Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer
von einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung abgegebenen
Brennstoffmenge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Es ist bekannt, Brennstoff, welcher unter einen für das Ein
spritzen genügend hohen Druck gesetzt ist, der Brennstoff-
Einspritzvorrichtung zuzuleiten, um die Einspritzmenge
einer elektromagnetischen Brennstoff-Einspritzvorrich
tung bzw. einer elektromagnetischen Brennstoff-Einspritz
düse zu messen. Eine vorgegebene Anzahl, beispielsweise
1000, Einspritz-Steuerimpulse werden an die Einspritzvor
richtung angelegt und Brennstoff, welcher durch die Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung eingespritzt wird, wird in ei
nem Meßzylinder gesammelt. Die auf diese Weise gesammelte
Brennstoffmenge wird visuell oder mit einem Maßstab ge
messen. Die durchschnittlich pro Einspritzung eingespritz
te Menge beispielsweise wird aus der Menge des gesammelten
und gemessenen Betrages eingespritzten Brennstoffes be
rechnet.
Die pro Einspritzung eingespritzte Menge bei einer der
artigen Brennstoff-Einspritzvorrichtung ist jedoch sehr
klein, beispielsweise 0,001 bis 0,1 cm³ bzw. etwa 0,7 bis
70 mg. Ferner ist die Einspritzdauer kurz, unter normalen
Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine 10 bis 100 msec
lang. Aus diesem Grund ist es nahezu unmöglich, die pro
Einspritzung eingespritzte Brennstoffmenge einer Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung in Anbetracht der Antwortzeit
(mehr als 1 Sekunde) und der Auflösung (10 mg) zu messen.
Der Maßstab bzw. die Skala für das Messen des gesammelten
Brennstoffes unterliegt den Auswirkungen von Vibration
und Luftströmung am Ort des Einbaus und weist auch bei
1000 Einspritzungen eine geringe Meßgenauigkeit auf.
Aus dem Vortrag von F. Thoma "Der Spritzmengen Indikator,
ein nützliches Meßgerät für die Entwicklung von
Dieselmotoren", ASME-Jahreskonferenz vom 27. 04.-
02. 05. 1974, Houston, USA, ist eine Vorrichtung zum Messen
einer durch eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung einge
spritzte Einspritzmenge bekannt, welche eine auf einen kon
stanten Druck gesetzte Gasdruckkammer, eine an die Gasdruck
kammer angrenzende Meßkammer, und einen Verdrängungskörper
zur Trennung der Meßkammer von der Gasdruckkammer aufweist,
wobei der Verdrängungskörper mit dem konstanten Druck eines
Gases beaufschlagt ist. Die Einspritzmenge wird als Volu
menänderung umgesetzt in eine proportionale Lageänderung des
Verdrängungskörpers, und diese wird mit einem Weggeber bzw.
Bewegungssensor erfaßt. Bei der aus der gattungsgemäßen
Druckschrift bekannten Vorrichtung zum Messen einer durch
eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung eingespritzte Ein
spritzmenge wird eine Einspritzdüse dazu verwendet, um
Brennstoff bei extrem hohen Drücken in eine Meßkammer einzu
spritzen. Die eingespritzte Brennstoffmenge verdrängt den
Verdrängungskörper, wobei der Verdrängungsweg proportional
zum Volumen des eingespritzten Brennstoffs ist.
Hierbei ist jedoch nachteilig, daß eine Lecknut in der Meß
kammer vorgesehen ist, über die eine zwischen Meßkammer und
Verdrängungskörper auftretende Leckage der eingespritzten
Brennstoffmenge nach außen abgeführt wird. Dabei wird zu
sätzlich eine Abdichtung gegenüber leckendem Gas aus der
Gasdruckkammer erreicht. Dies hat zur Folge, daß durch die
Leckverluste eine höchst genaue Messung der eingespritzten
Brennstoffmenge nicht möglich ist, da die durch Leckage ab
geführte Brennstoffmenge keine Verdrängung des Verdrängungs
körpers bewirkt.
Weiterhin ist bei der aus der gattungsgemäßen Druckschrift
bekannten Vorrichtung nachteilig, daß ein an den Meßvorgang
genauestens angepaßtes Ablaßventil vorgesehen werden muß, um
die Meßkammer zu entleeren, damit der Verdrängungskörper
nach jeder Messung wieder in die Ausgangsstellung zurückgeführt
werden kann. Dies fordert großen zusätzlichen apparativen
Aufwand.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zum Messen einer von einer Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung abgegebenen Brennstoffmenge nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 zu schaffen, mit der die einge
spritzte Brennstoffmenge genauestens für jeden einzelnen
Einspritzvorgang gemessen werden kann.
Dieses Aufgabe wird durch die Lehren nach dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und
6 gelöst.
Dadurch, daß der Brennstoff in die Meßkammer eingebracht ist
und dort aufbewahrt wird, daß der Verdrängungskörper ständig
gegen die Oberfläche des Brennstoffs gedrückt ist und die
Brennstoff-Einspritzvorrichtung derart angeordnet ist, daß
sie die zu messende Menge Brennstoff nach außen abgibt, wird
erreicht, daß aufgrund der dabei vermiedenen Druckunter
schiede pro Einspritzvorgang eine genaueste Messung der Ein
spritzbrennstoffmenge erzielt werden kann, wobei eine
Leckage soweit vermieden wird, als sie zu einer Verfälschung
des Ergebnisses führen könnte.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich
dadurch, daß die Meßvorrichtung äußerst einfach aufgebaut
ist, wobei insbesondere eine zusätzliche Vorrichtung zum
Ablassen einer eingespritzten, zu messenden Brennstoffmenge
vermieden werden kann, was insgesamt zu höherer Arbeitslei
stung und geringeren Kosten bei der Herstellung der Meßvor
richtung führt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus,
daß ein in einer Gasdruckkammer eingestellter Gasdruck
über einen Verdrängungskörper auf eine Meßkammer wirkt,
welche mit zu messendem flüssigem Brennstoff gefüllt ist,
und daß der Gasdruck ferner über den Verdrängungskörper
auf eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung wirkt, die in
Verbindung mit der Meßkammer steht. Eine Volumenabnahme
der in der Meßkammer befindlichen Flüssigkeit infolge der
Einspritzung der Flüssigkeit durch die Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung wird aus der Verdrängung bzw. Lagever
änderung des Verdrängungskörpers erkannt. Dementsprechend
wird durch Verminderung der Schwankung des Brennstoff-
Druckes, welcher auf die Brennstoff-Einspritzvorrichtung
wirkt, sowie dadurch, daß der Verdrängungskörper der Ein
spritzung der Brennstoff-Einspritzvorrichtung folgt, eine
Hochgeschwindigkeitsmessung des eingespritzten Brennstoff
betrages pro Einheitsoperation und somit eine Hochge
schwindigkeitsmessung der Durchflußmenge des eingespritz
ten Brennstoffes erleichtert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten mehrerer Aus
führungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung
näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausfüh
rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Messen einer Einspritz-Durchflußmenge einer
Brennstoff-Einspritzvorrichtung;
Fig. 2 eine Ansicht des Aufbaus der in Fig. 1 darge
stellten Vorrichtung im einzelnen;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches eine in Fig. 1 und 2
dargestellte Ausführungseinheit für arithmeti
sche Berechnungen in detaillierterer Form zeigt;
Fig. 4A bis 4F Zeitdiagramme für die Erläuterung des Meßvor
ganges der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungs
form eines Verdrängungskörpers für das Messen der
Einspritzgeschwindigkeit einer Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung;
Fig. 6A bis 6D Zeitdiagramme zur Erläuterung der Dauermessung
der Einspritzgeschwindigkeit mit der in Fig. 1
dargestellten Vorrichtung;
Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich
tung; und
Fig. 8A bis 8E Zeitdiagramme zur Erläuterung der Betriebsart
der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung.
In Fig. 1 ist eine Meßanordnung für das Messen der Ein
spritzmenge einer elektromagnetischen Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung schematisch dargestellt. Ein Meßab
schnitt 11 weist eine Gasdruckkammer 111, einen Verdrän
gungskörper 112 und eine Meßkammer 113 auf. Die Gasdruck
kammer 111 und die Meßkammer 113 sind voneinander durch
den Verdrängungskörper 112 getrennt. Gas aus einer Gas-
Druckbeaufschlagungsvorrichtung, welche unter einen vor
gegebenen Druck gebracht ist, wird zu der Gasdruckkammer
111 geleitet, um die Gasdruckkammer 111 auf den gleichen
Druck zu bringen.
Brennstoff aus einer Brennstoff-Versorgungseinrichtung
14 wird zu der Meßkammer 113 über ein Brennstoffversor
gungs-Absperrorgan 13 geleitet. Die Meßkammer 113 wird
durch den Verdrängungskörper 112 bestimmt, der entspre
chend der Brennstoffmenge, welche zu der Meßkammer 113 ge
leitet wird, d. h., mit der Volumenänderung der Meßkammer
113, verschoben bzw. translatorisch bewegt wird. Die Be
wegung des Verdrängungskörpers 112 wird durch ein Bewe
gungs-Erfassungselement oder einen Bewegungssensor 15 er
faßt. Ein Lageveränderungssignal, das den Betrag der Lage
veränderung des Verdrängungskörpers 112 darstellt, und das
von dem Verdrängungssensor 15 erzeugt wird, wird an eine
Ausführungseinheit 16 für arithmetische Berechnungen an
gelegt, um die Volumenänderung der Meßkammer 113 entspre
chend dem Betrag der Verschiebung des Verdrängungskörpers
112 zu berechnen.
Eine elektromagnetische Brennstoff-Einspritzvorrichtung
oder elektromagnetische Brennstoff-Einspritzdüse 17 ist
auf der Meßkammer 113 befestigt. Wenn eine Anweisung zur
Brennstoffeinspritzung von einem beispielsweise auch als
Regel-Kreis ausgebildeten Steuerschaltkreis 18 angelegt
wird, wird Brennstoff aus der Meßkammer 113 durch die
Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 eingespritzt.
Ensprechend der Anweisung bzw. dem Steuersignal zur Ein
spritzung von Brennstoff an die Brennstoff-Einspritzvor
richtung 17 legt der Steuerschaltkreis 18 eine Betäti
gungsanweisung an die Ausführungseinheit 16 für arithme
tische Berechnungen an, um den Betrag der Verschiebung
des Verdrängungskörpers 112 entsprechend einer Einsprit
zung zu erfassen. Die Ausführungseinheit 16 für arithme
tische Berechnungen berechnet dann die Volumenänderung
der Meßkammer 113, d. h., die Brennstoff-Einspritzmenge
aus der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17. Nachdem eine
vorgegebene Anzahl von Einspritzungen gezählt sind,
steuert die Steuereinheit 18 das Brennstoffversorgungs-
Absperrorgan 13, um den Brennstoff in der Meßkammer 113
derart wieder aufzufüllen, daß das Volumen der Meßkammer
113 in zufriedenstellender Weise auf die Messung anspre
chen kann. Die Steuerung des Wiederauffüllens von Brenn
stoff der Meßkammer 113 kann alternativ so durchgeführt
werden, daß mit dem Steuerschaltkreis 18 erfaßt wird, ob
das Volumen der Meßkammer 113 auf der Grundlage des Er
fassungsergebnisses des Verdrängungskörpers 112 unter
einen vorgegebenen Wert gefallen ist, und daß ein Öffnungs
signal an das Brennstoffversorgungs-Absperrorgan 13 ange
legt wird.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 weist die Gas-Druckbeauf
schlagungsvorrichtung 12 einen Stickstoffgas-Behälter oder
eine Stickstoffgasflasche 121, eine Druckmindervorrichtung
122 für eine Druckabsenkung des von der Stickstoffgas
flasche 121 zugeführten Gases und einen Druckregler 123
auf, mit welchem der Ausgangs-Gasdruck auf einem konstan
ten Wert gehalten wird. Das Stickstoffgas aus dem Druck
regler 123 wird zu der Gasdruckkammer 111 des Meßabschnit
tes durch eine Rohrleitung 20 geleitet.
Der Meßabschnitt 11 weist an einem unteren Bereich die Meß
kammer 113 und ferner einen Brennstoffbehälter 115 auf,
der einen Zylinder 114 aufweist, welcher vertikal ober
halb der Meßkammer 113 in dem Brennstoffbehälter 115 an
geordnet ist. Der Zylinder 114 steht mit der Meßkammer 113
derart in Verbindung, daß er einen Teil derselben bildet.
Der Verdrängungskörper 112, der beispielsweise als Kolben
ausgebildet ist, ist in den Zylinder 114 eingeführt. Der
Bewegungs- bzw. Verdrängungskörper 112 ist zwischen einem
oberen und einem unteren Anschlag 116 und 117, welche in
einem oberen bzw. einem unteren Bereich des Zylinders 114
ausgebildet sind, hin- und herbeweglich. Die vertikale
Position des Verdrängungskörpers 112 wird durch das Volu
men des Brennstoffes 21 in der Meßkammer 113 festgelegt.
Die abgedichtete Gasdruckkammer 111 ist entsprechend der
oberen Ausnehmung des Zylinders 114 des Brennstoffbehäl
ters 115 ausgebildet. Die Rohrleitung 20 steht mit der
Gasdruckkammer 111 in Verbindung.
Der Bewegungssensor 15 ist an der oberen Oberfläche des
Brennstoffbehälters 115 mittels eines Stützpfostens 151
in der Gasdruckkammer 111 befestigt. Der Bewegungssensor
15 weist einen beweglichen, schwerkraftbedingt anliegen
den Kontaktkörper bzw. Anlagekörper 152 (free-dropping
contact member) auf, der an der oberen Oberfläche des
Verdrängungskörpers 112 anliegt. Somit wird der Anlage
körper 152 bei vertikaler Bewegung des Verdrängungskör
pers 112 bewegt, und der Betrag der Verschiebung des An
lagekörpers 152 wird durch den Bewegungssensor 15 erfaßt,
der ein elektrisches Signal erzeugt, welches den Betrag
darstellt. Beispielsweise erzeugt der Bewegungssensor 15
Impulse mit einer Phasendifferenz von 90° entsprechend
der Bewegung des Kontaktkörpers 152 nach oben und nach
unten und entsprechend dem Betrag der Bewegung. Insbe
sondere wird ansprechend auf eine Bewegung um 0,1 µm des
Anlagekörpers 152 ein Impuls erzeugt. Dieser Impuls ist
als Aufwärts-Impuls oder als Abwärts-Impuls mit einer
Phasendifferenz von 90° entsprechend der Aufwärts- bzw.
Abwärts-Bewegung des Anlagekörpers 152 ausgebildet. Der
Aufwärts-Impuls oder der Abwärts-Impuls als ein Bewegungs
signal wird durch einen Verstärker 22 verstärkt, geformt
und an die Ausführungseinheit 16 für arithmetische Be
rechnungen angelegt.
Der Aufbau des Bewegungssensors 15 ist nicht auf die oben
beschriebene Ausbildung beschränkt, und verschiedene an
dere, an sich bekannte Ausbildungen können verwendet wer
den. Beispielsweise kann ein Ultraschall-Meßgeber oder
ein Laser-Meßgeber für das Erfassen des Betrages der Ver
schiebung des Verdrängungskörpers 112 direkt ohne Anlage
körper verwendet werden. Anstelle dessen kann der Betrag
der Verschiebung des Anlagekörpers 152 durch einen Dif
ferenzier-Umsetzer, einen Wirbelstrom-Bewegungssensor
oder dergleichen erfaßt werden.
Die Ausführungseinheit 16 für arithmetische Berechnungen
empfängt einen Aufwärts-Impuls oder einen Abwärts-Impuls
von dem Bewegungssensor 15 als ein Bewegungssignal, wie
auch Zeitsteuersignale, die den Zeitpunkt des Startes
und des Endes der Messung darstellen, aus dem Steuerschalt
kreis 18. Entsprechend diesen Zeitsteuersignalen berechnet
die Ausführungseinheit 16 eine Volumenänderung der Meß
kammer 113, die dem erfaßten Betrag der Verschiebung des
Anlagekörpers 152 entspricht. Die ermittelte Änderung wird
digital durch eine Anzeigevorrichtung 23 angezeigt. Der
Steuerschaltkreis 18 weist einen Brennstoffversorgungs-
Steuerschalter 181 und einen Steuerschalter 182 für den
Start der Messung auf. Bei Niederdrücken des Brennstoff
versorgungs-Steuerschalters 181 durch eine Bedienperson
legt der Steuerschaltkreis 18 ein Öffnungssignal an das
Brennstoffversorgungs-Absperrorgan 13 an. Das Brennstoff
versorgungs-Absperrorgan 13 steht mit der Brennstoffversor
gungseinrichtung 14 in Verbindung, die aus einem Brenn
stoff-Vorratsbehälter 141, einer Förderpumpe 142 und
einem Druckregler 143 besteht. Wenn das Brennstoffversor
gungs-Absperrorgan 13 geöffnet wird, wird Brennstoff unter
Druck zu der Meßkammer 113 geleitet. Die Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung 17 ist an der Meßkammer 113 befestigt,
und Brennstoff wird zu der Brennstoff-Einspritzvorrichtung
17 unter dem Druck der Gasdruckkammer 111 geleitet. Die
Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 wird durch ein Steuer
signal aus dem Steuerschaltkreis 118 geöffnet, um zu der
Meßkammer 113 geleiteten Brennstoff einzuspritzen.
Ein Luftauslaß-Absperrorgan 118 für das Ablassen von Luft
aus der Meßkammer 113 nach außen ist in dem Zylinder 114,
welcher den Verdrängungskörper 112 aufnimmt, angeordnet.
An dem oberen Totpunkt, an welchem der Verdrängungskörper
112 an dem oberen Anschlag 116 anliegt, steht das Luftaus
laß-Absperrorgan 118 mit der Meßkammer 113 in Verbindung.
Ein Brennstoffablaß-Absperrorgan 119 für das Ablassen von
Brennstoff, welcher durch den Verdrängungskörper 112 ausge
laufen ist, ist an der Gasdruckkammer 111 angebracht.
In Fig. 3 ist der Grundaufbau der Ausführungseinheit 16
für arithmetische Berechnungen bzw. Funktionen dargestellt.
Die Ausführungseinheit 16 weist eine Zählvorrichtung 160
auf, die die Aufwärts-Impulse oder die Abwärts-Impulse
zählt, deren Anzahl den Betrag der Bewegung des Verdrän
gungskörpers 112 entspricht, welcher durch den Bewegungs
sensor 15 erfaßt wird. Die Zähldaten der Zählvorrichtung
160 werden durch eine Anzeigevorrichtung 161 angezeigt
und auch zu einem ersten Speicher 162 geleitet. Die Spei
cherdaten "V n+1" in dem ersten Speicher 162 werden zu
einem zweiten Speicher 163 geleitet, und werden ferner
zu einem Arithmetikfunktions-Schaltkreis 164 zusammen mit
Speicherdaten "V n " des zweiten Speichers 163 geleitet.
Die Ausführungseinheit 16 für arithmetische Berechnungen
weist ferner einen Operations-Steuerschaltkreis 165 auf,
der eine Operationsanweisung von dem Steuerschaltkreis
18 empfängt. Der Operations-Steuerschaltkreis 165 legt
Operationsanweisungen an den Arithmetikfunktions-Schalt
kreis 164, Abspeicheranweisungen an den ersten und den
zweiten Speicher 162 und 163 und eine Löschanweisung an
die Zählvorrichtung 160. Der Operations-Steuerschaltkreis
bzw. Funktionsablauf-Steuerschaltkreis 165 empfängt nume
rische Daten N von einem Zahleneinstell-Schaltkreis 166,
wobei N eine Zahl aus dem Bereich von 1 bis 9999 ist.
Operations- bzw. Arbeitsdaten "qn" aus dem Arithmetik
funktions-Schaltkreis 164 werden an einen Addierer/Spei
cher 167 angelegt, der eine Anweisung bzw. ein Signal
von dem Operations-Steuerschaltkreis 165 empfängt. Sum
mendaten "Σ qn" aus dem Addier/Speicher 167 werden an
einen Mittelwert-Berechnungsschaltkreis 168 zusammen mit
den numerischen Daten aus dem Zahleneinstell-Schaltkreis
166 angelegt. Der Mittelwert-Berechnungsschaltkreis 168
berechnet den Mittelwert des Betrages von Brennstoff
pro Einspritzung, und der ermittelte Mittelwert "Σ qn/N"
wird durch die Anzeigevorrichtung 23 angezeigt.
In einer Durchflußmengen-Meßvorrichtung mit dem oben
beschriebenen Aufbau werden die Funktionsabläufe für die
Vorbereitung der Messung zunächst durchgeführt. Während
dieser Vorbereitungen ist die Brennstoff-Einspritzvor
richtung 17 auf einem Befestigungsloch befestigt, welches
mit der Meßkammer 113 in Verbindung steht; daraufhin wird
der Brennstoffversorgungs-Steuerschalter 181 betätigt.
Dann wird ein Brennstoffversorgungs-Steuersignal zu dem
Brennstoffversorgungs-Absperrorgan 13 von dem Steuerschalt
kreis 18 geleitet, um Brennstoff in die Meßkammer 113 un
ter einem Druck einzugeben, der durch den Druckregler 143
vorgegeben ist. Die Meßkammer 113 wird somit mit Brenn
stoff gefüllt, und der Verdrängungskörper 112 wird nach
oben bewegt, bis er an den oberen Anschlag 116 anstößt.
Wenn das Luftauslaß-Absperrorgan 118 zu diesem Zeitpunkt
geöffnet ist, wird Luft, die sich in der Meßkammer 113 be
findet, abgelassen. Dieses Luftablassen kann weggelassen
werden, wenn kein Gas in der Meßkammer 113 vorliegt. Das
Volumen des Gases in der Meßkammer 113 kann durch den Be
trag der Abwärtsbewegung des Verdrängungskörpers 112 beim
Schließen des Luft-Ablaßventiles 118 und des Brennstoff
versorgungs-Absperrorganes 13 erfaßt werden. Die Elastizi
tät der Luft ist erheblich größer als die der Flüssigkeit.
Daher kann die Volumenabnahme der Meßkammer 113 (welche
durch das Luftvolumen bestimmt ist) infolge des Druckes
P in der Gasdruckkammer 111 nach dem Schließen des Luft
ablaß-Absperrorganes 118 und des Brennstoffversorgungs
Absperrorganes 13 durch den Betrag der Abwärtsbewegung des
Verdrängungsköpers 112 erfaßt werden.
Nachdem die Luft in der Meßkammer 113 abgelassen ist, wird
das Luftablaß-Absperrorgan 118 geschlossen, und die Meß
kammer 113 ist mit Brennstoff versorgt. Der Brennstoff
versorgungs-Steuerschalter 181 wird freigegeben, und das
Brennstoffversorgungs-Absperrorgan 13 wird geschlossen.
Die Vorderflanke des Brennstoffversorgungs-Steuersignales
aus dem Steuerschaltkreis 18 wird durch den Operations
Steuerschaltkreis 165 der Ausführungseinheit 16 für
arithmetische Berechnungen erfaßt, und die Zählvorrichtung
160 wird gelöscht. Zugleich wird Stickstoffgas aus der
Stickstoffgasflasche 121 durch die Druckmindervorrichtung
122 auf einen spezifischen Druck druckentlastet, welcher
durch den Druckregler 123 vorgegeben ist. Das Stickstoff
gas, dessen Druck eingestellt ist, wird dann zu der Gas
druckkammer 111 geleitet, um das Innere der Gasdruckkam
mer 111 unter einen vorgegebenen Druck zu setzen.
Wenn der Steuerschalter 182 für den Start der Messung nach
diesen Vorbereitungen betätigt wird, wird ein Treibersi
gnal mit einer Pulsbreite Tw und einer Periode Tt, wie es
in Fig. 4A dargestellt ist, und ein Zeitsteuersignal für
die Steuerung der Ausführungseinheit 16 für arithmetische
Berechnungen, wie es in Fig. 4B dargestellt ist, erzeugt.
Das Steuersignal wird zu der Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 geleitet, um sie zu öffnen. Dann wird der Brenn
stoff in der Meßkammer 113 auf den in der Gasdruckkammer
111 vorliegenden Druck über den Verdrängungskörper 112
eingestellt, und dadurch Brennstoff aus der Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung 17 eingespritzt.
Unter der Voraussetzung, daß der Verdrängungskörper 112
mit einer hinreichend geringen Geschwindigkeit im Ver
gleich mit der Druckfortpflanzungsgeschwindigkeit des
Gases bewegt wird, ergibt sich die Variation bzw. Änderung
ε p in dem Druck P, welcher auf den Verdrängungskörper 112
wirkt, in folgender Weise:
ε p = (PO - P)/PO = (A · Δ x)/(VO + A · Δ x)
wobei bedeutet
PO: Anfangsdruck in der Gasdruckkammer 111,
VO: Anfangsvolumen der Gasdruckkammer 111
Δ x: Verschiebung des Verdrängungskörpers 112,
A: Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers 112, und
P: Druck in der Gasdruckkammer 111 nach der Bewegung
des Verdrängungskörpers 112.
Aus obiger Gleichung kann, wenn das Volumen VO der Gas
druckkammer 111 hinreichend groß im Vergleich mit dem
verdrängten Volumen (A · Δ x) des Verdrängungskörpers 112
gemacht wird, die Änderung des Druckes vernachlässigt
werden, und es kann angenommen werden, daß ein konstanter
Druck auf den Verdrängungskörper 112 wirkt.
Die oben beschriebene Vorrichtung wurde einem Test auf
ihr Betriebsverhalten mit den folgenden Bedingungen un
terzogen. Die Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers
war 2 cm²; das Gewicht des Verdrängungskörpers war 16 g;
das Volumen des Verdrängungskörpers war 4 cm³; das Gleit
spiel des Verdrängungskörpers war 10 µm; das Volumen der
Gasdruckkammer war 10 l; der Druck in der Gasdruckkammer
war 3 kg/cm²; die Auflagelast eines linearen Meßstabes
(Bewegungssensor) betrug 20 g; die Pulsbreite Tw betrug
2,5 msec, die Periode Tt betrug 20 msec; die Einspritz
rate betrug etwa 5 mm³/Impuls; der Brennstoff war ein
trockenes Lösungsmittel. Der Druckabfall in der Meßkammer
113 während der Einspritzdauer (der Zeit "offen") der
Brennstoff-Einspritzvorrichtung war geringer als 0,4%
des Anfangsdruckes.
Der Brennstoff-Leckverlust an dem Verdrängungskörper 112
während der einspritzfreien Zeit kann aus der Abwärtsge
schwindigkeit des Verdrängungskörpers 112 berechnet wer
den. Da der Verdrängungskörper 112 dem Gasdruck unter
worfen ist, ist die Größe der Abwärtsgeschwindigkeit
des Verdrängungskörpers 112 unabhängig von dem Betrag
des Druckes P und abhängig von dem Gewicht des Verdrän
gungskörpers 112, der Auflagelast durch den Bewegungs
sensor 15, das Gleitspiel, die Querschnittsfläche des
Verdrängungskörpers, die Viskosität und das spezifische
Gewicht des Brennstoffes usw. Daher kann das Betriebs
verhalten der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 in zu
friedenstellender Weise unter konstantem Vorlagedruck
ermittelt werden.
In Übereinstimmung mit der Einspritzmenge der Brennstoff-
Einspritzvorrichtung 17 wird der Verdrängungskörper 112
unter Steuerung bewegt, und der Anlagekörper 152 des
Bewegungssensors 15 wird mit einer Freifall-Geschwindig
keit, dem Verdrängungskörper 112 folgend, bewegt.
Der Bewegungssensor 15 erzeugt Bewegungsimpulse, die der
Bewegung des Anlagekörpers 152 entsprechen. Der Verstärker
22 erzeugt Bewegungsimpulse mit einer Pulsbreite von bei
spielsweise 2,5 msec für eine Bewegung von 0,1 µm. In
diesem Falle werden Aufwärts- oder Abwärtsimpulse ent
sprechend der Bewegungsrichtung des Anlagekörpers erzeugt.
Diese Aufwärts- oder Abwärtsimpulse werden durch die Zähl
vorrichtung 160 der Ausführungseinheit 16 für arithmeti
sche Berechnungen aufwärts oder abwärts gezählt.
Die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 wird - detaillier
ter gesehen - durch das Steuersignal, wie es in Fig. 4A
dargestellt ist, gesteuert. Nach einer gewissen Zeitver
zögerung wird die Einspritzung gesteuert, wie es in Fig. 4C
dargestellt ist, um den Verdrängungskörper 112 zu be
wegen, wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 4D
angedeutet ist. Dann folgt der Anlagekörper des Bewegungs
fühlers 15 der Bewegung des Verdrängungskörpers 112, wie
es durch die gestrichelte Linie in Fig. 4D dargestellt
ist. In Übereinstimmung mit der Bewegungsrichtung des An
lagekörpers werden die Aufwärts-Impulse oder Abwärts-Im
pulse, wie sie in den Fig. 4E und 4F dargestellt sind,
erzeugt.
Wie schon beschrieben, zählt die Zählvorrichtung 160, an
sprechend auf Aufwärts-Impulse aufwärts, und abwärts, ent
sprechend auf Abwärts-Impulse, um Zähldaten zu erzeugen,
die der Bewegung des Kontaktkörpers des Bewegungssensors
15 entsprechen. Die Zähldaten werden durch die Anzeige
vorrichtung 161 angezeigt. Ansprechend auf die Hinterflan
ke des Zeitsteuersignales aus dem Steuerschaltkreis 18,
wie es in Fig. 4B dargestellt ist, erzeugt der Operations-
Steuerschaltkreis 165 einen Speicherimpuls, um die Zähl
daten der Zählvorrichtung 160 in dem ersten Speicher 162
abzuspeichern, und um die unmittelbar vorhergehenden
Zähldaten, die in dem ersten Speicher 162 bgespeichert
sind, zu dem zweiten Speicher 163 zu übertragen. Somit
speichert der erste Speicher 162 die Speicherdaten "V n+1"
entsprechend der Verschiebung "X n+1" der aktuellen Ein
spritzung, und der zweite Speicher 163 die Speicherdaten
"V n " entsprechend der Verschiebung "X n " der unmittelbar
vorhergehenden Einspritzung ab. Der Arithmetikfunktions-
Schaltkreis 164 berechnet:
qn = A(V n+1 - V n )
wobei bedeutet
A: Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers 112, und
qn: Arbeitsdaten, die das Volumen des Brennstoffes dar
stellen, der pro Einspritzung der Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung 17 eingespritzt werden.
Ein Meßzyklus für den Betrag des Brennstoffes, der pro
Einspritzung der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 ein
gespritzt wird, wird auf diese Weise durchgeführt. Die
Messungen werden laufend wiederholt, und die Arbeitsdaten
qn aus dem Arithmetikfunktions-Schaltkreis 164 werden in
dem Addierer/Speicher 167 für die Anzahl von Malen ent
sprechend den numerischen Daten N akkumuliert, welche
durch den Zahleneinstell-Schaltkreis 166 eingestellt sind.
Die Summendaten "Σ qn" aus dem Addierer/Speicher 167 wer
den durch N mittels des Mittelwert-Berechnungsschalt
kreises 168 dividiert, um den Mittelbetrag des bei N Ein
spritzungen eingespritzten Brennstoffes zu berechnen. Der
so ermittelte Mittelwert wird durch die Anzeigevorrich
tung 23 angezeigt. Wenn die Messungen für N Einspritzun
gen abgeschlossen sind, wird ein Messungs-Endesignal
durch den Operations-Steuerschaltkreis 165 erzeugt. Der
Steuerschaltkreis 18 bricht die Erzeugung von Steuer
signalen bzw. Antriebssignalen und Zeitsteuersignalen
ab und schließt so den Meßvorgang ab.
Wenn der Verdrängungskörper 112 den unteren Anschlag 117
erreicht, wird der Brennstoffversorgungs-Steuerschalter
181 betätigt, um Brennstoff zu der Meßkammer 113 zu lei
ten und so die Messung erneut zu starten.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche
des Verdrängungskörpers 112 2 cm², und die Auflösung des
Bewegungssensors 15 beträgt 0,1 µm. Daher ergibt sich
die Meßauflösung der Einspritzrate wie folgt:
2 × 10² × 0,1 × 10-3 mm³ = 0,02 mm³
= 2 × 10-5 cm³
Das dieser Menge entsprechende Gewicht kann wie folgt be
rechnet werden:
0,7 g/cm³ × 2 × 10-5 cm³ = 14 µg,
wenn das spezifische Gewicht des Brennstoffes etwa 0,7 g/cm³
ist. Diese Auflösung stellt eine etwa 80fache Verbes
serung gegenüber den 1 mg bei bekannten Meßvorrichtungen
dar.
Wenn ein Laser in dem Bewegungssensor 15 verwendet wird,
um eine Auflösung von 0,01 µm zu erreichen, wird eine
Gesamtauflösung von 1,4 µg erreicht, was bislang mit be
kannten Meßvorrichtungen unerreichbar war.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann, da
eine lineare Skala für den Bewegungssensor 15 verwendet
wird, eine Auflagebelastung auf den Verdrängungskörper 112
wirken; andernfalls kann der Auflagekörper der Bewegung
des Verdrängungskörpers 112 nicht folgen, die die Ge
schwindigkeit des freien Falles übersteigt. Wenn jedoch
der Anlagekörper 152 weggelassen wird, und ein berührungs
freies Bewegungs-Erfassungselement, wie beispielsweise
ein Laser- oder Spaltensensor (gap sensor) verwendet wird,
kann die Bewegung des Verdrängungskörpers 112 unabhängig
von der Geschwindigkeit des Verdrängungskörpers 112 und
ohne eine Last auszuüben erfaßt werden. In dem oben be
schriebenen Ausführungsbeispiel ist der Bewegungssensor
15 ein inkrementierender bzw. relativer Sensor. Wenn je
doch ein Absolutbewegungs-Sensor verwendet wird, kann die
Zählvorrichtung 160 der Ausführungseinheit 16 für arith
metische Funktionen weggelassen werden. Ferner wird in
diesem Ausführungsbeispiel eine Brennstoffmenge während
der Zeit eingespritzt, in welcher ein Puls, der eine be
stimmte Pulsbreite aufweist, anliegt. Wenn jedoch
die Impulsbreite des Steuersignales erhöht wird, und die
Brennstoffmenge, die während einer Zeitdauer eingespritzt
wird, die geringer als die Pulsbreite ist, berechnet wird,
kann die Brennstoff-Einspritzgeschwindigkeit pro Zeitein
heit der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 gemessen
werden.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wird der Betrag von
Brennstoff, der während der Einspritzung eingespritzt
wird, erfaßt. Wenn jedoch die Bewegung des Verdrängungs
körpers nach dem Schließen der Brennstoff-Einspritzdüse
17 erfaßt wird, kann ein Leckbetrag von Brennstoff, der
nach Schließen der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17
auftritt, gemessen werden. Wenn das Verhältnis von Gewicht
zu Volumen des Verdrängungskörpers 112 gleich dem spezifi
schen Gewicht des Brennstoffs gemacht wird, wird die Be
lastung, die durch den Verdrängungskörper ausgeübt wird,
infolge des Auftriebs zu Null, womit das Lecken von Brenn
stoff verhindert wird und die Antwortzeit des Verdrängungs
körpers 112 verbessert wird. Der Verdrängungskörper 112
ist in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein
Kolben. Es kann auch ein Balg 112 A verwendet werden, wie
in Fig. 5 dargestellt ist, um die Gasdruckkammer 111 und
die Meßkammer 113 vollständig voneinander zu trennen. Da
in diesem Zustand kein Lecken auftritt, kann die Stick
stoffgasflasche 121 weggelassen werden, wenn ein Gas unter
einem spezifischen Druck ein für allemal in der Gasdruck
kammer 111 als gleichbleibende Druckgasquelle eingeschlossen
ist.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die
Gasquelle mit konstantem Druck durch Reduzierung des
Druckes des Stickstoffgases aus einer Stickstoffgasflasche
auf einen Wert erhalten, der durch den Druckregler 123
eingestellt ist. Die Druckquelle kann jedoch auch dadurch
erhalten werden, daß Umgebungsluft durch eine Pumpe kom
primiert wird.
Die Kraftstoffversorgung und Messung werden in getrenn
ten Schritten in der oben beschriebenen Ausführungsform
durchgeführt. Jedoch kann ein Kraftstoffversorgungs-
Steuersignal, wie es in Fig. 6C dargestellt ist, zu einem
vorgegebenen Zeitpunkt Td nach dem Antriebs- bzw. Steuer
signal erzeugt werden, welches in Fig. 6A dargestellt ist.
Die Erzeugung des Brennstoffversorgungs-Steuersignales
wird unterbrochen, wenn der Verdrängungskörper 112 eine
bestimmte Position Xa erreicht. Wenn die Impulsbreite Tw′
des Brennstoffversorgungs-Steuersignales kleiner als die
AUS-Zeitdauer (Tt-Tw) des Steuersignales ist, kann der
Brennstoffbetrag, der durch die Brennstoff-Einspritzvor
richtung 17 eingespritzt ist, für eine beliebige Anzahl
von Einspritzungen aus der Differenz zwischen der Be
wegung X n0 des Verdrängungskörpers 112 unmittelbar vor
der Erzeugung des Steuersignales und der Bewegung X n1
unmittelbar vor der Erzeugung des Brennstoffversorgungs-
Steuersignales gemessen werden, wie es in Fig. 6D dar
gestellt ist. Um die Impulsbreite Tw′ zu vermindern,
wird der Druck in der Brennstoff-Versorgungseinrichtung
14 so eingestellt, daß er ausreichend viel größer als
der interne Druck in der Meßkammer 113 ist, oder der
Durchmesser des Absperrorganes des Brennstoffversorgungs
Absperrorganes 13 wird erhöht. In Fig. 6B ist das Zeit
steuersignal dargestellt.
In der oben angegebenen Beschreibung wird ein Steuersignal
an die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 angelegt, um
Brennstoff einzuspritzen, und eine eingespritzte Brenn
stoffmenge wird gemessen. Jedoch kann alternativ ein
Aufbau, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, verwendet wer
den, wenn ein fortwährendes, bzw. dauerndes Steuersignal
an die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 angelegt wird,
um fortwährend Brennstoff zu leiten, und eine Durchfluß
geschwindigkeit wird in diesem Zustand gemessen.
In der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung weist der
Meßabschnitt mindestens zwei Meßabschnitte 51 a und 51 b
auf. Jeder dieser Meßabschnitte 51 a und 51 b weist eine
Gasdruckkammer 111, einen Verdrängungskörper 112 und eine
Meßkammer 113 auf, wie sie anhand von Fig. 1 und 2 be
schrieben worden sind. Ein Schalt-Absperrorgan 52 wird
geschaltet, um die Meßkammer mit einem der Meßbereiche
51 a und 51 b mit der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 in
Verbindung zu bringen. In der Zeitperiode T 1 läßt das
Schalt-Absperrorgan 52 den Meßabschnitt 51 a mit der
Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 in Verbindung stehen,
um Druck auf die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 mit
tels des Meßabschnittes 51 a auszuüben, und um den Brenn
stoffbetrag zu messen, der durch die Brennstoff-Einspritz
vorrichtung 17 eingespritzt wird. Zur gleichen Zeit wird
ein Brennstoffversorgungs-Steuersignal an den Meßabschnitt
51 b angelegt, um die Versorgung mit Brennstoff durchzu
führen. In der Zeitperiode T 2 läßt das Schalt-Absperrorgan
52 den Meßabschnitt 51 b mit der Brennstoff-Einspritzvor
richtung 17 in Verbindung treten, um die Brennstoffmenge
zu messen, die durch die Brennstoff-Einspritzvorrichtung
17 eingespritzt wird. Zur gleichen Zeit wird ein Brenn
stoffversorgungs-Steuersignal an einen Meßabschnitt 51 a
angelegt, um die Brennstoffversorgung sicherzustellen
und um die Messung einer Durchflußmenge von Brennstoff
zu erlauben, die kontinuierlich durch die Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung 17 eingespritzt wird.
In Fig. 8A ist ein Schaltsignal des Schalt-Absperrorganes
52 der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung dargestellt,
und in Fig. 8B und 8C sind Zustände des Verdrängungskör
pers in den Meßabschnitten 51 a und 51 b dargestellt. In
den Fig. 8D und 8E sind Brennstoffversorgungs-Steuersi
gnale dargestellt, die an die Brennstoffversorgungs-Ab
sperrorgane 13 a bzw. 13 b für das Versorgen mit Brennstoff
aus der Brennstoff-Versorgungseinrichtung 14 zu den Meß
abschnitten 51 a und 51 b angelegt werden.