DE2712527C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen und Überwachen von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für Dieselmaschinen, unter Verwendung von die an einem Maschinenelement wirksame Druckkraft in ein elektrisches Signal umwandelnden Druckwandlern, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zum Ermitteln und Auswerten des Druckes im Zylinder einer Brennkraftmaschine.

Prüf- und Überwachungsvorrichtungen der eingangs beschriebenen Art sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren sind aus der DE-OS 22 45 78t und auch aus der US-PS 35 11 038 bekannt.

Derartige Prüf- und Überwachungsvorrichtungen für die Leistung von Brennkraftmaschinen haben in den letzten Jahren eine zunehmend größere Verbreitung gefunden, da die Bedürfnisse hinsichtlich einer größeren Leistung, einer Kraftstoffeinsparung und einer Reduzierung der Luftverschmutzung zugenommen haben. Seit Jahren wird eine große Vielzahl von Wandlern verwendet, um die Wassertemperatur, den Öldruck und die öltemperatur, den Ansaugdruck und die Motordrehzahl zu ermitteln. Zahlreiche andere Maschinenparameter, wie zum Beispiel der Zündzeitpunkt und der öffnungswinkel sowie andere charakteristische Werte, wurden ferner durch Messungen ermittelt, die an der elektrischen Schaltung für die Brennkraftmaschine durchgeführt wurden.

Als nachteilig hat es sich bei deii bisher bekannten Prüf- und Überwachungsverfahren bzw. -vorrichtungen, gemäß welchen jeweils dann elektrische Signale erzeugt werden, wenn sich eine Kraftstoffleitung aufgrund einer Brennstoffeinspritzung verformt, erwiesen, daß das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis der von den Druckwandlern erzeugten elektrischen Signale für eine exakte Signalauswertung nicht ausreichend ist

Die bei den bekannten Systemen eingesetzten Druckabtaster sind nämlich in Form von Klammern ausgebildet, welche die Kraftstoffleitung von außen umschließen und die nach außen gerichtete radiale Dehnung der betreffenden Leitung bei einem Kraftstoffimpuls erfassen. Derartige als Klammern ausgebildete Druckwandler haben aber zwei entscheidende Nachteile. Zunächst einmal ist das Signal aufgrund des angewandten Meßprinzips, bei dem die radiale Dehnung einer metallischen Kraftstoffleitung gemessen wird, von Natur aus etwas schwach. Darüber hinaus ist aber auch der Geräuschpegel in dem Signal sehr hoch, weil an den Kraftstoffleitungen beträchtliche Kraftstoffvibrationen aufgrund der Vibrationen der Brennkraftmaschine auftreten, wobei diese Vibrationen durch jede zusätzlich mit der Leitung verbundene Masse noch erhöht werden, so daß es beim Arbeiten mit dem bekannten Druckwandler letzlich unvermeidbar ist, daß man ein schwaches Nützsignal erhält, welches von außerordentlich starken Störkomponenten überlagert so ist

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Prüfen und Überwachen von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von Druckwandlern dahingehend zu verbessern, daß ein exakt auswertbares Nutzsignal erzielbar ist

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, μ gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man die in axialer Richtung des Maschinenelements wirksame Druckkraft erfaßt

Was die Vorrichtung anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens ein elektromechanischer Druckwandler zur Umsetzung von in radialer Richtung eines Maschinen elements wirksamen Druckkräften in ein elektrisches Signal vorgesehen ist

Der entscheidende Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht dabei darin, daß die axialen Druckkomponenten wesentlich effektiver auf einen Meßwandler übertragen werden können, so daß von vornherein ein stärkeres Nutzsignal erhalten wird, wobei außerdem zumindest eine zusätzliche Verstärkung unerwünschter Vibrationen durch zusätzliche Massen an den schwingenden Teilen vermieden wird.

Weiter ist es ein wichtiger Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung, daß der Druck im Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere einer Dieselmaschine, ohne eine kostspielige Änderung an den bereits vorhandenen Bauteilen einer solchen Maschine vorgenommen werden kann. Vorzugsweise wird der druckempfindliche elektromechanische Wandler mit einer piezoelektrischen Tafel oder Platte an Punkten montiert, an denen sich eine besonders hohe Spannung oder ein besonders hoher Druck ergibt, beispielsweiy-_: an den Bügeln oder Befestigungseinrichtungen, welche dl·· Einspritzdüsenanordnung unter Druck an der Kraftstoffeinlaßöffnung des Zylinders festlegen. Der in dem Zylinder erzeugte Druck wirkt in diesem Fall auf Flächen der Einspritzdüsenarordnung, weiche sich in der Nähe der Kraftstoffeinlaßöffnung befinden und wird in axialer Richtung längs der Einspritzdüssnanordnung über den Büge! oder eine andere Befestigungseinrichtung auf den Druckwandler übertragen. Da die Einspri ^düsenanordnung, ihre zugeordnete Halteklammer oder dergleichen und der Wandler sämtlich halbstarr am Maschinengehäuse befestigt sind und da für einen geeigneten Frequenzgang des Wandlers selbst gesorgt werden kann, stellt das Ausgangssignal desselben ein genaues Abbild der Druckschwankungen im Zylinder dar und weist keinerlei merkliche Verzerrungen auf, die ihre Ursache in Vibrationen der Maschine haben. Das Ausgangssignal besitzt vielmehr eine so hohe Qualitä;, daE es zum Antreiben einer integrierenden Tachometerschaltung verwendet werden kann und dort eine Anzeige der Maschinengeschwindigkeit bzw. -drehzahl liefert. Das Ausgangssignal des Wandlers kann jedoch auch mittels einer Kathodenstrahl-Anzeige angezeigt werden oder in verschiedenen Schaltkreisen aufbereitet werden, um eine genaue Information, beispielsweise über die Kompression, den Maximaldruck bei der Zündung, die Leistung, den Zustand der Einspritzdüse usw., zu liefern, d. h. eine Information über die Leistung der Maschine und im Inneren der Maschine ablaufende Vorgänge.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Teiichnitts einer Dieselmaschine, bei der eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung einsetzbar ist;

Fig. 2 eine Ur.ieransicht einer Klammer zum Halten der Einspritzdüse der Dieselmaschine gemäß Fig.] mit einem daran befestigten piezoelektrischen Wandler;

Fig.3 ein Blockdiagramm einer Überwachungsvorrichtung mit einer Wandleranordnung gemäß Fig. 1 und 2;

F i g. 4 Zeitdiagramme für den Verlauf der Spannung an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß F i g. 3 bei schnellem und langsamem Betrieb der Maschine;

Fig.5 eine schematische Darstellung des Signalverlaufs auf dem Bildschirm der Kathodenanzeige der Schaltung gemäß F i g. 3;

Fie.6 eine Seitenansicht zur Verdeutlichuns der

Anordnung des Wandlers einer erfindungsgemälien Überwachungsvorrichtung bei einer abgewandelten Ausfiihrungsform einer Einspritzdüsenanordnung, teilweise im Schnitt;

F i g. 6a eine vergrößerte perspektivische Darstellung des Wandlers in der Anordnung gemäß F i g. 6;

F i g. 6b einen weiter vergrößerten Querschnitt durch den Wandler gemäß Fig.6a längs der Linie bb-bb in dieser Figur;

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines Wandlers einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung;

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Einspritzsystems mit einer Wandleranordnung einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung;

F i g. 8a und 8b eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt längs der Linie 8b-8b der Wandleranordnung gemäß F ig. 8.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch

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welches im wesentlichen aus einem Gehäuseblock 12 — nachstehend nur noch als Block bezeichnet — und einem Zylinderkopf 14 besteht. Der Block 12 ist aufgeschnitten, um den Blick auf einen Kolben 16 freizugeben, der in einem Zylinder 18 läuft. Der Kolben 16 ist mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) über eine Kolbenstange 20 verbunden und besitzt mehrere Kolbenringe 22, die in üblicher Weise dazu dienen, in dem Zylinder 18 eine gute Kompression und Schmierung zu gewährleisten. In dem Block 12 sind Kanäle 24, 26 für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen.

Der Zylinderkopf 14 enthält eine Luftansaugkammer 30, über welche die Luft für den Verbrennungsprozeß über eine Ventilanordnung 32 in den Zylinder 18 eingeleitet wird, wobei die Ventilanordnung 32 eine Lufteinlaßöffnung 34 unter Steuerung durch geeignete Verbindungselemente, die durch andere Teile der Maschine angetrieben werden, öffnet und schließt. Der Zylinderkopf 14 enthält ferner einen Kanal 36 für Kühlwasser oder eine andere Kühlflüssigkeit, mit deren Hilfe die Temperaturen in dem Zylinderkopf geregelt werden. Der Zylinderkopf 14 ist mit dem Block 12 mittels Schrauben 40 und einer Zylinderkopfdichtung dichtend verschraubt, so daß sich ein geschlossener Verbrennungsraum 42 ergibt, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von den Bewegungen des Kolbens 16 in dem Zylinder 18 ändert.

Den Verbrennungsräumen der einzelnen Zylinder wird der Kraftstoff mittels einer Einspritzpumpe (nicht dargestellt) jeweils über Maschinenelemente, nämlich eine Kraftstoffleitung 50 und eine Einspritzdüse 52 zugeführt. Bei Dieselmaschinen arbeitet man mit verschiedenen Einspritzsystemen. Üblicherweise liefert eine einzige Einspritzpumpe mit geeigneten Ventileinrichtungen den Kraftstoff in zyklischer Folge an die einzelnen Zylinder. Bei einigen Maschinen ist jedoch jeder Zylinder mit einer eigenen Einspritzpumpe ausgerüstet, welche im Abstand von der Einspritzdüse 52 angeordnet oder mit dieser zu einer Einheit integriert werden kann. Weiterhin ist es bekannt, mehrere Düsenanordnungen vorzusehen, um den Kraftstoff in einen einzigen Zylinder einzuspritzen oder auch eine einzige Düsenanordnung mit mehreren Düsenöffnungen, mit deren Hilfe der Kraftstoff in dem Verbrennungsraum 42 verteilt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bei allen diesen verschiedenen Einspritzsystemen einsetzbar.

Beim Ausführungsbeispiel gelangt der Kraftstoff von der Kraftstoffleitung 50 über die Einspritzdüse 52 zu einer Einlaßöffnung 60 des Zylinders 18. Ein geeigneter Kanal oder Mantel 62, welcher gegossen oder auf andere Weise in dem Zylinderkopf 14 erzeugt ist, ·, durchdringt den Kühlmittelkanal 36 und verhindert damit, daß Kühlmittel nach außen oder in den Zylinder 18 ausläuft. An der Kraftstoffeinlaßöffnung 60 des Zylinders 18 ist eine Dichtung 64 vorgesehen, welche üblicherweise als Kupfer- oder Messingring ausgebildet

ι υ ist und ein vorstehendes Teilstück bzw. eine Öffnung 66 an der Spitze der Einspritzdüse 52 umgibt.

Damit die Einspritzdüsenanordnung bzw. die Einspritzdüse 52 dichtend an der Einlaßöffnung 60 des Zylinders 18 anliegt, sind Befestigungseinrichtungen

ii vorgesehen, welche am Zylinderkopf 14 befestigt sind und die Einspritzdüse 52 unter einem axialen, auf das Maschinengehäuse gerichteten Druck, halten. Im einzelnen umfassen die Befestigungseinrichtungen, wie dies die Fig. I und 2 zeigen, ein hebelartiges Element

mittels einer Schraube 72 befestigt ist, die eine öffnung der Klammer 70 durchgreift. Das eine Ende 74 der Klammer 70 stützt sich an einem vorstehenden Ansatz 76 des Zylinderkopfes 14 ab. Das andere Ende 78 der

2ϊ Klammer ist im wesentlichen U-förmig ausgebildet und greift in einen Ausschnitt 84 am Umfang der Einspritzdüse 52 ein, und zwar außerhalb und im Abstand von dem Gehäuse 10. Der Ausschnitt 84 der Einspvüzdüse 52 besitzt zwei Schultern 86, 88, auf welche das U-förmige Ende 78 der Klammer 70 einen Druck ausübt, der durch die Hebelwirkung beim Anziehen der Schraube 72 erzeugt wird.

Die Einspritzdüse 52 kann &\A mehrere verschiedene Arten ausgebildet sein. Üblicherweise enthalten Ein-

js spritzdüsen einen federbelasteten Ventilkörper, der durch den von der Einspritzpumpe zugeführten Kraftstoff hydraulisch geöffnet wird, wenn der Kraftstoffdruck auf einem vorgegebenen unteren Grenzwert liegt. Auf diese Weise hält die Einspritzdüse den Druck im Verbrennungsraum 42 während des überwiegenden Teils eines Verbrennungszyklus von der Kraftstoffleitung 50 fern. Obwohl dies im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung nicht wesentlich ist, sei darauf hingewiesen, daß die meisten Einspritzdüsen zusätzlich

■<5 eine Dosierfiinktion aufweisen und die Kraftstoffmenge pro Einspritzzyklus genau regeln, während überschüssiger, von der Einspritzpumpe angelieferter Kraftstoff über eine Rückführleitung 90 in den Kraftstoffvorrat zurückgeleitet wird, wie dies F i g. 1 zeigt

Während des normalen Betriebes der Dieselmaschine wird die dem Zylinder 18 über die Lufteinlaßöffnung 34 zugeführte Luft während der Aufwärtsbewegaag des Kolbens 16 komprimiert Wenn dann die Lufteinlaßöffnung 34 geschlossen ist und die Kompression im Zylinder 18 immer noch ansteigt, dann wird der Kraftstoffleitung 50 von der Einspritzpumpe Kraftstoff zugeführt Wenn der Druck des Kraftstoffs in der Leitung 50 ausreichend hoch ist, um den federbelasteten Ventilkörper in der Einspritzdüse 52 zu öffnen, dann beginnt die Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder 18. Aufgrund des Zusammenwirkens von Hitze und Druck in dem Verbrennungsraum 42 dehnt sich der Kraftstoff aus und zündet Dies führt zu einem weiteren weitaus schnelleren Ansteigen des Druckes und leitet

es den Arbeitshub ein, in dessen Verlauf der Kolben 16 in dem Zylinder 18 nach unten gedrückt wird.

Gemäß der Erfindung sind nun Einrichtungen vorgesehen, um diese Druckänderungen hn Verbren-

nungsraum 42 zu überwachen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches zur Überwachung der Leistung der Maschine oder der einzelnen Zylinder ausgewertet werden kann. Im einzelnen wird eine Wandleranordnung geeigneter Empfindlichkeit mit den Befestigungseinrichtungen gekoppelt, welche die Einspritzdüse in die Kraftstoffeinlaßöffnung drücken. Die in axialer Richtung an der Einspritzdüse wirksamen Kräfte aufgrund von Druckänderungen in dem Verbrennungsraum 42 werden auf diese Weise außerhalb des Gehäuses 10 ermittelt, was einen bequemen und wirtschaftlichen Einsatz der Überwachungsvorrichtung erleichtert. Im einzelnen ist zu diesem Zweck bei dem Alisführungsbeispiel gemäß Fig. I und 2 ein Spannungswandler 100 vorgesehen, der an der Unterseite der Klammer 70 in der Nähe eines Punktes starker Biegung befestigt ist. welcher beim Ausführungsbeispiel in der Nähe des .Schwenkpunktes der Klammer bzw. in der Nähe der Schraube 72 liegt.

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keramischen kristallischen Element mit piezoelektrischen Eigenschaften, d. h. mit der Fähigkeit, eine Spannung zu erzeugen, wenn eine mechanische Kraft oder Spannung in einer bestimmten Richtung bezüglich der Kristallachse(n) des Materials auftritt. Materialien, wie sie unter den Handelsnamen »Mallory P.C.5« oder »Clevite PZT 5« im Handel sind, haben sich als sehr geeignet erwiesen. Wandler der betrachteten Art haben zwei zueinander parallele Hauptflächen, zwischen denen sich die von der mechanischen Belastung abhängige Spannung ergibt. Bei dem Ausführungsbeisp«;l gemäß Fig. 2 ist eine dieser Hauptflächen mittels eines leitfähigen Klebers an der Klammer 70 festgeklebt, während die andere Hauptfläche elektrisch mit einer Ausgangsklemme 104 verbunden ist, so daß sie mit einer weiter unten noch zu beschreibenden Überwachungsvorrichtung verbunden werden kann. Der für das Befestigen des Wandlers 100 an der Klammer 70 verwendete Kleber wird vorzugsweise so gewählt, daß er einen guten elektrischen Kontakt in dem gesamten Temperaturbereich gewährleistet, der unter den normalen Betriebsbedingungen der Maschine durchlaufen wird. Aufgrund seiner Verklebung mit der Klammer 70 wird der Wandler 100 in Abhängigkeit von axialen Drücken längs des Grundkörpers der Einspritzdüse 52 bei Druckänderungen in dem Verbrennungsraum 42 gebogen. Gleichzeitig haben in radialer Richtung wirksame Druckänderungen, wie sie in der Kraftstoffleitung 50 und in der Einspritzdüse 52 auftreten, wenn überhaupt nur eine geringe Wirkung auf den Wandler 100. Auch bezüglich der Vibrationen der Maschine selbst zeigte es sich, daß diese, wenn überhaupt, nur einen geringen Einfluß auf das von dem Wandler erzeugte Signal haben. Mit anderen Worten stellt also die Ausgangsspannung des Wandlers 100 (Fig.5) an dessen Ausgangsklemme 104 ein sehr genaues MaB für den jeweils herrschenden Druck in dem Zylinder 18 dar. Eine genaue Erläuterung des Verlaufs der Ausgangsspannung erfolgt weiter unten.

Das Ausgangssignal des Wandlers kann mittels verschiedener Ausgabeeinrichtunengen ausgewertet werden, die eine optische Anzeige der Maschinenleistung liefern. In F i g. 3 sind zwei derartige Einrichtungen, nämlich ein Tachometerkreis und eine Anzeige mit Kathodenstrahlröhre dargestellt Betrachtet man zunächst den Tachometerkreis, so erkennt man, daß der Wandler 100 an seiner Anschlußklemme 104 für jeden Arbeitszyklus der Maschine einen Ausgangsimpuls liefert. Während beim Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal des Wandlers als eine Spannungsschwankung dargestellt ist, die sich gegenüber einer Bezugsspannung ergibt, auf der die Maschine liegt, versteht es sich, daß es in gewissen Fällen vorteilhafter sein kann, mit jeder der Hauptflächen des Wandlers eine getrennte Leitung zu verbinden und beide Hauptflächen des piezoelektrischen Materials auf geeignete Weise elektrisch gegenüber den Bauteilen der Maschine zu isolieren. Da ein piezoelektrischer Wandler sehr empfindlich auf eine elektrische Belastung reagiert, ist ein Trennverstärker 110 mit einer hohen Eingangsimpedanz vorgesehen, dem das Ausgangssignal des Wandlers 100 zugeführt wird. Mit dem Ausgang des Verstärkers 110 ist ferner eine Zeitschaltung, insbesondere ein Multivibrator 112. verbunden, mit dessen Hilfe in Abhängigkeit von jedem Ausgangsinipuls des Wandlers ein Ausgangsimpuls konstanter Dauer erzeugbar ist. Der Multivibrator 112 liefert seine

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Eingang 116 eines integrierenden Tachometers 118. Die Signale A, B und C in Fig. 4 entsprechen im wesentlichen dem Spannungsverlauf an den Punkten A. Sund C der Schaltung gemäß Fig. 3. wobei doch die Amplitude des Signals C auch als repräsentativ für das optisch angezeigte Meßergebnis des Tachometers 118 angesehen werden kann, da viele einfache Tachometer die ihrem Eingang zugeführte Impulsfolge B ohne Umsetzung in ein Gleichstrom-Zwischensignal direkt mechanisch integrieren. In üblicher Weise mißt das Tachometer 118 in der Praxis den Mittelwert des Ausgangssignals B des Multivibrators und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal bzw. eine Anzeige C, welche der Maschinengeschwindigkeit proportional ist. Die vorstehend beschriebene Tachometerschaltung und die verschiedenen Übcrwachungs- bzw. Aufzeichnungseinrichtungen arbeiten lediglich in Abhängigkeit vom Vorliegen einer geschwindigkeitsabhängigen Impulsfolge, wie sie beispielsweise von dem Wandler 100 geliefert wird. Für andere Anwendungsfälle, insbesondere für eine genaue Prüfung der Betriebsbedingungen im Inneren eines Zylinders, ist der Verlauf des Druckes über der Zeit während eines Arbeitszyklus in dem betreffenden Zylinder als charakteristischer Parameter von Interesse. Die Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist für eine solche anspruchsvollere Überrüfung besonders geeignet. Für eine solche Auswertung ist in Fig. 3 eine zweite Anzeigeeinrichtung in Form einer Anzeige 130 mit Kathodenstrahlröhre vorgesehen, deren Eingang 131 das Ausgangssignal des Verstärkers 110 zur Darstellung auf einem Bildschirm 134 zugeführt wird. Die Anzeige 130 kann ein üblicher Oszillograph sein oder auch eine andere Anzeigeeinrichtung, bei der die Möglichkeit besteht, eine automatische Synchronisation auf die Periode des Eingangssignals vorzunehmen. Das Zeilensignal für die Anzeige kann aber auch durch ein extern erzeugtes Signal getriggert bzw. synchronisiert werden, welches beispielsweise mittels eines mit dem Schwungrad verbundenen Abtasters gewonnen werden kann oder auch aus den verschiedenen Zeitimpulsen, die im Ausgangssigna] des Wandlers selbst enthalten sind. Das Signal welches auf dem Bildschirm 134 bei der Überwachung eines einwandfrei arbeitenden Zylinders erscheint, ist in F i g. 5 als Druck P über der Zeit T aufgetragen, wobei die vom Wandler 100 erzeugte Ausgangsspannung auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist. Ein Gitter auf dem

Bildschirm 1.14 sorgt für die richtige Eichung bzw. Grundeinstellung. Die Amplitude des Signals an jedem einzelnen Punkt oberhalb der Null-Linie entspricht dem augenblicklichen Druck in dem Zylinder. Diese Amplitude kann mit bekannten Standardwerten verglichen werden, um Klarheit hinsichtlich der Leistung der Kolbenringe und Ventile beim Aufrechterhalten der gewünschten Kompression zu gewinnen.

Die Druc'i-Zeit-Kurve in Fig. 5 zeigt die Leistung des gleichen Zylinders unter zwei verschiedenen Bedingungen. Die gestrichelte Linie oder Kurve 120 stellt dasjenige Signal dar, welches auf dem Bildschirm 134 erhalten wird, wenn die Kraftstoff/.ufuhr zu dem betreffenden Zylinder unterbrochen ist. während die ausgezogene Linie oder Kurve 121 dasjenige Signal darstellt, welches auf dem Bildschirm 134 erhalten wird, wenn in den Zylinder Kraftstoff eingespritzt wird. Das Signal gemäß der Kurve 120 zeigt diejenigen Diuckän· derungen in dem Verbrennungsraum 42, die sich bei fehlender Kraftstoffzufuhr allein aufgrund der Volumcnänderungen des Verbrennungsraums 42 während einer vollständigen Hin- und Herbewegung des Kolbens ergeben.

Man erkennt, daß sich beim oberen Totpunkt des Kolbens der höchste Druck ergibt. Dns entsprechende Kurvenstück ist in Fig. 5 mit dem Bezugs/eichen 122 bezeichnet. Die Lage des oberen Totpunktes ist für die Einstellung der Maschine von wesentlicher Bedeutung.

Wenn das Einspritzsystem arbeitet, wird von dem Wandler 100 ein ganz anderes Ausgangssign.il erzeugt und auf dem Bildschirm 134 angezeigt. Die Kurve 121 steigt zunächst im Verlauf der Aufwärtsbewegung des Kolbens 18 und vor der Einspritzung des Kraftstoffes ähnlich wie die Kurve 120 an. Anschließend folgt dann ein Kurvenstück 123. wo sich Druckschwankungen mit hoher Frequenz ergeben, die eine Folge des Ratterns der Einspritzdüse während der Einspritzphase sind. Ein Fehlen dieses Ratterns oder Schwingens ist ein Hinweis auf eine defekte Einspritzdüse. Eine Änderung dieser Schwingungen oder eine zeitliche Verschiebung derselben gegegenüber dem Zeitpunkt 7"DC zu dem der Kolben seinen oberen Totpunkt durchläuft, ist ebenfalls ein Hinweis auf eine fehlerhafte Einspritzdüse. Das Kurvenstück 124 entspricht dem Zeitinter\all. in dem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird und in dessen Verlauf die Amplitude der Druck-Zeit-Kurve steil ansteigt, bis schließlich im Bereich des Kurvenpunktes 126 die Zündung erfolgt und der maximale Druck auftritt. Wenn eine Einspritzdüse leckt oder bei einem unzureichenden Druck öffnet oder eine verschmutzte Düsenöffnung aufweist, dann weicht die Amplitude des Ausgangssignals des Wandlers beträchtlich von der gezeigten Standardkurve ab und das Druckmaximum ist nur geringfügig höher als bei unterbrochener Kraftstoffzufuhr.

Obwohl der vorstehend diskutierte Druckverlauf bereits für sich genommen von erheblichem Interesse und großer Aussagekraft ist. besitzen die zeitlichen Zusammenhänge zwischen den Druckschwankungen eine zusätzliche und möglicherweise noch größere Bedeutung. Bei einer bestimmten Maschine, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit läuft, besitzt der Zeitpunkt (üblicherweise als »Ventilschließung« bezeichnet), an dem die Einspritzpumpe (nicht dargestellt) beginnt, der Kraftstoffleitung 50 Kraftstoff zuzuführen, einen festen zeitlichen Abstand von dem Zeitpunkt 7UC zu weichem der Kolben 16 seinen oberen Totpunkt erreicht

Zusätzliche Informationen lassen sich gewinnen, indem man jedem Zylinder einer Maschine einen eigenen Wandler zuordnet und die Ausgangssignale der einzelnen Wandler als getrennte Spuren auf einem einzigen Bildschirm oder dergleichen darstellt und dabei mit einer gemeinsamen Zeitbasis arbeitet, die mil dem Ausgangssignal irgendeines der Wandler synchronisiert ist. Die gegenseitige zeitliche Lage und die Amplitudeninformation der einzelnen Signale kann in diesem Fall eine wertvolle Anzeige von Störungsqucllen oder übermäßiger Abnutzung bei ein oder mehreren Zylindern liefern und damit einen Hinweis darauf. weshalb eine verschlechterte Leistung der Maschine eingetreten oder /\i befürchten ist.

Eine abgewandelte Ausfuhrungsiorm einer Befestigungseinrichtung fur die Einspritzdüse ist in F ι g. b gezeigt. Wie man sieht, besitzt das Gehäuse 140 der Einspritzdüse in diesem F.ill seitlich abstehende Flansche 142, 144. leder dieser Flansche 142, 144 besitzt eine Öffnung 146. durch welche ein Bolzen 148 aiii Gehäuse 10 hindurchgreift. Auf die Holzen 14S sind Muttern 150 aufgeschraubt, welche Druck auf die Flansche 142, 144 ausüben, und das Gehäuse 140 der Einspritzdüse in Kontakt mit der Kraftstoffeinlaßöffnung (nicht dargestellt) de«. Zylinders halten, und zwar auf eine Weise, die ftinkiionsmaßig den in Verbindung mit Fig. ! erläuterten Bedingungen entspricht.

Gemäß der Erfindung ist nun der Einspritzdüse in Fi g. b ein nach Art einer I'inerlagsscheihe ausgebildeter Wandler 160 zugeordnet, welcher /wischen dem einen Flansch 144 und der einen Mutter 150 zusammengedrückt wird und damit auch auf den Druck anspricht, der aufgrund von Druckschwankungen im Verbrennungsraum in axialer Richtung auf das (iehause 140 ausgeübt wird. Wie dies im einzelnen in den F i g. ba und bb näher dargestellt ist. ist der Wandler 160 sandwichartig aufgebaut und besitzt eine äußere Scheibe 162 aus elektrisch leitfähigem Metall, welche einen Hohlraum aufweist, in dem sich cmc dünne Scheibe 164 aus pie/oelcktnschem Material befindet. deren Unterseite 166 mit der ein Gehäuse bildenden Scheibe 162 verklebt ist. und zwar mittels eines leitfähigen Klebers, der sehr temperaturbeständig ist. Die andere Hauptfläche 168 des Rings bzw. der Scheibe aus piezoelektrischem Material ist bei 170 mit einer Zuleitung 172 \erlötet, welche von einer Isolation 174 umgeben ist und eine Öffnung des Randes der Scheibe 162 durchgreift. Schließlich ist oberhalb der oberen Hauptfläche 168 der Scheibe 164 aus piezoelektrischem Material eine zweite Scheibe 176 vorgesehen, die aus isolierendem dielektrischem Material bestehen kann, um eine elektrische Isolation zwischen den Hauptflächen 166 und 168 der piezoelektrischen Scheibe 164 aufrechtzuerhalten. Andererseits kann die zweite Scheibe 176 auch aus metallischem Material bestehen und von der Oberseite 168 der piezoelektrischen Scheibe durch eine geeignete isolierende Unterlagsscheibe (nicht dargestellt) getrennt sein.

Wenn der Wandler 160 zwischen dem Flansch 144 am Gehäuse 140 der Einspritzdüse und der zugeordneten Mutter 150 festgelegt wird, dann führen in axialer Richtung an der Einspritzdüse wirksame Kräfte zu einer zusätzlichen Belastung oder einer Entlastung des piezoelektrischen Materials, so daß sich zwischen dessen Hauptflächen 166, 168 eine wechselnde Spannung ergibt. Wie bei dem Wandler 100 gemäß F i g. 1 und 2 dient das Material der Maschine selbst wieder als Bezugspotential für das von dem Wandler erzeugte

Sigr: j!, wekiies über eine einzige Leitung 172 einer geeigneten Überwachungsvorrichtung zugeführt wird, wie sie beispielsweise in F i g'. .3 gezeigt uno oben erläuter' wurde.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß ein ähnlich wie eine Unierlagsscheibe au^geoildeter Wandler 160 bei jeder Einspritzdüse verwendet werden kann, die am Maschinengehäuse mittels Bolzen, Schrauben oder anderer runder bzw. zylindrischer Befestigungselemente befestigt ist. Der Wandler 160 könnte beispielsweise auch bei dem Ausführungsbei spiel gemäß F i g. 1 und 2 anstelle des Wandlers 100 mit Hilfe der Schraube 72 bezüglich der Klammer 70 festgelegt werden. Bei entsprechender Vergrößerung kann der Wandler 160 auch ohne weiteres in Verbindung mit Finspritzdiisen verwendet werden, welche in das Maschinengehause eingeschraubt werden oder welche mittels schraubenartiger Fittings festgelegt werden, die koaxial /u den Finsprit/düsen selbst angeordnet sind.

Kin weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgen^ßen Wandler ist in F i g. 7 dargestellt, wo ein Haltebügel 180 für die Einspritzdüse mittels eines schraubenartigen Befestigungselementes 182 an dem Gehäuse to festgelegt ist. Bei diesem Ausführungsbeispie! besitzt das Befestigungselement 182 einen Hohlraum 184, in dem sich eine Scheibe 186 aus piezoelektrischem Material des vorstehend beschriebenen Typs befindet. Die eine Hauptfläche 188 der Scheibe 186 ist mit dem Befestigungselement 182 mit einem temperaturfesten leitfähigeri Kleber verbunden. Die andere Hauptfläche 190 der Scheibe 186 ist gegenüber dem Befestigungselement 182 mittels eines geeigneten dielektrischen Einsatzes oder Stopfens 192 isoliert. In den Stopfen 192 ist ein Bolzen bzw. eine Schraube 194 eingesetzt, welche in axialer Richtung bis zu der Hauptfläche 190 der Scheibe 186 reicht und mit dieser in leitfähiger Verbindung steht. Das Ausgangssignal des Wandlers wird von der Schraube 194 über eine Leitung mit einem Kabelschuh 196 oder dergleichen abgegriffen. Diese Leitung ist wieder mit einer geeigneten Überwachungsvorrichtung verbunden, wie sie beispielsweise vorstehend anhand der F i g. 3 bis 5 erläutert wurde. Die in Fig. 7 gezeigte schraubenförmige Wandleranordnung ist ähnlich wie die unterlagsscheibenförmige Wandleranordnung gemäß Fi^b für zahlreiche Einspritzdüsenbefestigungen geeignet und könnte beispielsweise anstelle der Schraube 72 in F i g. 1 verwendet werden oder die Schraubverbindung 148, 150 zur Befestigung der Einspritzdüse gemäß F i g. 6 ersetzen.

Zusätzliche Informationen über die Leistung einer Maschine bzw. eines Zylinders derselben erhält man. wenn man die Arbeitsweise des Kraftstoffverteilersystems überwacht r.iit dessen Hilfe der Einspritzdüse 52 über die Kraftstoffleitung 50 Kraftstoff zugeführt wird. Die Informationen bezüglich des zeitlichen Verlaufs und des Volumens des Kraftstoffflusses können bei der Prüfung einer Maschine zur Gewinnung wesentlicher Betriebsparameter auf verschiedene Weise ausgewertet werden, wie dies beispielsweise in der US-PS 35 11 088 beschrieben ist. Beispielsweise kann das Pulsieren des Kraftstoffstromes in der Einspritzleit'ing abgetastet werden, um ein Signal zu erzeugen, welches einem Tachometerkreis zugeführt wird, wie er in Fig.3 gezeigt ist Man kann auch den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung mit dem Zeitpunkt eines anderen wesentlichen Vorgangs während eines Arbeitszyklus

eines zu prüfenden Zylinders überwachen. Wenn man über eine geeignete zweikanalige Anzeige verfügt, dann kann man den Kraftstoffdruck in der Leitung 50 gleichzeitig mit dem Druck im Inneren des Zylinders 18 darstellen und die relative zeitliche Lage der Vorgänge in der Kraftstoffleitung und im Verbrennungsraum 42 untersuchen. Es wurde zwar bereits . orgeschlagen. Wandler zur Überwachung des Kraftstoffflusses in Einspritzsystemen vorzusehen; die emsprechenden Einrichtungen sind jedoch relativ teuer, kompliziert u"d hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten bei bereits bestehenden Einspritzsystemen beschränkt.

In Weiterbildung des Grundprinzips der Erfindung ist in I ι g. 8. 8a und 8b ein einfacher, wirtschaftlicher Wandler zur Überwachung der axialen Kräfte gezeigt, die sich in der Kraftstoffleitung 50 unter dem Einfluß der Einspritzpumpe 210 ergeben.

Der Wandler ist in einer geschlitzten Mutter 212 angeordnet, welche ähnlich wie eine Überwurfmutter ausgebildet ist und dazu dient, eine dichtende Verbindung zwischen der Kraftstoffleitung 50 und einem Hochdruckfitting 214 an der Auslauseite der Einspritzpumpe 210 herzustellen. Der Hauptuntcrschied zwischen der Mutter 212 und einer konventionellen Überwurfmutter besieht darin, daß sie einen in axialer Richtung verlaufenden Schlitz 216 aufweist und leicht auf die Kraftstoffleitung 50 aufgeschoben werden kann und außerdem geeigne, ist, in einem Hohlraum 218 ein druckempfindliches Material aufzunehmen. Wie dies die F i g. 8a und 8b näher zeigen, ist das druckempfindliche Material, typischerweise ein Streifen oder eine Platte aus piezoelektrischem Material, als unterlagsscheibenförmiger Einsatz 220 ausgebildet, dessen eine Hauptfläche 222 mittels eines temperaturfesten, leitfähigen EpoNidhar/Klebcrs mit einer metallischen Fläche der Mutter 212 verklebt ist. Die andere Hauptfläche 224 des Einsatzes 220 ist gegenüber den metallischen Oberflächen der Mutter 212 isoliert und bei 228 mit einer Zuteil jng 226 verlötet. Die Zuleitung 226 und ihre Isolation 232 sind in ein isolierendes Material 234 eingebettet, mit welchem der Hohlraum in der Mutter 212 vergossen werden kann, um das Wandlermaterial bzw. den Einsatz 220 zu schützen und zu isolieren.

Der Kraf'stoffleitungs-Wandler, welcher vorstehend beschrieben wurde, kann je nach der besseren Zugänglichkeit am einen oder anderen Ende der Kraftstoffleitung 50 vorgesehen werden. Er kann also mit anderen Worten die Befestigungsmutter 230 am pumpenseitigen Ende ersetzen oder eine entsprechende Befestigungsmutter an dem der Einspritzdüse zugewandten Ende (eine solche Befestigungsmutter ist in den F i g. 1 und 6 gezeigt). Bei einer Prüfung der Maschine wird einfach die Befestigungsmutter, wie z. B. die Mutter 230 in Fig.8. abgeschraubt und längs der Kraftstoffleitung 50 fortgeschoben. Ohne daß die Kraftstoffleitung 50 von dem Auslaß 214 abgenommen wird, kann nunmehr die Wandler-Mutter 212 auf die Kraftstoffleitung 50, welche durch den Schlitz 216 hindurchbewegt wird, aufgeschoben und auf den Auslaß bzw. das HochdruckFitting 214 aufgeschraubt werden. Die Muttter 212 sichert nunmehr die Kraftstoffleitung 50 in angemessener Weise, so daß eine Kraftstoffeinspritzung möglich ist Wenn nun mit Hilfe der Einspritzpumpe 210 Kraftstoff zu dem betreffenden Zylinder gefördert wird, dann hat die Kraftstoffleitung 50 die Tendenz, sich von dem Hochdruckfitting 214 zu "lösen und erzeugt dabei einen Druck auf die Mutter 212, welcher an dem piezoelektrischen Einsatz 220 wirksam

v/ird und zur Erzeugung eines Signals auf der Zuleitung 226 führt. Dieses Signal kann mUiels geeigneter Überwachungseinrichtungen, wie sie oben beschrieben wurden, ausgewertet werden. Wenn die in den F i g. 8,8a und 8b gezeigte Wandleranordnung beispielsweise in Verbindung mi' dem Tachometerkreis gemäß Fig.3 verwendet wird, und zwar anstelle des Wandlers iOO, dann liefert sie das erforderliche geschwindigkeitsabhängige Signal für das Tachometer.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß erfindungsgemäß eine Überwachungsvorrichtung geschaffen wurde, welche einerseits billig ist und andererseits eine äußerst empfindliche Meßeinrichtun-

IO

gen für Druckänderungen in der über eine Einspritzpumpe (

Diese Überwachungsvorrii Verbindung mit zahlreichen eingesetzt werden, wobei kein vorhandenen Bauelemente erf

Abschließend sei noch dara Fachmann, ausgehend von de nen Ausführungsbeispielen zal Gebote stehen, Abwandlur vorzunehmen, ohne daß er di der Erfindung verlassen müßte

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Prüfen und Oberwachen von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für Dieselmaschinen, unter Verwendung von die an einem Maschinenelement wirksame Druckkraft in ein elektrisches Signal umwandelnden Druckwandlern, dadurch gekennzeichnet, daß man die in axialer Richtung des Maschinenelements wirksame Druckkraft erfaßt

2. Prüf- und Überwachungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für Dieselmaschinen, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein elektromechanischer Druckwandler (100, 160, 186, 224) zur Umsetzung von in axialer Richtung eines Maschinenelements (50, 52) wirksamen Druckkräften in ein elektrisches Signal vorgesehen ist.

3. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, für eine Brennkraftmaschine mit ein oder mehreren Zylindern, denen der Kraftstoff jeweils über eine Einspritzdüse zuführbar ist, welche mittels Befestigungseinrichtungen unter Druck gegen eine Zylindereinlaßöffnung festlegbar ist dadurch gekennzeichnet daß der Wandler (100, 160, 186) derart mit den Befestigungseinrichtungen (70, 72; 144 bis 150; 180, 182) verbunden ist daß mit seiner Hilfe ein den Druckänderungen in dem Zylinder (18) entsprechendes elektrisches Signal erzeugbar ist

4. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß Auswertungscinricntungcn (1*8, 130) zur Erzeugung einer optischen Anzeige der NiaschHenleistung in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal vorgesehen sind.

5. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtungen einen Tachometerkreis und ein Tachometer (118) zur Erzeugung einer optischen Anzeige der Drehzahl der Maschine aufweisen (F ig. 3).

6. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß mit Hilfe des Wandlers (100) bei jedem Kompressionshub in dem Zylinder (18) jeweils ein Impuls erzeugbar ist und daß die Tachometerschaltung einen Multivibrator (112) zur Erzeugung eines Impulses konstanter Dauer in Abhängigkeit von jedem Ausgangsimpuls des Wandlers (100) aufweist sowie eine Integrationseinrichtung (118) der die Impulse konstanter Dauer zuführbar sind und mit deren Hilfe ein Ausgangssignal erzeugbar ist, dessen Amplitude der Drehzahl der Maschine proportional ist

7. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (100) einen piezoelektrischen Kristall aufweist

8. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseiririchtungen eine hebelartige Klammer (70) aufweisen, deren Enden (74, 78) sich an der Einspritzdüse (52) einerseits bzw. am Maschinengehäuse (10) andererseits abstützen, und daß ein Befestigungselement (Schraube 72) vorgesehen ist, welches an einem mittleren Teilstück der Klammer (70) angreift und einen Schwenkpunkt definiert und daß der Wandler (100) an dem mittleren Teilstück der Klammer (70) derart montiert ist, daß er auf Biegeverformungen der Klammer (70) anspricht, wie sie in Abhängigkeit von dem Druck im Zylinder (18) an der Einspritzdüse (52) auftreten (F i g. 1 und 2).

9. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen mindestens einen Flansch (144) an der Einspritzdüse (52)

ίο aufweisen, daß der Flansch (144) mit mindestens einer Öffnung (146) versehen ist daß der Wandler (160) mit einer Öffnung versehen ist und daß der Flansch (144) und der Wandler (166) mittels eines gemeinsamen, die jeweiligen Öffnungen durchgreifenden Befestigungselementes (148) an dem Maschinengehäuse (10) festlegbar sind, derart daß der Wandler (160) zwischen dem Flansch (144) und einem Teil des Befestigungselementes (148) bzw. eines diesem zugeordneten Teils (150) derart unter Druck festlegbar ist daß er durch von der Einspritzdüse (52) übertragene Druckänderungen im Inneren des Zylinders (18) beaufschlagbar ist

10. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß der Wandler (160) bzw. sein Gehäuse (162) nach Art einer Unterlagsscheibe ausgebildet ist und einen piezoelektrischen Kristall (164) -aufweist der mit dem Gehäuse (162) elektrisch leitend verklebt ist

11. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach w Anspruch 2, mit ein oder mehreren Zylindern, denen der Kraftstoff von einer Einspritzpumpe über jeweils eine Kraftstoffzuleitung zuführbar ist die zumindest an ihrem einen Ende ein Fitting aufweist welches mittels einer die Kraftstoffzuleitung umgebenden Überwurfmutter oder dergleichen an einem angrenzenden Teil des Kraftstoffeinspritzsystems dichtend festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet daß der Wandler (186) ein nach Art einer Überwurfmutter oder dergleichen ausgebildetes Gehäuse auf-

•o weist, in welchem ein Schlitz (2f6) vorgesehen ist. so daß das Gehäuse seitlich auf die Kraftstoffzuleitung (50) aufschiebbar ist so daß das Gehäuse geeignet ist eine zuvor gelöste Überwurfmutter (230) zum Anschließen der Kraftstoffzuleitung (50) zu ersetzen, und daß der Wandler (224) und sein Gehäuse (212) derart ausgebildet sind, daß mit ihrer Hilfe in Abhängigkeit von in axialer Richtung der Kraftstoffzuleitung (50) auftretenden Kräften elektrische AusgangssignrJe erzeugbar sind.

12. Prüf- und Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß das Wandlergehäuse (212) eine Öffnung (218) zur Aufnahme des als Platte (224) ausgebildeten Wandlermaterials aufweist und daß die Platte (224) im wesentlichen kreisscheibenförmig ausgebildet und mit mindestens einer Gehäuseoberfläche elektrisch leitend verklebt ist