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Stand der Technik
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Eine Möglichkeit, die Eigenschaften eines Einspritzorgans, beispielsweise eines Common-Rail-Injektors, zu bewerten, ist es, die Menge und den Verlauf eines einzelnen Einspritzvorgangs in einer hydraulischen Prüfbank zu messen. Hierzu werden häufig Messsysteme verwendet, bei denen das Einspritzen eines Mediums eine Kolbenbewegung bewirkt. Die Bewegung des Kolbens wird gemessen und ermöglicht es, die Menge des eingespritzten Mediums zu berechnen.
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Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Einspritzung in eine geschlossene Druckmesskammer erfolgt. Die Druckmesskammer ist mit dem Einspritzmedium gefüllt und das Einspritzen zusätzlichen Einspritzmediums führt zu einem Druckanstieg in der Druckmesskammer. Dieser Druckanstieg ist nach einer entsprechenden Signalaufbereitung ein Maß für die eingespritzte Menge des Einspritzmediums.
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Beide Messprinzipien liefern Ergebnisse mit hoher Genauigkeit, aber Messgeräte, die auf diesen Prinzipien beruhen, sind aufwendig und daher für die Werkstattdiagnose wenig geeignet.
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Für Diagnoseanwendungen sind auch Verfahren bekannt, bei denen während des Einspritzvorgangs der Druckverlauf in der Zuleitung zum Einspritzorgan (Einspritzleitung), der ein Maß für die Charakteristik des Einspritzvorgangs darstellt, gemessen und ausgewertet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Bewertung eines Einspritzorgans mit hinreichender Genauigkeit bereitzustellen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bewertung eines Einspritzorgans hat eine Messkammer mit einer Aufnahmevorrichtung, in die das Einspritzorgan hydraulisch dicht einsetzbar ist, und einen Ablauf, in dem eine Blende oder Drossel ausgebildet ist. Zusätzlich umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Druckmessvorrichtung, die geeignet ist, den Druck in der Messkammer als Funktion der Zeit zu messen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bewertung eines Einspritzorgans umfasst die Schritte: Anbringen des Einspritzorgans an einer Messkammer derart, dass durch das Einspritzorgan ein fluides Medium in die Messkammer einspritzbar ist; Verbinden des Einspritzorgans mit einer Zuleitung, die dem Einspritzorgan ein fluides Medium zuführt; Ansteuern des Einspritzorgans über eine Einspritzzeit; kontrolliertes Abführen des eingespritzten Mediums aus der Messkammer; Messen des Druckverlaufs in der Messkammer über eine Messzeit; Auswerten wenigstens eines Bereichs des gemessenen Druckverlaufs.
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Das kontrollierte Abführen des eingespritzten Mediums aus der Messkammer kann beispielsweise durch einen Ablauf mit einem definierten Querschnitt erfolgen, insbesondere durch einen Ablauf, in dem eine Blende oder Drossel ausgebildet ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglichen eine einfache und kostengünstige Bewertung eines Einspritzorgans, da eine erfindungsgemäße Vorrichtung keine beweglichen Teile, wie beispielsweise Kolben oder Ventile enthält, die angesteuert oder deren Bewegungen gemessen werden müssen. Es wird vielmehr lediglich ein Drucksensor zur Messung des zeitlichen Druckverlaufs benötigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher sehr robust und wartungsarm und hat einen einfachen, kostengünstigen Aufbau.
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Beispielsweise erfolgt die Auswertung der Signale des Drucksensors auf Grundlage der sogenannten Blendengleichung und die Messung wird an bestimmten Lastpunkten durchgeführt. Temperatureinflüsse, die Viskosität und das Kompressionsmodul des eingespritzten Mediums sind dabei in der Regel vernachlässigbar.
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Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht notwendig, in den Hochdruckbereich des Einspritzsystems, d. h., in den im Betrieb unter hohem Druck stehenden Bereich, der stromaufwärts des Einspritzorgans angeordnet ist, einzugreifen. Dadurch wird das Verfahren vereinfacht und die Sicherheit erhöht.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren sind unabhängig von der Art des Einspritzorgans und des Druckbereichs, in dem die Einspritzung vorgenommen wird. Durch Änderung des Volumens der Messkammer und/oder des Durchmessers der Blende kann die Vorrichtung an Einspritzsysteme, die in den unterschiedlichsten Druck- und Mengenbereichen arbeiten, angepasst werden.
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So können ein relativ kleines Volumen der Messkammer und ein entsprechend kleiner Blendendurchmesser gewählt werden, um kleine Einspritzmengen im Bereich von weniger als 10 mm3 hinreichend genau aufzulösen. Für Einspritzsysteme vom Nutzfahrzeugen mit Einspritzmengen von bis zu 1.000 mm3 können ein entsprechend größeres Kammervolumen und/oder ein größerer Blendendurchmesser gewählt werden.
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Durch die Verwendung eines hochwertigen Drucksensors und/oder eine Druckmessung vor und nach der Blende bzw. Drossel und die Auswertung der Druckdifferenz können auch kleine Einspritzmengen mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
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Alternativ können mehrere parallel zueinander angeordnete Abläufe vorhanden sein, oder es können in einem Ablauf mehrere parallel zueinander angeordnete Blenden vorgesehen sein, die, z. B. durch ein druckgesteuertes Ventil, druckabhängig freischaltbar sind, wodurch der insgesamt zur Verfügung stehende Querschnitt (Blendendurchmesser) des Ablaufs wahlweise eingestellt werden kann. Insbesondere kann ein größerer Blendendurchmesser eingestellt werden, wenn die Einspritzung mit hohem Druck ausgeführt wird und/oder ein großes Volumen eingespritzt wird.
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In einer Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Druckregelvorrichtung, die geeignet ist, einen gewünschten Druck innerhalb der Messkammer einzustellen. So können die Einspritzung und die Messung in verschiedenen, gezielt einstellbaren Druckbereichen vorgenommen werden.
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In einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Blende oder Drossel so ausgebildet, dass der Durchsatz durch die Blende bzw. Drossel im Wesentlichen unabhängig von der Viskosität des Prüfmediums ist. Der Durchsatz durch die Blende bzw. Drossel ist dann nur von der Dichte des Prüfmediums, der Druckdifferenz über die Blende bzw. Drossel, dem Durchmesser der Blende bzw. Drossel sowie einer konstanten Verlustziffer abhängig. Die Messungen können so in einem weiten Temperaturbereich mit hinreichender Genauigkeit durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Messkammer so ausgebildet, dass der Druck in der Messkammer mit zunehmender Einspritzmenge degressiv ansteigt. Eine derart ausgebildete Messkammer ist geeignet, ohne eine Veränderung des Messsystems kleine Einspritzmengen mit hoher Genauigkeit zu messen, ohne dass bei großen Einspritzmengen und/oder hohem Einspritzdruck der maximal zulässige Druck in der Messkammer überschritten wird. Ein derartiges Messsystem ist daher sehr flexibel über einen großen Einspritzmengen- und Druckbereich einsetzbar.
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In einer Ausführungsform ist die Messkammer mit wenigstens einer flexiblen Wand ausgebildet. Durch eine flexible Wand kann besonders einfach eine Messkammer mit einem degressiven Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge und dem Druck in der Messkammer bereitgestellt werden.
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Eine Messkammer mit einem solchen degressiven Zusammenhang kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass die Messkammer als ein Schlauchstück ausgebildet und/oder ein vorgespannter Blasen-/Federspeicher hydraulisch mit der Messkammer verbunden wird.
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In einer Ausführungsform ist der Innenraum der Messkammer derart ausgebildet, dass Druckwellen innerhalb des Einspritzmediums durch gezielte Reflexionen an den Innenflächen der Messkammer ausgelöscht oder zumindest gedämpft werden. Insbesondere kann in wenigstens einem Bereich der Innenfläche der Messkammer eine gewindeartige Struktur ausgebildet sein, welche Druckwellen innerhalb des Einspritzmediums dämpft. Durch das Dämpfen von Druckwellen im Einspritzmedium innerhalb der Messkammer wird das Auswerten des zeitlichen Druckverlaufs in der Messkammer vereinfacht und eine Beschädigung des Drucksensors durch Druckspitzen zuverlässig vermieden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, bevor das Einspritzorgan angesteuert wird, um einen Einspritzvorgang auszulösen, ein Ausgangsdruckniveau p0 in der Messkammer eingestellt. So können die Einspritzung und die Messung in einem gezielt gewählten Druckbereich vorgenommen werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Messzeit TM, während der der Druckverlauf gemessen wird, die Zeit vom Beginn eines Einspritzvorgangs bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Druck p in der Messkammer wieder das Ausgangsdruckniveau p0, das vor dem Beginn des Einspritzvorgangs in der Messkammer geherrscht hat, erreicht hat.
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Das Auswerten des Druckverlaufs schließt ein, aus dem während der Messzeit TM gemessenen Druckverlauf den Durchsatz durch den Ablauf, d. h. durch die Blende bzw. Drossel, zu berechnen. Da die Messkammer keine weiteren Abflüsse aufweist, ist der Durchfluss durch den Ablauf identisch mit der Einspritzmenge.
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Da am Ende der Mess- und Auswertzeit in der Messkammer der gleiche Druck p0 wie vor dem Beginn des Einspritzvorgangs herrscht, haben druckbedingte Änderungen des Volumens des Einspritzmediums und/oder der Messkammer, wie sie bspw. durch eine Elastizität der Wandung der Messkammer oder das Kompressionsmodul des Einspritzmediums verursacht werden, keinen Einfluss auf die Ermittlung der Einspritzmenge. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist daher besonders für Messkammern geeignet, die einen degressiven Zusammenhang zwischen der Einspritzmenge und dem Druck in der Messkammer aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform wird der Druckverlauf nur während der Einspritzzeit ausgewertet und der zeitliche Verlauf des Durchsatzes berechnet. Da sich die Messkammer am Ende der Auswertzeit nicht im gleichen Zustand wie vor dem Beginn des Einspritzvorgangs befindet, ist die Nachgiebigkeit des Einspritzmediums (Kompressionsmodul) und eine ggf. vorhandene Elastizität der Messkammer zu berücksichtigen. Diese Variante des Verfahrens ist daher aufwendiger als die zuvor beschriebene Variante, ermöglicht dafür aber die Auswertung zusätzlicher Parameter des zeitlichen Verlaufs des Einspritzvorgangs, wie beispielsweise der Einspritzrate und des Einspritzverlaufs.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Druckverlauf über einen beliebigen Zeitraum nach Beginn des Einspritzvorgangs betrachtet und der Druckverlauf in diesem Zeitraum wird mit einem vorgegebenen Referenz-Druckverlauf verglichen. Diese Variante erlaubt relative Vergleiche des Druckverlaufs und ist besonders einfach durchzuführen.
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Beispielsweise ist es für einen relativen Vergleich der Einspritzmenge ausreichend, den Druckverlauf während der Einspritzzeit zu integrieren. Um Einflüsse auf den Einspritzbeginn zu untersuchen, ist es ausreichend, den Beginn des Druckanstiegs zu betrachten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 schematisch den Verlauf des Drucks in der Messkammer als Funktion der Zeit;
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3a Beispiele für gemessene Druckverläufe in der Messkammer für unterschiedliche Ansteuerungen des Einspritzorgans; und
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3b die aus den in der 3a gezeigten Druckverläufen berechneten Einspritzmengen als Funktion der Zeit.
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Bewertung eines Einspritzorgans 6, insbesondere eines Kraftstoffinjektors, wie er beispielsweise in Common-Rail-Systemen verwendet wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 weist eine Messkammer 4 mit einer in der 1 nicht gezeigten Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des zu prüfenden Einspritzorgans 6 auf. Das Einspritzorgan 6 ist derart in die Aufnahmevorrichtung eingesetzt, dass die Messkammer 4 hydraulisch dicht abgeschlossen ist. Über eine mit dem Einspritzorgan 6 verbundene Zuleitung 16 ist das Einspritzorgan 6 mit einem einzuspritzenden Medium (Einspritzmedium), z. B. mit (Diesel-)Kraftstoff oder einem Prüföl, versorgbar. Der Druck in der Zuleitung 16 ist einstellbar und kann insbesondere auf den Druck eingestellt werden, der im realen Betrieb des Einspritzorgans 6 in einem Verbrennungsraum eines Motors herrscht.
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Die Vorrichtung 2 weist eine Auswert- und Steuervorrichtung 20 auf, die mit dem Einspritzorgan 6 verbunden und ausgebildet ist, um das Einspritzorgan 6 zum Auslösen eines Einspritzvorgangs anzusteuern.
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Die Messkammer 4 weist wenigstens einen Ablauf 18 auf, in dem eine Blende 8 ausgebildet ist. Durch den Ablauf 18 und die Blende 8 kann das Einspritzmedium 4 kontrolliert aus der Messkammer 2 ablaufen. In dem Ablauf 18 ist stromabwärts der Blende 8, d. h. auf der von der Messkammer 4 abgewandten Seite der Blende 8, eine Druckregelvorrichtung 12 vorgesehen, durch die der Druck in der Messkammer 4 auf ein gewünschtes Druckniveau einstellbar ist. Die Druckregelvorrichtung 12 ist mit der Auswert- und Steuervorrichtung 20 verbunden und wird von dieser angesteuert, um das gewünschte Druckniveau in der Messkammer 4 einzustellen.
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Ein Drucksensor 10 ist hydraulisch mit der Messkammer 4 verbunden bzw. an oder in der Messkammer 4 angeordnet, um den Druck p, der in der Messkammer 4 herrscht, zu messen. Im Betrieb leitet der Drucksensor 10 das Ergebnis der Messung zur weiteren Verarbeitung an die Auswert- und Steuervorrichtung 20 weiter.
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Um Lufteinschlüsse in der Messkammer 4 effektiv entfernen zu können, weist die Messkammer 4 eine Entlüftung 14 auf. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine verschließbare Entlüftung 14 im oberen Bereich der Messkammer 4 angeordnet. Alternativ kann der Ablauf 18 aus der Messkammer 4 im oberen Bereich der Messkammer 4 angeordnet sein, so dass in der Messkammer 4 vorhandene Luft durch den Ablauf 18 aus der Messkammer 4 entweicht. In diesem Fall kann auf eine zusätzliche Entlüftung 14 verzichtet werden.
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Weiterhin ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Überdruckventil 22 vorgesehen, das so ausgebildet ist, dass es sich bei einem vorgegebenen Druck, der über dem im normalen Betrieb maximal auftretenden Druck in der Messkammer 4 liegt, öffnet, um die Messkammer 4, das Einspritzorgan 6, die Blende 8 und den Drucksensor 10 vor Beschädigungen, die durch einen zu hohen Druck in der Messkammer 4 verursacht werden können, zu schützen.
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Durch gezieltes Ansteuern der Druckregelvorrichtung 12 kann in der Messkammer 4 ein Einspritzgegendruck eingestellt werden, wie er auch im realen Betrieb des zu prüfenden Einspritzorgans 6 auftritt. Beispielsweise werden in Motoren von Nutzfahrzeugen Verbrennungsdrücke von bis zu 250 bar erreicht. Diese hohen Drücke haben Einfluss auf den Einspritzvorgang, insbesondere auf die Nadeldynamik im Einspritzorgan 6 und den Durchsatz. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 können diese Einflüsse gezielt und einfach unter kontrollierten Bedingungen reproduziert und untersucht werden.
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2 zeigt in einer einfachen, schematischen Darstellung den Druckverlauf p (y-Achse) in der Messkammer 4 als Funktion der Zeit t (x-Achse). Zum Zeitpunkt t0 wird durch die Auswert- und Steuervorrichtung 20 ein Einspritzvorgang ausgelöst und der Druck p in der Messkammer 4 steigt über die Einspritzzeit TE = t1 – t0 an, da die Menge des durch das Einspritzorgan 6 in die Messkammer 4 eingespritzten Einspritzmediums größer ist, als die Menge, die im gleichen Zeitraum durch die Blende 8 und den Ablauf 18 aus der Messkammer 4 abfließt.
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Zum Zeitpunkt t1 ist der Einspritzvorgang beendet. Die zusätzliche Menge des Einspritzmediums, die während des Einspritzvorgangs in die Messkammer 4 gelangt ist, fließt durch die Blende 8 und den Ablauf 18 aus der Messkammer 4 ab, bis zum Zeitpunkt t2 wieder das Ausgangsdruckniveau p0 in der Messkammer 4, welches vor dem Beginn des Einspritzvorgangs in der Messkammer 4 geherrscht hat, erreicht ist. Der Zeitraum vom Auslösen des Einspritzvorgangs t0 bis zu diesem Zeitpunkt t2 ist der für die Auswertung des Druckverlaufs p(t) interessante Bereich TM.
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3a zeigt Beispiele von real gemessenen Druckverläufen p(t) in der Messkammer 4 für fünf verschiedene Einspritzvorgänge.
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3b zeigt die durch Integration des jeweiligen Druckverlaufs p(t) über die Zeit t ermittelte Einspritzmenge Q für jeden der in 3a gezeigten Einspritzvorgänge.
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Nachdem der Druck p in der Messkammer 4 wieder auf den Ausgangswert p0 zurückgekehrt ist (3a), steigt die Einspritzmenge Q nicht weiter an, sondern verbleibt auf einem Maximalwert Qmax (3b), der charakteristisch für den jeweiligen Einspritzvorgang ist und die während des Einspritzvorgangs eingespritzte Menge des Einspritzmediums repräsentiert.
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Durch Vergleich der so ermittelten Einspritzmenge Qmax mit einem vorgegebenen Sollwert, der beispielsweise in der Auswert- und Steuervorrichtung 20 gespeichert ist, kann die Qualität des geprüften Einspritzorgans 6 bewertet werden.
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Alternativ kann die ermittelte Einspritzmenge Qmax auf einer Anzeigevorrichtung ausgegeben werden und der Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert erfolgt durch den Benutzer.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kehrt im Betrieb selbstständig in den Ausgangszustand zurück, so dass die Erfindung besonders gut für die Auswertung unmittelbar aufeinander folgender Einspritzvorgänge geeignet ist. So kann der Verlauf der Einspritzmengen und Einspritzverläufe über eine Anzahl unmittelbar aufeinander folgender Einspritzvorgänge einfach betrachtet und ausgewertet werden, ohne dass es erforderlich ist, die Vorrichtung beispielsweise durch das Öffnen von Druckentlastungsventilen o. Ä. wieder in den Ausgangszustand zu bringen.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine einfache und kostengünstige Messung und Auswertung einer Vielzahl schnell aufeinander folgender Einspritzvorgänge und eine bessere Bewertung des Einspritzorgans als mit bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen.
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Die Erfindung kann zur Diagnose verschiedener Einspritzsysteme, z. B. im Servicebereich, eingesetzt werden, insbesondere wenn es darum geht, Injektoren bezüglich ihrer Einspritzmenge zu vergleichen, wie es beispielsweise bei Zündstrahlmotoren, wie sie in Blockheizkraftwerken eingesetzt werden, nötig ist.
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Ebenso kann die Erfindung bei der Entwicklung von Einspritzsystemen, vor allem im Bereich der Vorentwicklung, eingesetzt werden, wo im Projektrahmen kurzfristig Möglichkeiten zur Bewertung von Einspritzelementen benötigt werden.
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Ein Beispiel ist die Entwicklung von Ventilen zur Einspritzung von wässriger Harnstofflösung. Dort können Messsysteme aus dem Bereich der „konventionellen Einspritzung” aufgrund der chemischen Eigenschaften des Dosiermediums sowie des Druckbereiches in der Regel nicht verwendet werden. Ähnliches gilt für andere Komponenten im Umfeld von Verbrennungsmotoren, Wassereinspritzung ins Saugrohr, Einspritzung von Kraftstoff in den Abgastrakt (HCl) usw.