• No results found

Utveckling av provrigg för flödesmätningargenom munstycke hos common rail-injektorer

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Utveckling av provrigg för flödesmätningargenom munstycke hos common rail-injektorer"

Copied!
113
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

Development of test rig for flow measurements in common rail injector nozzles

CARL-JOHAN CEDERBERG JOHANNES HÖRNER BJÖRK  

 

 

Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2010 

 

(2)
(3)

Development of test rig for flow measurements

in common rail injector nozzles

Carl-Johan Cederberg Johannes Hörner Björk

Master of Science Thesis MMK 2010:21 IDE 030 KTH Industrial Engineering and Management

Machine Design

SE-100 44 STOCKHOLM

(4)

 

(5)

 

Master of Science Thesis MMK 2010:21 IDE030

Development of test rig for flow measurements in common rail injector nozzles

Johannes Hörner Björk Carl-Johan Cederberg

Approved

2010-02-12

Examiner

Priidu Pukk

Supervisor

Priidu Pukk

Commissioner

Scania CV AB

Contact persons

Fredrik Wåhlin & Per Österlund

Abstract

This master thesis was commissioned by the Injection Performance department (NMCX) at  Scania CV in Södertälje, Sweden. The main purpose was to develop a new test rig for fuel  injector performance measurements. A new test method exists that provide more accurate  measurements  and  studies  of  multiple  injections  due  to  less  oscillation.  The  method  also  gives  the  possibility  to  perform  hole‐to‐hole  comparisons  of  the  flow  through  the  injector  nozzle holes.  

Based on the test method referred to as the impingement method, a test rig for nozzle flow  measurements  was  designed  and  built.  The  aim  of  the  thesis  was  to  describe  the  development and design work of the test rig. This method consists of measuring the sprays  impact force with a pressure transducer. The collected data is then used for analysis of the  injector’s performance.  

Using  contemporary  methods  in  product  development  as  well  as  skills  and  knowledge  obtained  during  the  education  the  design  work  was  conducted.  By  establishing  a  requirements  specification  and  producing  a  number  of  design  concepts  the  product  gradually  took  shape.  Detail  design  and  its  iterations  were  made  with  the  aid  of  3DCAD  software which led to the final design. Most of the components  were manufactured at the  Machining Workshop at Scania in Södertälje. 

When the  design  was manufactured and  assembled  it was  tested  to ensure  its  function. A  number  of  modifications  were  made  and  the  test  rig  is  operational  and  impingement 

s an

measurements are now possible. The test result d gathered data are satisfactory. 

The  master  thesis  has  resulted  in  a  functional  test  rig  that  will  help  the  understanding  of  ommon rail injectors. 

c

 

(6)
(7)

Examensarbete MMK 2010:21 IDE030

Utveckling av provrigg för flödesmätningar genom munstycke hos common rail-injektorer

Johannes Hörner Björk Carl-Johan Cederberg

Godkänt

2010-02-12

Examinator

Priidu Pukk

Handledare

Priidu Pukk

Uppdragsgivare

Scania CV AB

Kontaktpersoner

Fredrik Wåhlin & Per Österlund

Sammanfattning

Detta  examensarbete  utfördes  på  uppdrag  av  avdelningen  för  insprutningsprestanda  (NMCX)  på  Scania  i  Södertälje.  Projektets  huvudsyfte  var  att  utveckla  en  provrigg  för  att  studera  bränsleinjektorers  prestanda.  En  ny  testmetod  existerar  som  ger  noggrannare  mätningar av multipla injektioner tack vare mindre oscillationer i mätmetoden som sådan. 

Mätmetoden  ger  möjligheten  att  utföra  hål  till  hål‐jämförelser  av  flödet  genom  hålen  i  injektormunstycket. 

Baserat  på  mätmetoden  omnämnd  som  impulsmetoden,  utvecklades  och  tillverkades  en  provrigg  för  flödesmätningar  genom  injektormunstycket.  Målet  med  examensarbetet  var  med  detta  att  beskriva  utvecklings‐  och  konstruktionsarbetet  av  provriggen.  Mätmetoden  baseras på att med en tryckgivare mäta sprayernas kraft när de träffar givarens spets. Den  insamlade datan används sedan för att analysera injektorns prestanda. 

Utvecklings‐ och konstruktionsarbetet bedrevs genom att använda vedertagna metoder för  produktutveckling  samt  tillämpa  färdigheter  och  kunskaper  som  erhållits  under  utbildningen. Produkten utvecklades stegvis genom att ta fram en kravspecifikation och ett  antal koncept som utvecklades och utvärderades mot specifikationen. Detaljkonstruktionen  och  dess  iterationer  utfördes  med  hjälp  av  3DCAD‐mjukvara  vilket  slutligen  ledde  till  den  färdiga  utformningen.  Det  flesta  av  komponenterna  tillverkades  på  Scanias  mekaniska  verkstad för prototypframställning. 

När  konstruktionen  var  tillverkad  och  monterad  testades  den  för  att  säkerställa  dess  funktion. Ett antal modifikationer gjordes och riggen fungerar som den ska och mätningar  kan nu utföras. Mätresultaten och insamlad data är tillfredställande. 

Resultatet av examensarbetet är en fungerande provrigg som kommer att hjälpa förståelsen 

och utvecklingen av common rail‐injektorer. 

(8)
(9)

Foreword

This master thesis was conducted at the Injection Performance Department (NMCX) at Scania in  Södertälje, Sweden, during the period September 2009 to February 2010.  

The project was supervised by Fredrik Wåhlin and Per Österlund at Scania and Priidu Pukk at  he Royal Institute of Technology, Stockholm. 

t      

Carl‐Johan Cederberg & Johannes Hörner Björk 

Stockholm, February 2010 

(10)
(11)

Nomenclature

Symbols  Description 

Re  Reynolds Number (1) 

u

 

We  Weber Number (1) 

m/s) 

d   Velocity of a fluid (

µ

  Droplet diameter (m) 

ρ   Viscosity (kg/ms) 

g/m

3

σ   Density (k

 

Surface tension (N/m

2

)  Force (N) 

  M N) 

f

omentum Flux (

M&

m&

a (m

4

  Mass Flux (kg/s) 

W

b

  Area Moment of Inerti

σ

ax

   

Section Modulus (m

3

m

 (Pa)

z   Maximum stress (1) 

i

Number of teet

Real module (1) 

Gear Ratio (1) 

   

Abbr eviations  Description   

CAD  Computer Aided Design 

  achining 

CAM Computer Aided M

NO

x

  Nitrous Oxides 

tter 

 Injection 

PM  Particulate Ma

XPI  (e)Xtra High Pressure

 

CR  Common Rail 

HPP  High Pressure Pump

LPP  Low Pressure Pump 

HPL  High Pressure Line 

HPC  High Pressure Connecto

IMV  Inlet Metering Valve 

it   

ECU  Electronic Control Un

MDV Mechanical Dump Valve 

RPS  Rail Pressure Sensor 

VCO  Valve Covered Orifice (Injector Type) 

MW  Machining Workshop at Scania R&D 

&D 

UTTC  Instruments Supply Depot at Scania R&D 

  y Department at Scania R

T  artment at Scania R&D 

UTMR Materials Technolog

NMB Strength Testing Dep

HPH  High Pressure Hose 

DOF  Degrees of Freedom 

  splay 

S  tal–Oxide–Semiconductor 

LCD Liquid Crystal Di

DMO Double‐diffused Me

 

FSP Flat Strike Plate 

PSP  Pointy Strike Plate 

IC  Integrated Circuit 

RECT  Electronic Components and Testing at Scania R&D 

(12)
(13)

Table of Contents

1. Introduction ... 11

1.1 Background ... 11

1.2 Purpose ... 11

1.3 Problem Formulation ... 11

1.4 Limitations ... 12

1.5 Aim ... 12

1.6 Method ... 12

2. Context ... 13

2.1 The XPI System ... 13

2.2 Emissions and Legislation ... 16

2.3 Fuel Sprays and Combustion Characteristics ... 17

2.4 The Measuring Method... 17

2.6 Preliminary Study ... 20

2.7 Inputs and Requirements ... 22

3. Implementation ... 25

3.1 Planning ... 25

3.2 Preliminary Study ... 26

3.3 Design Requirements and Evaluation ... 26

3.4 Ideation ... 27

3.5 Concept Development ... 28

3.6 Designed Parts ... 37

3.7 Standard Components... 54

3.8 Production Parts ... 58

3.9 Tolerances and Fits ... 58

3.10 Development of Support Systems ... 59

3.11 Electronic Parts ... 59

4. Results and Analysis ... 63

4.1 Testing ... 63

4.2 The Final Design ... 70

4.3 Time Plan Outcome ... 71

5. Conclusions and Recommendations ... 73

5.1 Conclusions ... 73

5.2 Recommendations ... 73

7. References ... 75

8. Thanks ... 77

Appendix A - Drawings ... ii

Appendix B - Standard Parts List and Fasteners ... xx

Appendix C - Time Plan ... xxi

Appendix D - Test Results Test 2 ... xxii

Appendix E - Circuit Board Schematics ... xxiii

Appendix F - C-code ... xxv

(14)
(15)

• Writing the thesis and other documentation 

• Presentation 

The assignment is estimated to be finalized within 20 weeks time.  

1. Introduction

1.1 Background

Stricter legislation on emissions from diesel engines increases the demands on the engines and  their  injection  systems.  Decisions  made  by  the  EU  have  led  to  the  Euro  5  and  6  regulations  regarding including emissions of nitrous oxides (NO

x

) and particulate matter (PM). Herein lies a  problem,  the  reduction  of  emissions  is  strongly  dependent  on  the  combustion  characteristics  which in turn affect the engine’s performance. The injection pressure very much determines the  combustion  rate.  Higher  injection  pressure  increases  the  level  of  atomization  of  the  fuel,  decreases the amount of soot but increases the NO

x

 levels. High injection pressure is however  wanted to ensure high power output and overall performance. 

To  meet  the  Euro  5,  and  later  Euro  6,  standards  Scania  has  with  its  associate  Cummins  Inc. 

developed the XPI common‐rail fuel injector. The XPI injector is electronically controlled and can  therefore operate independently of camshaft angle. High injection pressures are thus available at  any time, irrespective of engine speed. Scania wants to study the behavior of the XPI injector in  order to maintain high performance and still meet the emission standards. 

A measuring method has been developed that helps to enhance measurements of fuel injectors’ 

sprays, in order to implement this method a test rig is to be developed. 

1.2 Purpose

The purpose of this master thesis is to describe the development process of the test rig and the  design of the finished apparatus and its functions. Secondly the purpose is to present the context  and background data needed to construct the test rig. 

1.3 Problem Formulation

The  assignment  consists  of  designing  and  building  a  test  rig  for  common  rail‐injectors  based  upon an existing measuring method. The test rig is to be used to measure and understand the  properties of the flow through the nozzle of the injector. A prototype of a test rig already exists  but  needs  to  be  improved  to  ensure  accurate  measuring  results  and  simplify  the  measuring  procedure.  CAD  models  are  to  be  produced  in  order  to  obtain  the  drawings  needed  for  the  manufacture  of  the  test  rig.  Once  the  parts  for  the  test  rig  are  manufactured  they  are  to  be  assemb led into the finishe d apparatus. The problem is divided into the following stages: 

• Prelimina ry study 

• Planning 

• Ideation 

Concept development 

Calculations 

• CAD‐modelling and drawings 

• ems 

Manufacture 

Development of support syst

Assembly and Testing 

ons 

Adjustments and alterati

(16)

further adjustments are made to fix problems that might occur. 

Continuously  during  the  project  notes  are  taken  of  gathered  data,  thoughts  that  arise  and  conclusions. Other documentation such as drawings and photos is also produced and collected. 

This material is later compiled in the final paper which is finalized after the completion of the  test rig. The paper is then handed in by which the project is presented and thereby ended. 

1.4 Limitations

Since the design work will occupy most of the time, less time will be spent on literature studies  and more focus is to be put on the design work itself, this to ensure that the design is tested and  completed within the scope of the thesis and with that, guarantee that it’s operational.  

1.5 Aim

The aim of the thesis project is to complete the design, manufacturing and assembly of a test rig  for common rail injectors and also to test and ensure its function. 

1.6 Method

The  project  starts  with  a  preliminary  study  to  provide  the  necessary  knowledge  required  to  solve the assignment. This comprises; reading of papers, literature and articles on the subject; 

inspecting  drawings  of  an  existing  test  rig  and  the  prototype;  contacting  and  consulting  specialists within the field; and getting  familiar  with the injector and  other existing parts that  have  to  be  implemented  in  the  test  rig.  The  preliminary  study  also  comprises  acquiring  knowledge and skills in the CAD‐software CATIA V5, the programme used by Scania today and  consequently in the development of the test rig. 

Early in the project a time plan is established to ensure that the thesis is completed within time. 

Discussions  within  the  group  and  with  supervisors  (at  Scania  and  KTH)  are  conducted  which  aims  to  establish  solutions  to  different  problems  associated  with  the  design  and  what  specifications  and  features  have  to  be  included  in  the  test  rig.  A  requirements  specification  is  established based on these discussions.  

Using standard procedures in product development a number of concepts are produced. These  procedures, or methods, comprise brain‐storming and discussing different scenarios connected  to the use, manufacture and assembly of the product. These scenarios are basically a breakdown  of the required functions and features for the test rig. The methods are backed up by geometrical  studies and dimension analyses to determine if a solution can be realized. Design solutions are  continuously  evaluated  regarding  their  performance  of  the  desired  functions.  Concepts  are  sketched for presentation and necessary calculations are made.  

When  a  number  of  concepts  are  developed  they  are  examined  in  detail  to  the  requirement  specification. The concept with best correspondence to the specification is selected for further 

il d

development. Through iterations and with the aid of CAD‐software deta esign is performed.  

A  final  concept  is  produced  and  scrutinized,  possible  alterations  and  modifications  are  made. 

Drawings of the final design are made to enable manufacture. During the manufacturing of parts,  support systems for the test rig are developed. 

When the parts have been manufactured they are assembled and the rig is tested to ensure that 

it’s operational. If the test turns out to be satisfactory the rig is considered completed and if not, 

(17)

2. Context

This  chapter  describes  the  XPI­system  as  such,  how  combustion  affects  the  emissions,  the  test  method  that  exists  and  the  theoretical  background  to  explain  the  results  given  from  the  test  method. Further the input and results from the pre­study will be declared in order to describe the  background for the decisions made in the design process. 

2.1 The XPI System

XPI stands for (e)xtra high pressure injection. This relates to the high injection pressures in the  engine, maximum average injection pressure is 1800 bar and the max peak pressure is 2400 bar. 

The XPI is a common rail (CR) system, i.e. all injectors are fed by the same pressurised volume,  the accumulator, also known as the rail. The rail is in turn fed by the high pressure pump (HPP),  in contrast to ordinary diesel engine systems with unit injectors where the pressure is induced  with one cam‐driven pump element per injector. The main benefits of a CR system, such as the  XPI  system,  is  that  the  injection  timing  and  duration  is  independent  of  camshaft  angle,  the  average injection pressure is higher compared to unit injectors, injection pressure can be chosen  independently  of  engine  speed  and  multiple  injections  are  possible.  All  of  these  properties  enable higher performance and lower emissions. 

Injector w/ Electronically Controlled Pilot Valve (Only 1 Shown)

Low Pressure Pump

High Pressure Pump Accumulator

Mechanical Dump Valve

Rail Pressure Sensor

Inlet Metering Valve Fuel Filters

High Pressure Connectors

High Pressure Line

 

Fuel Manifold

Figure 1. Overview of the XPI system

2.1.1 Functional Description of the XPI System 

Fuel is fed from the fuel tank into the pre‐filter where fuel is filtered and water is separated. The 

fuel is then fed through a heater to prevent clogging of the fuel filter in cold climates. The fuel 

continues to the low pressure pump (LPP in figure 1). The LPP sucks the fuel from the tank and 

feeds the pressure filter and HPP, the LPP is mechanically driven by the engine. In the pressure 

filter the fuel is once again filtered to remove smaller debris that could damage the HPP and the 

injectors.  Fuel  from  the  filter  is  sucked  into  the  HPP  where  the  fuel  pressure  is  increased  to 

approximately 2000 bar; the fuel is then fed to the rail. The amount of fuel that enters the HPP, 

and thereby the rail pressure, is controlled by the inlet metering valve (IMV). The IMV is in turn 

(18)

controlled  by  the  electronic  control  unit  (ECU).  The  rail  distributes  fuel  via  high  pressure  fuel  lines  (HPL)  to  the  injectors,  in  other  words  all  injectors  and  the  rail  are  pressurized  during  operation.  The  rail  is  equipped  with  two  key  components;  the  mechanical  dump  valve  (MDV)  and the rail pressure sensor (RPS). The RPS gives information to the ECU about the actual rail  pressure, and the ECU in turn will adjust the rail pressure when needed. The MDV is fitted on the  rail to prevent over‐pressurization of the system. It is set to open at 3100 bar and then lower the  pressure  to  1000  bar.  The  injectors  are  fed  with  fuel  from  the  rail  via  HPL  and  high  pressure  connectors (HPC), see figure 2. 

High Pressure Connector = HPC

HPC pocket (in injector)

HPC nut

Injector clamp

HPL nut High Pressure Line (HPL)

 

Figure 2. Cross-section view of injector, HPC and HPL.

2.1.2 The XPI Injector 

The HPC fills the cavity volume of the injector with pressurized fuel. The plunger is lifted via an  electronically controlled pilot valve. On top of the pilot valve is a ball seat where a small ball is  situated,  see  figure  3.  When  the  electronic  signal  for  injection  is  sent  the  armature  becomes  magnetic which lifts the ball. This results in a reduced pressure within the control chamber. The  back pressure sucks the plunger upwards and the holes in the nozzle are opened, the injection is  initiated. When the signal is cut off so is the magnetic field and a spring in the retainer forces the  armature and ball back into position, the injection is completed. 

 

Armature Ball

Pilot Valve

Control Chamber Plunger

Figure 3. Close up view of pilot valve plunger.

(19)

Retainer, control valve Spring adjusting screw

Stroke adjustment shim Armature plunger

Spring retainer

Nozzle Combustion seal

Injector body Floating sleeve

Stroke shim Ball Retainer, seat

Stator spring

Stator Spring disc

Armature

Over travel spring

Ball retainer

Valve seat

Plunger seal

Spring

Plunger

Nozzle retainer

 

Figure 4. Overview of the XPI injector in cross-section view.

The  injected  fuel  spray  is  ignited  by  the  heat  generated  in  the  compression  by  the  pistons’ 

upward  movement.  Surplus  fuel  from  the  injector  is  led  away  from  the  injector  through  a  channel in the cylinder head exiting in the fuel manifold. The fuel manifold outlet transports the  return fuel back to the tank.  

   

Figure 5. Cross-section- and bottom view of the nozzle.

The  XPI  injector  has  a  multi‐hole  nozzle  of  sac‐type.  This  means  that  the  lower  part  of  the  plunger,  also  referred  to  as  the  needle,  does  not  cover  the  nozzle  holes  and  thereby  leaves  a  small  volume  beneath  its  tip,  a  sac.  This  is  to  compare  with  VCO‐type  nozzles  (Valve  Covered  Orifice)  where  the  needle  covers  the  nozzle  holes  resulting  in  smaller  volume  underneath  the  needle.  The  benefit  of  the  VCO‐type  is  that  after  the  injection  no  sac‐volume  remains.  These  small  volumes  of  fuel  in  sac‐type  injectors  which  is  injected  at  low  pressure  at  the  end  of  the  injection  may  cause  increased  smoke  emission  [1].  The  downside  of  VCO‐type  nozzles  is  their  sensitivity to needle misalignment. Alignment errors causes fuel to pass the needle which give  rise  to  variations  in  flow  between  the  holes  which  also  effects  combustion  and  thereby  emissions. 

17°

(20)

The standard XPI injector nozzle has eight evenly spread holes with a hole‐to‐hole angle of 45°. 

The spray angle is 17° relative to the cylinder head’s bottom (73° relative the injector’s centre  axis).  

2.2 Emissions and Legislati n

The  modern  direct  injection  (DI)  diesel  injection  operates  much  more  efficiently  than  its  predecessors  regarding  exhaust  gas  emissions  of  nitrous  oxides  (NO

x

)  and  particulate  matter  (PM).  One  of  the  technological  advancements  that  have  helped  this  development  is  new  fuel  injection systems. In the diesel engine the fuel injection process strongly determines emission  formation. To achieve a good combustion the fuel injector has to atomize and vaporize the fuel  during  the  injection.  If  the  injector  fails  to  do  this  the  result  is  higher  soot  and  particulates  formation.  This  derives  from  the  fact  that  the  core  of  a  fuel  drop  when  ignited  forms  a  soot  particle due to the pressure induced from the burning shell. The shell compresses the core which  in turn forms a hydro carbon particle. If the drop is small this phenomena is reduced since the 

o

ignition and burn of the drop is initialized almost instantaneous. 

The  current  Euro  5,  and  in  2013  Euro  6,  standards  aim  to  lower  the  allowed  emissions  from  heavy duty vehicles, see table 1 [7]. 

NO

x

[g/kWh] PM [g/kWh]

Euro V 2.0 0.02

Euro VI 0.5 0.01

Table 1. EU Emission Standards for HD Diesel Engines, g/kWh

The standards comprise other types of emissions besides NO

x

 and PM but they are however the  hardest  to  reduce  [1]  why  this  thesis  and  other  studies  are  focused  on  these  two  types  of  emission. 

To achieve this high rate of atomization very high pressure gradients are found in modern diesel  injection  nozzles.  The  great  difference  in  upstream  and  downstream  pressure  can  cause  cavitation to occur in the nozzle holes. The cavitation on one hand helps the spray breakup and  also  prevents  buildup  of  coke  and  deposits  within  the  nozzle  holes.  Coke  build  up  effects  the  mass  flow  through  the  nozzle  holes  and  it  is  sought  to  prevent  this  in  order  to  maintain  long  term  combustion  performance.  High  levels  of  cavitation  are  however  unwanted,  too  much  cavitation can erode the nozzle holes which influences the spray characteristic negatively. When  a hole has begun to erode the eroded surface intensifies the cavitation formation which leads to  further  erosion.  The  erosion  of  nozzle  holes  deeply  effects  fuel  spray  impulse,  mass  flow,  penetration etc. Cavitation in the nozzle hole can also cause hydraulic flip, a phenomena where  the fluid flows separated from the hole walls due to propagated cavitation. The results are non‐

cavitating flow and the formation of a hydro jet instead of a spray that is; no vaporization. This  causes insufficient combustion, particle formation and can damage the cylinder walls. 

The  goal  of  diesel  engine  development  is  to  find  a  way  to  minimize  the  soot  formation  whilst 

maintaining moderate combustion temperatures. High temperatures promote the formation of 

NO

x

 but also provide higher power output. 

(21)

2.3 Fuel Sprays and Combustion Characteristics

Since  the  fuel  spray  in  general,  and  fuel  spray  momentum  particularly,  plays  a  key  role  in  the  combustion and emission process it is desirable to investigate its characteristics. 

As diesel fuel exits the nozzle under high pressure, the fluid breaks up into a spray due to strong  turbulence  in  the  flow.  This  is  the  primary  breakup  mechanism  of  the  spray.  A  secondary  breakup of the spray can occur by shear force induced by the surrounding air. The breakup of  the spray is affected by Reynolds and Weber numbers, which in turn are related to the velocity  of the fluid, see equation 1 and 2. The Reynolds number is defined as, 

  u d

Re ρ μ

= ⋅ ⋅   (1) 

and the Weber number as, 

 

u d

2

We ρ σ

= ⋅ ⋅ .  (2) 

W

u here: 

   – velocity 

d iameter 

   – droplet d

µ  

   – viscosity

ρ

   – density 

  σ – surface tension. 

Once the velocity is determined the Reynolds and Weber number can be calculated. Typically a  turbulent  flow  gives  a  Reynolds  number  >2300.  A  turbulent  flow  is  necessary  to  ensure  the  formation  of  a  spray.  The  Weber  number  on  the  other  hand  determines  the  rate  of  spray  breakup,  the  higher  Weber  number  the  greater  the  break‐up.  These  two  numbers  govern  the  fuel drop diameter and is consequently a measure of atomization level and an important factor  when  estimating  combustion  characteristics.  With  data  on  spray  velocity  obtained,  along  with  other  parameters  connected  to  fuel  spray  characteristics,  penetration  of  the  fuel  spray  can  be  calculated. 

2.4 The Measuring Method

Presently  Scania  primarily  performs  tests  with  a  measurement  method  using  a  so‐called  rate  tube in order to investigate fuel injection rate. Rate tube tests are carried out by injecting fuel  into  a  liquid  filled  volume.  The  injection  causes  a  rise  in  pressure  which  is  measured.  The  pressure signal is sampled at high speed and the resulting curve correlates to the rate of fluid  flow through the injector nozzle.    

The work on momentum flux measurement of DI‐diesel sprays using impingement transducers  by Mikael Lindström [1] is the foundation of this master thesis. Lindström has found that there  is much potential in this measuring method to examine fuel spray characteristics. 

In  this  application  as  well  as  in  Lindstöms  work  the  Kistler  4065A200  pressure  transducer  is 

used,  see  figure  6.  The  transducer  measures  pressure  from  a  fluid  trough  changes  in  voltage 

caused by compression of a piezoelectric element. 

(22)

 

Figure 6. Kistler 4065A200 Pressure Transducer.

In  this  application  the  spray  momentum  is  measured  when  the  spray  hits  the  tip  of  the  transducer.  The  impact  force  deflects  the  membrane  on  the  tip  which  in  turn  compresses  the  piezoelectric element, see figure 7. The inertia of the transducer membrane is negligible and the  test performed by Lindström and others show no signs of oscillation [1].  Given that the spray  hits the tip perpendicularly the impulse produced by the impact can be calculated into a force. 

The  force  is  the  momentum  flux  of  the  spray.  The  method  is  referred  to  as  the  impingement  method  [1].  Since  the  Kistler  transducer  measures  pressure  (50  mV/bar)  rather  than  force,  Lindström  has  calculated  a  factor  to  interpret  the  induced  voltage  into  force.  In  his  work  he  found that 1 volt is the equivalent to 17.84 N, i.e. the force‐volt factor is 17.84 N/V. The force is 

Seat for conical ring

the product of mass flow and the fuels velocity.  

When the transducer is struck repeatedly by the spray the metal of the transducer membrane  expands due to increased temperature. The thermo elastic deflection gives rise to an unwanted  behavior  that  affects  the  momentum  flux  curve.  Instead  of  leveling  out  to  zero  the  post  flank  value is negative [1]. To avoid such behavior the transducer tip is equipped with a strike plate, in  accordance with M. Lindströms work. 

     

Figure 7. Schematic of measuring method [6] and transducer positioning.

The measurement produces an impulse curve that describes how the force varies over time. The  mpulse is given by: 

i

I = ∫ F dt ⋅ = ∫ mu dt & (3)   

Where; 

u – is the fluid’s velocity and   the mass flow. 

    W

m&

hen the data of the fuel spray impulse is obtained further  investigations may be initiated to 

examine  the  behavior  of  the  injector.  If  the  mass  of  the  injected  fuel  is  measured,  the  sprays 

velocity can be determined and furthermore Reynolds and Weber number can be calculated. 

(23)

There  are  a  number  of  benefits  with  this  type  of  injection  measurement  method  compared  to  other  measuring  methods  such  as  rate‐tube  tests.  The  impingement  method  provides  the  possibility  to  carry  out  tests  with  very  short  separation  between  multiple  injections.  The  oscillations that occur after each injection event in rate‐tube tests make observation of multiple  injections difficult, see figure 8.  The oscillations have to dissipate before the next injection can  be  measured  accurately.  In  the  impingement  method  the  surrounding  media  is  air,  why  oscillations are minimal not to say non‐existent, see figure 8.  

 

Figure 8. Rate-curve with one injection (left) and impulse curve with multiple injections (right).

Seen in figure 8 (left) is a rate‐tube measurement of a main injection, the impulse curve (right)  displays  a  pilot,  main  and  post  injection  measured  with  the  impingement  method.  One  can  clearly  see  the  difference  in  oscillations.  The  oscillation  amplitudes  of  the  rate‐tube  measurement are significantly larger compared to the impingement method and the time for full 

p c

dissi ation of os illations is much longer with rate‐tube measurements. 

The  measuring  method  can  also  provide  knowledge  of  what  injection  pressures  and  other  circumstances  that  cause  the  spray  to  collapse.  Higher  injection  pressure  provides  greater  atomization  to  the  point  where  hydraulic  flip  occurs.  This  behavior  can  be  observed  by  examining the impulse curve from the transducer. With increased pressure one would assume  that  also  the  momentum  of  the  spray  would  increase.  If  the  force  doesn’t  increase  with  risen  injection pressure one can suspect that the flow has collapsed or that the hole is choked. 

2.4.1 The Existing Prototype 

During  his  licentiate  paper  M.  Lindström  developed  a  prototype  to  perform  impingement 

method tests. The prototype basically consists of a ring with eight evenly distributed holes with 

a 45° angle separating them, see figure 9. 

(24)

 

Figure 9. Lindströms prototype.

The ring is fastened with screws to the bottom side of a stock cylinder head. The transducer is  then mounted in one of the holes. 

2.6 Preliminary Study

2.6.1 Conversations and Discussions with Mikael Lindström 

From discussions with both supervisors and Mikael Lindström it was given that the alignment of  the transducers has to be as precise as possible. Since the axial position of the nozzle holes is  constant, no adjustment would be needed in this degree of freedom (DOF) given that the mount  for  the  transducer  is  designed  and  manufactured  with  accuracy.  The  angular  position  of  the  nozzle holes however, varies since there is no rotational lock on the injector nozzle which aligns  the holes in a predestined way. Because of this, angular adjustment had to be a feature in the  design. This led to the conclusion that the transducer/s had to be able to rotate relative to the  injector,  to  ensure  that  the  operator  is  able  to  adjust  the  angular  alignment.  Furthermore  discussions with Lindström gave that in order to determine the angular position a series of test  sprays  are  conducted.  Once  the  impulse  curve  amplitude  peaks  the  transducer’s  tip  is  aligned 

u    

and perpendic lar to the spray.

Two  possible  solutions  were  discussed  to  solve  the  alignment  procedure;  the  first,  visual  determination via a “peep hole”; the second, the ability to rotate the transducer and at the same  time  study  the  impulse  curve.  Option  one  was  soon  discarded  since  the  holes  are  very  small  (Ø0.18 mm) and such an adjustment could imply great uncertainties. Left with option two there  were some further problems to be dealt with. Since the test rig and the computer equipment are  separated by estimably five meters and a wall, adjustment would require at least two persons,  one person to rotate the transducer and the other one to study the impulse curve induced by the  transducer.  This  seemed  like  an  intricate  and  uncertain  adjustment  method.  There  is  also  a  safety aspect to regard. The rig will be operated with high pressures and possible malfunctions  could be hazardous. 

2.6.2 Hole­to­hole Variations 

Desantes  [4]  et.  al.  describes  that  hole‐to‐hole  variation  regarding  diameter  and  inlet  radius 

greatly  affects  the  cavitation  number  and  atomization  rate.  Contemporary  manufacturing 

methods  induce  variations  in  hole  parameters.  It  is  therefore  interesting  to  examine  these 

variations.  The  XPI  injectors  have  eight  nozzle  holes,  and  the  use  of  eight  transducers  was 

discussed. This however was discarded due to spatial limitations but mostly to economic factors 

(25)

since the transducers are expensive. The outcome of the discussions led to a cassette that would  support  four  transducers.  Once  manufactured  the  test  rig  will  able  to  operate  with  up  to  four  transducers. If equipped with four transducers only one transducer has to be aligned with a hole  and  the  three  others  will  also  be  aligned  given  that  hole‐to‐hole  angle  tolerance  is  made  with  high precision. In order to measure the four other holes the cassette is rotated 45°. 

Numerous discussions took place regarding how many transducers were to be used in the rig. 

This  also  relates  to  how  many  holes  there  had  to  be  in  the  fixture,  later  called  the  transducer  cassette,  for  the  transducers.  The  benefits  of  using  one  transducer  is;  cost  reduction;  the  possibility  to  test  different  types  of  injectors  (angular  spacing  of  nozzle  holes),  without  any  alterations  to  the  design;  and  also  minimize  possible  variations  in  simultaneous  hole  measurements caused by inaccuracy in calibration of different transducers. On the other hand  the use of only one transducer would mean longer test cycles and does not give the possibility to  measure spray variations simultaneously. 

2.6.3. The Effects of a Pressurized Injection Chamber 

To  simulate  the  environment  of  a  real  diesel  engine  the  possibility  to  pressurize  the  injection  chamber was discussed. Such a design requires fine tolerances and fits which would complicate  the  design.  It  is  although  desirable  to  mimic  the  engine  environment  to  the  greatest  extent  to  obtain  the  best  test  results  possible.  Therefore  the  effects  of  a  pressurized  injection  chamber  were investigated.  

A  drawing  of  another  injector  test  rig  designed  by  Scania's  business  associate  Cummins  was  studied, see section 2.6.6. This rig is designed to be pressurized during testing. To determine the  difference between a pressurized and a non pressurized injection chamber Jing Li at Cummins  was contacted. Cummins hadn’t, at the time, tested their rig and testing wasn’t to be conducted  within  a  month  or  so.  The  scarcity  of  time  didn’t  allow  waiting  for  these  results  because  development and design work had to be initiated in order to complete the project in time.  

The  effect  of  pressurization  is  however,  according  to  Jing  Li,  decreased  spray  penetration. 

Decreased  penetration  derives  from  decreased  momentum  since  the  gas  in  the  chamber  is  denser. The result is of course a decreased measured momentum if using a pressurised injection  chamber compared to measurements performed in a non‐pressurised environment. The lack of  back pressure in the injection chamber also leads to higher cavitation within the nozzle holes. 

Exactly what the effect the increased cavitation has on test result is uncertain, but to design a rig  with  a  pressurized  test  cylinder  would  severely  increase  the  rigs  complexity.  A  design  with  a  pressurised  injection  chamber  would  aggravate  the  design  and  would  conclusively  imply  difficulties to implement the necessary moving parts and sealing for these.  

2.6.4 Distance between Transducer Tip and Nozzle Holes 

The distance from nozzle hole to transducer tip was another factor that was an area of concern. 

It was found in the literature studies that this distance varied from study to study. Ganippa et. al. 

found that test results improve with decreased distance [5], but that the distance shouldn’t be 

less than 1 mm. Distances shorter than 1 mm affects the sprays properties and the measuring 

results.  In  the  study  of  Desantes  et.  al.  [4]  a  distance  of  5  mm  is  used  while  Lindström  in  his 

licentiate thesis measures impingement at approximately 4.5 mm. It was hard to make any cross 

reference between these studies since they all used different input parameters such as injection 

pressure and duration. No conclusion was made as to what distance that produces most accurate 

(26)

measurement readings. M. Lindström was consulted for further input; his thoughts were that the  distance is irrelevant as long as the entire spray strikes the transducers membrane. 

2.6.5 Sealing the System 

A brief conversation with one of the test cell technicians, Daniel Bohman, disclosed a problem  with the prototype produced by Lindström. Since the prototype wasn’t hermetically closed the  fuel  spray  filled  up  the  test  cell  with  fuel  mist  during  a  test,  this  is  of  course  an  unwanted  behaviour.  

2.6.6 The Cummins Rig 

To gain more knowledge about the test method and get inspiration for the design drawings of a  test rig developed by Scania’s associate Cummins was studied, see figure 10. 

 

Transducer Adapter

Figure 10. Cross-section view of Cummins rig.

Here  the  transducers  are  mounted  in  an  adapter  which  in  turn  is  screwed  into  the  injection  chamber  wall  (indicated  by  arrow  in  figure  10).  The  injection  chamber  is  pressurized  with  nitrogen gas to mimic the environment of a real cylinder in a diesel engine. The main cylinder  can  rotate  and  thus  moving  the  adapters  and  the  transducers  mounted  therein.  This  enables  measurements  of  all  eight  injector  nozzle  holes  despite  only  four  mounting  places  for  transducers. 

2.7 Inputs and Requirements

It  was  finally  decided  that  the  test  rig  is  to  be  designed  without  a  pressurized  test  cylinder,  although  the  effect  of  lacking  injection‐chamber  pressure  leads  to  increased  penetration.  If  needed the test results from Scania and Cummins can be compared to determine variations of  the rig’s behaviors and physical properties. 

By  initiative  of  supervisor  Fredrik  Wåhlin  the  rig  is  to  be  equipped  with  an  appendix  volume. 

The appendix volume serves as substitute for the excluded volumes in HPLs, HPCs and injectors 

that exist in a real engine, the reason for this being to dampen and mimic the pressure waves 

within the rail of a real motor. 

(27)

To  enable  hole‐to‐hole  measurements  the  transducer  cassette  is  to  be  designed  with  four  mounting  holes.  The  transducer  cassette,  or  simply  the  cassette,  has  to  be  able  to  rotate.  The  rotation  serves  two  functions;  the  angular  alignment  of  the  transducer/s;  and  the  ability  to  measure  all  holes  of  the  nozzle.  With  the  aid  of  a  stepping  motor  the  transducer  cassette  is  remotely  manoeuvred  at  the  same  time  as  the  user  inspects  the  impulse  curve  thus  enabling  single person operation and measurements. Centering of transducers is of importance. As to say  radial  distance  has  to  be  maintained  regardless  of  rotation.  This  was  specified  from  the  supervisors, radial distance may vary within 0.25 mm hole‐to‐hole. 

To  ensure  that  the  test  rig  can  be  used  with  other  types  of  injectors  it  was  decided  that  the  transducer cassette is to be interchangeable. This is to say design it in a way so that it can be  replaced  with  another  hole‐to‐hole  geometry  without  any  other  alterations  to  adjacent  components. The reason for this being that further development of injectors and nozzles might  imply a different set of holes. 

The transducer cassette has to guarantee alignment of the transducer tip relative the nozzle hole  in all DOF. The radial distance alignment is to be adjusted with the thread on the transducer. No  axial adjustment functions are to be implemented since the axial position of the injector nozzle  and thus the sprays has no variability. The transducer’s axial position relative to the injector is  governed  by  the  mounting  holes  of  the  cassette.  If  misalignment  would  occur  the  combustion  seal (see figure 4) thickness can be alternated using additional washers or shims. 

Instead of altering a stock cylinder head into a desirable design a new one is to be made. The  custom  designed  cylinder  head,  later  called  injector  fixture,  has  to  possess  all  the  necessary  functions  that  a  non‐combusting  cylinder  head  would  have  besides  interfaces  for  parts  and  components intended for this application. The concerns with using a stock cylinder head in the  design are that it’s heavy, bulky and contains holes and cavities for air inlet and exhaust outlet. 

These  holes  are  situated  where  the  intended  transducer  cassette  was  to  be  placed.  This  could  imply  interface  problems  regarding  the  fixation  of  the  transducer  cassette  onto  the  cylinder  head and possible leakage of fuel mist through the holes. While these were indeed problems, the  time it would take to design a custom cylinder head was taken into account. Since the adaptation  of  a cylinder head  for the test rig met with several problems it was decided to manufacture  a  specific  injector  fixture  for  the  test  rig  instead.  This  design  was  considered  to  cause  fewer  problems in the development of the other adjacent components. 

A standard high pressure line (HPL) is to be used to connect the accumulator (rail) with the high  pressure connector (HPC).  

The injection chamber had to be  bottle tight even though not pressurised. This to ensure that 

fuel fog doesn’t fill up the test cell during operation and prevent leakage. 

(28)
(29)

Easy to transport. 

Remote operation of transducer positioning. 

• Possibility to test injectors with different number of holes. 

3. Implementation

Chapter  three  describes  how  the  project  was  planned  and  how  the  design  work  was  conducted. 

Further it describes how and why design decisions were made and the result thereof, the design of  parts and selection of standard parts. 

3.1 Planning

During the preliminary study the planning of the project was also conducted. This included the  establishment of a time plan and dividing the project into different stages. The purpose was to  facilitate the solution of the problem and design of the test rig and to ensure that the project was  completed in time. The full time plan chart can be found in appendix C and the problem stages in  section 1.3. 

3.1.1 Important Events and Dates 

A  time  plan  was  devised  to  help  and  secure  the  realisation  of  the  project.  The  time  plan  was  augmented  with  important  dates  during  the  course  of  the  project,  listed  below.  These  dates  serve to  guide the wor k resources into the right dire ction. 

• Project starts  2009‐08‐31 

pt 

• Choice of conce 2009‐09‐17 

• Start of manufacturing  2009‐10‐05 

• Final concept   2009‐10‐15 

leted 

• mpleted 

All CAD models and drawings comp 2009‐10‐22  support systems co

• n for presentation 

Initiate testing,  2009‐11‐30 

tio

• d 

Start prepara 2010‐01‐18 

Thesis finishe 2010‐01‐25 

• Presentation   2010‐02‐12 

3.1.2 Specification of Requirements 

The  planning  also  comprised  the  establishment  of  a  specification  of  requirements.  The  specification’s purpose is to list the functions and features required of the product based on the  information gathered from the preliminary study. The specification’s requirement is the basis of  the decision‐making process.  

Required functions and features 

• Ability to measure all sprays, either by having a pressure transducer for eac h nozzle hole 

or by using a fewer amount of transducers that are moveable. 

Ability to adjust the transducer’s angular position relative the nozzle holes. 

• Adjustability  of  the  transducer’s  radial  distance  between  the  tip/s  of  the  transducer/s  and the nozzle holes. 

• Reinforced striking surface of the transducer to avoid therm o‐elastic deflection, pitting 

• d fuel. 

of the tip and limiting spray bounce. 

• Collection, return feed and removal of air of the injecte

Avoid leakage of test fuel and fuel fog. 

sure line between rail and injector. 

•  test cell. 

Standard high pres

• Ability to operate rig with the use of available

(30)

requirements. The common conception is that the simpler the solution the greater the benefit. 

The  requirements  and  evaluation  method  was  applied  since  the  scope  of  the  master  thesis  is  short.  The  supervisors  wanted  a  functional  product,  preferably  within  the  project  time.  All  unnecessary features and styling were discarded. The intention was to maintain an “as simple as  it gets” design rule in order to speed up manufacture and the rig’s completion. The reason for  this  being  that  the  design  had  to  be  tested  in  order  to  evaluate  its  function  and  in  the  case  of  malfunction and still have time left for further development and adjustments within the scope of  the thesis. 

• The distance is allowed to vary within 0.25 mm after repositioning. 

• Guarantee that no personal injuries can occur provided that the equipment is properly  operated. 

Desired functions 

• transducer. 

• Pressurisation of test cylinder. 

±180° rotation to allow use of only one 

• Real time monitoring of injection tests. 

 

3.2 Preliminary Study

The preliminary study was conducted by reading three papers and a licentiate thesis. All of these  in  the  field  of  flow  through  diesel  injector  nozzles  and  measurements  methods  of  spray  momentum. The author of the licentiate thesis, Mikael Lindström, was also contacted at different  stages in person, via phone calls and mail contact. His experiences and knowledge were of great  use  to  the  development  of  the  test  rig.  The  preliminary  study  also  comprised  the  study  of  drawings of  a test rig developed by  Cummins Inc. A number of questions arose why Jing Li at  Cummings  was  contacted.  Furthermore  the  study  included  getting  acquainted  with  the  XPI  system as a whole, its functions and parts, by studying in‐house education material, visiting test  cells and examining the parts. 

The users of the test rig are the supervisors of the project, thereby the user research and product  development  intertwined.  A  big  part  of  the  pre‐study  was  spent  on  talking  to  the  supervisors  regarding the test rigs functions and requirements.  

3.3 Design Requirements and Evaluation

In  order  to  optimize  the  design  work  and  evaluate  detail  and  part  designs  the  project  was  focu sed on three main areas to ensure the success and com pletion of the test rig: 

Use ‐ does the solution ensure the function and usability? 

Manufacture ‐ is the solution supported by available manufacturing methods? 

Assembly ‐ does the solution allow assembly with regard to neighbouring parts? 

These  three  requirements  have  to  be  fulfilled  in  order  to  certify  that  a  design  can  leave  the  drawing‐table. 

Besides these three a solution is weighed regarding to its complexity versus the possible benefit 

it provides. This is to say, does the solution benefit from increased complexity or can the same 

function  be  obtained  with  lesser  means.  If  so  use  the  simpler  solution  that  fulfils  the  design 

(31)

All  design  decisions  were  made  to  ensure  that  the  test  rig  will  imitate  the  real  motor  environment. 

3.4 Ideation

The two key components in the design were considered to be the injector fixture and transducer  cassette. This was due to the fact that the main function of the rig, measuring spray momentum,  is  governed  by  these  two  components.  The  transducer’s  position  relative  the  injector  nozzle  relies solely on how the interface between the two is designed.  Most of the ideation and concept  work regarded the design of these two parts and their mutual interfaces. But these two parts do  not alone serve a functional test rig. 

Early in the ideation process the conception was that the transducer had to be fixated relative  the injector nozzle. The nozzle in turn is a fix part of the injector which in turn has to be fixed in  the cylinder head and aligned with the HPC for fuel supply. 

To help the ideation process an overview sketch was made, or rather a list, of necessary parts. 

All the parts serve a function that was thought of as crucial for the complete operation, see figure  11. The sketch was meant to serve as a basis for ideas of the test rig design. 

 

Figure 11. Overview of required parts.

The  rig  is  fed  with  fuel  using  an  HPP  in  a  motor  test  cell  via  an  accumulator  (rail).  The  accumulator in turn feeds the injector via a standard HPL and a HPC (not depicted in the figure). 

The  injected  fuel  spray  hits  the  transducers  tip  and  the  piezoelectric  element  compresses 

(32)

producing  a  current.  The  signal  is  amplified  and  recorded  by  a  computer.  The  excess  fuel  is  collected  in  a  fuel  container  which  also  is  adapted  for  a  suitable  hose  connection.  The  fuel  is  evacuated via a hose to a drain tank where air and other particles are removed. 

To adjust transducer position and alter measured hole the transducers cassette is rotated with a  stepper motor via a transmission. The motor in turn is controlled by a control system, consisting  of logic and motor driver circuits located in the operating device. It was decided to use a gear  wheel transmission to transfer the movement to the cassette, which in turn required some sort  of bearing. 

3.5 Concept Development

3.5.1 Product Architecture 

Although the key components for the rigs main functions were given most attention, they and  their neighboring parts had to be designed with concurring interfaces. The concept development  consisted in finding different solutions of how to position the necessary parts and how to design  their interfaces.  

The  different  concepts  mostly  regarded  the  part‐to‐part  layout,  also  known  as  the  product  architecture.  The  solutions  were  produced  to  meet  the  demands  on  high  precision  as  well  as  simplifying the measurement procedure. The product architecture concepts aimed to solve the  problems of ensuring main‐ and secondary functions. There were three main ideas to meet this  demand,  standard  bearing  housing  design,  car  hub  bearing  design  or  single  bearing  design  all  with different cassette‐ and support structure design, see figures 12‐14. 

 

Figure 12. Standard Bearing Housing Design, orange indicates bearing.

This design consisted of two bearings fixating the rotating parts, one located in the injector 

fixture and the other below the transmission on the cassette. The benefits of this design were the 

capacity to withstand large forces. 

(33)

 

Figure 13. Car Hub Bearing Design, orange indicates bearing.

The car hub design was based on using an existing bearing from a car wheel hub. This type of  bearing can withstand great bending torque although only one supports point. This is also the  strength of this design. Only one bearing reduces the number of components and thus the  complexity of support structures. 

 

Figure 14. Single Bearing Design, orange indicates bearing.

The single bearing design is similar to the car hub design but utilizes a standard roller bearing  instead. Much like the car hub design the single bearing design’s strength is low complexity due  to the decreased number of components and simpler support structures. 

The car hub bearing concept was discarded since the inside diameter of a car hub generally is  too small for the injector with surrounding support structure to fit through. To obtain a bigger  diameter  a  bigger  hub  bearing  could  be  used  but  the  then  the  remaining  dimensions  would  cause  fixation  and  weight  problems.  The  conception  was  that  these  types  of  hub  bearings  are  greatly over‐dimensioned for this application. 

The  classic  axle  bearing  design  was  also  discarded.  This  solution  requires  two  supports  since 

there are two bearings. To solve this, an extra mounting plate was added, wherein one of these 

bearings  were  to  be  fitted.  The  solution  was  however  not  believed  to  ensure  that  the  radial 

alignment was guaranteed after rotation due to possible misalignment of the two housing points. 

(34)

This design though had one key benefit; it gave a good place for fitting of the motor, indicated  with arrow in figure 15. 

Suggested motor fitting

 

Figure 15. Mounting fixture concept for classic bearing housing.

The  single  bearing  design  was  finally  chosen  for  further  development  and  detail  design.  The  contact  forces  from  the  transmission  are  too  small  to  jeopardize  the  supporting  and  rotating  function of the design since the motor torque is only 1.25 Nm.  

The placing of the motor and transmission was finally decided to be above the transducers. To  further investigate other possibilities more concepts were produced. One idea was to place the  motor  and  transmission  beneath  the  transducer  mounting  holes  of  the  cassette,  see  figure  16. 

This  layout  could  however  result  in  errors  if  the  transducer  cable  gets  tangled  in  the  transmission.  This  concept  also  show  an  idea  were  the  injector  fixture  is  placed  in  a  tilted  position, the reason being to simplify ocular inspection of the transducer’s position. The tilted  design  was  however  discarded  after  discussions  with  engineer  T.  Flink,  at  NMCX,  see  section  3.6.1.  

 

Figure 16. Motor and transmission placed beneath transducers.

To ensure that transducer cable wouldn’t inflict with transmission movement the motor and 

transmission were placed above the transducer and with that above the transducer mounting 

holes in the cassette, see figure 17. 

(35)

 

Figure 17. Final layout concept of transmission and motor.

It  was  decided  early  in  the  project  to  use  a  modular  product  design  due  to  uncertainties  regarding the specifications for the rig. The aim was to maintain interfaces as flexible as possible  since the complete detail design of each part wasn’t expected to be completed simultaneously. 

For  instance  the  injector  fixture,  which  had  the  longest  manufacturing  time,  had  to  have  interfaces  towards  adjacent  parts  that  guaranteed  function  and  assembly.  Therefore  most  emphasis was focused on the cassette and injector fixture interface. This interface was detached  from  other  interfaces  to  enable  the  completion  of  these  two  parts  while  other  parts  were  designed.  

3.5.2 Mock­Up 

A mock‐up of the rig was produced to determine the approximate height of the test rig, due to  the fact that simply estimating the height was difficult. The mock up was made from A3 printer  paper rolled into tubes, a box made of folded paper and a paper bag to represent the supporting  plate. 

 

Fig re 18 Mock-Up.

The  mock‐up  gave  an  appropriate  height  that  enabled  inspection  of  the  transducer’s  position  and overall assembly. The height was set to 950 mm. 

u .

(36)

3.5.3 Geometrical Studies and Dimension Analysis 

To  get  approximate  dimensions  a  geometrical  study  was  conducted.  The  most  critical  component in the test rig regarding its position is the transducer. Its position is governed by its  placement  in  the  transducer  cassette.  The  closest  distance  between  nozzle  and  transducer  tip  was studied to estimate the cassette’s dimension.  

 

Figure 19. Geometrical model of the relation between the nozzle radius and the distance a.

The inclination of the nozzle orifice is 17° and therefore the transducer need to be positioned in  the same angle to be able to accurately measure the force of the spray. The tip of the transducer  has  a  diameter  of  5  mm  and  the  distance  at  which  the  nozzle  and  the  transducer  collide  was  calculated. This was done by simple trigonometric studies of the components relative positions. 

he distance, a, was calculated according to equation 4 based n the geometry in figure 19. 

T  o

  4.68 cos 17 ⋅ ( ) ° ≈ 4.48 mm  .  (4) 

This is the closest possible theoretical position of the transducer but since the calculations were  made using a simplified model (figure 19) of the injector as a cylinder without the chamfer that  is present in reality the distance will be shorter, see figure 20. 

 

Figure 20. The real design of the nozzle and the simplified shape used for the calculations.

The CAD  models show that the minimum distance is 2.42 mm. The variation derives from the  fact  that  the  distance  was  calculated  from  the  nozzle  centre  axis  rather  than  the  nozzle  tip  surface. The actual minimum distance was later set to 3.14 mm to avoid collision.  

With  the  minimum  distance  calculated  the  cassette’s  dimensions  was  estimated,  since  the 

transducer’s thread governs the position of the mounting hole thread and material thickness of 

the cassette. The cassette‐injector fixture interface was also studied using a geometrical analysis. 

References

Related documents

In general, winter clothing reduced the risk of intraosseous/periosteal injection in children and increased the risk of subcutaneous injection in adults and in children using

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Av tabellen framgår att det behövs utförlig information om de projekt som genomförs vid instituten. Då Tillväxtanalys ska föreslå en metod som kan visa hur institutens verksamhet

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

To test for impairment the company has to calculate the recoverable value of the goodwill asset, and if this value is less than the carrying value of the goodwill, perform