DE102015201817B4 - Mass flow curve CNG valve - Google Patents
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Abstract
System (20) zum Messen von Durchströmungsparametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils für eine Brennkraftmaschine umfassend eine Messkammer (1) mit mindestens einer Dämpfungshülse (7), einen Drucksensor, einen Temperatursensor, ein Pneumatikventil (24) und ein Wegmesssystem (21), das ein optisches Messsystem ist,dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer (1) gegenüber der Aufnahmeeinrichtung für das Gas-durchströmbare Ventil (3) ein transparenter Körper im Innenraum der Messkammer (2) angeordnet ist.System (20) for measuring flow parameters of a valve through which a gas can flow for an internal combustion engine, comprising a measuring chamber (1) with at least one damping sleeve (7), a pressure sensor, a temperature sensor, a pneumatic valve (24) and a position measuring system (21), the is an optical measuring system, characterized in that a transparent body is arranged in the interior of the measuring chamber (2) in the measuring chamber (1) opposite the receiving device for the valve (3) through which gas can flow.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Durchströmungseigenschaften eines von einem Gas durchströmbaren Ventils, und ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device for measuring the flow properties of a valve through which a gas can flow, and a corresponding method.
Gas-durchströmbare Ventile finden in vielen technischen Vorrichtungen Verwendung, z. B. bei mit Erdgas betriebenen Motoren. In der Entwicklung von Erdgasmotoren, auch CNG-Motoren genannt (Englisch compressed natural gas, CNG), spielt eine Optimierung des Brennverfahrens mittels numerischer Strömungsmechanik (Englisch computational fluid dynamics, CFD) eine große Rolle. Als Eingangsinformation für die Berechnung mittels CFD ist eine genaue Kenntnis der Einspritzrate notwendig. Neben der Menge des eingespritzten Gases ist auch der zeitliche Verlauf des Einspritzvorgangs von Interesse, da diese Information eine genaue Beurteilung eines Ventils ermöglicht. Neben der Simulation können entsprechende Größen auch für die Bewertung unterschiedlicher Einspritzventile oder für die Überprüfung bereits genutzter Ventile von Interesse sein. Es existieren mehrere Messverfahren zur Bestimmung der Einspritzrate für flüssige Medien. So kann z. B. eine Veränderung eines Kolbenhubs durch verdrängtes Volumen gemessen und daraus auf den Volumenstrom geschlossen werden. Weitere Verfahren ermitteln die Einspritzrate mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit (
In den Druckschriften
Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der Einspritzungen von gasförmigen Medien vermessen werden können. Es besteht weiterhin die Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.There is therefore the task of providing a device with which injections of gaseous media can be measured. There is also the task of providing a corresponding method.
Die erste Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst, die zweite durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 4. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.The first object is achieved by a system having the features of
Eine Messkammer zum Messen von Parametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils einer Brennkraftmaschine hat einen zylindrisch ausgebildeten Innenraum, mit einer Aufnahmeeinrichtung für das Ventil, einer Haltereinrichtung für das Ventil, mindestens einer Bohrung zur Aufnahme eines Drucksensors, mindestens einer Bohrung zur Aufnahme eines Temperatursensors, und mindestens einer Dämpfungshülse, die im Innenraum der Messkammer angeordnet ist und die den Innenraum der Messkammer in radialer Richtung in einen inneren und einen äußeren Bereich teilt.A measuring chamber for measuring parameters of a valve of an internal combustion engine through which a gas can flow has a cylindrical interior, with a receiving device for the valve, a holder device for the valve, at least one bore for receiving a pressure sensor, at least one bore for receiving a temperature sensor, and at least one damping sleeve which is arranged in the interior of the measuring chamber and which divides the interior of the measuring chamber in the radial direction into an inner and an outer area.
Die Begriffe „von einem Gas durchströmbaren Ventils“ und „Gasdurchströmbares Ventil“ betreffen die gleiche Einrichtung, deren Parameter in dieser Erfindung gemessen werden, und werden synonym verwendet. Wird in dieser Beschreibung und den Ansprüchen nur das Wort „Ventil“ statt einer spezifischen Bezeichnung verwendet, ist damit ebenfalls ein Gas-durchströmbares Ventil gemeint.The terms "gas-passable valve" and "gas-passable valve" refer to the same device whose parameters are measured in this invention and are used interchangeably. If only the word “valve” is used in this description and the claims instead of a specific designation, this also means a valve through which gas can flow.
In der Messkammer ist damit ein abgeschlossener Raum gebildet, in den Gas eingespritzt werden kann. Die Einspritzung soll dabei in den inneren Bereich erfolgen, der durch die Dämpfungshülse gebildet wird. Die Dämpfungshülse weist vorteilhafterweise eine Wandung mit lochartigen Durchbrechungen auf, durch die der innere Bereich und der äußere Bereich des Innenraums miteinander verbunden sind. Die Dämpfungshülse ist dabei vorgesehen, nach einer Einspritzung Druckschwingungen zum äußeren durch die Dämpfungshülse gebildeten Bereich hin zu reduzieren und damit einen dem gemittelten Kammerdruck äquivalenten Druck im äußeren Bereich zu ermöglichen, um genauere Messergebnisse zu erhalten. Weither werden die Messungen störende Verwirbelungen des Gases im Innenraum der Messkammer durch die Dämpfungshülse abgeschwächt oder ganz vermieden. Das Gas-durchströmbare Ventil ist beispielsweise eine Einspritzeinrichtung, und bevorzugt ein Ventil zum Einbringen bzw. Einspritzen von Erdgas in den Brennraum von Verbrennungskraftmaschinen.A closed space into which gas can be injected is thus formed in the measuring chamber. The injection should take place in the inner area, which is formed by the damping sleeve. The damping sleeve advantageously has a wall with hole-like openings through which the inner area and the outer area of the interior are connected to one another. The damping sleeve is intended to reduce pressure fluctuations towards the outer area formed by the damping sleeve after an injection and thus enable a pressure in the outer area that is equivalent to the averaged chamber pressure in order to obtain more precise measurement results. Furthermore, the measurements disturbing turbulence of the gas in the interior of the measuring chamber are weakened or completely avoided by the damping sleeve. The valve through which gas can flow is, for example, an injection device, and preferably a valve for introducing or injecting natural gas into the combustion chamber of internal combustion engines.
In der Messkammer ist zusätzlich ein Zugang für ein Weg-messsystem vorhanden. Die Messkammer erlaubt damit vorteilhaft neben Druck- und Temperaturmessungen das Erfassen der Bewegungen des Ventils, besonders der Höhe des Ventilhubs und der Dauer der damit verbundenen Bewegung, bei der Einspritzung. Auf dieser Basis lässt sich vorteilhaft neben der Menge des eingebrachten Gases auch der zeitliche Verlauf der Einspritzung verfolgen und damit die Einspritzrate in Korrelation mit dem Ventilhub ermitteln.In the measuring chamber there is also access for a path measuring system. The measuring chamber thus advantageously allows, in addition to pressure and temperature measurements, to record the movements of the valve, in particular the height of the valve lift and the duration of the associated movement during injection. On this basis it is possible Partially, in addition to the amount of gas introduced, also track the course of the injection over time and thus determine the injection rate in correlation with the valve lift.
Vorteilhafterweise ist in der Messkammer zusätzlich eine Bohrung für ein Pneumatikventil vorhanden. Über das darin anzuordnende Pneumatikventil kann die Messkammer zwischen oder während der einzelnen Einspritzvorgänge entlüftet werden. Dadurch werden kontinuierliche Messungen über mehrere Einspritzvorgänge ermöglicht.Advantageously, there is also a hole for a pneumatic valve in the measuring chamber. The measuring chamber can be vented between or during the individual injection processes via the pneumatic valve to be arranged in it. This enables continuous measurements over several injection processes.
Die Dämpfungshülse besteht aus einer eine Anzahl von lochartigen Durchbrechungen aufweisenden Schicht. Die lochartige Durchbrechungen bewirken eine fluide Verbindung zwischen dem durch die Hülse gebildeten inneren und äußeren Bereich des Innenraums der Messkammer.The damping sleeve consists of a layer having a number of hole-like openings. The hole-like openings bring about a fluid connection between the inner and outer areas of the interior of the measuring chamber formed by the sleeve.
Weiterhin ist es möglich, dass mindestens zwei unterschiedliche Durchmesser aufweisende Dämpfungshülsen im Innenraum der Messkammer angeordnet sind. Beispielsweise sind in diesem Fall die Dämpfungshülsen zentrisch zueinander angeordnet. Furthermore, it is possible for at least two damping sleeves having different diameters to be arranged in the interior of the measuring chamber. In this case, for example, the damping sleeves are arranged centrally to one another.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Messen von Durchströmungsparametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Messkammer mit mindestens einer Dämpfungshülse, einen Drucksensor, einen Temperatursensor, ein Pneumatikventil und ein Wegmesssystem, wobei das Wegmesssystem ein optisches System ist. Die Messkammer weist die oben für die Messkammer aufgezählten Merkmale auf.A first aspect of the invention relates to a system for measuring flow parameters of a valve of an internal combustion engine through which a gas can flow, comprising a measuring chamber with at least one damping sleeve, a pressure sensor, a temperature sensor, a pneumatic valve and a displacement measurement system, the displacement measurement system being an optical system. The measuring chamber has the features listed above for the measuring chamber.
Das Pneumatikventil dient wie oben erwähnt zur Entlüftung der Messkammer zwischen einzelnen Einspritzvorgängen. Bevorzugt ist das Pneumatikventil mit einer verstellbaren Drossel verbunden, mit der der abgeführte Volumenstrom variiert werden kann. Vorzugsweise ist das Pneumatikventil weiterhin mit einem Durchflusssensor verbunden, über den der abgeführte Massenstrom erfasst und zur kontinuierlichen Kalibrierung der Messkammer herangezogen werden kann.As mentioned above, the pneumatic valve is used to vent the measuring chamber between individual injection processes. The pneumatic valve is preferably connected to an adjustable throttle with which the discharged volume flow can be varied. The pneumatic valve is preferably also connected to a flow sensor, via which the discharged mass flow can be recorded and used for continuous calibration of the measuring chamber.
Die Messkammer erlaubt die Verwendung nichtberührender und berührender Wegmesssysteme. Das Wegmesssystem ein nichtberührendes Messsystem, und dabei ein optisches Messsystem, beispielsweise ein Laservibrometer. Das Wegmesssystem erlaubt vorteilhaft das Erfassen der Bewegung des Gas-durchströmbaren Ventils, d. h. im Wesentlichen den Ventilhub. Diese Erfassung ist vorteilhaft, da bei konventionellen Messverfahren prinzipbedingt keine Störkörper in den Strömungskanal eingebracht werden dürfen, an denen Reflexionen auftreten könnten. In der Messkammer ist an der Stirnseite der Messkammer, gegenüber der Aufnahmeeinrichtung für das Gas-durchströmbare Ventil ein transparenter Körper im Innenraum der Messkammer angeordnet. Der transparente Körper kann bis kurz vor das Gas-durchströmbare Ventil in die Messkammer eingebracht werden. Vorteilhaft wird dadurch ein nicht durch Gasströmungen gestörter optischer Zugang bis zum Gas-durchströmbaren Ventil ermöglicht. Alternativ kann ein Wegmesssystem im Boden des Innenraums der Messkammer angeordnet sein.The measurement chamber allows the use of non-contact and contact displacement encoders. The path measuring system is a non-contact measuring system and an optical measuring system, for example a laser vibrometer. The displacement measurement system advantageously allows the movement of the valve through which gas can flow, i. H. essentially the valve lift. This detection is advantageous because, due to the principle of conventional measurement methods, no interfering bodies may be introduced into the flow channel where reflections could occur. In the measuring chamber, a transparent body is arranged in the interior of the measuring chamber on the end face of the measuring chamber, opposite the receiving device for the valve through which gas can flow. The transparent body can be introduced into the measurement chamber up to just before the valve through which gas can flow. This advantageously enables optical access to the valve through which gas can flow, which is not disturbed by gas flows. Alternatively, a path measuring system can be arranged in the bottom of the interior of the measuring chamber.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Parametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils mit einem erfindungsgemäßen System, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen einer Messkammer mit einer den Innenraum der Messkammer in radialer Richtung in einen inneren und einen äußeren Bereich teilenden Dämpfungshülse,
- - Anordnen eines von einem Gas durchströmbaren Ventils, eines Drucksensors, eines Temperatursensors und eines Pneumatikventils in bzw. an der Messkammer,
- - Füllen der Messkammer mit einem Füllgas,
- - Einspritzen eines Messgases durch das von einem Gas durchströmbaren Ventils in den inneren Bereich der Messkammer,
- - Messen von Druck- und Temperaturänderungen im äußeren Bereich der Messkammer,
- - Berechnen der eingespritzten Gasmenge aus den ermittelten Druck- und Temperaturänderungen,
- - providing a measuring chamber with a damping sleeve dividing the interior of the measuring chamber in the radial direction into an inner and an outer area,
- - arranging a valve through which a gas can flow, a pressure sensor, a temperature sensor and a pneumatic valve in or on the measuring chamber,
- - filling the measuring chamber with a filling gas,
- - Injection of a measuring gas through the valve through which a gas can flow into the inner area of the measuring chamber,
- - Measurement of pressure and temperature changes in the outer area of the measuring chamber,
- - Calculation of the injected gas quantity from the determined pressure and temperature changes,
Das Volumen des Innenraums der Messkammer bleibt relativ konstant. Dadurch wird bei einer Einspritzung von Messgas in den Innenraum der Druck im Innenraum erhöht. Aus der durch die Drucksensoren erfassten Änderung des Drucks kann mit Hilfe der Zustandsgleichung für ideale oder reale Gase die der eingespritzten Gasmenge entsprechende Volumenänderung berechnet werden. Die Erfassung der Temperaturänderung bei einer Einspritzung durch die Temperatursensoren fließt in die Zustandsgleichung des Gases ein, wodurch sich die Genauigkeit der Bestimmung des eingespritzten Volumens erhöht.The volume of the interior of the measuring chamber remains relatively constant. As a result, when measuring gas is injected into the interior, the pressure in the interior increases. From the change in pressure detected by the pressure sensors, the volume change corresponding to the injected gas quantity can be calculated using the equation of state for ideal or real gases. The detection of the temperature change during an injection by the temperature sensors is included in the equation of state of the gas, which increases the accuracy of the determination of the injected volume.
Neben der direkten Messung der Temperatur ist ebenfalls die Bestimmung der Temperatur mittels der thermodynamischen Zustandsgleichungen unter Berücksichtigung der gemessenen Druckerhöhung möglich.In addition to the direct measurement of the temperature, the temperature can also be determined using the thermodynamic equations of state Consideration of the measured pressure increase possible.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Füllgas und als Messgas vorzugsweise das gleiche Gas verwendet. Mit anderen Worten wird die Kammer mit demselben Gas gefüllt, dass zum Einspritzen verwendet wird.In the method according to the invention, the same gas is preferably used as the filling gas and as the measurement gas. In other words, the chamber is filled with the same gas that is used for injection.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bewegung des Gas-durchströmbaren Ventils gemessen. Dies kann durch ein zusätzliches Wegmesssystem geschehen, das in der Messkammer angeordnet wird. Zum Messen der Bewegung wird dabei ein optisches Wegmesssystem verwendet.In the method according to the invention, the movement of the valve through which gas can flow is measured. This can be done with an additional distance measuring system that is arranged in the measuring chamber. An optical path measuring system is used to measure the movement.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zwischen einzelnen Einspritzvorgängen ein Massenstrom aus der Messkammer über das Pneumatikventil abgeführt wird. Vorteilhafterweise wird dabei der abgeführte Massenstrom über ein mit dem Pneumatikventil verbundenen Durchflusssensor erfasst.Furthermore, it is preferred if a mass flow is discharged from the measuring chamber via the pneumatic valve between individual injection processes. Advantageously, the discharged mass flow is recorded via a flow sensor connected to the pneumatic valve.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Messkammer. -
2 eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. -
3 dieMesskammer gemäß 1 in seitlicher Perspektive. -
4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 12 is a cross-sectional side view of an embodiment of a measurement chamber. -
2 a side cross-sectional view of an embodiment of the system according to the invention. -
3 the measuring chamber according to1 in side perspective. -
4 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
Die in der Darstellung von
Ein Gesamteindruck der Messkammer 1 ergibt sich aus der perspektivischen Darstellung von
Die Wandung der Dämpfungshülse 7 weist mehrere lochartige Durchbrechungen 10 auf, die z. B. durch Bohrungen gebildet werden. Durch diese Löcher 10 sind der innere Bereich und der äußere Bereich des Innenraums 2 miteinander verbunden, d. h. es kann ein Gas oder auch eine Flüssigkeit von einem Bereich in den anderen strömen. Die Wandung der Dämpfungshülse kann bevorzugt aus einer, aber auch aus mehreren Schichten bestehen. Wie in
Zusammen mit dem Gas-durchströmbaren Ventil und den Messeinrichtungen bildet die Messkammer 1 entsprechend der Darstellung von
An der Bohrung 9 ist in der Darstellung von
Für das Erfassen von Parametern eines Gas-durchströmbaren Ventils wird in einer Ausführungsform gemäß der Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Wird während einer Messung oder Einspritzung Gas zum Beispiel über Anschluss 9 aus der Messkammer entnommen, so muss und kann dieses bei der Massenstromberechnung berücksichtigt werden.If gas is taken from the measuring chamber via
Mit einem Laservibrometer 21 als Wegmesssystem wird der Ventilhub gemessen. Neben diesem nichtberührenden, optischen Wegmesssystem sind auch andere, auch berührende, Wegmesssysteme zur Messung des Ventilhubs verwendbar, die z. B. im Boden der Messkammer angeordnet werden. Das Laservibrometer 21 erzeugt einen Laserstrahl, der durch den optischen Durchgang 23 gegenüber dem Ventil in die Messkammer 1 geführt wird und den Ventilteller des Ventils erreicht. Aus der Höhe des Ventilhubs und der Dauer der damit verbundenen Bewegung bei der Einspritzung wird neben der Menge und des Verlaufs des eingebrachten Gases auch ein zusätzlicher zeitlicher Verlauf des Ventilhubs erfasst, welcher eine Vergleichsgröße zur Einspritzrate darstellt. Durch Abführung eines Massenstroms aus dem Innenraum der Messkammer 2 über das Pneumatikventil 24 sind kontinuierliche Messungen über mehrere Einspritzvorgänge möglich.The valve lift is measured with a
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Messkammermeasuring chamber
- 22
- Innenraum der MesskammerInterior of the measuring chamber
- 33
- Aufnahmeeinrichtung für ein Gas-durchströmbares VentilReceiving device for a valve through which gas can flow
- 44
- Haltereinrichtung für ein Gas-durchströmbares VentilHolder device for a valve through which gas can flow
- 55
- Bohrung für einen DrucksensorHole for a pressure sensor
- 66
- Bohrung für einen TemperatursensorHole for a temperature sensor
- 77
- Dämpfungshülsedamping sleeve
- 88th
- möglicher Zugang für Wegmesssystempossible access for position measuring system
- 99
- Anschluss für ein PneumatikventilConnection for a pneumatic valve
- 1010
- lochartige Durchbrechungenhole-like perforations
- 2020
- Systemsystem
- 2121
- Laservibrometerlaser vibrometer
- 2222
- Laserstrahlenganglaser beam path
- 2323
- optischer Durchgangoptical passage
- 2424
- Pneumatikventilpneumatic valve
- 2525
- Ausgleichsvolumenbalancing volume
- 2626
- verstellbare Drosseladjustable throttle
- 2727
- Durchflusssensorflow sensor
- 2828
- optionale Dämpfungshülseoptional damping sleeve
- 2929
- optionales Dämpfungsmaterialoptional cushioning material
Claims (7)
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