensor,  19, the values  of pressure before the injector were recorded. Furthermore, using  inductive position sensor,  20, it was recorded displacement of injector  needle (or a piston in the injector  of new  type)  and using  an  optical  rotation speed sensor,  3, – it was  recorded rotational speed of injection pump camshaft. The  record of these  parameters was  possible thanks to  the  computer, 7, with  a special  data  acquisition device.  The stream images  were  recorded at a speed of 5000 fps.  The  successive  images   of  a  developing fuel  stream were   recorded every   0.0002  s (0.2 ms). Next,  the  films  of width 16 mm  were  scanning and  digital images  were  analyzed using  a computer.

The visual  studies enabled the  following to be analysed: the  range  of the  spray  front  – LC, the   apex   angle   of  the   spray  –  ΘS,  and   the   area   of  the   spray   projection  in  a  plane perpendicular  to  the  injector   axis  –  AS.  The  last  criterion  of  the  spray   macrostructure estimation was introduced because of the irregular shape  of the spray  generated by the RSN injector.  The method of determination of the values  of the analysed parameters of the spray of injected  fuel  is depicted in  Fig. 5. A standard injector  with  a D1LMK  140/M2 pattern sprayer, and  the new RSN injector  were  compared. Both sprayers had  three  outlet  holes, the diameter of the holes in the standard injector body  and the RSN type being equal

Fig. 6. Pictures of fuel spray  propagation obtained at use three-hole spray  nozzle  with  rotary

swinging needle movement and  standard (po  = 170 bar,  pb  = 20 bar,  q = 130 mm3/injection, np  = 600 rpm,  fuel: DF, 70% RO + 30% DF, RO), dk: outlet  hole diameter in the spray  nozzle body; di: outlet  hole diameter in the needle; ν: kinematic viscosity;  DF: diesel fuel; RO: rape oil

In Fig. 6 the pictures of fuel spray  propagation obtained at use three-hole spray  nozzle  with rotary swinging needle movement and  standard are shown. From the figure  6 it is clear that the spray  generated by injector  with   rotary swinging movement of the needle is developing in  a  different way  than  in  the  standard nozzle.   It  causes  differences in  values   of  used parameters to assess  the macrostructure of fuel spray.  In particular it is clear, that  the spray forming by injector  with  a rotary swinging needle movement is irregular in shape,  and  its area  (area  of the  spray  projection  in  a plane  perpendicular to  the  injector  axis),  the  apex angle  of the  spray  and  the  front  range  are  usually significantly higher compared to  the classical  sprayer. Particularly noteworthy are  the  results presented in Figure  6 concerning rape  oil, which  is characterized by a high  value  of kinematic viscosity (ν = 72.5 mm2/s). As we  can  see, the  area  occupied by rape  oil spray  from  the  RSN needle movement is much larger  than  achieved for classical sprayer.

The range  of the spray front

In both injectors  the following values  were  set, being the same for each type: line pressure at the opening of the sprayer po  = 170 bar, fuel dose q = 130 mm3/injection and  rotary velocity of the camshaft of the injection  pump np  = 600 rpm.  Fuels of different viscosity (Diesel Fuel (DF),  Rape   Oil  (RO),  and   70/30  RO/DF  mixture), were   injected   into   the  observation chamber, which   was  filled  with  nitrogen at  pressures of  15, 20, and  25 bar.  During  all investigations of the range  of the spray  front,  the apex  angle  and  surface  area  of the spray, a time  scale of 0–1.4 ms was  chosen.  Beyond  this  range,  for some  injection  parameters, the spray  front  reached the walls  of the observation chamber. The range  of the  spray  front  for DF, formed by  the  RSN sprayer under various values  of the  background pressure in  the observation chamber, is presented in Fig. 7. For RSN injector,  it can be seen that  an increase of nitrogen pressure in the observation chamber caused – as was  expected – a reduction in the  range  of the  spray  front.  This  phenomenon is characteristic of standard sprayers, and may  be ascribed to the effect of the aerodynamic resistance on droplets of variable size. An increase  in  the  background  pressure  (gas  density),  causes   an  increase  in  aerodynamic resistance, and  reduced dynamic pressure of  the  gas  into  which   the  injection   is  made, creating adverse conditions for the  disintegration of secondary droplets. Therefore, larger droplets with  greater penetrative  capability are  formed  (obviously a  larger   droplet has greater kinetic energy and  will therefore travel  further).

Radial distribution of fuel in spray drops generated by standard and RSN injectors

Investigations of fuel distribution were  carried out using  both  injectors  in a spray  of droplets, at  a  constant injection  pump speed of  np   =  600 rpm.  The  fuel  dose  was  adjusted to  130 mm3/injection and  the line pressure at the injector  was po  = 170 bar. Fuel was injected  into  a background atmospheric of pb  = 1 bar; the fuel level Hp  in the measuring vessels was read after each 1000-cycle period. The radial distribution of fuel in a spray  was measured by directing the sprayed fuel into a series of standing measuring vessels. The inlet openings of the vessels were perpendicular to the axis of the spraying hole. Fuel distribution in a spray  was investigated by placing the inlets  of the measuring vessels  at several  distances from the edge  of the inlet hole of the sprayer body  – Sr. These were:  75, 150 and  210 mm.  In addition, for each distance, the series of vessels was rotated by 45 deg, which  enabled determination of the fuel distribution in four  planes, mutually inclined at angles  of 45 deg.  Fig. 17 and  18 have  the following legend:

‘Position 90 deg’, denoting the axis ‘–x + x’ and  the axis of a sprayer in one plane.  ‘Position 45 deg’ denotes that the series of vessels had been turned through 45 deg in relation to position 90 deg

of  the   spray,   and   the   distribution  becomes   more   equal   (Metz   and   Seika,  1998).  This phenomenon is related to the  fuel  movement in the  later  phase  of injection  and  it is also observed  in  the  spray   formed  by  the  RSN-type   injector.   The  levelling  off  of  the  fuel distribution with  increased distance from  the  sprayer seems  to  be a phenomenon shared among sprays generated by both injector types.

A spray  of fuel generated by the RSN sprayer shows  asymmetry; the distribution in the ‘x’ direction  differs   from   that   in  the   ‘y’  direction.  In  the   ‘y’  direction  particularly,  the concentration  of  fuel  is  considerably  larger   (also  when the  series  of  vessels   is  rotated through 45 deg).  Moreover, in the  ‘y’ direction a greater shift  of the  area  of the  maximum fuel concentration (core of a spray)  may be observed in comparison to the ‘x’ direction. This leads  to the  conclusion that  the  fuel  distribution in the  spray  formed by the  RSN sprayer does not show  any symmetry in relation to the theoretical axis of the spray.

The  largest   shift  of  the  spray   core  from  the  theoretical axis  for  the  RSN  sprayer was observed in the  ‘y’ direction. This effect appeared when the  axis of the sprayer was  in one plane   with   the   axis  at  –x  +  x.  In  this   position  the   axis  of  the   needle   rotation  was perpendicular to the ‘y’ direction. The asymmetry of the core of the spray generated by the RSN sprayer may be explained by the change of the cross-sections of the outlet  holes and the resulting mechanical action  of the surface  of the hole in the sprayer body  on the fuel being discharged. The fuel, flowing through the spraying hole (particularly in the opening phase), hit  the  surface  of  the  outlet  hole.  This  changed the  direction of  the  flow,  which  caused variations in the position of the core in the cross-section of the spray.

The spray  generated by standard injector  is axially  symmetric. More  fuel  saturation in the spray  core causes  a different value  of combustion air factor.  This is unfavourable, because soot  is usually produced in the  rich  mixture area  (local  deficiency of air)  at a sufficiently high  temperature (800–1400 K). This happens mainly in the core of the fuel spray  and  at its rear, where the concentration of fuel droplets is often higher.

Executed  investigations  of  radial  distribution  of  fuel  in  spray   confirm   that   the  spray

generated by RSN injector is not symmetrical. The shift of the spray  core outside (as effect of needle rotary) can be favourable on account of the possibly stronger impact of gas medium on spray  zone, where the concentration of the fuel is higher. In this case, the secondary drop break-up will be more  intensive. Smaller  diameters of drops are obviously favourable with regard to soot and  PM formation.

Conclusions

The parameters of the injection  system  have a decisive effect on the rate of combustion in the diesel  engine,  because of the influence on quality of formed air-fuel  mixture. However, the optimal macrostructure of the spray,  which  is distributed in the  cylinder volume, depends on the type  and  construction of the injector.  On braking, the fuel stream in drops increases the area of contact  between the fuel and  air. It causes,  first of all, fuel vaporisation and,  then, its diffusion into air. The pressure energy generated by the injection  system is consumed on spraying of the  fuel stream which,  together with  the  phenomena of physical and  chemical parts  of self-ignition delay,  leads to fast increase in mixture entropy.

A better  quality of fuel spraying guarantees RSN injector,  which  was  confirmed by model investigations. The selected results have been presented in the paper.

Related Posts

© 2025 Automobile Engineering - Theme by WPEnjoy · Powered by WordPress