DE102017201877A1 - Measuring arrangement and method for determining the time-related mass flow profile during an injection carried out by a fuel injector into a measuring space - Google Patents
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Abstract
Messanordnung und Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Massenstromverlaufs während einer von einem Kraftstoffinjektor (5) durchgeführten Einspritzung eines flüssigen Prüfmediums in einen Messraum (2) eines hydraulischen Druckanstiegsanalysators (HDA), der einen am Messraum (2) angeschlossenen Drucksensor (6) zur Messung des aktuellen Drucks im Messraum (2), einen Temperatursensor (12) zur Messung der mittleren Temperatur hierin sowie einen ebenfalls am Messraum (2) angeschlossenen Ultraschallsensor (7) zur Messung der Schallgeschwindigkeit im Messraum (2) umfasst, sowie eine nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit (4) zur Berechnung der in Folge der Injektion in den Messraum (2) eingespritzten Masse (m) des Prüfmediums unter Berücksichtigung mindestens eines Messfehler kompensierenden Korrekturfaktors, wobei die Auswerteeinheit (4) als einen ersten Korrekturfaktor (K) eine temperaturabhängige Volumenänderung des Messraums (2) sowie als einen zweiten Korrekturfaktor (K) eine temperaturabhängige Druckänderung im Messraum (2) einbezieht, womit die auf Basis der Messsignale des Drucksensors (6) und des Ultraschallsensors (7) berechnete eingespritzte Masse (m) an Prüfmedium fehlerkorrigiert wird. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt sowie ein Speichermedium.Measuring arrangement and method for determining the temporal mass flow profile during an injection of a liquid test medium carried out by a fuel injector (5) into a measuring chamber (2) of a hydraulic pressure rise analyzer (HDA), which has a pressure sensor (6) connected to the measuring chamber (2) for measuring the current pressure Pressure in the measuring chamber (2), a temperature sensor (12) for measuring the mean temperature herein and an ultrasonic sensor (7) also connected to the measuring space (2) for measuring the speed of sound in the measuring chamber (2), and a downstream electronic evaluation unit (4) for calculating the mass (m) of the test medium injected as a result of the injection into the measuring space (2) taking into account at least one correction factor compensating for the measurement error, the evaluation unit (4) determining a temperature-dependent volume change of the measuring space (2) as a first correction factor (K) as a second correction factor (K) involves a temperature-dependent pressure change in the measuring chamber (2), whereby the injected mass (m) of test medium calculated on the basis of the measuring signals of the pressure sensor (6) and the ultrasonic sensor (7) is error-corrected. Furthermore, the invention also relates to a computer program product and a storage medium.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung sowie ein Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Massenstromverlaufs während einer von einem Kraftstoffinjektor durchgeführten Einspritzung eines flüssigen Prüfmediums in einen Messraum eines hydraulischen Druckanstiegsanalysators (HDA), der einen am Messraum angeschlossenen Drucksensor zur Messung des aktuellen Drucks im Messraum sowie einen ebenfalls am Messraum angeschlossenen Ultraschallsensor zur Messung der Schallgeschwindigkeit entlang des Messraums umfasst, sowie eine nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit zur Berechnung der in Folge der Injektion in den Messraum eingespritzten Masse an Prüfmedium unter Berücksichtigung mindestens eines Messfehler kompensierenden Korrekturfaktors. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 sowie ein computerlesbares Medium nach Anspruch 10.The present invention relates to a measuring arrangement and a method for determining the time course of mass flow during a fuel injector performed injection of a liquid test medium in a measuring chamber of a hydraulic pressure rise analyzer (HDA), the pressure sensor connected to a measuring space for measuring the current pressure in the measuring chamber and also a The ultrasonic sensor connected to the measuring space for measuring the speed of sound along the measuring space, and a downstream electronic evaluation unit for calculating the mass of test medium injected into the measuring space as a result of the injection in consideration of at least one correction error compensating error. Furthermore, the invention also relates to a computer program product according to claim 9 and a computer-readable medium according to
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Messtechnik zur Funktionsprüfung von Kraftstoffinjektoren, vorzugsweise Common-Rail-Injektoren in der Kraftfahrzeugtechnik. Als Messapparatur dient dabei der hier interessierende hydraulische Druckanstiegsanalysator (HDA), mit dem eine hochgenaue Einspritzratenmessung von Einzel- oder Mehrfacheinspritzungen möglich ist.The field of application of the invention extends primarily to the measurement technology for functional testing of fuel injectors, preferably common rail injectors in motor vehicle technology. The measuring apparatus used here is the hydraulic pressure increase analyzer of interest (HDA), with which a high-precision injection rate measurement of single or multiple injections is possible.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Mit Hilfe der allgemein bekannten Behältergleichung der Thermodynamik lässt sich aus dem zeitlichen Druckverlauf im Messraum der Einspritzverlauf, die sogenannte Einspritzrate, oder physikalisch korrekter, der Massenstromverlauf, des eingespritzten Prüfmediums berechnen. Hieraus ergibt sich die eingespritzte Masse an Prüfmedium als Messwert für den Kraftstoffinjektor.With the help of the well-known container equation of thermodynamics can be calculated from the temporal pressure curve in the measuring chamber, the injection curve, the so-called injection rate, or physically correct, the mass flow curve, the injected test medium. This results in the injected mass of test medium as the measured value for the fuel injector.
Die eingespritzte Masse an Prüfmedium wird dabei in der Praxis auf bis zu zehn Teileinspritzungen pro Einspritzzyklus verteilt.The injected mass of test medium is distributed in practice to up to ten partial injections per injection cycle.
Aus dem „Handbuch Dieselmotoren“ (Autor:
Die derart prüftechnisch ermittelte eingespritzte Masse von Einzel- oder Mehrfacheinspritzungen sollte möglichst genau die tatsächlich eingespritzte Masse im Verbrennungsmotor treffen. Um dies zu überprüfen, wird das Prüfmedium nach einer Einpritzung in den HDA auf eine Waagevorrichtung entleert. Dabei hat sich herausgestellt, dass sich in der Praxis abhängig vom Einspritzdruck und der Temperatur im Messraum Unterschiede von bis zu +/- 5mg zwischen den prüftechnisch ermittelten Werten des HDA einerseits und den Waagewerten andererseits ergeben.The injection mass of single or multiple injections determined in this way by testing should strike the actual injected mass in the internal combustion engine as exactly as possible. To check this, the test medium is emptied onto a weighing device after injection into the HDA. It has been found that in practice, depending on the injection pressure and the temperature in the measuring chamber, differences of up to +/- 5 mg result between the test-technically determined values of the HDA on the one hand and the balance values on the other hand.
Es ist bereits versucht worden, die mit Hilfe des HDA messtechnisch ermittelte und berechnete eingespritzte Masse an Prüfmedium mit einem Korrekturfaktor zu multiplizieren, um eine bessere Übereinstimmung mit den tatsächlichen Waagewerten zu erzielen. Dieser den Messfehler kompensierende Korrekturfaktor ist ein durch Vergleich mit den Waagewerten bestimmter gerätespezifischer Kalibrierfaktor.An attempt has already been made to multiply the injected mass of test medium determined and calculated by means of the HDA with a correction factor in order to achieve a better agreement with the actual balance values. This correction factor compensating the measurement error is a device-specific calibration factor determined by comparison with the balance values.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messanordnung sowie ein Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Massenstromverlaufs während einer von einem Kraftstoffinjektor durchgeführten Einspritzung eines flüssigen Prüfmediums in einen Messraum eines hydraulischen Druckanstiegsanalysators dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen technischen Mitteln eine möglichst präzise Messwertkorrektur erzielt wird.It is the object of the present invention to further improve a measuring arrangement and a method for determining the temporal mass flow profile during an injection of a liquid test medium carried out by a fuel injector into a measuring chamber of a hydraulic pressure rise analyzer in such a way that the most accurate possible measurement correction is achieved with simple technical means.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Messanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 7 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Hinsichtlich eines Computerprogrammprodukts wird ferner auf Anspruch 11 verwiesen und Anspruch 12 gibt ein diesbezügliches computerlesbares Medium an.The object is achieved on the basis of a measuring arrangement according to the preamble of
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Auswerteeinheit eines HDA die auf Basis der Messsignale des Drucksensors sowie des Ultraschallsensors berechnete eingespritzte Masse an Prüfmedium mit einem ersten Korrekturfaktor K1 und einem zweiten Korrekturfaktor K2 fehlerkorrigiert, welcher das Messsignal eines Temperatursensors im Messraum nutzt, wobei der erste Korrekturfaktor K1 eine temperaturabhängige Volumenänderung des Messraums des HDA der zweite Korrekturfaktor K2 eine temperaturabhängige Druckänderung im Messraum fehlerkorrigiert, um eine druck- und temperaturabhängige Massekorrektur herbeizuführen.The invention includes the technical teaching that the evaluation unit of an HDA error-corrects the injected mass of test medium calculated on the basis of the measurement signals of the pressure sensor and of the ultrasound sensor with a first correction factor K 1 and a second correction factor K 2 which uses the measurement signal of a temperature sensor in the measurement space wherein the first correction factor K 1, a temperature-dependent volume change of the measuring space of the HDA, the second correction factor K 2, a temperature-dependent pressure change in the measuring chamber error corrected to bring about a pressure and temperature-dependent mass correction.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass eine Kalibrierung einer HDA zur Bestimmung eines gerätespezifischen Korrekturfaktors über einen Vergleich mit Waagewerten ersetzt wird durch eine Fehlerkorrektur, welche sich rein analytisch herleiten lässt. Dabei wird berücksichtigt, dass der Messraum des HDA unter realen Messbedingungen nicht ein abgeschlossenes adiabatisches System ist, sondern sowohl Wärmeeinträge als auch Wärmeausträge vorhanden sind. So führt eine Temperatursteigung beim Prüfmedium innerhalb des Messraums zu einer Volumenvergrößerung des Messraums. Umgekehrt führt eine Temperatursteigerung, welche auf innerhalb des Messraums angeordnete Sensorelemente oder dergleichen wirkt, zu einer Volumenverkleinerung des Messraums. Dies wird durch den Korrekturfaktor K1 berücksichtigt. Durch den anderen Korrekturfaktor K2 wird berücksichtigt, dass das eingespritzte Prüfmedium eine erhöhte Temperatur Tinj gegenüber der Temperatur des Prüfmediums im Messraum THDA hat und daher ein größeres Volumen einnimmt als ein eingespritztes Prüfmedium mit gleicher Temperatur gegenüber dem Prüfmedium im Messraum, wodurch im realen nicht-adiabatischen System ein zu hoher Druckanstieg gemessen werden würde.The advantage of the solution according to the invention lies, in particular, in the fact that a calibration of an HDA for determining a device-specific correction factor via a comparison with balance values is replaced by an error correction, which can be derived purely analytically. It is taken into account that the measuring room of the HDA is not a closed adiabatic system under real measuring conditions, but that both heat inputs and heat discharges are present. Thus, a temperature increase in the test medium within the measuring space leads to an increase in volume of the measuring space. Conversely, an increase in temperature, which acts on sensor elements arranged within the measuring space or the like, leads to a reduction in volume of the measuring space. This is taken into account by the correction factor K 1 . By the other correction factor K 2 is taken into account that the injected test medium has an elevated temperature T inj compared to the temperature of the test medium in the measuring chamber T HDA and therefore occupies a larger volume than an injected test medium with the same temperature compared to the test medium in the measuring chamber, which in real non-adiabatic system an excessively high pressure rise would be measured.
Um auf gerätetechnischer Ebene ein möglichst temperaturkonstantes Messsystem bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass der vorzugsweise von einem Zylinder oder einer Kugel gebildete Messraum des HDA vorteilhafter Weise mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist. Diese Kühleinrichtung kann beispielsweise durch in die Wandung eingebettete Kühlkanäle realisiert werden, durch welche ein Kühlmedium strömt, um möglichst temperaturkonstante Messbedingungen zu schaffen. Die Kühleinrichtung kann sich auch über den Bereich des stirnseitigen Messraumdeckels mit erstrecken, um eine bestmögliche Wirkung auf den innenliegenden Messraum zu entfalten. In order to provide a temperature-constant measuring system which is as temperature-constant as possible, it is proposed that the measuring space of the HDA, which is preferably formed by a cylinder or a sphere, be advantageously equipped with a cooling device. This cooling device can be realized, for example, by cooling channels embedded in the wall through which a cooling medium flows, in order to create temperature conditions as constant as possible. The cooling device can also extend over the region of the end-side measuring chamber cover in order to develop the best possible effect on the internal measuring space.
Vorzugsweise ist der Ultraschallsensor an der dem Injektor gegenüberliegenden Stirnseite des Messraums oder auf dessen Mantelfläche angeordnet, um die Schallgeschwindigkeit entlang der axialen Erstreckung des Messraums zu messen. An dieser Stirnseite der vorzugsweise Platzierung des Ultraschallsensors kann sich an den Zylinder ein Elektronikgehäuse direkt anschließen, so dass sich der Druckanstiegsanalysator mit integrierter Auswerteelektronik kompaktbauend in einem Gerät realisieren lässt. Das Elektronikgehäuse beherbergt vorzugsweise die Signalverarbeitung der Messsignale des Drucksensors, Temperatursensors sowie des Ultraschallsensors, wofür elektrische Messleitungen zwischen den besagten Sensoren und der Auswerteeinheit verlaufen.Preferably, the ultrasonic sensor is arranged on the end face of the measuring chamber opposite the injector or on its lateral surface in order to measure the speed of sound along the axial extent of the measuring space. At this end face of the preferably placement of the ultrasonic sensor, an electronics housing can be connected directly to the cylinder, so that the pressure rise analyzer with integrated evaluation electronics can be realized compactly in one device. The electronics housing preferably houses the signal processing of the measuring signals of the pressure sensor, temperature sensor and the ultrasonic sensor, for which electrical measuring lines run between the said sensors and the evaluation unit.
Die Auswerteelektronik ist vorzugsweise in Form eines softwaregesteuerten Computers mit zumindest einem Mikroprozessor, Speicher und dazugehöriger Peripherie ausgebildet. Dies bildet die Basis dafür, dass das erfindungsgegenständliche Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Massenstromverlaufs als Computerprogrammprodukt umsetzen lässt, das auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist, um die erfindungsgemäßen signalverarbeitungstechnischen Verfahrensschritte durchzuführen.The evaluation electronics are preferably designed in the form of a software-controlled computer with at least one microprocessor, memory and associated peripherals. This forms the basis for the fact that the method according to the invention for determining the temporal mass flow profile can be implemented as a computer program product which is stored on a computer-readable medium in order to carry out the signal-processing-technical method steps according to the invention.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Figurenlistelist of figures
Es zeigt:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Druckanstiegsanalysator (HDA) zur Bestimmung des zeitlichen Massenstromverlaufs während einer von einem Kraftstoffinjektor durchgeführten Einspritzung eines flüssigen Prüfmediums, -
2 eine schematische graphische Darstellung eines exemplarischen Massenstromverlaufs, und -
3 einen Ablaufplan einzelner Verfahrensschritte zur Ermittlung einer erfindungsgemäßen messfehlerkorrigierten Masse an eingespritztem Prüfmedium.
-
1 a schematic longitudinal section through a pressure rise analyzer (HDA) for determining the time course of mass flow during a fuel injector carried out injection of a liquid test medium, -
2 a schematic graphical representation of an exemplary mass flow profile, and -
3 a flowchart of individual process steps for determining a Meßfehlerkorrigierten mass of injected test medium according to the invention.
Nach
Im Bereich der oberen Stirnseite des Zylinders
Ein an der dem Injektor
Ferner ist im Zylinder
Nach einem Prüfzyklus lässt sich das im Messraum
Die Auswerteelektronik
Dabei repräsentiert die Variable V das Volumen des Messraums
Es ergibt sich ein in
Um aus der messtechnisch ermittelten Einspritzmasse mroh die erfindungsgemäß fehlerkorrigierte Einspritzmasse mHDA zu ermitteln gilt folgende Formel III:
Dabei repräsentiert der erste Korrekturfaktor K1 eine temperaturabhängige Volumenänderung des Messraums
Dabei stellt die Variable THDA die mittlere Temperatur im Messraum
Hierbei wird die Größe M flüssigkeitsabhängig bestimmt und wird hier als fluidabhängiger Korrekturfaktor näherungsweise für einen Druckbereich von 50 bis 100 bar und einem Temperaturbereich von 40 bis 140 °C als konstant betrachtet. Bei einem exemplarischen Prüföl wird M angenommen zu 0,00073783 1/K für den betrachteten mittleren Druck im Messraum sowie die mittlere Temperatur hierin vor einem Einspritzvorgang. Der Druck im Messraum vor der Einspritzung wird dabei mit 50 bar angesetzt. THDA ist die mittlere Temperatur im Messraum vor einem Einspritzvorgang.Here, the size M is determined fluid-dependent and is considered here as a fluid-dependent correction factor approximately for a pressure range of 50 to 100 bar and a temperature range of 40 to 140 ° C as constant. In an exemplary test oil, M is assumed to be 0.00073783 1 / K for the considered mean pressure in the measurement space and the mean temperature herein before an injection event. The pressure in the measuring room before injection, it is set at 50 bar. T HDA is the mean temperature in the measuring chamber before an injection process.
Bei der Formel V muss die Temperatur Tinj der eingespritzten Flüssigkeit gemessen oder berechnet werden. Eine mögliche Berechnung zur näherungsweisen Bestimmung von Tinj lässt sich analytisch herleiten zu folgender Formel VI:
Der Parameter a ist ebenfalls ein flüssigkeitsabhängiger Korrekturfaktor und wird in Abhängigkeit einer Zulauftemperatur von hier 40°C für Prüföl zu 0,0521°C/bar bestimmt. Die Variable prail repräsentiert den Raildruck im Common-Rail-System. TZulauf ist die Zulauftemperatur im Zulauf der Hochdruckpumpe.The parameter a is also a liquid-dependent correction factor and is determined as a function of a feed temperature of here 40 ° C for test oil to 0.0521 ° C / bar. The variable p rail represents the rail pressure in the common rail system. T inlet is the inlet temperature in the inlet of the high-pressure pump.
Durch die erfindungsgemäße p-T-Massenkorrektur wird eine signifikante Verbesserung der gemessenen Einspritzmasse in Annäherung an die tatsächlichen Waagewerte erzielt.The inventive p-T mass correction achieves a significant improvement of the measured injection mass in approximation to the actual balance values.
Mit Hinblick auf
Während eines Einspritzvorgangs wird der Druck p und die Temperatur T im Messraum des HDA ermittelt. Daneben wird auch die Schallgeschwindigkeit c entlang des Messraums des HDA gemessen. Im Rahmen der nachfolgenden Messsignalverarbeitung erfolgt zunächst eine Tiefpassfilterung TP des gemessenen Drucksignals. Anschließend wird der Massenstromverlauf dm/dt berechnet. Durch Integration hieraus ergibt sich die gemessene Einspritzmasse mroh mit Annahme eines adiabatischen Systems. Durch Multiplikation mit dem ersten Korrekturfaktor K1, der eine temperaturabhängige Volumenänderung des Messraums fehlerkorrigiert, sowie dem zweiten Korrekturfaktor K2, der eine temperaturabhängige Druckänderung im Messraum repräsentiert unter Berücksichtigung fluidabhängiger Materialparameter, wird aus der messtechnisch ermittelten Einspritzmasse mroh die fehlerkorrigierte Einspritzmasse mHDA berechnet.During an injection process, the pressure p and the temperature T in the measuring space of the HDA is determined. In addition, the speed of sound c along the measuring space of the HDA is also measured. In the context of the subsequent measurement signal processing, first a low-pass filtering TP of the measured pressure signal takes place. Subsequently, the mass flow curve dm / dt is calculated. Integrating this results in the measured injection mass m raw assuming an adiabatic system. By multiplication with the first correction factor K 1 , which error-corrects a temperature-dependent change in volume of the measuring space, and the second correction factor K 2 , which represents a temperature-dependent pressure change in the measuring chamber taking into account fluid-dependent material parameters, the error-corrected injection mass m HDA is calculated from the metrologically determined injection mass m raw ,
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- Prof. Dr.-Ing. Klaus Mollenhauer et. al., VDI-Buch, Auflage 2007, ISBN: 978-3-540-72164-2 [0006]Prof. Dr.-Ing. Klaus Mollenhauer et. al., VDI book, edition 2007, ISBN: 978-3-540-72164-2 [0006]
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