DE102004011169A1

DE102004011169A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls

Info

Publication number: DE102004011169A1
Application number: DE200410011169
Authority: DE
Inventors: Alexander Gross; Klaus Biederer; Herbert Frankl
Original assignee: Sonplas GmbH
Current assignee: Sonplas GmbH
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: DE102004011169B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls. Bei diesem Verfahren wird ein Punktlichtstrahl erzeugt, welcher den Fluidstrahl durchläuft. Ferner wird der Punktlichtstrahl in dem Fluidstrahl verschoben, wobei mittels eines Sensors eine Intensität des Punktlichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls aufgenommen wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Erfassen eines Strahlbildes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls, insbesondere eines Einspritzstrahls bei einem Einspritzventil. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls.
Einspritzventile für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, sind bekannt. Derartige Einspritzventile geben Kraftstoff in Form von Strahlkegeln ab, die durch ihre Strahlbilder charakterisiert werden können. Es hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors maßgeblich von den Strahlbildern der verwendeten Einspritzdüsen abhängen können. So kann das Strahlbild insbesondere die Leistung, den Verbrauch und die Emissionseigenschaften des Verbrennungsmotors beeinflussen.
Zur Verbesserung des Verbrennungsverhaltens eines Verbrennungsmotors ist bekannt geworden, das Strahlbild durch geeignete Herstellung der Einspritzventile gezielt zu beeinflussen. Die Einspritzventile können dabei bevorzugt zur Direkteinspritzung im Magerbetrieb dienen, bei dem ein in der Summe zu mageres und somit nicht zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch eingespritzt wird, das jedoch lokal an der Zündkerze ausreichend fett und zündfähig ist. Bei dem Kraftstoff kann es sich insbesondere um Benzinkraftstoff handeln.
Aufgrund der Relevanz der Strahlbilder der Einspritzkegel für die Motoreneigenschaften ist eine Strahlbildprüfung wünschenswert, bei der das Strahlbild erfasst wird.

Es ist bekannt, zur Strahlbildprüfung die sogenannte Lichtschnitttechnik oder Lichtblatttechnik zu verwenden. Bei diesem bekannten Verfahren wird mittels einer Lichtschnittoptik ein breiter, ebener, insbesondere fächerförmiger Lichtschnitt mit geringer Dicke erzeugt, der von dem zu vermessenden Fluidstrahl durchlaufen wird. Dabei wird ein Abbild des Fluidstrahls beim Durchlaufen des Lichtschnittes mittels einer 2D-Kamera aufgenommen. Dieses optische Messverfahren ist jedoch insbesondere im Hinblick auf die Apparatekosten vergleichsweise aufwändig.

Zur Strahlbildprüfung ist es ferner bekannt, den Fluidstrahl über einen längeren Zeitraum, beispielsweise zehn Minuten, zu erzeugen und die abgegebene Fluidmenge in Sektoren einer angeströmten Ebene mengenmäßig zu erfassen. Eine derartige Messung ist jedoch vergleichsweise zeitintensiv und vorwiegend zur Bestimmung eines statischen Strahlbildes geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Strahlbildes zur Verfügung zu stellen, mit denen das Strahlbild besonders schnell, einfach und kostengünstig bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen eines Strahlbildes ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Punktlichtstrahl erzeugt wird, welcher den Fluidstrahl durchläuft, und dass der Punktlichtstrahl in dem Fluidstrahl verschoben wird, wobei mittels eines Sensors eine Intensität der Streuungen und Reflexionen des Punktlichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls aufgenommen wird.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein Messvolumen des Fluidstrahls mit einem dünnen, im Wesentlichen punktförmigen Lichtstrahl zu durchleuchten und dabei insbesondere Intensitätsänderungen des Lichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls mittels dem Sensor zu erfassen. Um hierbei einen zweidimensionalen Schnitt, insbesondere Radialschnitt, oder eine mehrdimensionale Abbildung des Fluidstrahls zu erhalten, werden mittels des Sensors eine Vielzahl von Intensitäten aufgenommen, bei denen der Lichtstrahl jeweils um einen definierten Abstand verschoben oder versetzt wird. Durch wiederholtes Verschieben des Lichtstrahles kann bevorzugt der gesamte Fluidstrahl im Schnitt erfasst werden. Das wiederholte Verschieben des Punktlichtstrahls im Fluidstrahl und das wiederholte Aufnehmen seiner Intensität kann dabei als Scannen des Einspritzstrahles bezeichnet werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Punktlichtstrahl gearbeitet wird, ist keine komplexe Lichtschnittoptik zum Erzeugen eines Lichtschnittes notwendig. Verglichen mit dem bekannten Lichtschnittverfahren können somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Apparatekosten erheblich reduziert werden. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders einfache Messung auch nicht statischer Strahlbilder.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich zum Vermessen eines Strahls eines beliebigen Fluides dienen. Unter einem Fluid wird dabei jedes strömungsfähige Kontinuum verstanden. Insbesondere kann es sich bei dem Fluid um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch, bevorzugt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, handeln. Es kann sich bei dem Fluid aber beispielsweise auch um einen Rauch handeln. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen des Strahlbildes eines Einspritzstrahls, der auch als Einspritzkegel bezeichnet werden und insbesondere von einem Einspritzventil oder Injektoren erzeugt werden kann, verwendet. Unter dem Begriff Strahlbild kann dabei bevorzugt eine Massenstromverteilung, eine Volumenstromverteilung und/oder eine Dichteverteilung im Fluidstrahl, insbesondere über eine Ebene, verstanden werden.

Unter einem Punktlichtstrahl kann erfindungsgemäß ein solcher Lichtstrahl verstanden werden, bei dem der Strahldurchmesser mindestens um den Faktor 10 kleiner als der Durchmesser des zu vermessenden Strahlbildes ist. Bevorzugt beträgt der Strahldurchmesser weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,1 mm. Im Gegensatz zu einem ebenen Lichtschnitt kann sich ein erfindungsgemäßer Punktlichtstrahl insbesondere dadurch auszeichnen, dass sein Strahlquerschnitt im Wesentlichen kreisförmig ist. Der Punktlichtstrahl besteht bevorzugt aus sichtbarem Licht. Aber auch Infrarot- und/oder Ultraviolettlicht können vorgesehen sein.

Zum erfindungsgemäßen Verschieben des Punktlichtstrahls ist es grundsätzlich möglich, eine Lichtquelle für den Punktlichtstrahl selbst zu verschieben. Alternativ oder zusätzlich können auch eine optische Umlenkeinrichtung, beispielsweise ein Spiegel, verschiebbar vorgesehen sein, wobei die Lichtquelle dann stationär angeordnet werden kann.

Das erfindunsgemäße Verfahren ist auch geeignet zur Bestimmung des Strahlbildes sogenannter Multi-Jet-Düsen, bei denen ein einziges Einspritzventil mehrere Einspritzkegel abgibt.

Erfindungsgemäß können das Verschieben des Punktlichtstrahls sowie das Aufnehmen seiner Intensität durch den Sensor jeweils kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Sofern die Intensität durch den Sensor kontinuierlich aufgenommen wird, kann es vorteilhaft sein, lediglich einen Teil der gewonnenen Aufnahmen zur Auswertung heranzuziehen. Ein Verschiebeweg des Punktlichtstrahls wird geeignerterweise mittels eines Wegaufnehmers bestimmt.

Besonders vorteilhaft ist es nach der Erfindung, dass aus der aufgenommenen Intensität, insbesondere mittels einer Datenverarbeitungsanlage, ein zwei- und/oder dreidimensionales Schnittbild des Fluidstrahls erzeugt wird. Hierzu kann bevorzugt Bildbearbeitungssoftware verwendet werden. Geeigneterweise wird zum Erzeugen des Schnittbildes die aufgenommene Intensität in Abhängigkeit von einem Verschiebeweg des Punktlichtstrahles in dem Fluidstrahl verwendet, wobei bei einer gleichförmigen Verschiebung des Punktlichtstrahls an Stelle des Verschiebewegs auch eine Verschiebezeit verwendet werden kann.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass mittels des Sensors die Absorption des Punktlichtstrahls beim Durchgang durch den Fluidstrahl bestimmt wird. In diesem Fall wird mittels des Sensors geeigneterweise die Intensität im Lichtstrahl nach Durchgang durch den Fluidstrahl bestimmt, wofür der Sensor geeigneterweise im Punktlichtstrahl angeordnet wird. Zur Bestimmung eines zweidimensionalen Strahl bildes kann dabei insbesondere vorgesehen sein, den Punktlichtstrahl in zwei Dimensionen zu verschieben. Insbesondere kann der Punktlichtstrahl um ein Rotationszentrum im Fluidstrahl, bevorzugt in dessen Zentrum, gedreht werden.

Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung jedoch, dass mittels des Sensors die Intensität, insbesondere die Streuintensität, entlang des Punktlichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls aufgenommen wird. Unter Streuintensität wird dabei die Intensität von solchem Licht verstanden, das beim Durchgang durch den Einspritzstrahl aus seiner ursprünglichen Richtung im Punktlichtstrahl abgelenkt wird. Eine solche Ablenkung kann neben einer Streuung auch beispielsweise in einer Beugung oder einer Reflexion begründet sein. Bevorzugterweise wird die Intensität entlang des Punktlichtstrahls ortsaufgelöst aufgenommen, wobei unterschiedlichen Orten unterschiedliche Pixel zugeordnet werden können. Eine einzelne Aufnahme gibt damit unmittelbar eine einzelne Zeile eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Strahlbildes wieder. Eine Vielzahl solcher Zeilen, die durch Verschiebung des Punktlichtstrahls gewonnen werden können, können dann zu einem zweidimensionalen Schnitt des Einspritzstrahles zusammengesetzt werden. Zur Erzeugung eines zweidimensionalen Schnitts ist gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform lediglich eine eindimensionale, d.h. lineare Bewegung des Punktlichtstrahls, bevorzugt in einer Richtung senkrecht zum Punktlichtstrahl, erforderlich, was das erfindungsgemäße Verfahren weiter vereinfacht. Durch Bewegung des Punktlichtstrahls in zwei bevorzugt senkrechten Raumrichtungen kann ein dreidimensionales Strahlbild erhalten werden.

Die Streuintensität kann ein Maß für eine Fluiddichte im Fluidstrahl darstellen. Insbesondere kann bei einem Kraftstoff-Luft-Strahl aus einer hohen Streuintensität auf eine hohe Kraftstoffdichte und/oder auf eine hohe Anzahl von Kraftstofftröpfchen geschlossen werden. Die Streuintensität kann geeigneterweise in Form eines Grauwerwertes wiedergegeben werden.

Besonders einfach zu interpretierende Aufnahmen des Punktlichtstrahls können erfindungsgemäß dadurch erhalten werden, dass der Punktlichtstrahl den Fluidstrahl in einer Strahlebene durchläuft, die in etwa senkrecht zu einer Längsachse des Fluidstrahls und/oder zu einer Ventillängsachse des Einspritzventils angeordnet ist. In diesem Fall kann das Strahlbild einen Querschnitt durch den Fluidstrahl darstellen.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Punktlichtstrahl im Fluidstrahl in einer Verschiebebene verschoben wird, die insbesondere mit der Strahlebene zusammenfällt. In diesem Fall kann durch eine rein lineare Verschiebung des Punktlichtstrahls ein zweidimensionales Strahlbild gewonnen werden. Zum Erzeugen eines dreidimensionalen Strahlbildes kann der Punktlichtstrahl nach der Verschiebung in der Verschiebeebene in eine weitere, parallel zur Verschiebeebene angeordnete zweite Verschiebeebene gebracht werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Punktlichtstrahl in einer beliebigen Bahn im Fluidstrahl zu verschieben. Zum Erzeugen eines Längsschnites des Fluidstrahls kann die Verschiebeebene auch senkrecht zur Strahlebene angeordnet werden.

Ein besonders gut aufgelöstes Strahlbild kann erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, dass eine optische Achse des Sensors etwa senkrecht zum Punktlichtstrahl angeordnet wird. Für eine besonders hohe Intensität im Sensor schnei det dessen optische Achse geeigneterweise den Punktlichtstrahl. Erfindungsgemäße kann der Justageaufwand für den Sensor dadurch verringert werden, dass die optische Achse des Sensors in der Verschiebeebene angeordnet wird.

Zur Fokussierung des abzubildenden Punktlichtstrahles bei dessen Verschiebung kann beispielsweise vor den Sensor eine Fokussieroptik angeordnet werden, deren Brennweite geändert wird. Eine besonders einfache und zuverlässige Verfahrensführung ergibt sich jedoch dadurch, dass der Punktlichtstrahl in dem Fluidstrahl unter Beibehaltung eines festen Abstandes zum Sensor verschoben wird. In diesem Fall kann ein Nachfokussieren beim Verschieben des Punktlichtstrahles grundsätzlich entfallen. Eine gleichzeitige Verschiebung bei festem Abstand kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass der Sensor und eine Lichtquelle für den Punktlichtstrahl beide an einem gemeinsamen, starren Verschiebeschlitten oder einer Verschiebeplatte befestigt sind. Der Punktlichtstrahl und der Sensor können aber auch mittels getrennter Antriebe verschoben werden, die dann synchronisiert werden können. Durch eine gemeinsame Bewegung des Punktlichtstrahls und des Sensors kann insbesondere die Brennweite der Fokussieroptik vor dem Sensor beim Erfassen des Strahlbildes unverändert bleiben.

Eine zeitaufgelöste Erfassung des Strahlbildes kann erfindungsgemäß dadurch realisiert werden, dass die Aufnahme der Intensität und/oder die Verschiebung des Punktlichtstrahls synchron mit der Erzeugung des Fluidstrahles durchgeführt wird. So kann beispielsweise die Aufnahme und/oder die Verschiebung nach einer vorher bestimmten Zeitspanne nach Öffnung des Einspritzventils durchgeführt werden. Die Aufnahme und/oder die Verschiebung können aber auch mit anderen Er eignissen bei der Erzeugung des Fluidstrahls, beispielsweise mit einer Änderung der Durchflussmenge, synchronisiert durchgeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Synchronisation können insbesondere eine Durchgangsfront des Fluidstrahls sowie nichtstatische Fluidstrahlen strahlbildmäßig erfasst werden. Zur erfindungsgemäßen Synchronisation ist vorteilhafterweise eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen, die mit dem Sensor und einer Steuereinrichtung für den Fluidstrahl, beispielsweise einer Ventilsteuerung, in Verbindung steht.

Grundsätzlich kann bei der Erfindung die Intensität des Punktlichtstrahles mittels des Sensors wellenlängenunabhängig aufgenommen werden. Zur Durchführung spektroskopischer Messungen kann jedoch eine wellenlängenabhängige oder wellenlängenaufgelöste Intensitätsaufnahme durch den Sensor vorteilhaft sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen, wodurch die in diesem Zusammenhang beschriebenen Vorteile erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Punktlichtstrahls, welcher den Fluidstrahl durchläuft, eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben des Punktlichtstrahls in dem Fluidstrahl und ein Sensor zum Aufnehmen einer Intensität des Punktlichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls vorgesehen sind.

Eine besonders brauchbare Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung einen Verschiebeschlitten aufweist, an dem der Sensor und die Lichtquelle befestigt sind.

Hierdurch wird ein gleichzeitiges Verschieben des Punktlichtstrahls mit dem Sensor unter Beibehaltung eines festen Abstandes hierzwischen in besonders einfacher und zuverlässiger Weise ermöglicht. Anstatt der Lichtquelle selbst kann aber auch eine optische Umlenkeinrichtung für den Punktlichtstrahl, beispielsweise ein Spiegel, an dem Verschiebeschlitten befestigt sein.

Vorzugsweise werden Sensor und Punktlichtstrahl über geeignete Halterungen so angeordnet, dass der Fluidstrahl in beliebigen Winkeln zur Strahlausbreitungsachse geschnitten werden kann.

Erfindunsgemäß besonders vorteilhaft ist es, dass der Sensor eine Kamera, insbesondere eine Zeilenkamera aufweist. Eine solche Zeilenkamera ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Streuintensität entlang des Punktlichtstrahls aufzunehmen ist, da es sich hierbei um ein zeilenförmiges Bild handelt. Grundsätzlich kann aber auch eine zweidimensional aufnehmende Kamera verwendet werden, wobei dann der optische Justieraufwand verringert sein kann. Die Verwendung einer Zeilenkamera ist aber auch dahingehend von Vorteil, dass mit derartigen Kameras häufig vergleichsweise hohe Bildwiederholfrequenzen erzielbar sind. So können derartige Zeilenkameras Bildwiederholfrequenzen von 10 kHz oder mehr aufweisen. Hohe Bildwiederholfrequenzen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn zeitaufgelöste Strahlbilderfassungen durchzuführen sind und/oder das Strahlbild in einer Durchgangsphase des Fluidstrahls erfasst werden soll. Bei einem dynamischen Injektor, der mit einer Schaltfrequenz von 100 Hz betrieben wird, können bei einer Bildwiederholfrequenz von 10 kHz beispielsweise während einer Öffnungszeit des Injektors von 5 ms 50 Aufnahmen des Punktlichtstrahls erfolgen. Darüber hinaus weist eine Zeilenkamera auch eine vergleichsweise hohe örtliche Auflösung auf. Eine zum Erfassen eines Strahlbildes eines Einspritzstrahles von einem Einspritzventil besonders geeignete Auflösung beträgt 2048 Pixel über eine Durchtrittslänge des Punktlichtstrahls durch den Einspritzstrahl von 60 mm. Schließlich sind Zeilenkameras auch vergleichsweise kostengünstig.

Um eine Dämpfung der Streulichtintensität im Fluidstrahl beim Verlauf zwischen dem Punktlichtstrahl und dem Sensor zu kompensieren, kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, dass ein Kompensationssensor vorgesehen ist, der insbesondere am Verschiebeschlitten befestigt ist und dessen optische Achse bevorzugt mit der optischen Achse des Sensor zusammenfällt. Vorteilhafterweise ist der Kompensationssensor auf einer dem Sensor abgewandten Seite des Fluidstrahles angeordnet. Wenn sich der Punktlichtstrahl somit im Fluidstrahl nahe dem Kompensationssensor befindet, ist die Streuintensität am Sensor aufgrund der Dämpfung im Fluidstrahl stark, am Kompensationssensor hingegen nur schwach bedämpft. Befindet sich der Punktlichtstrahl hingegen nahe dem Sensor im Fluidstrahl, so ist die Streulichtintensität am Sensor hoch und am Kompensationssensor niedrig. Durch entsprechende Signalverarbeitung, insbesondere Mittelwertbildung, der Signale vom Kompensationssensor und vom Sensor kann somit die Dämpfung des Streulichts im Fluidstrahl kompensiert werden.

Um das Strahlbild des Einspritzstrahls bezüglich einer Steckerachse eines Steckers am Einspritzventil besonders einfach bestimmen zu können, besteht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darin, dass eine Halteeinrichtung zum Halten des Einspritzventils vorgesehen ist, die insbesondere eine Position des Steckers des Einspritzventils bezüglich dem Sensor und/oder dem Punktlichtstrahl festlegt. Alternativ kann die Position des Steckers bezüglich dem Sensor und/oder dem Punktlichtstrahl auch mit einer Positionsbestimmungseinrichtung ermittelt werden.

Besonders einfach und kostengünstig kann ein Punktlichtstrahl erfindungsgemäß dadurch erzeugt werden, dass die Lichtquelle einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser, aufweist.

Aufgrund der oben näher beschriebenen Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses zur Strahlbildprüfung in der laufenden Fertigung von Einspritzventilen oder Injektoren dienen, um alle gefertigten Ventile zu prüfen. Die Strahlbildprüfung kann dabei Durchfluss- und/oder Dichtigkeitsprüfungen ergänzen oder ersetzen. Während es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung grundsätzlich möglich ist, dreidimensionale Strahlbilder zu erfassen, kann es insbesondere für eine Gut-/Schlecht-Prüfung bei der Produktion von Einspritzventilen ausreichend sein, ein zweidimensionales Strahlbild zu erfassen. Das Prüfergebnis kann zur Steuerung einer der automatischen Bearbeitungsstationen, etwa einer nachfolgenden Justierstation, eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispielen näher erläutert, die schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3a) bis
3d) Draufsichten einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4a) eine Untenansicht eines Einspritzventils, welches einen Fluidstrahl erzeugt und
4b) eine Seitenansicht in Richtung A – A des Einspritzventils mit Fluidstrahl aus 4a.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines Strahlbildes ist in den 1 und 2 dargestellt. Die Vorrichtung weist eine ebene Grundplatte 40 auf, an der oberseitig eine kastenartige Messkammer 42 angebracht ist. Oberseitig an der Messkammer 42 ist eine Halteeinrichtung 45 zur drehbaren Halterung eines in den 1 und 2 nicht erkennbaren Einspritzventils 5 vorgesehen. Durch das Einspritzventil 5 wird in der Messkammer 42 ein als Einspritzstrahl ausgebildeter, etwa konischer Fluidstrahl 10, bestehend aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch, erzeugt. Bodenseitig ist in der Messkammer 42 eine trichterartige Ablaufsammeleinrichtung 46 zum Abführen des Fluids, insbesondere des Kraftstoffs, aus der Messkammer 42 vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 22 auf, die einen als Laserstrahl ausgebildeten Punktlichtstrahl 20 erzeugt. Dieser Punktlichtstrahl 20 tritt durch ein erstes Messfenster 43 der Messkammer 42 in diese ein und durchdringt dort den Fluidstrahl 10.
Die dargestellte Vorrichtung weist ferner einen als Kamera ausgeführten Sensor 26 zur Lichterkennung auf. Durch ein zweites Messfenster 44 an der Messkammer 42 hindurch nimmt diese Kamera eine Streulichtverteilung entlang des Punktlichtstrahls 20 beim Durchtritt durch den Fluidstrahl 10 auf. Hierzu ist der Sensor 26 derart angeordnet, dass die optische Achse 27 des Sensors 26 den Punktlichtstrahl 20 im Inneren des Fluidstrahls 10 rechtwinklig schneidet. Die optische Achse 27 steht dabei senkrecht zu einer Bildebene oder einer Bildgeraden des Sensors 26 und durchläuft mittig eine Linsenoptik des Sensors 26.
Der Sensor 26 sowie die Lichtquelle 22 sind beide an einem als L-förmige Platte ausgebildeten Verschiebeschliten 32 fest angeordnet. Dieser Verschiebeschlitten 32 ist auf einer ersten Schiene 33 und einer zweiten Schiene 34 parallel zur Oberfläche der Grundplatte 40 verschiebbar. Aufgrund der festen Anordnung der Lichtquelle 22 und des Sensors 26 am Verschiebeschlitten 32 werden diese bei Verschiebung des Verschiebeschlittens 32 unter Beibehaltung ihrer relativen Position zueinander mitverschoben. Hierdurch wird der Punktlichtstrahl 20 in einer Verschiebeebene, die parallel oder in einem beliebigen Winkel zur Oberfläche der Grundplatte 40 verläuft, unter Beibehaltung seiner relativen Position, insbesondere seines Abstandes, zum Sensor 26 mit diesem verschoben. Zum Verschieben des Verschiebeschlittens 32 gegenüber der Grundplatte 40 ist an dieser ein Schrittmotor 37 angeordnet, der eine Antriebsspindel 38 innerhalb der nach oben offenen, zweiten Schiene 34 antreibt.
Zur Justierung der jeweiligen Höhe senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte 40 und senkrecht zur Verschiebeebene ist der Sensor 26 über eine Sensorjustiereinrichtung 28 und die Lichtquelle 22 über eine Lichtquellenjustiereinrichtung 23 höhenverstellbar an dem Verschiebeschlitten 32 befestigt. Hierbei weisen die Sensorjustiereinrichtung 28 und die Lichtquellenjustiereinrichtung 23 jeweils eine Verstellspindel auf. Mittels der Justiereinrichtungen 23, 28 kann zum einen die optische Achse 27 des Sensors 26 mit dem Punktlichtstrahl 20 zum Schnitt gebracht werden. Andererseits können hiermit der Sensor 26 und die Lichtquelle 22 mit dem Punktlichtstrahl 20 gleichermaßen verfahren werden. Dies erlaubt die Erfassung von zweidimensionalen Fluidstrahlquerschnitten auf unterschiedlicher Höhe entlang einer Längsachse 11 des konischen Fluidstrahls 10.
Die drehbare Halterung des Einspritzventils 5 mittels der Halteeinrichtung 45 erlaubt es, das Strahlbild des Fluidstrahls 10 bei verschiedener Orientierung des Fluidstrahls 10 aufzunehmen. Die Halteeinrichtung 45 weist dabei eine nicht dargestellte Aufnahme für einen Stecker 6 des Einspritzventils 5 auf. Diese ermöglicht es, die Position des Steckers 6 in der Vorrichtung insbesondere bezüglich dem Sensor 26 festzulegen oder zu bestimmen.
Die 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu der in 1 und 2 dargestellten Vorrichtung gleichwirkende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die in 3 dargestellte Messvorrichtung weist einen als Zeilenkamera ausgebildeten Sensor 26 sowie eine Lichtquelle 22 zum Erzeugen eines Punktlichtstrahls 20 auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung zum Erfassen eines in etwa konischen Fluidstrahls 10, der von einem Einspritzventil 5 mit einem Stecker 6 erzeugt wird. Der Sensor 26 und die Lichtquelle 22 befinden sich fest fixiert auf einem als U-förmige Platte ausgebildeten Verschiebeschlitten 32. Der Verschiebeschlitten 32 ist mit der Lichtquelle 22 und dem Sensor 26 in einer Radialrichtung des Einspritzventils 5, das auch als Injektor bezeichnet werden kann, in einer in der Zeichenebene liegenden Verschiebeebene verschiebbar. Die Position des Einspritzventils 5 und somit die des Fluidstrahls 10 bleibt während des gesamten Messvorgangs zum Erfassen des Strahlbildes unverändert.
Zur Verschiebung ist der Verschiebeschlitten 32 auf in 3 nicht dargestellten Schienen gelagert. Zum Erfassen des Strahlbildes wird der Verschiebeschlitten 32 mit dem Sensor 26 und der Lichtquelle 22 mit Hilfe eines in 3 nicht dargestellten Schrittmotors derart bewegt, dass der Punktlichtstrahl 20 durch den als Einspritzstrahl ausgebildeten Fluidstrahl 10 wandert. Der Sensor 26 nimmt während dieses Vorgangs in definierten Zeitabschnitten Aufnahmen von Reflexionen und sonstigen Streuungen, die durch den Punktlichtstrahl 20 im Fluidstrahl 10 erzeugt werden und die sich als eine Linie darstellen. Werden diese einzelnen Aufnahmen zusammengesetzt, ergibt sich ein zweidimensionaler Radialschnitt.
In dem in 3a) dargestellten Zustand befindet sich die Vorrichtung in einer Startposition, in der sich der Punktlichtstrahl 20 außerhalb des Fluidstrahls 10 befindet. Somit erfolgt keine Streuung des Punktlichtstrahls 20 im Fluidstrahl 10 und dieser ist für den Sensor 26 im Wesentlichen unsichtbar.
Bei dem in 3b) dargestellten Zustand bewegen sich der Verschiebeschlitten 32, der Sensor 26 und die Lichtquelle 22 gemeinsam in Pfeilrichtung in den Fluidstrahl. Der Punktlichtstrahl 20 durchleuchtet nun den Fluidstrahl 10. Entlang des Punktlichtstrahls entstehende Reflexionen und Streuungen erzeugen aus Sicht des Sensors 26 eine leuchtende Linie, die sich aus den Reflexionen und Streuungen einzelner Tröpfchen im Fluidstrahl 10 ergibt.
Aufgrund der gemeinsamen Bewegung von Verschiebeschlitten 32, Lichtquelle 22 und Sensor 26 können diese auch als Einheit bezeichnet werden. Zum linearen Verschieben kann diese Einheit auf Linearschienen gelagert sein.
Bei dem in 3c) gezeigten Zustand wandert der Punktlichtstrahl 20 in Pfeilrichtung durch den Fluidstrahl 10. Dabei nimmt der als Kamera ausgebildete Sensor 26 in gleichen zeitlichen Abständen Aufnahmen von den einzelnen leuchtenden Linien. Die Länge dieser Linien entspricht dabei der Breite des Fluidstrahls 10 an der jeweiligen Position des Punktlichtstrahls 20. Je mehr Aufnahmen getätigt werden, umso genauer ist die Auflösung des resultierenden Strahlbildes.
Bei dem in 3d) dargestellten Zustand befindet sich die Messvorrichtung in einer Endposition. In dieser wird der Fluidstrahl 10 vom Punktlichstrahl 20 nicht mehr erfasst. Somit entstehen auch keine Reflexionen oder Streuungen mehr. Die Messung ist grundsätzlich abgeschlossen, kann jedoch aus statistischen Gründen, insbesondere zur Mittelwertbildung, nochmals wiederholt werden.
Die 4a) und 4b) zeigen ein Einspritzventil 5, aus dem ein konischer Fluidstrahl 10 in Richtung seiner Längsachse 11 austritt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fluidstrahl symmetrisch um seine Längsachse 11 herum ausgebildet. Zum insbesondere elektrischen und/oder fluidmäßigen Anschluss des Einspritzventils 5 weist dieses seitlich einen Stecker 6 mit einer Steckerachse 16 auf.
Der Fluidstrahl 10 kann insbesondere durch drei Winkelangaben charakterisiert werden. Dies ist zum ersten der Öffnungswinkel α des konischen Fluidstrahls 10. Zum zweiten ist dies der Auslenkwinkel β, der auch als bent-Winkel bezeichnet werden kann, zwischen der Längsachse 11 des Fluidstrahls 10 und einer Ventillängsachse 7 des Einspritzventils 5. Zum dritten ist dies der Spraywinkel γ zwischen der Längsachse 11 und der Steckerachse 16. Diese drei Winkel können mittels Strahlbildern bestimmt werden, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls (10), insbesondere eines Einspritzstrahls bei einem Einspritzventil (5), dadurch gekennzeichnet, – dass ein Punktlichtstrahl (20) erzeugt wird, welcher den Fluidstrahl (10) durchläuft, und – dass der Punktlichtstrahl (20) in dem Fluidstrahl (10) verschoben wird, wobei mittels eines Sensors (26) eine Intensität des Punktlichtstrahls (20) beim Durchlaufen des Fluidstrahls (10) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der aufgenommenen Intensität, insbesondere mittels einer Datenverarbeitungsanlage, ein zwei- und/oder dreidimensionales Schnittbild des Fluidstrahls (10) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Sensors (26) die Intensität, insbesondere die Streuintensität, entlang des Punktlichtstrahls (20) beim Durchlaufen des Fluidstrahls (10) aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Punktlichtstrahl (20) den Fluidstrahl (10) in einer Strahlebene durchläuft, die in etwa senkrecht zu einer Längsachse (11) des Fluidstrahls (10) und/oder zu einer Ventillängsachse (7) des Einspritzventils (5) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Punktlichtstrahl (20) im Fluidstrahl (10) in einer Verschiebeebene verschoben wird, die insbesondere mit der Strahlebene zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse (27) des Sensors (26) etwa senkrecht zum Punktlichtstrahl (20) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Punktlichtstrahl (20) in dem Fluidstrahl (10) unter Beibehaltung eines festen Abstandes zum Sensor (26) verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Intensität und/oder die Verschiebung des Punktlichtstrahls (20) synchron mit der Erzeugung des Fluidstrahls (10) durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls (10), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Lichtquelle (22) zum Erzeugen eines Punktlichtstrahls (20), welcher den Fluidstrahl (10) durchläuft, – eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben des Punktlichtstrahls (20) in dem Fluidstrahl (10), und – ein Sensor (26) zum Aufnehmen einer Intensität von Streuungen und/oder Reflexionen des Punktlichtstrahls (20) beim Durchlaufen des Fluidstrahls (10) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung einen Verschiebeschlitten (32) aufweist, an dem der Sensor (26) und die Lichtquelle (22) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) eine Kamera, insbesondere eine Zeilenkamera aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationssensor vorgesehen ist, der insbesondere am Verschiebeschlitten (32) befestigt ist, und dessen optische Achse bevorzugt mit der optischen Achse (27) des Sensors (26) zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung (45) zum Halten des Einspritzventils (5) vorgesehen ist, die insbesondere eine Position eines Steckers (6) des Einspritzventils (5) bezüglich dem Sensor (26) und/oder dem Punktlichtstrahl (20) festlegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (22) einen Laser aufweist.
Anlage zur Herstellung und/oder Einstellung von Einspritzventilen (5), mit mehreren Bearbeitungsstationen, welche zur Bearbeitung der Einspritzventile (5) von diesen nacheinander durchlaufen werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prüfstation zum Erzeugen eines Prüfstrahls und Erfassen eines Strahlbildes, insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 14, integriert ist.