This study presents a mathematical model and a sliding mode observer of the injection system for common rail diesel engines. The injector model consists of three subsystems: the actuator subsystem, the mechanical subsystem, and the hydraulic subsystem. In the actuator subsystem, the constitutive relations of piezoelectricity are used to model the actuator made up of piezoelectric material. Based on the proposed model, the observer estimates the injection rate and injection timing, and can play a vital role of sensorless control of fuel injection in the near future. The sliding mode theory is applied to the observer design in order to overcome model uncertainties. The injector model and observer are evaluated through the injector experiments. The simulation results of the injector model are in good agreement with the experimental data. The sliding mode observer can effectively estimate the injection timing and the injection rate of the injector.
The aim of this investigation is to study the effect of the high injection pressure on the dimethyl ether (DME) spray characteristics injected through a common-rail diesel injector under various ambient pressures. In order to investigate the effect of the injection pressure and ambient condition, the common-rail injection system with two high pressure pumps and high pressure chamber pressurized up to 40 bar were used, respectively. Spray images of DME fuel obtained from a visualization system composed of high speed camera and two metal halide lamps as the light source. From the obtained images, the spray behaviors such as a spray development process, spray tip penetration, spray width, and spray cone angle were measured for analyzing the DME spray characteristics under various experimental conditions. It was found that the spray development slowed as the ambient pressure increased and spray tip penetration at injection pressure of 90 MPa is longer than that at 50 MPa. In addition, the spray width at the end stage of injection decreased under the atmospheric conditions due to the evaporation property of DME fuel, and DME spray shows narrow spray cone angle according to the injection pressure increased.
Injected fuel pressure waves of a common rail injector with various current profiles supplied to the injecor were measured using Bosch method. In order to drive the common rail injector, the current in the solenoid should be controlled using what is known as a peak and hold pattern, which consists of a high current level with a short time duration (peak) in the first step and a low current level with a long time duration (hold) in the subsequent step. The current profile can be shaped by swithcing an injector driving power source with the peak and hold waves. The capture, compare and PWM (CCP) pin in the microprocessor was used to generate the combined peak and hold waves. The PWM square wave generated from the CCP pin has a duty ratio of 100% for the peak current and 10% or 30% for the hold pattern. Five patterns of the current profile were generated by combining the peak and hold wave. The common rail pressure is controlled at 75, 100, and 130 MPa. As the fuel rail pressure increases, the variations of the measured fuel injection pressure wave according to the current profiles decrease.
In this study, experimental study on atomization characteristics of the fuel spray impinging on the wall was at different wall distances and angles of wall inclination. The fuel injection system was composed based on the common rail system. and the injection signal was synchronized by the delay generator. The atomization characteristics of the injected spray were analyzed in terms of the SMD and velocities which were measured by using the phase Doppler particle analyzer system. It is revealed that the free spray is atomized actively above 50mm form the injector tip. In the cases of the impinged spray, the 5MD and velocity of the impinged spray are smaller than those of the free spray. The impinged spray has the maximum near the 35mm of the radial distance from the injector axis, and the atomization performance is enhanced with the decrease of the wall distance.
DME (Di-Methyl Ether) is synthetic product that is produced through dehydration of methanol or a direct synthesis from syngas. And it is able to save fossil fuel and reduce pollutants of emission such as PM and $CO_2$. In spite of its advantages it is difficult to design DME fuelled engine system because DME fuel may cause to severely generate cavitation and corrosion in fuel delivery system due to physical properties of DME. Therefore, in this study three-dimensional internal flow characteristics with consideration of cavitation were predicted in the DME injector using diesel and DME fuel. Moving grid technique was employed to describe needle motion and 1-D hydraulic simulation of injector was also simulated to obtain transient needle motion profiles. The results of simulation show that cavitations was generated at the inlet of nozzle near high velocity region both diesel and DME. And mass flow rate of DME is reduced by 4.73% compared to that of diesel at maximum valve lift because cavitation region of DME is much more larger. To increase flow rate of DME injector, internal flow simulation has been conducted to investigate the nozzle hole inner R-cut effect. The flow rates of diesel and DME increase as R-cut increases, and flow coefficient of DME fuel injector was increased by 6.3% on average compared with diesel fuelled injector. Finally, optimum shape of DME injector nozzle is suggested through the comparison of flow coefficient with variation of nozzle hole inner R-cut.
Future exhaust gas limits for diesel-driven passenger cars will force the automotive industry to significantly improve the performance of engine. Since modern common-rail injection systems deliver more degrees of freedom referring to the injection process, again the optimization of the injection process could offer a possibility to meet the exhaust gas limits. This study describes the characteristic the pilot spray structure of piezo-driven injector for a passenger car common-rail system to be applicable multiple injection caused by fast response rather than solenoid-driven injector. The piezo-driven injector is prototype injector with same needle chamber of solenoid injector and the solenoid-driven one is commercial injector. The pilot spray characteristic such as spray tip penetration, spray speed, spray angle were obtained by spray images, which is measured by the Mie scattering method with optical system for high-speed temporal photography. It was found that piezo-driven injector effected electric change as important factor and showed faster response than solenoid-driven injector.
In the common rail fuel injection system, which is the core of diesel high efficiency and NOX reduction, injection strategies such as high pressure injection of fuel, accurate injection rate control, and multistage injection are important to increase fuel atomization. In this study, the bypass type piezo injector for the electronic control based common rail injection system applied to diesel fuel vehicle was studied. In particular, the injection rate and internal fuel flow characteristics of the high-pressure injector according to the piezo stacking number and applied voltage were analyzed by theoretical numerical method. When the applied voltage changes, it is determined that additional fuel flow through the bypass compensates for the reduced valve driving force due to the change in the driving voltage.
The control of the fuel to be introduced into the combustion chamber under idling and low-load conditions is known to be a problem in Diesel engines, owing to the relatively small fraction of the full-load fuel needed under light loads. Thus, particular attention should be paid to the behavior of the injector with reference to short injection events. This work presents the results of an experimental campaign carried out with two different types of common rail injectors, a standard injector and a modified one. The latter, coming from a simple modification realized in a standard injector, exhibits linear behavior between injected fuel and solenoid energizing time in the field of short injections. A direct comparison of the two injection behaviors suggests a possible way to better control short or pilot injections.
In order to meet stringent future emission regulations, especially to reduce Particulate Matter (PM) and NOX, stoichiometric diesel combustion technology with a piezo group-hole nozzle injector is being researched for reduction harmful emissions. A new nozzle layout, namely a group-hole nozzle, which has one group of small orifices with a wide spray included angle was investigated to improve the efficiency of stoichiometric diesel combustion. From this point of view, the group-hole nozzle suggested by Dense Co. is an attractive candidate method applicable to stoichiometric diesel combustion. The group-hole nozzle concept is to reduce the injector nozzle hole diameters without sacrificing spray penetration by closely locating two holes. Experimental studies have proven that the spray from group-hole nozzles have similar spray penetration to that of a single hole with equivalent overall nozzle hole area, but the spray drop sizes (SMD) are reduced, aiding vaporization and mixing.
An experimental study was performed to assess the effect of diesel and JP-8 aviation fuel on the spray characteristics, performance and emissions in a single cylinder optical diesel engine. Both fuels were injected via an 8-hole solenoid-driven injector in a common-rail injection system. For better understanding of spray development, the macroscopic images were captured with high speed camera, offered evidences for the results of performance and emissions. From macroscopic spray images, the spray tip penetration of JP-8 shorter than that of diesel while spray angle of JP-8 was wider than that of diesel. It indicates that the vaporization of JP-8 is superior to that of diesel. The lower cetane number of JP-8 resulted in increased portion of premixed combustion. The IMEP with JP-8 is lower than that of diesel-fueled engine. Especially, using JP-8 has a potential for reducing soot.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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