This study examines the influence of geometry on the internal flow and macroscopic behavior of the spray in Diesel nozzles. For this investigation, two bi-orifice nozzles were employed: one cylindrical and one conical. The first step is to use a non-destructive characterization method which is based on the production of silicone moulds so that the precise internal geometry of the two nozzles can be measured. At this stage the nozzles have been characterized dimensionally and therefore the internal flow can be studied using CFD calculations. The results gained from this experiment make it possible also to ascertain the critical cavitation conditions. Once the critical cavitation conditions have been identified, the macroscopic parameters of the spray can be studied in both cavitating and non-cavitating conditions using a test rig pressurized with nitrogen and with the help of a image acquisition system and image processing software. Consequently, research can be carried out to determine the influence that cavitation has on macroscopic spray behavior. From the point of view of the spray macroscopic behavior, the main conclusion of the paper is that cavitation leads to an increment of the spray cone angle. On the other hand, from the point of view of the internal flow, the hole outlet velocity increases when cavitation appears. This phenomenon can be explained by the reduction in the cross section of the liquid phase in the outlet section of the hole.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.5
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pp.12-18
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2004
Transient natures of diesel sprays are often characterized with spray visualization, since it is a non-intrusive and straightforward technique to be applied. However, as injection pressure is increased higher than a thousand bar in a modern direct injection diesel engine, very fine temporal and spatial resolutions in the spray visualization are required while sprays become optically denser. Discussed in this paper are macroscopic and microscopic spray visualization techniques and an example of image processing process for efficient and consistent measurement of spray parameters. The injection rate measurement method based on hydraulic pulse principle was suggested as a way of estimating injection velocity for transient diesel sprays. The spray visualization and injection rate measurement techniques were applied to analyze transient diesel sprays from a common-rail injection system and found to be practically effective.
Fuel spray in the MPI gasoline injector and its atomization characteristics are investigated with both macroscopic and microscopic visualization systems. The Bosch injector is inserted into an air-assist spray adapter which is designed to be fabricated and assembled easily. particle motion analysis system is used to measure the SMD of injector, where the assistant air pressure is varied from 0.0 to 1.5bar with fuel pressure 2.8bar. Droplet size decreased with higher air pressure and fine fuel spray with below $60{\mu}m$ of SMD is acquired at the assistant air pressure over 0.5bar.
Park, Jeong-Hwan;Park, Su-Han;Lee, Chang-Sik;Park, Sung-Wook
Journal of ILASS-Korea
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v.15
no.3
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pp.115-123
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2010
The purpose of this study is to compare and to investigate spray characteristics of dimethyl ether (DME) and diesel fuel in the various injection pressures, ambient pressures, and the energizing durations. For the analysis of the spray characteristics, the spray visualization system including the high speed camera and the spray image analyzer is installed. The spray characteristics such as the spray development process, spray tip penetraion and the spray cone angle are analyzed from the spray images. It was revealed that the spray characteristics of DME and diesel fuels are mainly affected by the injection conditions. However, in the region after the end of the injection, the spray tip penetration was affected by the fuel properties such as the fuel density, the surface tension, and the viscosity. DME fuel has generally a short tip penetration and a wide cone angle. In the elevating conditions of the ambient gas pressure, the spray cone angle of DME fuel converged to high value when comparing diesel fuel in advance. Also, the increasing rate of the spray tip penetration in DME fuel is significantly decreased from 0.7 ms of the energizing duration (diesel : 0.9 ms).
Even though a relatively complete knowledge base has been established for diesel sprays, much of the knowledge cannot be directly translated to correlate the characteristics of gasoline spray. The macroscopic characteristics of gasoline impingement spray was investigated with photographic and image processing technique by Particle Motion Analysis System. The injector with single hole nozzle diameter of 0.28 mm was used in this experiment and the injection duration was selected as 10 msec. The injection pressure with 0.3, 0.35, and 0.4 MPa, impingement distance or 70, 100 and 130m, impingement angle or 0.15, 30 and $45^{\circ}$ were employed for the variables to affect the spray characteristics of impinging spray. It is clear that there is the analogy on the spray tip penetration between the gasoline impinging jet and diesel free jet. The spray tip penetration of impinging gasoline spray is proportional to the quarter power of the time after start of injection. The maximum height of impinging gasoline spray is also proportional to the quarter power of the time regardless of impingement distance, impingement angle and injection pressure. In addition, the effect of impingement angle on the spray tip penetration is significant according to the time after start of injection, even though there is minor effect in the initial stage of time after start of injection. Moreover, there is no remarkable effect of injection pressure on the spray tip Penetration under the experimental condition used in this study.
This study was performed to investigate the effect of biodiesel derived from waste cooking oil on the spray behavior and macroscopic spray characteristics. To analyze quantitative characteristics of test fuels, injection quantity was measured at various injection pressures and the spray images of injected fuels in the pressurized chamber were obtained by using a high speed camera and image analysis system. Based on the measured spray images, the spray tip penetration and spray cone angle were investigated at various energizing timings and injection pressures. In this work, the experimental results showed that the injection quantity of waste cooking biodiesel indicated the higher quantities than diesel at high injection pressure. As the injection pressure was increased, the spray tip penetrations of biodiesel were higher value than diesel. The difference of penetration between biodiesel and conventional diesel fuel was reduced in accordance with the increase of injection pressure. Also, the spray angles of diesel were larger than that of biodiesel because diesel fuel has lower viscosity than biodiesel. In addition, the spray evolution processes of biodiesel fuel at various injection pressures and the elapsed time after the injection were compared to the conventional diesel fuel.
This study is focussed on the investigation of spray characteristics from the high pressure gasoline injector for the application of gasoline direct injection engine. For the analysis of spray structure of high pressure gasoline injector; the laser scattering method with a Nd-Yag laser and the Phase Doppler particle analyzer system were applied to observe the spray development and the measurement of the droplet size and velocity of the spray, respectively. Also spatial velocity distribution of the spray droplet was measured by use of the particle image velocity system. Experimental results show that high pressure gasoline injector shapes the hollow-cone spray, and produce the upward ring shaped vortex on the spray surface region. This upward ring shaped vortex promotes the secondary atomization of fuel droplets and contributes to a uniform distribution of fuel droplets. Most of fuel droplets are distributed under 31$\mu m$ of the mean droplet size (SMD) and the frequency distribution of the droplet size under 25$\mu m$ is over 95% at 7 MPa of injection pressure. According to the experimental results of PIV system, the flow patterns of the droplets velocity distribution in spray region are in good agreement with the spray macroscopic behaviors obtained from the visualization investigation.
The direct injection gasoline spray-wall interaction was characterized inside a heated pressurized chamber using various visualization techniques, including high-speed laser-sheet macroscopic and microscopic movies up to 25,000 frames per second, shadowgraph, and double-spark particle image velocimetry. Two hollow cone high-pressure swirl injectors having different cone angles were used to inject gasoline onto a heated plate at two different impingement angles. Based on the visualization results, the overall transient spray impingement structure, fuel film formation, and preliminary droplet size and velocity were analyzed. The results show that upward spray vortex inside the spray is more obvious at elevated temperature condition, particularly for the wide-cone-angle injector, due to the vaporization of small droplets and decreased air density. Film build-up on the surface is clearly observed at both ambient and elevated temperature, especially for narrow cone spray. Vapor phase appears at both ambient and elevated temperature conditions, particularly in the toroidal vortex and impingement plume. More rapid impingement and faster horizontal spread after impingement are observed for elevated temperature conditions. Droplet rebounding and film break-up are clearly observed. Post-impingement droplets are significantly smaller than pre-impingement droplets with a more horizontal velocity component regardless of the wall temperature and impingement angle condition.
This study was carried out to investigate the injection characteristics of 800 kPa compressed natural gas compressed natural gas (CNG) injector developed in Korea. The CNG injector with multi-holes, employed in this experiment, was designed to inject CNG in the manifold at high pressure of 800 kPa. The spray macroscopic visualization test was carried out via Schlieren photography to study fuel-air mixing process. The fundamental spray characteristics, such as spray penetration, spray cone angle and spray velocity, were evaluated in the constant volume combustion chamber (CVCC) with varying the constant back pressure in CVCC from 0 to 1.8 bar. For the safety reason, nitrogen ($N_2$) and an acetone tracer were utilized as a surrogate gas fuel instead of CNG. The surrogate gas fuel pressures were controlled at 3, 5.5, and 8 bar, respectively. Injection durations were set at 5 ms throughout the experiment. The simulating events of the low engine speed were arranged at 1,000 rpm. The spray images were recorded by using a high-speed camera with a frame rate of 10,000 f/s at $512{\times}256pixels$. The spray characteristics were analyzed by using the image processing (Matlab). The results showed the significant difference that higher injection pressure had more effect on the spray shape than the lower injection pressure. When the injection pressure was increased, the longer spray penetration occurred. Moreover, the linear relation between speed and time are dependent on the injection pressure as well.
The current study has investigated the effects of biodiesel blended with gasoline on the spray characteristics in a Constant Volume Combustion Chamber (CVCC). With the concentration of 5, 10, 15 and 20% by volume, biodiesel was blended with commercial gasoline and performed on the macroscopic visualization test. Pure gasoline and biodiesel were also tested as the reference. The shadowgraph technique was conducted in the constant volume chamber. The spray images were recorded by a high speed video camera with frame speed 10,000 frame per second. Fuel injection was set at 800, 1000 and 1,350 bar with the simulated speed 1,500 and 2,000 rpm. The back pressure was controlled at 20 bar. The spray angle and penetration tip were measured and analyzed by using the image processing. At the high injection pressure, the spray penetration length with the simulated speed 1,500 rpm showed that B100 was lower than GB00-20 whereas the spray penetration length with the simulated speed 2,000 rpm exhibited that GB blends and B100 were insignificantly different. Due to biodiesel concentration, its effects on spray angles were observed throughout injection periods (T1, T2 and T3). At the simulated speed 1,500 rpm, the spray angle of GB blends and B100 presented the same pattern following injection timing. In addition, when the simulated speed increased to 2,000 rpm the different spray angle of all blends disappeared at main injection (T3).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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