DE2012117A1 - Vorrichtung zum Erfühlen von Druckänderungen oder Druckwerten - Google Patents

Vorrichtung zum Erfühlen von Druckänderungen oder Druckwerten

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DE2012117A1 DE19702012117 DE2012117A DE2012117A1 DE 2012117 A1 DE2012117 A1 DE 2012117A1 DE 19702012117 DE19702012117 DE 19702012117 DE 2012117 A DE2012117 A DE 2012117A DE 2012117 A1 DE2012117 A1 DE 2012117A1
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Francis Harold Dover Kent Easty (Großbritannien). M GOIm
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Description

1345
PATENTANWÄLTE
DIPL.-INQ. F. THlELEKE DR.-.NQ. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE
BRAUNSCHWEIG ' MÜNCHEN
Beatson Engineering Company Limited 5 Castle Street/ Dover, Kent / England
"Vorrichtung zum Erfühlen von Druckänderungen oder Druckwerten"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfühlen von Druckänderungen oder Druckwerten eines Strömungsmediums in einer Leitung.
Messungen des dynamischen Verhaltens von Dieselmotoren waren, wenn man Versuchsmaschinen ausschließt, bisher ausschließlich auf eine mechanische Messung der Umdrehungen pro Minute beschränkt, bis vor kurzer Zeit, etwa im Jahre 1965, eine Vorrichtung vorgeschlagen wurde, bei der ein druckbetätigbarer elektromechaniseher Schalter zum Anzeigen bzw. Messen der Umdrehungen pro Minute verwendet wurde. Der Nachteil eines Druckschalters besteht darin, daß zumindest eine der Treibstoff leitungen der zu prüfenden Maschine geöffnet werden muß, um diesen mechanischen S halter einzubauen.
Außer der Drehzahl pro Minute sind andere Arbeitsbedingungen eines Dleselmotores Punktionen der Treibstoffdosierungs- und Verteilungseinheiten, deren Hauptteile die Treibstoffpumpe
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und die Einspritzdüsen sind. Eine Untersuchung solcher Bauelemente bestand bis zum heutigen Tage darin, daß die Einspritzpumpen und Einspritzdüsen abgebaut und auf getrennte entsprechend eingerichtete Prüfgestelle gesetzt wurden, wo die einzelnen Punktionen untersucht werden konnten. Es wurden einige Ausrüstungen in den vergangenen Jahren bekannt, welche eine Druckmessung in Treibstoffleitungen, deren Untersuchung vorgesehen war, zuließen. Solche Ausrüstungen waren an sich zwar erfolgreich anzuwenden, ihr Nachteil bestand jedoch darin, daß eine Öffnung der Treibstoffleitungen zum Einbau dieser Einrichtungen erforderlich war. Eine solche Öffnung der Treibstoffleitungen wurde aber sowohl von den Herstellern von Einspritzpumpen als auch von den Verwendern als schwerwiegender Nachteil empfunden.
Es ist eine spezielle Eigenschaft von Dieselmotoren, daß sie Vibrationen und Schwingungen erzeugen, die auch auf die Treibstoffleitungen übertragen werden und daselbst hohe Amplituden erreichen können. Das kann dazu führen, daß eine Treibstoffleitung relativ zu einer Klemmeinrichtung eines Püblelementes bewegt wird, weil sich die Trägheit und die Massenkräfte der Leitung bei den Schwingungen auswirken. Das wiederum kann dazu führen, daß das fühlelement unerwünschte Signale erzeugt und abgibt, die von den Signalen, die durch die Druckänderungen in der Treibstoffleitung bzw. den Durchmeaseränderungen der Leitung, welche von den
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Druckänderungen abhängig sind, nicht mehr unterscheidbar wären.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, solche Nachteile zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die einleitend genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß wenig- g stens zwei druck- und/oder druckänderungsempfindliche Elemente vorgesehen und mit einem elektrischen Kreis verbunden sind, damit druck- oder druckanderungsabhangige Signale in den elektrischen Kreis einspeisbar sind und daß der Elektrische Kreis Einrichtungen aufweist, die im Zusammenwirken mit der Lage der Elemente im elektrischen Kreis dazu dienen, übermäßige Fremdsignale wie solche, die von Vibrationen der Leitung erzeugt werden, relativ zu den Druck- und/odei? Druckänderungssignalen zu unter-
drücken. τ
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser neuen Vorrichtung sind die druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente zur Druckfühlung an einer Kraftstoffleitung eines Motores vorgesehen. Ihre Aufgabe besteht dann darin, Informationen über die Eigenschaften und das Verhalten des Motores abzugeben.
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Es ist vorteilhaft, wenn wenigstens eines der druck- oder druckänderungsempfindlichen Elemente auf eine Vergrößerung des Außenquerschnittes der Leitung anspricht und/oder zum Erfühlen eines Druckanstieges an der Außenseite der Wandung der betreffenden Leitung vorgesehen ist.
Wenn eine Treibstoffleitung mit einem Druckimpuls beaufschlagt wird, dann besteht die Neigung, diese Leitung zu dehnen. Die Wirkung dieser Dehnung besteht darin, daß eine Vergrößerung des Durchmessers eintritt, wenn es sich um eine Leitung mit Kreisquerschnitt handelt. Die Relation zwischen dem Wert des Druckimpulses und der Vergrößerung des Durchmessers kann durch die folgende Formel zum Ausdruck gebracht werden:
2 2 r IT + r*
E R2 - r2 + λ
In der vorgenannten Gleichung bedeutet:
r - den lichten Radius der Leitung, gemessen in inches
R = den Außenradius der Leitung, gemessen in inches
r = die Änderung des lichten Radius der Leitung, gemessen in inches
* Poissonsche Koeffizient (für Stahl 0,26) E β den Elastizitätsmodul,
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Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich, daß die Druckimpulse des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung zu einer Deformierung der Kraftstoffleitung führen, deren Ausmaß proportional zur Größe des Druckimpulses ist.
erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung ist von besonderero Vorteil, wenn eine Prüfung und Messung eines Diesel- ä motores vorgenommen werden soll.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung erlaubt alle Betriebsparameter, die sich mit der Kraftstoffverteilung und dem Einspritzsystem eines Dieselmotores in Verbindung bringen lassen,unter dynamischen Bedingungen zu messen, ohne daß irgendwelche Bauteile oder Elemente, des Motores abgebaut werden müßten. Es kann aber auch das statische Verhalten der Einspritzpumpe und der Einspritzdüsen bestimmt werden. Dynamische Arbeitsparameter, die mit der neuen Vorrichtung festgestellt werden können, sind beispielsweise die Motorarbeitsgeschwindigkeit, die Phasenlage zwischen den Einspritzimpulsen, der Scheitelwert des Einspritzdruckes, der öffnungsdruck der Einspritzdüsen, die Dauer des Druckimpulses, Pulsfließen und andere Druckanomalien. .
Statische Parameter, deren Bestimmung mit der neuen Vorrichtung möglich ist, sind: Lecken der Einspritzdüsen unter Druck und Lecken von Elementen der Einspritzpumpe.
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Die Erfindung erlaubt das Ablesen von Druckimpulsen ohne Beeinträchtigung durch Fremdsignale, seien es vorübergehende Störsignale oder andere Nebeneinflüsse.
Es ist vorteilhaft, wenn die neue Vorrichtung so weitergebildet wird, daß die beiden druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente auf einander gegenüberliegenden Seiten der leitung angeordnet und elektrisch mit einem Bezugskreis zur Einspeisung von Signalen verbunden sind, um Signale fremder Einflüsse zu unterdrücken und die Signale der auf die druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente wirkenden Drücke und/oder Druckänderungen zu addieren.
Die Verstärkung der gewünschten Signale und Unterdrückung der unerwünschten Signale werden an späterer Stelle dieser Beschreibung noch in Verbindung mit der Erläuterung eines Ausführungsbeispieles ausführlicher beschrieben. Sie wird zweckmäßigerweise durch Verwendung eines elektrischen Differentialverstärkers durchgeführt.
Es ist vorteilhaft, wenn die druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente als elektromecbanische Wandler, vorzugsweise als piezoelektrische Wandler, ausgebildet sind. In der Praxis können stattdessen aber auch alle anderen geeigneten Wandler, wie induktive, kapazitive Wandler oder Dehnungsmeßbzw. Differentialtransformatorwandler,verwendet werden, welche
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zweckmäßigerweise Analogsignale abgeben. Wenn irgend möglich, ist es vorteilhaft, wenn die Elemente, die zur Erfühlung der Druckwerte oder Druckänderungswerte dienen, eine einstückige Einheit bilden können. Die piezoelektrischen Druckwandler werden aus kommerziellen Gründen vorgezogen; denn sie können in einfacher Weise, beispielsweise durch eine Rohrklemme, gegen die Rohrleitung gepreßt werden, so daß die Umstände g vermieden werden,die sich beispielsweise daraus ergeben können, daß ein Dehnungsmesser an der Rohrleitung befestigt werden muß. Außerdem können auf diese Weise auch komplexe elektrische Schaltkreise eingespart werden.
Die Ausgangssignale, welche die druck- und/oder druckanderungsempfindlichen Elemente abgeben, können in einen Integrierkreis eingespeist werden.
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Zweckmäßigerweise wird ein Impulsformkreis vorgesehen, um die ^ aus den einzelnen druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elementen kommenden Signale zu formen.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles.
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Pig. 1 zeigt zwei einander gegenüberstehende piezoelektrische Wandler, die in Kontakt mit einer Treibstoffleitung eines Dieselmotores oder anderen Einspritzmotores gehalten werden und auf einer einstückigen Rohrklemme befestigt sind.
Fig. 2 zeigt die Signale, welche die Wandler abgeben, wenn ein Druckimpuls durch die Treibstoffleitung wandert. ^ Fig. 3 zeigt die Form der Signale, die die Wandler abgeben,
wenn die Treibstoffleitung Vibrationen ausgesetzt ist.
Pig. 4 zeigt die resultierenden Eingangssignale.
Pig. 5 zeigt die Ausgangssignale.
Pig. 6 zeigt ein Blockdiagramm der elektrischen Kreise, welche mit den piezoelektrischen Wandlern verbunden sind.
In der Pig. 1 sind in einer Klemme 1 piezoelektrische Wandler Ij) 3A und 3B befestigt, die an einander diametral gegenüberliegenden Stellen des Außenumfanges einer Treibstoffleitung 2 anliegen. Wenn durch diese Treibstoffleitung ein Druckiropuls hindurchgeleitet wird, tritt eine Durchmesservergrößerung ein, und die piezoelektrischen Elemente 3A und 3B erzeugen eine elektrische Spannung der in Fig. 2 gezeigten Form.
Die piezoelektrischen Elemente 3A und 3B sind so angeordnet, daß eine Durchmesservergrößerung der Treibstoffleitung 2 an dem einen Element ein in das Positive gehendes Signal und am anderen Element ein in das Negative gehende Signal erzeugt.
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Sas Ergebnis sind zwei Signale, deren idealisierte Form in der Fig. 2 eingezeichnet ist. .
Wenn die Treibstoffleitung 2 in der einen oder anderen Richtung relativ zur Klemme 1 bewegt wird, wie etwa durch die Pfeile in fig. 1 angedeutet ist, dann werden in den piezoelektrischen Elementen 3A und 3B ebenfalls Signale erzeugt, die jedoch im Gegensatz zu den Drucksignalen entweder beide ins Positive gehen oder beide ins Negative gehen.. Die Wellenform solcher auf Vibrations- oder Rüttelwirkung beruhender Signale ist in der Fig. 3 eingezeichnet, wobei ebenfalls eine idealisierte Form dargestellt ist.
Jegliche Vibration und Schwingung der Treibstoffleitung 2 muß notwendigerweise zu einem gegebenen Zeitpunkt eine einheitliche definierte Richtung aufweisen, die naturgemäß nicht unbedingt in der Ebene der piezoelektrischen Elemente liegen muß, die jedoch aufgrund der resultierenden Komponente, die in dieser Richtung wirken, Signale erzeugen, deren Resultierende wiederum gleich sind und die gleiche Polarität aufweisen. Während der folgenden weiteren Beschreibung werden solche Signale, die die gleiche Polarität besitzen und die von Vibrationen oder Schwingungen erzeugt werden, lediglich als gleichsinnige Signale bezeichnet werden.
Sie Signale, die von den piezoelektrischen Elementen ^A und 3B gehalten werden, bilden ein zusammengesetztes Signal, das
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aus Druckimpulssignalen und zugeordneten Vibrationssignalen (s.J?ig.4) besteht. Die Signale werden in der Weise weiterbehandelt, daß ausschließlich die entgegengerichteten Signale, welche eine Folge des Druckimpulses sind, der durch die Treibstoff leitung 2 geht (Pig.5), weiter verarbeitet werdenDas wird dadurch erreicht, daß die Praktiken eines elektrischen Differentialverstärkers angewendet werden, welche sich durch ν ein besonders hohes Maß an Zurückweisungsfähigkeit unerwünschter Signale auszeichnen.
Der grundsätzliche Aufbau des elektrischen Kreises, der diesem Zwecke dient, ist schematisch in der flg. 6 gezeigt. Die Signale, die von jedem der beiden piezoelektrischen Elemente 3A und 3B erhalten werden, werden zunächst durch einen Verstärkungssteuerkreis 4 geleitet, damit ein Ausgleich der Sohwingungssignale erreicht werden kann. Dieser Ausgleich P ist notwendig, weil gewisse kleine Unterschiede auftreten können, die auf der unterschiedlichen Empfindlichkeit der piezoelektrischen Elemente 3A und 3B beruhen. Auch andere Ursachen können Differenzen erzeugen, wobei auch mechanische Einflüsse zur Wirkung kommen können.
Bei den Verstärkungssteuerkreisen 4 kann es sich um Elektronikbausteine CA»3036 handeln, die von der R.C.A. hergestellt werden. Der elektrische Differentialverstärker 5 kann ein Elektronikbaustein C.A.3029 sein, der von der R.C.A. hergestellt wird. Zusätzlich kann ein geeignetes Dämpfungs-
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und Filterelement 6 mit Potentiometersteuerung hinzugefügt werden.
Die Wellenform der Eingangs- und Ausgangssignale sind in idealisierter IPorro dargestellt. Auch dann, wenn angenommen wird, daß einige der gleichsinnigen Signale unter extrem ungünstigen Umäbänden als Ausgangssignale auftreten, entstehenjkeine Nachteile; denn das Verhältnis der erwünschten i Signale zu dem Wert des gewünschten Signales + dem unerwünschten Störsignal liegt etwa in der Größenordnung von 100 r 1 und "besitzt damit einen Wert, der allen nachgeschalteten Einrichtungen eine einwandfreie Punktion ermöglicht.
Das Ausgangssignal des Differentialverstärkerkreises 5 wird in einen Integrierkreis 6a eingespeist, welcher so ausgestaltet ist, daß eine Darstellung oder Anzeige der von der Fühleinrichtung ermittelten Information möglich g ist. Die Darstellung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß die Impulse pro Zeiteinheit, d.h. die Maschinendrehzahl, angegeben werden. Es kann.aber auch ein Anschluß des Integrierkreises 6a an einen Oszillographen oder ein Oszilloskop erfolgen, so daß der gesamte Druckimpuls einschließlich seiner Amplituden und der Größe des Scheiteldruckes ebenso abgelesen werden kann wie etwa der mittlere Durchschnittsdruck oder die Gestalt des Druckimpulses an . sich. Zwei Kreise mit zugehörigen piezoelektrischen Wandlern, die an zwei unterschiedliche Treibstoffleitungen
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angeschlossen sind, können dazu verwendet werden, die Phasenrelation zwischen den Impulsfrontflanken zu definieren, so daß die Arbeitsphasen und/oder Einspritz- und Zündphasen der Maschine gemessen und festgestellt werden können. Zur Leckmessung der Einspritzdüsen oder der Einspritzpumpe wird ein Ventil, in der Treibstoffleitung geschlossen, während der Motor läuft.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung kann zur Messung von Drücken oder Druckänderungen in Leitungen benutzt werden, die ein abgeschlossenes Ende besitzen und die in einen Zylinder einer Verbrennungsmaschine ausmünden, Es kann sich dabei um ein Stahlrohr handeln, dessen Durchmesser sich vergrößert, wenn der Druck im Zylinder ansteigt.
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Claims (9)

  1. - 13 - ■ ' Patentansprüche
    \J Vorrichtung zum Erfühlen von Druckänderungen oder Druckwerten eines Strömungsmediums in einer Leitung, " dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei druck- und/oder druckänderungsempfindliche Elemente (3A und 3B) vorgesehen und mit einem elektrischen Kreis (4,5,6 und 6a) verbunden sind, damit druck- oder druckänderungsabhängige Signale in den elektrischen Kreis einspeisbar sind und daß der elektrische Kreis Einrichtungen aufweist, die im Zusammenwirken mit der Lage der Elemente im elektrischen Kreis dazu dienen, übermäßige Fremdsignale wie solche, die von Vibrationen der Leitung erzeugt werden, relativ zu den Druck- und/oder Druckänderungssignalen zu unterdrücken.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch
    gekennze lehnet, daß die druck- und/oder %
    druckänderungsempfindlichen Elemente (3A, 3B) zur Druckfühlung an einer Kraftstoffleitung (2) eines Motors vorgesehen sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e η η ze i ebnet, daß wenigstens eines der druck- oder druckänderungaempfindlichen Elemente (3A und 3B) auf eine Vergrößerung des Außenquerschnittes der Leitung (2) anspricht,
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  4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente (3A,3B) zum Erfühlen eines Druckanstieges an der Außenseite der Wandung der Leitung (2) vorgesehen ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente (3A,3B) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leitung (2) angeordnet und elektrisch mit einem Bezugskreis (5) zur Einspeisung von Signalen (A,B) verbunden sind, um Signale fremder Einflüsse zu unterdrücken und die Signale (A,B) der auf die druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente wirkenden Drücke und/oder Druokänderungen zu addieren.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskreis als elektrischer Differentialverstärker (5) ausgebildet ist.
  7. 7· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die druok- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente (3A13B) ala elektroeeonanieche Wandler ausgebildet sind, welohe eine mechanische Bewegung in ein elektrisches
    Signal umwandeln.
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  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler als piezoelektrische Wandler (3A,3B) ausgebildet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 "bis 8, da -durch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Integrationskreis (6a) vorgesehen ist, um die Information der druck- und/oder druckänderungsempfindlichen Elemente (3A,3B) anzuzeigen.
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