Introduction to Accurate Modelling of an Injector for Common Rail Systems

It is well known that the injection  system plays  a leading role in achieving high diesel engine performance; the introduction of the common rail fuel injection  system (Boehner  & Kumel,

1997; Schommers et al., 2000; Stumpp & Ricco, 1996) represented a major  evolutionary step that  allowed the diesel  engine  to reach  high  efficiency and  low emissions in a wide  range  of load conditions.

Many experimental works  show the positive effects of splitting the injection process  in several pilot, main and post injections on the reduction of noise, soot and NOx emission (Badami et al.,

2002; Brusca et al., 2002; Henelin et al., 2002; Park et al., 2004; Schmid et al., 2002). In addition, the success of engine  downsizing (Beatrice et al., 2003) and homogeneous charge  combustion engines (HCCI) (Canakci & Reitz, 2004; Yamane & Shimamoto, 2002) is deeply connected with the injection system performance and injection strategy.

However, the  development of a high  performance common rail injection  system requires a considerable investment in terms  of time,  as well as money,  due  to the  need  of fine tuning the operation of its components and,  in particular, of the electronic  fuel injector.  In this light, numerical simulation models represent a crucial tool for reducing the amount of experiments needed to reach the final product configuration.

Many common-rail injector models are reported in the literature. (Amoia  et al., 1997; Bianchi et al., 2000; Brusca  et al., 2002; Catalano et al., 2002; Ficarella  et al., 1999; Payri  et al., 2004). One of the older  common-rail injector  model  was presented in (Amoia  et al., 1997) and  suc- cessively  improved and  employed for the  analysis of the  instability phenomena due  to the control  valve  behaviour (Ficarella  et al., 1999). An important input parameter in this model was  the magnetic attraction force in the control  valve  dynamic model.   This was  calculated interpolating the experimental curve  between driving current and  magnetic force measured at fixed control  valve positions. The discharge coefficient of the feeding and discharge control volume holes were determined and the authors asserted that the discharge hole operates, with the exception of short  transients, under cavitating flow conditions at every working pressure,

but this was not confirmed by (Coppo  & Dongiovanni, 2007). Furthermore, the deformation of the stressed injector mechanical components was not taken  into account. In (Bianchi et al.,

2000) the  electromagnetic attraction force  was  evaluated by means  of a phenomenological model.  The force was considered directly proportional to the square of the magnetic flux and the proportionality constant was experimentally determined under stationary conditions. The elastic deformation of the moving injector components were considered, but the injector body was  treated as a rigid  body.   The models in (Brusca  et al., 2002; Catalano et al., 2002) were very  simple  models.  The aims  in (Catalano et al., 2002) were  to prove  that  pressure drops in an injection  system are mainly caused by dynamic effects rather than  friction  losses  and to analyse  new  common-rail injection  system configurations in which  the wave  propagation phenomenon was  used  to increase  the injection  pressure. The model  in (Brusca et al., 2002) was developed in the AMESim environment and its goal was to give the boundary conditions to a 3D-CFD code for spray  simulation. Payri  et al. (2004) report a model  developed in the AMESim environment too, and suggest silicone moulds as an interesting tool for characteris- ing valve and nozzle  hole geometry.

A common-rail injector  model  employs three  sub-models (electrical,  hydraulic and  mechan- ical) to describe all the  phenomena that  govern injector  operation.  Before one  can use  the model  to estimate the  effects of little  adjustments or little  geometrical modifications on the system performance, it is fundamental to validate the predictions of all the sub-models in the whole  range  of possible  working conditions.

In the following sections  of this chapter every sub-model will be thoroughly presented and it will be shown how  its parameters can be evaluated by means  of theoretical or experimental analysis. The focus will be placed  on the electronic  injector, as this component is the heart  of any common rail system

Mathematical model

The injector  considered in this investigation is a standard Bosch UNIJET unit  (Fig.  1) of the common-rail type used  in car engines,  but the study methodology that will be discussed can be easily adapted to injectors manufactured by other companies.

The definition of a mathematical model  always begins  with  a thorough analysis of the parts that  make  up  the component to be modelled. Once geometrical details  and  functional rela- tionships between parts  are acquired and understood they can be described in terms  of math- ematical relationships.  For the injector,  this leads  to the definition of hydraulic, mechanical, and electromagnetic models.

Hydraulic Model

Fig.  2 shows  the equivalent hydraulic circuit  of the injector,  drawn following ISO 1219 stan- dards.  Continuous lines  represent the main  connecting ducts,  while  dashed lines  represent pilot  and  vent  connections.  The hydraulic parts  of the injector  that  have  limited spatial ex- tension are modelled with ideal components such as uniform pressure chambers and laminar or turbulent hydraulic resistances, according to a zero-dimensional approach.  The internal hole connecting injector  inlet with  the nozzle  delivery chamber (as well as the pipe  connect- ing the injector  to the rail or the rail to the high  pressure pump) are modelled according to a one-dimensional approach because  wave  propagation phenomena in these  parts  play  an important role in determining injector performance.

Fig.   3a shows  the  control  valve  and  the  relative  equivalent hydraulic circuit.   RA  and  RZ

are the hydraulic resistances used  for modelling flow through control-volume orifices A (dis-

Furthermore, the  leakage  flow  rate,  Equations 2 and  3, depends on the  third  power of the radial  gap  g.  At high  pressure the material deformation strongly affects the gap  entity  and its value  is not constant along  the gap  length  because  pressure decreases in the gap  when approaching the low pressure side (Ganser,  2000). In order  to take into account these  effects on the leakage flow rate, the value of Khas to be experimentally evaluated in the real injector working conditions.

Turbulent flow is assumed to occur in control  volume feeding  and  discharge holes, in nozzle holes  and  in the needle-seat opening passage. As a result,  according to Bernoulli’s  law,  the flow rate  through these  orifices is proportional to the square root  of the pressure drop, ∆ p, across the orifice, namely,

Discharge coefficient of the nozzle holes

The model  of the discharge coefficient  of the nozzle  holes is designed on the base of the un- steady coefficients  reported in (Catania et al., 1994; 1997). These coefficients  were experimen- tally evaluated for minisac  and  VCO nozzles  in the real working conditions of a distributor pump-valve-pipe-injector type  injection  system. The pattern of this coefficient  versus needle lift evidences three  different phases. In the first phase,  during injector  opening, the moving needle  tip strongly influences the efflux through the nozzle holes. In this phase,  the discharge coefficient progressively increases with  the needle  lift. In the second  phase,  when  the needle is at its maximum stroke,  the discharge coefficient  increases in time, independently from the pressure level at the injector inlet.  In the last phase,  during the needle  closing stroke,  the dis- charge  coefficient  remains almost  constant. These three  phases above  mentioned describe a hysteresis-like phenomenon. In order  to build  a model  suitable for a common rail injector in its whole  operation field these three phases need to be considered.

hhTherefore, the nozzle  hole discharge coefficient  is modeled as needle  lift dependent by con- sidering two limit curves:  a lower  limit trend (µ), which  models the discharge coefficient in transient efflux conditions, and  an upper limit  trend (µ), which  represents the steady-state value  of the discharge coefficient  for a given  needle  lift.  The evolution from transient to sta- tionary values  is modeled with a first order  system dynamics.

It was experimentally observed (Catania et al., 1994; 1997) that  the transient trend presents a first region  in which  the discharge coefficient  increases rapidly with  needle  lift, following a sinusoidal-like pattern, and  a second  region,  characterized by a linear  dependence between discharge coefficient and needle  lift. Thus, the following model  is adopted:

Figure  7a shows  the trends of steady-state flow rate  versus needle  lift at rail pressures of 10 and 20 MPa, while the back pressure in the Bosch measuring tube was kept to either  ambient pressure or 4 MPa; whereas Figure 7b shows the resulting stationary hole discharge coefficient, evaluated for the nozzle  under investigation.

hTaking  advantage of the  reduced variation of µs  with  operation pressure, it is possible  to

use  the  measured values  to extrapolate the  trends of steady-state discharge coefficient  for higher pressures, thus  defining the upper boundary of variation of the nozzle  hole discharge coefficient values.

MDuring the injector  opening phase  the unsteady effects are predominant and  the sinusoidal- linear  trend of the hole discharge coefficient,  Equation 10, was considered; when  the needle- seat relative  displacement approaches its relative  maximum value  ξ r  , the discharge coeffi-

cient  increases in time,  which  means  that  the  efflux through the  nozzle  holes  is moving to the stationary conditions. In order  to describe this behavior, a transition phase  between the

Examining the discharge coefficient, µ, trends for the three main injections  (ET= 780 µs, 700

µand 670 µs) during the opening phase,  it is interesting to note that for a given value  of the

needle  lift, lower  discharge coefficients  are to be expected at higher operating pressures. This can be explained considering that the flow takes longer  to develop if the pressure differential, and thus the steady state velocity  to reach is higher.

The main  injection  trends also show  the  transition from  the  sinusoidal to the  linear  depen- dence  of the transient discharge coefficient on needle  lift.

The phase  in which  the needle  has reached the maximum value  and the discharge coefficient increases in time  from  unsteady to stationary values  is not  very  evident in main  injections, because  the former  increases enough during the opening phase  to approach the latter.   This happens because  the needle  reaches sufficiently high lifts as to have reduced effect on the flow in the nozzle  holes, and the longer  injection allows  time for complete flow development. Conversely, during pilot  injections  (ET=300 µs), the  needle  reaches  lower  maximum  lifts, hence  lower  values  of the  unsteady discharge coefficient,  so that  the  phase  of transition to the stationary value  lasts longer.   The beginning of this transition can be easily identified by analyzing the  curves  marked with  dots  and  crosses  in Figure  8.  The  point  at which  they depart from their main injection  counterpart (same line style but without markers) marks  the beginning of the exponential evolution in time to stationary value  of discharge coefficient.

Masses, spring stiffness and damping factors

Components mass  and  springs stiffness  can be easily  estimated.  Whenever a spring is in contact  to a moving element, the moving mass  mj  value  used  in the model  is the sum  of the element mass and a third  of the spring mass.  In this way it is possible  to correctly  account for the effect of spring inertia  too.

The evaluation of the damping factors  β in Equation 31 is considerably more  difficult.  Con- sidering the element moving in its liner,  like needle  and  control  piston,  the damping factor takes into account the damping effects due to the oil that moves  in the clearance and the fric- tion between moving element and  liner.  The oil flow effect can be modelled as a combined Couette-Poiseuille flow (White, 1991) and the wall shear stress on the moving element surface can be theoretically evaluated. Experimental evidences show that friction effects are more rel- evant  than  the fluid-dynamics effects previously mentioned. Unfortunately, these  can not be theoretically evaluated because  their intensity is linked  to manufacturing tolerances (both ge- ometrical and dimensional). Therefore, damping factors must  be estimated during the model tuning phase.

Model tuning  and results

Any  mathematical model  requires to be validated by comparing its results with  the experi- mental ones.  During the validation phase  some  model  parameters, which  cannot  be experi- mentally or theoretically evaluated, have to be carefully adjusted.

The model  here  presented was  tested comparing numerical and  experimental control  valve lift x, control  piston  lift x, injected  flow  rate  and  injector  inlet  pressure pin  in several operating conditions. Figure  15 shows  two of these validation tests and  the good  accordance between experimental and numerical results is evident.

Table 4 shows  the value  of the parameters that were adjusted during the tuning phase.  These values  can be used  as starting points  for the development of new  injector  models, but  their exact value  will have to be defined during model  tuning for the reasons explained above. After the tuning phase  the model  can be used  to reproduce the injection  system performance in its whole operation field. By way of example, Fig. 15 shows the experimental and numerical volume injected  per stroke  Vf  and the percentage error  of the numerical estimation.

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