DE10110649A1

DE10110649A1 - Verfahren, Computerprogramm und Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen

Info

Publication number: DE10110649A1
Application number: DE10110649A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schoeffel; Hans Braun; Josef Seidel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-26
Also published as: WO2002070996A2; DE50212702D1; JP2004518867A; JP4272886B2; EP1368620B1; EP1368620A2; US20030177823A1; US6915683B2; BR0204454A; WO2002070996A3

Abstract

Zum Messen der Einspritzmenge (Vm) von Einspritzsystemen (18), insbesondere von Brennkraftmaschinen, wird Prüffluid (22) von dem Einspritzsystem (18) in eine Messkammer (12) eingespritzt. Um die Messgenauigkeit und die Stabilität der Messung zu erhöhen, wird das Volumen der Messkammer (12) während der Einspritzung konstant gehalten. Weiterhin ist in der Messkammer (12) ein Gasvolumen (Vg) vorhanden. Das eingespritzte Volumen (Vm) an Prüffluid (22) wird aus der Druckänderung (dP) in der Messkammer (12) ermittelt, welche sich bei einer Einspritzung von Prüffluid (22) ergibt. Die Ermittlung des eingespritzten Volumens (Vm) erfolgt mittels der Zustandsgleichung für ideale Gase.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, bei dem ein Prüffluid von dem Einspritzsystem in eine Messkammer eingespritzt wird.

Ein solches Verfahren ist vom Markt her bekannt. Die Anwendung des bekannten Verfahrens erfolgt unter Verwendung einer Vorrichtung, welche als EMI (Einspritzmengenindikator) bezeichnet wird. Dieser besteht aus einem Gehäuse, in dem ein Kolben geführt ist. Der Innenraum des Gehäuses und der Kolben begrenzen eine Messkammer. Diese weist eine Öffnung auf, an die eine Einspritzdüse druckdicht ansetzbar ist. Spritzt die Einspritzdüse Kraftstoff in die Messkammer ein, wird ein in der Messkammer befindliches Fluid verdrängt. Hierdurch bewegt sich der Kolben, was von einem Wegsensor erfasst wird. Aus dem Weg des Kolbens kann auf die Volumenänderung der Messkammer bzw. des dort gehaltenen Fluids und hierdurch auf die eingespritzte Fluidmenge geschlossen werden.

Das bekannte Verfahren arbeitet bereits mit sehr hoher Genauigkeit. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen kommen jedoch immer mehr Einspritzsysteme zum Einsatz, welche sehr kleine Einspritzmengen einspritzen und bei denen die Einspritzungen aus mehreren, dicht hintereindander folgenden Teileinspritzungen bestehen. Bei der Messung solcher Einspritzungen kann eine noch genauere Erfassung der eingespritzen Mengen wünschenswert sein.

Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass auch kleinste Einspritzmengen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Auch sollen dicht hintereinander folgende Einspritzungen mit hoher Zuverlässigkeit messbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Volumen der Messkammer während der Einspritzung konstant ist, in der Messkammer ein Gasvolumen vorhanden ist, vorzugsweise ein Luftvolumen, und das eingespritzte Volumen an Prüffluid aus der Druckänderung in der Messkammer, welche sich bei einer Einspritzung ergibt, mittels der Zustandsgleichung für ideale Gase ermittelt wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, dass das eingespritzte Prüffluid im Wesentlichen inkompressibel ist. Bei dem eingespritzten Prüffluid handelt es sich normalerweise um ein Prüföl, welches, insbesondere dann, wenn Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen geprüft werden sollen, physikalische Eigenschaften aufweist, welche denen von Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff oder Benzin, entsprechen. Da das Volumen der Messkammer insgesamt während der Einspritzung konstant ist, wird bei einer Einspritzung das sich in der Messkammer befindliche Gasvolumen um das Volumen des eingespritzten Prüffluids verkleinert. Diese Verkleinerung des Gasvolumens resultiert in einer Erhöhung des Drucks im Gasvolumen (und hierdurch auch im Volumen des Prüffluids). Eine solche Änderung des Druckes in der Messkammer kann jedoch leicht erfasst werden. Aus der erfassten Druckänderung kann dann mit Hilfe der Zustandsgleichung für ideale Gase die entsprechende Volumenänderung ermittelt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also das Volumen des eingespritzten Prüffluids ausschließlich aufgrund einfacher physikalischer Zusammenhänge ermittelt, ohne dass zur Durchführung des Verfahrens irgendwelche beweglichen Teile erforderlich sind. Dadurch ergibt sich eine hohe Messgeschwindigkeit und darüber hinaus eine Verschleißfreiheit bei der Durchführung des Verfahrens. Verfälschungen des Messergebnisses, welche beim Stand der Technik z. B. aufgrund der Schwingungen der Kolbenmasse hervorgerufen werden, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen. Somit können auch kleinste Einspritzmengen, welche in dichter zeitlicher Folge hintereinander in die Messkammer eingespritzt werden, mit hoher Genauigkeit erfasst und bestimmt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Bei einer Weiterbildung wird vor einer Einspritzung das Volumen der gasdicht abgeschlossenen Messkammer um einen bestimmten Betrag verändert und aus der resultierenden Druckänderung das Gasvolumen in der Messkammer ermittelt. Diese Weiterbildung beruht auf dem Gedanken, dass das Gasvolumen in der Messkammer im Allgemeinen nur näherungsweise bekannt ist, da in der Messkammer beispielsweise abgespritztes Prüffluid von vorhergehenden Einspritzungen vorhanden ist und daher das Gasvolumen meist nicht dem Messkammervolumen entspricht. Eine vollständige Entleerung der Messkammer vor einer Einspritzung ist im Normalfall nur mit großem Aufwand möglich.

Mit der hier angesprochenen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch möglich, vor einer Einspritzung das Volumen des Gases in der Messkammer sehr genau und auf einfachste Art und Weise zu bestimmen. Hierzu wird das Volumen der Messkammer um einen bestimmten, also definierten und exakt bekannten, Betrag verändert, z. B. durch einen verschieblichen Kolben. Da die Messkammer gasdicht abgeschlossen und das in der Messkammer befindliche Prüffluid inkompressibel ist, resultiert aus der Volumenverkleinerung der Messkammer eine Kompression des in der Messkammer befindlichen Gasvolumens und eine entsprechende Druckerhöhung. Aus dieser wiederum kann unter Verwendung der Zustandsgleichung für ideale Gase und des Druckes im Gasvolumen vor der Volumenverkleinerung das Volumen des Gases ermittelt werden. Mit diesem genau bestimmten Gasvolumen in der Messkammer ist eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit möglich.

Eine nochmalige Verbesserung der Messgenauigkeit ist dann möglich, wenn die Temperatur des Gases und/oder des Prüffluids in der Messkammer erfasst und bei der Ermittlung des eingespritzten Volumens an Prüffluid berücksichtigt wird. Zwar kann grundsätzlich näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die Temperatur in der Messkammer bei einer Einspritzung in etwa konstant bleibt, in der Realität kommt es jedoch bei einer Einspritzung zu einer Veränderung dieser Temperatur. Dies hängt im Wesentlichen mit zwei physikalischen Effekten zusammen, nämlich zum einen der Umwandlung der kinetischen Energie des eingespritzten Prüffluids in Wärme und zum anderen mit einer adiabatischen Temperaturerhöhung des Gasvolumens in der Messkammer aufgrund der Druckerhöhung. Wird die Temperatur des eingespritzten Prüffluids und/oder des in der Messkammer vorhandenen Gases erfasst, kann dies in der Zustandsgleichung für ideale Gase berücksichtigt und hierdurch die Messgenauigkeit nochmals deutlich verbessert werden.

Die Messung der Absoluttemperatur des Gases und/oder des Prüffluids in der Messkammer ist jedoch mit üblichen Systemen nur mit einer gewissen Zeitverzögerung möglich, da diese auf Temperaturänderungen nicht sofort ansprechen. Daher wird in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, eine Temperaturerhöhung des eingespritzten Prüffluids aus der Differenz zwischem dem Druck, der im Einspritzsystem herrscht, und dem Druck in der Messkammer zu ermitteln. Bei dieser Weiterbildung wird also durch eine einfache Berechnung zumindest die aufgrund der Umwandlung der kinetischen Energie des Prüffluids in Wärme auftretende Temperaturerhöhung des eingespritzten Prüffluids berücksichtigt. Eine solche Berechnung kann mit großer Geschwindigkeit durchgeführt werden, so dass sofort entsprechende hochgenaue Messergebnisse vorliegen.

Besonders bevorzugt ist, dass die Messkammer vor einer Messung mit einem Gas, vorzugsweise mit Luft, gespült wird. Hierdurch wird ein großes Gasvolumen in der Messkammer geschaffen, was für den Messbereich ebenfalls günstig ist.

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fluidströmung in der Messkammer vergleichmäßigt und/oder verlangsamt. Dies erlaubt es, Druckschwingungen z. B. aufgrund von Druckwellen zu dämpfen.

Vorgeschlagen wird auch, dass die Messkammer ein Drahtgeflecht enthält. Durch dieses wird das eingespritzte Fluid zerteilt und der Temperaturausgleich beschleunigt.

Ferner kann die durch Temperaturerhöhung verursachte, zeitlich abklingende Druckänderung durch einen exponentiellen Ansatz beschrieben werden. In der einfachsten Form kann angenommen werden, dass die Temperaturerhöhung proportional ist zur beobachteten Druckerhöhung, d. h., dass jede (differentielle) Druckerhöhung aus einem prozentual konstanten Anteil besteht, der durch die Volumenverringerung der Messkammer durch das (differentiell) eingebrachte Fluidvolumen verursacht ist, und einem ebenfalls prozentual konstanten Anteil, welcher durch die Temperaturerhöhung verursacht ist, und welcher mit einem für die Messkammer charakteristischen Verlauf mit der Zeit exponentiell abklingt.

Außerhalb des Einspritzvorgangs kann der zeitlich abklingende Verlauf direkt gemessen werden, da keine Volumenverringerung der Messkammer durch Einspritzen erfolgt. In diesem Bereich kann daher die Zeitkonstante bestimmt werden und der prozentuale Anteil der Druckerhöhung infolge der Erhöhung der Temperatur. Mit Hilfe dieses exponentiellen Ansatzes kann auf einfache rechnerische Weise der allein durch die Einspritzung des Prüffluids hervorgerufene Druckanstieg ohne weitere Annahmen abgeleitet werden.

Da die Exponentalfunktion keinerlei periodische Anteile enthält, ergeben sich keine Überschwinger oder sonstige periodische Phänomene. Die zeitliche Auflösung der durch das Volumen des eingespritzten Fluids hervorgerufenen Volumenverringerung der Messkammer entspricht daher der zeitlichen Erfassung der Messkammerdrücke.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, mit einer Messkammer und einer Verbindungseinrichtung, mittels der ein Einspritzsystem mit der Messkammer verbunden werden kann, mit einem Drucksensor, welcher den Druck in der Messkammer erfasst, und mit einer Verarbeitungseinrichtung, welche das von dem Drucksensor bereitgestellte Messsignal verarbeitet.

Eine solche Vorrichtung entspricht dem eingangs genannten Einspritzmengenindikaor (EMI), welcher vom Markt her bekannt ist. Um die Messgenauigkeit einer solchen Vorrichtung insbesondere bei kleinen Einspritzmengen und bei zeitlich dicht aufeinander folgenden Einspritzungen zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Messkammer so ausgebildet ist, dass ihr Volumen während einer Einspritzung konstant gehalten werden kann, in der Messkammer ein Gasvolumen, vorzugsweise ein Luftvolumen, vorhanden ist und die Verarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie das eingespritzte Volumen an Prüffluid aus dem Messsignal des Drucksensors vor und nach der Einspritzung mittels der Zustandsgleichung für ideale Gase ermittelt.

Mit einer solchen Vorrichtung ist das eingangs genannte erfindungsgemäße Verfahren besonders gut und sicher durchführbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Vorrichtung keinerlei Teile enthalten muss, die während der Messung der Einspritzmenge mechanisch bewegt werden. Insoweit bedeutet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Abkehr vom besagten EMI mit während einer Einspritzung veränderlichem Volumen der Messkammer. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Messgeschwindigkeit sowie eine Verschleißfreiheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus leicht an entsprechende Messprobleme anpassbar und, wegen der fehlenden beweglichen Teile, auch relativ preiswert herstellbar.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass sie einen in definierter Weise verschieblichen Kolben umfasst, welcher die Messkammer bereichsweise begrenzt. Mit diesem Kolben kann das Volumen der Messkammer um einen bestimmten Betrag verändert werden, was eine Druckänderung des Gases in der Messkammer zur Folge hat. Aus dieser Druckänderung kann wiederum das Gasvolumen in der Messkammer ermittelt werden. Während einer Einspritzung liegt der Kolben unverschieblich fest.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Gasversorgung, vorzugsweise eine Druckluftquelle, welche mit der Messkammer verbindbar ist. Mit einer solchen Gasversorgung kann die Messkammer vor der Messung einer Einspritzmenge gespült werden, wodurch das bei der Messung zur Verfügung stehende Gasvolumen maximal ist, was wiederum die Messgenauigkeit bei einer Messung erhöht.

Vorgeschlagen wird auch, dass die Vorrichtung einen porösen Körper, vorzugsweise einen Sinterkörper, umfasst, welcher so angeordnet ist, dass Verwirbelungen in der Messkammer bei einer Einspritzung von Prüffluid vermieden werden. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die hohe Einspritzgeschwindigkeit bei heutigen Einspritzsystemen es zu Verwirbelungen des Gases und des Prüffluids in der Messkammer kommen kann, welche zu Störungen bei der Messung des Druckes führen können. Wird, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, jedoch ein poröser Körper entsprechend angeordnet, können solche Verwirbelungen vermieden und daher die Druckmessung stabiler und genauer gemacht werden. Möglich ist dabei auch, die Messkammer insgesamt in dem porösen Körper auszubilden. Ferner kann in der Messkammer z. B. ein Drahtgeflecht oder ein Knäuel aus langen Drehspänen vorhanden sein, welches aufgrund seiner großen Oberfläche Druckwellen besonders gut dämpfen kann.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor, welcher die Temperatur des Gases und/oder des Fluids in der Messkammer erfasst. Auf diese Weise kann die Temperatur des Gases und/oder des Fluids bei der Verwendung der Zustandsgleichung für ideale Gase berücksichtigt werden, was die Genauigkeit der Ermittlung des Volumens des eingespritzten Prüffluids nochmals erhöht.

Besonders bevorzugt ist schließlich, dass die Verarbeitungseinrichtung der Vorrichtung mit einem der beiden oben genannten Computerprogramme versehen ist.

Zeichnung

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen; und

Fig. 2: eine Ansicht ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen.

Beschreibung der Ausführungsbeipiele

In Fig. 1 trägt eine Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst eine Messkammer 12, die in ihrer Oberseite eine Öffnung 14 aufweist, die wiederum mit einem Dichtring 16 versehen ist. Auf diesen ist ein Einspritzsystem, vorliegend eine Einspritzdüse 18 eines Injektors, druck- und fluiddicht aufgesetzt. Die Einspritzdüse 18 ist mit einer Hochdruck- Prüffluidversorgung 20 verbunden.

Der in Fig. 1 untere Bereich der Messkammer 12 ist mit einem Prüffluid 22 gefüllt. Bei diesem handelt es sich um ein Prüföl, dessen physikalische Eigenschaften denen von Kraftstoff entsprechen. Der in Fig. 1 obere Bereich der Messkammer 12 ist mit einem idealen Gas, vorliegend mit Luft 24, gefüllt. Der Bereich der Messkammer 12, in dem die Luft 24 vorhanden ist, bildet ein Gasvolumen Vg. Vom oberen linken Bereich der Messkammer 12 zweigt ferner eine Stichleitung (ohne Bezugszeichen) ab, welche mit einem Drucksensor 26 verbunden ist. Die Temperatur Tg in der Messkammer 12 wird von einem Temperatursensor 28 erfasst. Vom in Fig. 1 oberen rechten Bereich der Messkammer 12 zweigt eine weitere Stichleitung (ohne Bezugszeichen) ab, welche über ein Ventil 30 mit einer Druckluftquelle 32 verbunden ist.

Der mit Prüffluid 22 gefüllte untere Bereich der Messkammer 12 ist über eine dritte Stichleitung (ohne Bezugszeichen) und ein Ventil 34 mit einem Auslass 36 verbindbar. In ihrem in Fig. 1 unteren Bereich wird die Messkammer 12 auch durch einen Kolben 38 begrenzt, der über eine Kolbenstange 40 durch die Wand der Messkammer 12 hindurch in die Messkammer 12 eingefahren und aus dieser ausgefahren werden kann. Die Bewegung des Kolbens 38 bzw. der Kolbenstange 40 erfolgt durch einen Stellmotor 42. Über diesen ist der Kolben 38 auch in einer bestimmten Position blockierbar.

Die Einspritzdüse 18, der Drucksensor 26, der Temperatursensor 28, die Ventile 30 und 34 sowie der Stellmotor 42 sind mit einer Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 elektrisch verbunden. Die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 steuert den Betrieb der gesamten Vorrichtung 10. Darüber hinaus ermittelt sie aus dem Messsignal des Drucksensors 26, welches dem Druck in der Messkammer 12 entspricht, und dem Messsignal des Temperatursensors 28, welches der Temperatur in der Messkammer 12 entspricht, das Volumen der von der Einspritzdüse 18 eingespritzten Menge an Prüffluid (Pfeile 46 in Fig. 1).

Die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 umfasst einen Flash-Memory (ohne Bezugszeichen), auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist. Durch das Computerprogramm wird die Vorrichtung 10 gemäß folgendem Verfahren gesteuert:
Zunächst wird das Ventil 34 von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 geöffnet und die Einspritzdüse 18 so angesteuert, dass eine größere Menge an Prüffluid (Pfeile 46) in die Messkammer 12 eingespritzt wird. Nach Beendigung der Einspritzung durch die Einspritzdüse 18 wird von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 das Ventil 30 geöffnet, wodurch die Messkammer 12 mit Druckluft gespült wird. Das Prüffluid 22 und die einströmende Druckluft (ohne Bezugszeichen) werden über das geöffnete Ventil 34 in den Auslass 36 abgeleitet. Auf diese Weise wird das in der Messkammer 12 befindliche Gasvolumen Vg maximiert.

Nun werden von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 die beiden Ventile 30 und 34 geschlossen. Da trotz des Spülens der Messkammer 12 mit Druckluft nicht sämtliche Prüffluidreste aus der Messkammer 12 entfernt werden können und daher das tatsächliche Gasvolumen Vg in der Messkammer 12 noch nicht bekannt ist, wird dieses nun auf folgende Art und Weise ermittelt:
Von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 wird der Stellmotor 42 so angesteuert, dass der Kolben 38 über die Kolbenstange 40 um eine genau definierte Strecke in die Messkammer 12 hineinbewegt wird. Um Leckageprobleme durch den Spalt zwischen Kolben 38 und der Wand der Messkammer 12 zu vermeiden, kann die Innenwand der Messkammer 12 an dieser Stelle auch durch eine hochelastische Membran gebildet werden, gegen die der Kolben 38 drückt. Ebenso kann anstelle eines Kolbens die Wand der Messkammer 12 auch eine Ausbeulung aufweisen, welche durch ein Stellelement über einen Totpunkt zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegt werden kann.

Aufgrund der Bewegung des Kolbens 38 in die Messkammer 12 hinein um eine definierte Strecke wird das Volumen der Messkammer 12 in definierter Weise verkleinert (der Durchmesser des Kolbens 38 kann als bekannt vorausgesetzt werden): Diese Volumenverkleinerung dV entspricht der Bewegungsstrecke des Kolbens 38 multipliziert mit dem Durchmesser des Kolbens 38. Da die Ventile 30 und 34 geschlossen sind, ist die Messkammer 12 insgesamt gasdicht abgeschlossen. Da davon ausgegangen werden kann, dass das Prüffluid inkompressibel ist, wird durch die Volumenverkleinerung dV der Messkammer 12 eine Druckerhöhung dp im Gasvolumen Vg hervorgerufen, die vom Drucksensor 26 erfasst wird. Da die Volumenänderung, d. h. die Geschwindigkeit, mit der der Kolben 38 bewegt wird, relativ klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass während der Volumenverkleinerung der Messkammer 12 die Temperatur im Gasvolumen konstant bleibt. Gemäß der Zustandsgleichung für ideale Gase ergibt sich somit das Volumen Vg der Luft 24 in der Messkammer 12 vor der Volumenverkleinerung dv als

Vg = dV.(Pg + dP)/dP.

Da die Volumenverkleinerung dV bekannt ist, kann nun auch das tatsächliche Volumen Vg des Gases 24 nach der Volumenverkleinerung dv bestimmt werden. Nun kann die eigentliche Messung des Volumens Vm des von der Einspritzdüse 18 eingespritzten Prüffluids 22 durchgeführt werden. Hierzu wird von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 die Einspritzdüse 18 entsprechend angesteuert. Da das von der Einspritzdüse 18 in die Messkammer 12 eingespritzte Prüffluid 22 inkompressibel ist, führt die Einspritzung zu einer Verringerung des in der Messkammer 12 verfügbaren Gasvolumens Vg um das eingespritzte Prüffluidvolumen Vm.

Vom Drucksensor 26 wird dabei der Druck Pg vor Beginn der Einspritzung sowie der Druck nach Ende der Einspritzung erfasst und entsprechende Signale an die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 geleitet. Aus den beiden erfassten Drücken kann die Druckdifferenz dP berechnet werden. Vom Temperatursensor 28 wird eine Temperatur Tg erfasst, welche vor Beginn der Einspritzung durch die Einspritzdüse 18 in der Messkammer 12 herrscht, und es wird die entsprechende Temperatur Tg2 erfasst, welche in der Messkammer 12 nach Ende der Einspritzung durch die Einspritzdüse 18 herrscht. Das eingespritzte Volumen Vm an Prüffluid ergibt sich nun nach folgender Gleichung:

Vm = Vg.(Pg.Tg2 - (Pg + dP).Tg1)/Tg1/(Pg + dP).

Während der eigentlichen Messung des eingespritzten Volumens Vm an Prüffluid 22 werden also bei der Vorrichtung 10 keinerlei Teile bewegt. Die Ermittlung des eingespritzten Volumens Vm erfolgt ausschließlich durch die Messung physikalischer Zustandsgrößen innerhalb der Messkammer 12. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Messgeschwindigkeit und eine sehr hohe Auflösung. Daher können mit der Vorrichtung 10 auch sehr kleine Einspritzmengen und zeitlich dicht aufeinander folgende Einspritzungen gemessen werden. Nach einer Messkampagne wird die Messkammer 12 wiederum durch Öffnen der Ventile 30 und 34 gespült und, nach dem Schließen der Ventile 30 und 34, das Gasvolumen Vg der Messkammer 12 durch Verschieben des Kolbens 38 ermittelt. Dann kann eine neue Messkampagne mit einer neuen Einspritzdüse 18 durchgeführt werden.

Da der Temperatursensor 28 eine gewisse Trägheit aufweist, kann die Temperatur Tg2 nach einer Einspritzung auch näherungsweise berechnet werden. Ausgangspunkt hierfür ist eine Anfangstemperatur Tg1 und eine folgendermaßen berechnete Temperaturdifferenz dT:
Das von der Einspritzdüse 18 in die Messkammer 12 eingespritzte Prüffluid 22 hat im Allgemeinen eine sehr hohe kinetische Energie. Unter der Annahme, dass die eingespritzte Menge Vm durch eine relativ kurze Einspritzdüse 18 in die Messkammer 12 eingespritzt wird und der Druck Ph in der Hochdruck-Prüffluidversorgung 20 bekannt ist, ergibt sich die kinetische Energie des von der Einspritzdüse 18 eingespritzten Volumens Vm als

Ekin = Vm.(Ph - Pe).

Die durch die Umwandlung der kinetischen Energie in Wärme bewirkte Temperaturerhöhung des eingespritzten Volumenelements Vm mit der Dichte ρ ergibt sich somit als

dT (Ph - Pg)/ρ.cp.

Diese Erhöhung der Temperatur des von der Einspritzdüse 18 in die Messkammer 12 eingespritzten Volumenelements Vm wird unter Verwendung der vom Drucksensor 26 bereitgestellten Signale in der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 44 berücksichtigt, wodurch die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der eingespritzten Menge Vm an Prüffluid 22 nochmals erhöht wird.

Auf sehr effektive Weise kann der durch die Erhöhung der Temperatur vorübergehend verursachte Druckanstieg durch eine abklingende Exponentialfunktion beschrieben werden. Da die Temperaturerhöhung durch die Einspritzung des Prüffluids 46 in die Messkammer 12 hervorgerufen wird, kann angenommen werden, dass diese Temperaturerhöhung proportional zum Volumen Vm des eingespritzen Fluids ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die kinetische Energie Ekin des eingespritzten Volumens Vm möglichst rasch überführt wird in Temperaturerhöhung und die Temperatur in der Messkammer 12 möglichst rasch ausgeglichen wird. Zu diesem Zweck wird in Fig. 1 die Messkammer 12 ausgefüllt mit einem Drahtgeflecht 13. Dieses Drahtgefelcht 13 sorgt zum einen dafür, dass das eingespritzte Fluidvolumen Vm in sehr kleine Tropfen zerteilt und zum Stillstand gebracht wird, zum anderen wird dadurch ein thermisch sehr inniger Kontakt zwischen Fluid und der Gasfüllung hergestellt.

Der nachfolgende Ansatz geht davon aus, dass der zeitlich abklingende Anteil der Druckerhöhung durch eine Exponentialfunktion (mit konstanter Zeitkonstante) angenähert werden kann, und dass dieser Anteil beschrieben werden kann durch die gemessene Druckänderung dP und einen konstanten Maßstabsfaktor b. Die Exponentialfunktion sei als cⁿ gegeben, dabei ist c eine Zahl mit 0 < c < 1 und n die Nummer der (zeitlich gleichabständigen) Druckwerte P(n). Die Nummer n entspricht einer Zeit.

Der Wert der Konstanten c kann aus dem Abklingverlauf außerhalb der Abspritzungen abgeleitet werden. Dies bedeutet, dass die beobachtete Druckänderung dP = P(n) - P'(n - 1) sich zusammensetzt aus einem Anteil (1 - b).[P(n) - P'(n - 1)], welcher ezitlich konstant bleibt und der Volumenänderung durch die Einspritzung entspricht, und einem Anteil b.[P(n) - P'(n - 1)], welcher entsprechend der Exponentialfunktion c° mit der Zeit n auf null abfällt. P'(n - 1) ist der vorhergehende gemessene Druckwert, umgerechnet auf den Zeitpunkt des Druckwertes P(n).

Die zeitliche Veränderung eines gemessenen Druckes hängt damit ab von den vorhergehenden Druckänderungen und dem Zeitabstand zu diesen Druckänderungen.

Es gilt also:
Der Druck P(n - 1) wurde zur Zeit n - 1 gemessen. Zur Zeit n, zu der der Druck P(n) gemessen wird, hat P(n - 1) abgenommen auf

P'(n - 1) = P(n - 1) - deltaP,

wobei deltaP = = b.Summe[(P(i) - P'(i - 1)).c^(n-1-i)].(1 - c)
i = 1 . . n - 1

Die Glieder b.[P(i) - P'(i - 1)].c^(n-1-i) der Summe sind die zeitabhängigen Druckanteile der Abspritzung zur Zeit i hochgerechnet auf den Zeitpunkt (n - 1). Der Faktor (1 - c) entspricht der Änderung vom Zeitpunkt (n - 1) auf den Zeitpunkt n.

Außerhalb der Abspritzungen gibt es keine Druckerhöhung durch eingespritztes Volumen, d. h., in diesem Bereich stimmt das beobachtete zeitliche Abklingen mit dem Abklingen der obigen Summe überein. Aus dieser Gleichheit kann der Maßstabsfaktor b abgeleitet werden.

In der Praxis wird der Ansatz einer Exponentialfunktion zur Beschreibung der zeitabhängigen Anteile der Druckerhöhungen bestätigt. Es ergeben sich außerhalb der Abspritzungen zeitlich konstante Druckverläufe für den nicht zeitabhängigen Anteil. Innerhalb der Abspritzungen liefert der Ansatz den wahren Verlauf der durch die Einspritzung verursachten (differentiellen) Druckänderungen. Da die Exponentialfunktion keinerlei periodischen Anteile enthält, treten in den berechneten (differentiellen) Volumenänderungen keine Überschwinger oder sonstige periodische Phänomene auf.

Der Ansatz liefert daher die Volumenänderung innerhalb der Abspritzungen mit der zeitlichen Auflösung, mit der die Drücke P(n) in der Messkammer 12 erfasst wurden. Der zeitlich abklingende Anteil der Druckerhöhung in der Messkammer 12 wird ursächlich durch das eingespritzte Prüffluid verursacht. Damit ist aber dieser Anteil prinzipiell ein Maß für das eingebrachte Volumen Vm und kann daher ebenfalls zur Ableitung des Volumens Vm verwendet werden.

Infolge der Temperaturerhöhung dT kommt es auch zu einer Erhöhung des Dampfdrucks innerhalb des Prüffluids 22. Bei üblichen Prüffluiden ist diese Erhöhung des Dampfdrucks bis zu einer Prüffluidtemperatur von ca. 200°C jedoch so gering, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit des Messergebnisses hat und somit unberücksichtigt bleiben kann. Infolge der Druckerhöhung in der Messkammer 12 wird auch eine adiabatische Temperaturerhöhung des vorhandenen Gases 24 hervorgerufen.

Wegen der feinen Verteilung des in die Messkammer 12 von der Einspritzdüse 18 eingespritzten Prüffluids 22 und der totalen Verwirbelung des Gases 24 mit dem insgesamt vorhandenen Prüffluid 22 kann jedoch davon ausgegangen werden, dass das Gas 24 in der Messkammer 12 in jedem Augenblick die Temperatur des Prüffluids 22 annimmt.

Das Messergebnis kann weiterhin dadurch beeinflusst werden, dass im Prüffluid 22 Gas, z. B. Luft, gelöst ist. Der Anteil an Luftblasen im eingespritzten Prüffluid 22 kann dabei bis zu 9% betragen. Falls zusätzlich noch bei der Kompression Luft in das Prüffluid 22 gelangt, ist der Anteil der Luft entsprechend größer. Der Effekt von im Prüffluid 22 gelöster Luft ist jedoch umso kleiner, je höher der Messkammerdruck Pg ist. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es daher vorteilhaft, insgesamt immer mit einem relativ hohen Druck Pg in der Messkammer 12 zu arbeiten.

Nun wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen dargestellt ist. In Fig. 2 tragen solche Teile, welche äquivalente Funktionen zu Teilen des ersten Ausführungsbeispieles haben, die gleichen Bezugszeichen. Auf sie wird hier nicht nochmals im Detail eingegangen.

Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist in der Messkammer 12 ein Sinterkörper 48 vorhanden. Dies hat folgenden Grund:
Durch die hohe Einspritzgeschwindigkeit bei der Einspritzung von Prüffluid 22 durch die Einspritzdüse 18 könnte es in der Messkammer 12 zu Verwirbelungen kommen, welche die Messung des Druckes durch den Drucksensor 26 stören oder diesen sogar beschädigen können. Außerdem kann es aufgrund der scharfen Einspritzimpulse zu Druckwellen in den Fluiden kommen. Derartige Druckwellen könnten insbesondere die Stabilität der Messung beeinträchtigen, so dass das Messergebnis erst nach einer gewissen Ruhephase nach einer Einspritzung mit der erforderlichen Genauigkeit vorliegt. Dies ist insbesondere bei zeitlich dicht aufeinander folgenden Einspritzungen von Nachteil.

Wird nun, wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, zwischen der Einspritzdüse 18 und dem Drucksensor 26 ein Sinterkörper 48 angeordnet, wird das von der Einspritzdüse 18 eingespritzte Prüffluid 22 vergleichmäßigt und hierdurch die Messung des Druckes durch den Drucksensor 26 stabilisiert. In dem oberhalb des Sinterkörpers 48 liegenden Teil der Messkammer 12 sind Knäuel von langen Drehspänen 50 vorhanden, durch die die Druckwellen abgebaut bzw. gedämpft werden.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass in Fig. 2 der oberhalb des Sinterkörpers 48 liegende Bereich mit Prüföl 22 gefüllt ist, wohingegen das Luftvolumen Vg im Sinterkörper 48 selbst gebildet ist. Diese Schichtung wird durch die Kapillarwirkung des Sinterkörpers 48 ermöglicht.

Im Übrigen arbeitet die Vorrichtung 10 von Fig. 2 nach dem gleichen Prinzip wie die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Einspritzmenge (Vm) von Einspritzsystemen (18), insbesondere von Brennkraftmaschinen, bei dem ein Prüffluid (22) von dem Einspritzsystem (18) in eine Messkammer (12) eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Messkammer (12) während der Einspritzung konstant ist, in der Messkammer (12) ein Gasvolumen, vorzugsweise ein Luftvolumen (Vg) vorhanden ist und das eingespritzte Volumen (Vm) an Prüffluid (22) aus der Druckänderung (dP) in der Messkammer (12), welche sich bei einer Einspritzung ergibt, mittels der Zustandsgleichung für ideale Gase ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Einspritzung das Volumen der gasdicht abgeschlossenen Messkammer (12) um einen bestimmten Betrag verändert wird und aus der resultierenden Druckänderung das Gasvolumen (Vg) in der Messkammer (12) ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tg) des Gases (24) und/oder des Prüffluids (22) in der Messkammer (12) erfasst und bei der Ermittlung des eingespritzten Volumens (Vm) an Prüffluid (22) berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerhöhung (dT) des eingespritzten Prüffluids (22) aus der Differenz zwischen dem Druck (Pg), der im Einspritzsystem herrscht, und dem Druck (Ph) in der Messkammer (12) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (12) vor einer Messung mit einem Gas, vorzugsweise mit Luft, gespült wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Prüffluids bei der Einspritzung vergleichmäßigt und/oder verlangsamt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (12) ein Drahtgeflecht (13) enthält.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Temperaturerhöhung in der Messkammer (12) verursachte Druckanstieg durch eine Exponentialfunktion beschrieben wird, welche zum eingespritzten Volumen (Vm) bzw. zur gemessenen Druckänderung (dP) proportional ist.

9. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.

10. Computerprogramm nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.

11. Vorrichtung zum Messen der Einspritzmenge von Einspritzsystemen (18), insbesondere von Brennkraftmaschinen, mit einer Messkammer (12) und einer Verbindungseinrichtung (16), mittels der ein Einspritzsystem (18) mit der Messkammer (12) verbunden werden kann, mit einem Drucksensor (26), welcher den Druck (Pg) in der Messkammer (12) erfasst, und mit einer Verarbeitungseinrichtung (44), welche das von dem Drucksensor (26) bereitgestellte Messsignal verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (12) so ausgebildet ist, dass ihr Volumen während der Einspritzung konstant gehalten werden kann, in der Messkammer (12) ein Gasvolumen, vorzugsweise ein Luftvolumen (Vg), vorhanden ist und die Verarbeitungseinrichtung (44) so ausgebildet ist, dass sie das eingespritzte Volumen (Vm) an Prüffluid (22) aus dem Messignal des Drucksensors (26) vor und nach der Einspritzung mittels der Zustandsgleichung für ideale Gase ermittelt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen in definierter Weise verschieblichen Kolben (38) umfasst, welcher die Messkammer (12) bereichsweise begrenzt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gasversorgung, vorzugsweise eine Druckluftquelle (32), umfasst, welche mit der Messkammer (12) verbindbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen porösen Körper, vorzugsweise einen Sinterkörper (48) umfasst, welcher so angeordnet ist, dass Verwirbelungen in der Messkammer (12) bei einer Einspritzung von Prüffluid (22) vermieden werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (12) in dem porösen Körper (48) ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Temperatursensor (28) umfasst, welcher die Temperatur (Tg) des Gases und/oder des Fluids in der Messkammer (12) erfasst.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (44) mit einem Computerprogramm nach einem der Ansprüche 6 oder 7 versehen ist.