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Einspritzventile,
wie sie beispielsweise für selbstzündende Brennkraftmaschinen
Verwendung finden, spritzen flüssigen
Kraftstoff oder andere Flüssigkeiten
unter hohem Druck in einen Brennraum, so dass dabei eine feine Zerstäubung stattfindet.
Dies ermöglicht
eine saubere und effektive Verbrennung bei den verschiedensten Betriebspunkten
der Brennkraftmaschine, da die Einspritzung in Verlauf und Dauer
angepasst werden kann. Bei sogenannten Common-Rail-Einspritzsystemen
ist es darüber
hinaus möglich,
auch den Einspritzdruck zu verändern, was
einen weiteren Parameter bei der Anpassung der Einspritzung darstellt.
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Damit
die Einspritzung wunschgemäß funktioniert,
müssen
die Einspritzkomponenten vor ihrem Einsatz geprüft werden. Hierzu gehört eine
Messung der Einspritzcharakteristik jedes Einspritzventils, also Menge
und zeitlicher Verlauf der Einspritzung. Diese Daten werden für eine elektronische
Steuerung der Einspritzung benötigt
und in das elektronische Motor-Steuergerät eingelesen. So ist beispielsweise
aus der Offenlegungsschrift
DE 102 49 754 A1 eine Vorrichtung und ein
Verfahren bekannt, mit dem die eingespritzte Menge und deren zeitlicher
Verlauf bestimmt werden können.
Bei einem Einspritzventil ist jedoch äußerst wichtig, dass der im
Einspritzventil vorhandene Kraftstoff nur dann durch die Einspritzöffnungen
austritt, wenn dies bei einer Einspritzung erwünscht ist. Ansonsten muss eine
sehr gute Abdichtung gegeben sein, damit kein Kraftstoff unkon trolliert
in den Brennraum tropft, was zu einer signifikanten Erhöhung der
Kohlenwasserstoff-Emissionen führen
würde.
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Die
bei Brennkraftmaschinen eingesetzten Einspritzventile arbeiten zur
Steuerung der Einspritzung meist mit einem beweglichen Ventilelement, beispielsweise
einer Düsennadel,
das im Einspritzventil angeordnet ist. Das Ventilelement wird einerseits
vom Druck in einem Druckraum beaufschlagt und andererseits von einer
Schließkraft.
Ist der Druck im Druckraum unter einem Öffnungsdruck, so verschließt das Ventilelement
die vorhandenen Einspritzöffnungen
und dichtet den Kraftstoff im Druckraum vollständig ab. Erst bei Überschreiten
des Öffnungsdrucks
bewegt sich das Ventilelement und gibt die Einspritzöffnungen
frei, so dass jetzt Kraftstoff aus dem Druckraum durch die Einspritzöffnungen
ausgespritzt wird.
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Bisher
ist es in der Herstellung üblich,
die Kraftstoffeinspritzventile mit einem Prüfdruck zu beaufschlagen, der
unter dem Öffnungsdruck
liegt. Die Prüfung
auf Dichtheit erfolgt durch bloßes
Betrachten, was deutliche Nachteile aufweist: Es können kleine
Leckmengen übersehen
werden und die Beurteilung, ob ein Einspritzventil als dicht angesehen wird,
hängt von
der subjektiven Sicht des Prüfers
ab. Außerdem
kann die Leckagemenge nicht quantitativ erfasst werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass sich die Dichtheit eines Einspritzventils zuverlässig, quantifizierbar
und in einer kurzen Zeit messen lässt. Hierzu wird das Einspritzventil
so angeordnet, dass dessen Einspritzöffnungen in ein Messvolumen
einmünden,
wobei das Messvolumen vollständig
mit der Prüfflüssigkeit
gefüllt
ist. Anschließend
wird im Druckraum des Einspritzventils ein Druck angelegt, der knapp
unterhalb des Öffnungsdrucks
liegt. Nach einer gewissen Zeit wird der Druck wieder abgesenkt
und die Druckänderung
im Messvolumen gegenüber
dem Beginn der Messung ermittelt. Aus der Differenz, soweit eine
solche eingetreten ist, lässt
sich die Leckagemenge des Einspritzventils berechnen, was direkt
ein Maß für die Dichtheit
ist.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die Messwerte
während
der gesamten Messdauer kontinuierlich aufgezeichnet, beispielsweise
von einem elektronischen Rechner. Aus dem Verlauf lässt sich
der zeitliche Verlauf der gegebenenfalls auftretenden Leckagemenge
direkt berechnen, so dass bereits während der Messung Aussagen über die
Dichtheit möglich
sind und die Messung eines undichten Einspritzventils vorzeitig
abgebrochen werden kann.
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In
einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird zur Berechnung
der Leckagemenge die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit
im Messvolumen verwendet. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn
die Schallgeschwindigkeit über
die Laufzeit eines Schallsignals bestimmt wird, das von einem Ende
des Messvolumens bis zum gegenüberliegenden
Ende läuft,
da somit eine integrale Messung über das
gesamte Volumen stattfindet und lokale Inhomogenitäten ohne
Auswirkung bleiben. Es kann auch vorgesehen sein, das an der Gegenseite
des Messvolumens reflektiertes Signal mit demselben Schallempfänger zu
messen, mit dem auch das Schallsignal erzeugt wird. Dadurch verdoppelt
sich die vom Schallsignal zurückgelegte
Wegstrecke und die Messgenauigkeit der Schallgeschwindigkeit ist
entsprechend höher.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der Beschreibung entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
ein Einspritzventil schematisch dargestellt. Es zeigt
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1 die
Messvorrichtung mit den schematisch dargestellten Komponenten,
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2 einen
Längsschnitt
durch ein Einspritzventil, dessen Dichtheit bestimmt werden soll und
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3a, 3b den
zeitlichen Verlauf des Drucks und der Druckänderunge im Messvolumen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
eine Messvorrichtung im Längsschnitt
schematisch dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Messverfahren
durchgeführt
werden kann. Die Messvorrichtung umfasst ein Messvolumen 1,
das vollständig
mit der Prüfflüssigkeit,
beispielsweise einem Prüföl, gefüllt ist.
Ziel der Messung ist es, die Dichtheit eines Einspritzventils 3 zu
messen, wie es im Längsschnitt
und ebenfalls schematisch in 2 dargestellt
ist. Das Einspritzventil 3 weist einen Ventilkörper 7 auf,
in dem ein Druckraum 9 ausgebildet ist, der am brennraumseitigen
Ende von einem Ventilsitz 6 begrenzt ist. Im Ventilsitz 6 sind
ein oder mehrere Einspritzöffnungen 12 ausgebildet,
die in Einbaulage des Einspritzventils 3 in den Brennraum
der entsprechenden Brennkraftmaschine ragen. Im Druckraum 9 ist
ein Ventilelement 5 längsverschiebbar
angeordnet, das mit dem Ventilsitz 6 zur Steuerung der
Einspritzöffnungen 12 zusammenwirkt.
Das Ventilelement 5 wird hierbei an seinem dem Ventilsitz 6 abgewandten
Ende von einer Schließkraft
Fs beaufschlagt, was in 2 durch Pfeile angedeutet ist.
Die Schließkraft
kann hierbei beispielsweise hydraulisch oder durch Federn erzeugt
werden.
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Der
Druckraum 9 kann über
einen im Ventilkörper 7 verlaufenden
Zulaufkanal 8 mit Kraftstoff unter Druck befüllt werden.
Hebt das Ventilelement 5 vom Ventilsitz 6 ab,
so fließt
Kraftstoff aus dem Druckraum 9 in Richtung der Einspritzöffnungen 12 und
wird durch diese ausgespritzt. Bei Anlage des Ventilelements 5 auf
dem Ventilsitz 6 sollten die Einspritzöffnungen 12 hingegen
gegen den Druckraum 9 abgedichtet werden, da ansonsten
unkontrolliert Kraftstoff austritt und sich ungünstig auf den Verbrennungsvorgang
im Brennraum auswirkt. Die Bewegung des Ventilelements 5 erfolgt
hierbei durch das Verhältnis
der Schließkraft
einerseits und der hydraulischen Kraft auf das Ventilelement 5 durch
den Kraftstoffdruck im Druckraum 9 andererseits. Durch
eine Änderung
der Schließkraft
oder des Kraftstoffdrucks im Druckraum 9 kann das Ventilelement 5 so
in seiner Längsrichtung
bewegt werden, um die Einspritzöffnungen 12 zu öffnen oder
zu verschließen.
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Bei
Einspritzventilen 3, wie sie für selbstzündende Brennkraftmaschinen
verwendet werden, muss der Kraftstoff unter sehr hohem Druck in
den Brennraum eingespritzt werden, um eine ausreichende Zerstäubung zu
erreichen. Ist die Schließkraft konstant
oder wird auf einen bestimmten Wert abgesenkt, so öffnet das
Ven tilelement 5 nur dann, wenn im Druckraum 9 ein
bestimmter Öffnungsdruck
poe erreicht bzw. überschritten wird. Unterhalb
dieses Drucks muss das Ventilelement 5 den Druckraum 9 sicher
gegen die Einspritzöffnungen
abdichten. Zur quantitativen Messung der Dichtheit und zur Bewertung
der Qualität
des Einspritzventils 3 geht man deshalb folgendermaßen vor:
Es
wird eine Messapparatur verwendet, wie sie in 1 dargestellt
ist und die ein Messvolumen 1 umfasst, das allseitig abgeschlossen
ist. In eine passende Öffnung
in der Wandung der Messapparatur wird das Einspritzventil 3 flüssigkeitsdicht
eingebracht, wobei die Einspritzöffnungen 12 in
das Messvolumen 1 münden.
In das Messvolumen 1 mündet
darüber
hinaus ein Drucksensor 20 und ein Temperatursensor 22,
wobei die dafür
notwendigen Durchgriffe an der Wandung flüssigkeitsdicht ausgeführt sind.
In der Wandung des Messvolumens 1 ist darüber hinaus ein
Schallgeber 15 angeordnet, dem ein Schallempfänger 17 gegenüberliegt.
Das Messvolumen 1 muss für die Messung vollständig mit
Kraftstoff oder einer sonstigen Prüfflüssigkeit gefüllt sein.
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Zu
Beginn des Messzyklus wird der Druck im Messvolumen 1 gemessen,
wobei es auch vorgesehen sein kann, den Druck mittels des Drucksensors 20 kontinuierlich
aufzuzeichnen und zu speichern, beispielsweise mit einem elektronischen
Rechner. Im Druckraum 9 des Einspritzventils 3 herrscht
ein niedriger Ausgangsdruck, bei dem eine Abdichtung des Druckraums 9 durch
das Ventilelement 5 gegeben ist. Um die Dichtheit zu prüfen wird
jetzt ein Prüfdruck
pp im Druckraum 9 angelegt, der
knapp unterhalb des Öffnungsdrucks
poe liegt. Durch den hohen Druck, der bei
Einspritzventilen für
schnelllaufende Brennkraftmaschinen 100 MPa und mehr betragen kann,
wird der Ventilkörper 3 im
Bereich des Druckraums 9 leicht verformt und dehnt sich
aus, was zu einer Erhöhung
des Drucks im Messvolumen 1 führt. Flüssigkeiten sind im Vergleich
zu Gasen praktisch inkompressibel, so dass auch eine kleine Volumenabnahme zu
einer gut messbaren Druckerhöhung
führt.
Dies ist in 3a dargestellt, wo der Druck
im Messvolumen 1 über
der Messzeit abgetragen ist. Zum Zeitpunkt t0 steigt
der Druck ausgehend vom Anfangsdruck pa auf ein
höheres
Niveau an, wo er solange verbleibt, wie der Prüfdruck pp im
Einspritzventil 3 anliegt. Der Prüfdruck pp im
Druckraum 9 wird eine bestimmte Messzeit tm gehalten,
bis der Druck zum Zeitpunkt t1 wieder auf
das Ausgangsniveau abgesenkt wird. Da die Verformung des Ventilkörpers 7 elastisch
erfolgt, zieht sich dieser wieder zusammen und nimmt seine ur sprüngliche
Form an, wodurch auch der Druck im Messvolumen 1 auf den
Enddruck pe abfällt. Der Verlauf des Drucks
im Messvolumen 1 ist in 3a sowohl
für den
Fall eines dichten Einspritzventils, mit a bezeichnet, als auch
für den
Fall eines undichten Einspritzventils, mit b bezeichnet, abgetragen.
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Die
Bewertung der Dichtheit ergibt sich jetzt aus der Druckdifferenz Δp im Messvolumen
vor und nach Anlegen des Prüfdrucks
pp. Ist der Enddruck pe höher als
der Ausgangsdruck pa, so kann dies nur an einem
zusätzlichen
Flüssigkeitsvolumen ΔV liegen, das
vom Einspritzventil 3 aufgrund von Undichtigkeit in das
Messvolumen 1 eingebracht wurde. Um aus der Druckerhöhung Δp auf das
Flüssigkeitsvolumen ΔV zu schließen, müssen die
Größen umgerechnet werden.
Hierbei gilt ΔV
= V/K·(pe – pa) = V/K·Δpwobei K der Kompressionsmodul
der Prüfflüssigkeit ist.
Um letztendlich die Einspritzmenge zu berechnen, ist eine Umrechnung
auf die Masse erforderlich, was die Kenntnis der Dichte ρ notwendig
macht: Δm
= ρ·ΔV = V·ρ/K·Δp
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Hierbei
hängt die
Dichte von der Temperatur der Prüfflüssigkeit
ab. Um dies zu berücksichtigen, wird
die Temperatur mittels eines Temperatursensors 22 im Messvolumen 1 gemessen
und die Dichte ρ entsprechend
korrigiert. Die Temperaturmessung ist dabei jedoch punktuell und
berücksichtigt
nicht eine eventuell ungleiche Temperatur im gesamten Messvolumen 1.
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Um
die Messgenauigkeit zu verbessern kann die Dichte auch aus der Schallgeschwindigkeit
c der Prüfflüssigkeit
berechnet werden. Es gilt Δm = V·Δρ
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Nach
der bekannten akustischen Theorie ist der Zusammenhang zwischen
der Schallgeschwindigkeit c, der Dichteänderung Δρ und dem Druckanstieg Δp wie folgt Δρ = Δp·1/c2 so dass Δm = V·1/c2·Δp = V·ρ/K·Δp (I)
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Es
ergibt sich also ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druckanstieg Δp und der
Mengenänderung Δm. Kennt
man die Schallgeschwindigkeit c, lässt sich damit aus der Druckänderung Δp direkt
die eingebrachte Mengenänderung Δm berechnen.
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Die
Schallgeschwindigkeit c wird in einem separaten Verfahrensschritt
bestimmt. Hierzu wird vom Schallgeber 15 ein Schallimpuls
ausgesandt, der von dem Schallempfänger 17 nach einer
Laufzeit ts aufgefangen wird. Aus dem Abstand
s von Schallgeber 21 und Drucksensor 20 berechnet
sich dann nach c = s/ts die
Schallgeschwindigkeit c. Nach der oben gezeigten Gleichung (I) ergibt
sich jetzt sofort die eingespritzte Menge Δm. Statt eines separaten Schallempfängers 17 kann
auch der Schallgeber 15 gleichzeitig als Schallempfänger dienen.
In diesem Fall wird das von der gegenüberliegenden Wand des Messvolumens
reflektierte Schallsignal gemessen, so dass sich die Schallgeschwindigkeit
c hier aus der Beziehung c = 2·s/ts ergibt, da das Schallsignal die Strecke
s zweimal durchläuft.
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Mit
dem Drucksensor 20 kann auch der zeitliche Verlauf des
Drucks gemessen werden, woraus sich wiederum die momentane Leckrate
r(t) des Einspritzventils 3 bestimmen lässt, also die pro Zeiteinheit
dt in das Messvolumen 1 gelangte Flüssigkeitsmenge dm(t). Aus der
Gleichung (I) ergibt sich für
die Einspritzrate r(t), also die zeitliche Ableitung der eingespritzten
Menge dm(t)/dt, folgender Zusammenhang: r(t)
= dm(t)/dt = V/c2·dp(t)/dt.
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Das
heißt,
dass bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit c und des Volumens V
aus dem zeitlichen Verlauf des Drucks p(t) die momentane Leckrate
r(t) berechnet werden kann. Dies ist in 3b dargestellt,
wo das zeitlich differenzierte Signal dp/dt des Druckverlaufs von 3a gezeigt
ist. Ist das Einspritzventil 3 undicht, so ergibt sich
nach Anlegen des Prüfdrucks
und dem damit einhergehenden sprunghaften Ansteigen des Drucks im
weiteren Verlauf ein leichter Druckanstieg im Messvolumen, was in
der zeitlichen Ableitung ein positives Signal ergibt, was in 3b mit
b bezeichnet ist. Ist das Einspritzventil 3 hingegen dicht,
so zeigt sich nach dem Anlegen des Prüfdrucks der Verlauf a, also
ein Null-Signal.
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Die
Prüfflüssigkeit
kann Kraftstoff sein oder eine andere Flüssigkeit, vorzugsweise eine,
deren Eigenschaften dem Fluid nahekommen, der im normalen Gebrauch
des Einspritzventils verwendet wird. Das Messvolumens 1 kann
eine beliebige Form aufweisen, wobei statt eines quaderförmigen Messvolumens 1 auch
eine kugelförmige
oder zylindrische Form vorgesehen sein kann.