Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen ei
ner aus einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung austre
tenden Brennstoffmenge gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und
eine Verwendung einer Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 6.
Es ist bekannt, Brennstoff, welcher unter einen für das
Einspritzen genügend hohen Druck gesetzt ist, der
Brennstoff-Einspritzvorrichtung zuzuleiten, um die Ein
spritzmenge einer elektromagnetischen Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung bzw. einer elektromagnetischen
Brennstoff-Einspritzdüse zu messen. Eine vorgegebene
Anzahl, beispielsweise 1000, Einspritz-Steuerimpulse
werden an die Einspritzvorrichtung angelegt und
Brennstoff, welcher durch die Brennstoff-Einspritzvor
richtung eingespritzt wird, wird in einem Meßzylinder
gesammelt. Die auf diese Weise gesammelte Brennstoff
menge wird visuell oder mit einem Maßstab gemessen.
Die durchschnittlich pro Einspritzung eingespritzte
Menge beispielsweise wird aus der Menge des gesam
melten und gemessenen Betrages eingespritzten Brenn
stoffes berechnet.
Die pro Einspritzung eingespritzte Menge bei einer
derartigen 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 nor
malen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine 10
bis 100 msec lang. Aus diesem Grund ist es nahezu
unmöglich, die pro Einspritzung eingespritzte Brenn
stoffmenge einer Brennstoff-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 Luft
strömung 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 Vorrich
tung zum Messen einer durch eine Brennstoff-Einspritz
vorrichtung eingespritzte Einspritzmenge bekannt, wel
che eine auf einen konstanten Druck gesetzte Gas
druckkammer, eine an die Gasdruckkammer angren
zende Meßkammer, und einen Verdrängungskörper zur
Trennung der Meßkammer von der Gasdruckkammer
aufweist, wobei der Verdrängungskörper mit dem kon
stanten Druck eines Gases beaufschlagt ist. Die Ein
spritzmenge wird als Volumenänderung umgesetzt in
eine proportionale Lageänderung des Verdrängungs
körpers, und diese wird mit einem Weggeber bzw. Be
wegungssensor erfaßt. Bei der aus der gattungsgemä
ßen Druckschrift bekannten Vorrichtung zum Messen
einer durch eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung einge
spritzte Einspritzmenge wird eine Einspritzdüse dazu
verwendet, um Brennstoff bei extrem hohen Drücken in
eine Meßkammer einzuspritzen. Die eingespritzte
Brennstoffmenge verdrängt den Verdrängungskörper,
wobei der Verdrängungsweg proportional zum Volu
men des eingespritzten Brennstoffs ist.
Hierbei ist jedoch nachteilig, daß eine Lecknut in der
Meßkammer vorgesehen ist, über die eine zwischen
Meßkammer und Verdrängungskörper auftretende
Leckage der eingespritzten Brennstoffmenge nach au
ßen abgeführt wird. Dabei wird zusätzlich eine Abdich
tung gegenüber leckendem Gas aus der Casdruckkam
mer erreicht. Dies hat zur Folge, daß durch die Leckver
luste eine höchst genaue Messung der eingespritzten
Brennstoffmenge nicht möglich ist, da die durch Lecka
ge abgeführte Brennstoffmenge keine Verdrängung des
Verdrängungskörpers bewirkt.
Weiterhin ist bei der aus der gennanten
Druckschrift bekannten Vorrichtung nachteilig, daß ein
an den Meßvorgang genauestens angepaßtes Ablaß
ventil 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 appara
tiven Aufwand.
Aus der DE 27 57 318 A1 sind ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit und des
Öffnungsdrucks von Einspritzventilen bekannt,
bei denen ein an seiner Rückseite mit konstantem
Gasdruck beaufschlagter Verdrängungskörper in
Form eines Metallfaltenbalgs gegen die Oberfläche
des an der Brennstoffdüse ausstehenden Brenn
stoffs gedrückt ist. Im Falle einer Leckage unter
dem Prüfdruck an der Einspritzdüse verschließt
sich der Boden des Metallfaltenbalgs um einen
dem Volumenverlust an Brennstoff entsprechenden
Weg, was über einen Bewegungssensor in ein
Meßsignal für den Volumenverlust umgesetzt wird.
Auf diese für Prüfung der Dichtheit der Einspritzdüse
dienende Lehre der DE 27 57 318 A1 greift die Erfindung
zurück, um ein Verfahren
zum Messen einer von einer Brennstoff-Einspritzvor
richtung abgegebenen Brennstoffmenge nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung einer Vorrichtung
nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 6 zu schaffen, mit denen die einge
spritzte Brennstoffmenge genauestens für jeden einzel
nen 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 ein
gebracht ist und dort aufbewahrt wird, daß der Verdrän
gungskörper ständig gegen die Oberfläche des Brenn
stoffs gedrückt ist und die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung derart angeordnet ist, daß sie die zu messende
Menge Brennstoff nach außen abgibt, wird erreicht, daß
aufgrund der dabei vermiedenen Druckunterschiede
pro Einspritzvorgang eine genaueste Messung der Ein
spritzbrennstoffmenge erzielt werden kann, wobei eine
Leckage soweit vermieden wird, als sie zu einer Verfäl
schung des Ergebnisses führen könnte.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung er
gibt sich dadurch, daß die Meßvorrichtung äußerst ein
fach aufgebaut ist, wobei insbesondere eine zusätzliche
Vorrichtung zum Ablassen einer eingespritzten, zu mes
senden Brennstoffmenge vermieden werden kann, was
insgesamt zu höherer Arbeitsleistung und geringeren
Kosten bei der Herstellung der Meßvorrichtung führt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich dar
aus, 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-Einspritz
vorrichtung wirkt, die in Verbindung mit der Meßkam
mer steht. Eine Volumenabnahme der in der Meßkam
mer befindlichen Flüssigkeit infolge der Einspritzung
der Flüssigkeit durch die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung wird aus der Verdrängung bzw. Lageveränderung
des Verdrängungskörpers erkannt. Dementsprechend
wird durch Verminderung der Schwankung des Brenn
stoff-Druckes, welcher auf die Brennstoff-Einspritzvor
richtung wirkt, sowie dadurch, daß der Verdrängungs
körper der Einspritzung der Brennstoff-Einspritzvor
richtung folgt, eine Hochgeschwindigkeitsmessung des
eingespritzten Brennstoffbetrages pro Einheitsopera
tion und somit eine Hochgeschwindigkeitsmessung der
Durchflußmenge des eingespritzten Brennstoffes er
leichtert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten mehre
rer Ausführungsformen der Erfindung werden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Aus
führungsform einer erfindungsgemäß zu verwendenden 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 arithmetische Be
rechnungen in detaillierterer Form zeigt;
Fig. 4A bis 4F Zeitdiagramme für die Erläuterung des
Meßvorganges der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausfüh
rungsform 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 weite
ren Ausführungsform der erfindungsgemäß zu verwendenden 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
Einspritzmenge einer elektromagnetischen Brennstoff-
Einspritzvorrichtung schematisch dargestellt. Ein Meß
abschnitt 11 weist eine Gasdruckkammer 111, einen
Verdrängungskörper 112 und eine Meßkammer 113 auf.
Die Gasdruckkammer 111 und die Meßkammer 113
sind voneinander durch den Verdrängungskörper 112
getrennt. Gas aus einer Gas-Druckbeaufschlagungsvor
richtung, welche unter einen vorgegebenen Druck ge
bracht ist, wird zu der Gasdruckkammer 111 geleitet,
um die Gasdruckkammer 111 auf den gleichen Druck zu
bringen.
Brennstoff aus einer Brennstoff-Versorgungseinrich
tung 14 wird zu der Meßkammer 113 über ein Brenn
stoffversorgungs-Absperrorgan 13 geleitet. Die: Meß
kammer 113 wird durch den Verdrängungskörper 112
bestimmt, der entsprechend der Brennstoffmenge, wel
che zu der Meßkammer 113 geleitet wird, d. h., mit der
Volumenänderung der Meßkammer 113, verschoben
bzw. translatorisch bewegt wird. Die Bewegung des
Verdrängungskörpers 112 wird durch ein Bewegungs-
Erfassungselement oder einen Bewegungssensor 15 er
faßt. Ein Lageveränderungssignal, das den Betrag der
Lageveränderung des Verdrängungskörpers 112 dar
stellt, und das von dem Verdrängungssensor 15 erzeugt
wird, wird an eine Ausführungseinheit 16 für arithmeti
sche Berechnungen angelegt, um die Volumenänderung
der Meßkammer 113 entsprechend dem Betrag der Ver
schiebung des Verdrängungskörpers 112 zu berechnen.
Eine elektromagnetische Brennstoff-Einspritzvor
richtung oder elektromagnetische Brennstoff-Einspritz
düse 17 ist auf der Meßkammer 113 befestigt. Wenn eine
Anweisung zur Brennstoffeinspritzung von einem bei
spielsweise auch als Regel-Kreis ausgebildeten Steuer
schaltkreis 18 angelegt wird, wird Brennstoff aus der
Meßkammer 113 durch die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 eingespritzt.
Ensprechend der Anweisung bzw. dem Steuersignal
zur Einspritzung von Brennstoff an die Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung 17 legt der Steuerschaltkreis 18 eine
Betätigungsanweisung an die Ausführungseinheit 16 für
arithmetische Berechnungen an, um den Betrag der
Verschiebung des Verdrängungskörpers 112 entspre
chend einer Einspritzung zu erfassen. Die Ausführungs
einheit 16 für arithmetische Berechnungen berechnet
dann die Volumenänderung der Meßkammer 113, d. h.,
die Brennstoff-Einspritzmenge aus der Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung 17. Nachdem eine vorgegebene An
zahl von Einspritzungen gezählt sind, steuert die Steuer
einheit 18 das Brennstoffversorgungs-Absperrorgan 13,
um den Brennstoff in der Meßkammer 113 derart wie
der aufzufüllen, daß das Volumen der Meßkammer 113
in zufriedenstellender Weise auf die Messung anspre
chen kann. Die Steuerung des Wiederauffüllens von
Brennstoff 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 Erfassungsergebnisses des Verdrän
gungskörpers 112 unter einen vorgegebenen Wert ge
fallen ist und daß ein Öffnungssignal an das Brennstoff
versorgungs-Absperrorgan 13 angelegt wird.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 weist die Gas-
Druckbeaufschlagungsvorrichtung 12 einen Stickstoff
gas-Behälter oder eine Stickstoffgasflasche 121, eine
Druckmindervorrichtung 122 für eine Druckabsenkung
des von der Stickstoffgasflasche 121 zugeführten Gases
und einen Druckregler 123 auf, mit welchem der Aus
gangs-Gasdruck auf einem konstanten Wert gehalten
wird. Das Stickstoffgas aus dem Druckregler 123 wird
zu der Gasdruckkammer 111 des Meßabschnittes durch
eine Rohrleitung 20 geleitet.
Der Meßabschnitt 11 weist an einem unteren Bereich
die Meßkammer 113 und ferner einen Brennstoffbehäl
ter 115 auf, der einen Zylinder 114 aufweist, welcher
vertikal oberhalb der Meßkammer 113 in dem Brenn
stoffbehälter 115 angeordnet 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. Ver
drängungskörper 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
Volumen des Brennstoffes 21 in der Meßkammer 113
festgelegt. Die abgedichtete Gasdruckkammer 111 ist
entsprechend der oberen Ausnehmung des Zylinders
114 des Brennstoffbehälters 115 ausgebildet. Die Rohr
leitung 20 steht mit der Gasdruckkammer 111 in Verbin
dung.
Der Bewegungssensor 15 ist an der oberen Oberflä
che des Brennstoffbehälters 115 mittels eines Stützpfo
stens 151 in der Gasdruckkammer 111 befestigt. Der
Bewegungssensor 15 weist einen beweglichen, schwer
kraftbedingt anliegenden Kontaktkörper bzw. Anlage
körper 152 (free-dropping contact member) auf, der an
der oberen Oberfläche des Verdrängungskörpers 112
anliegt. Somit wird der Anlagekörper 152 bei vertikaler
Bewegung des Verdrängungskörpers 112 bewegt und
der Betrag der Verschiebung des Anlagekörpers 152
wird durch den Bewegungssensor 15 erfaßt, der ein
elektrisches Signal erzeugt, welches den Betrag dar
stellt. Beispielsweise erzeugt der Bewegungssensor 15
Impulse mit einer Phasendifferenz von 90° entspre
chend der Bewegung des Kontaktkörpers 152 nach
oben und nach unten und entsprechend dem Betrag der
Bewegung. Insbesondere wird ansprechend auf eine Be
wegung 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° ent
sprechend der Aufwärts- bzw. Abwärts-Bewegung des
Anlagekörpers 152 ausgebildet. Der Aufwärts-Impuls
oder der Abwärts-Impuls als ein Bewegungssignal wird
durch einen Verstärker 22 verstärkt, geformt und an die
Ausführungseinheit 16 für arithmetische Berechnungen
angelegt.
Der Aufbau des Bewegungssensors 15 ist nicht auf die
oben beschriebene Ausbildung beschränkt und ver
schiedene andere, an sich bekannte Ausbildungen kön
nen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Ultra
schall-Meßgeber oder ein Laser-Meßgeber für das Er
fassen des Betrages der Verschiebung des Verdrän
gungskörpers 112 direkt ohne Anlagekörper verwendet
werden. Anstelle dessen kann der Betrag der Verschie
bung des Anlagekörpers 152 durch einen Differenzier-
Umsetzer, einen Wirbelstrom-Bewegungssensor oder
dergleichen erfaßt werden.
Die Ausführungseinheit 16 für arithmetische Berech
nungen 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 dar
stellen, aus dem Steuerschaltkreis 18. Entsprechend die
sen Zeitsteuersignalen berechnet die Ausführungsein
heit 16 eine Volumenänderung der Meßkammer 113, die
dem erfaßten Betrag der Verschiebung des Anlagekör
pers 152 entspricht. Die ermittelte Änderung wird digi
tal durch eine Anzeigevorrichtung 23 angezeigt. Der
Steuerschaltkreis 18 weist einen Brennstoffversor
gungs-Steuerschalter 181 und einen Steuerschalter 182
für den Start der Messung auf. Bei Niederdrücken des
Brennstoffversorgungs-Steuerschalters 181 durch eine
Bedienperson legt der Steuerschaltkreis 18 ein Öff
nungssignal an das Brennstoffversorgungs-Absperror
gan 13 an. Das Brennstoffversorgungs-Absperrorgan 13
steht mit der Brennstoffversorgungseinrichtung 14 in
Verbindung, die aus einem Brennstoff-Vorratsbehälter
141, einer Förderpumpe 142 und einem Druckregler 143
besteht. Wenn das Brennstoffversorgungs-Absperror
gan 13 geöffnet wird, wird Brennstoff unter Druck zu
der Meßkammer 113 geleitet. Die Brennstoff-Einspritz
vorrichtung 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
Steuersignal aus dem Steuerschaltkreis 118 geöffnet, um
zu der Meßkammer 113 geleiteten Brennstoff einzu
spritzen.
Ein Luftauslaß-Absperrorgan 118 für das Ablassen
von Luft aus der Meßkammer 113 nach außen ist in dem
Zylinder 114, welcher den Verdrängungskörper 112 auf
nimmt, angeordnet. An dem oberen Totpunkt, an wel
chem der Verdrängungskörper 112 an dem oberen An
schlag 116 anliegt, steht das Luftauslaß-Absperrorgan
118 mit der Meßkammer 113 in Verbindung. Ein Brenn
stoffablaß-Absperrorgan 119 für das Ablassen von
Brennstoff, welcher durch den Verdrängungskörper 112
ausgelaufen ist, ist an der Gasdruckkammer 111 ange
bracht.
In Fig. 3 ist der Grundaufbau der Ausführungseinheit
16 für arithmetische Berechnungen bzw. Funktionen
dargestellt. Die Ausführungseinheit 16 weist eine Zähl
vorrichtung 160 auf, die die Aufwärts-Impulse oder die
Abwärts-Impulse zählt, deren Anzahl den Betrag der
Bewegung des Verdrängungskörpers 112 entspricht,
welcher durch den Bewegungssensor 15 erfaßt wird. Die
Zähldaten der Zählvorrichtung 160 werden durch eine
Anzeigevorrichtung 161 angezeigt und auch zu einem
ersten Speicher 162 geleitet. Die Speicherdaten "Vn + 1"
in dem ersten Speicher 162 werden zu einem zweiten
Speicher 163 geleitet, und werden ferner zu einem
Arithmetikfunktions-Schaltkreis 164 zusammen mit
Speicherdaten "Vn" des zweiten Speichers 163 geleitet.
Die Ausführungseinheit 16 für arithmetische Berech
nungen weist ferner einen Operations-Steuerschaltkreis
165 auf, der eine Operationsanweisung von dem Steuer
schaltkreis 18 empfängt. Der Operations-Steuerschalt
kreis 165 legt Operationsanweisungen an den Arithme
tikfunktions-Schaltkreis 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 numerische 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 Arith
metikfunktions-Schaltkreis 164 werden an einen Addie
rer/Speicher 167 angelegt, der eine Anweisung bzw. ein
Signal von dem Operations-Steuerschaltkreis 165 emp
fängt. Summendaten "Σqn" aus dem Addier/Speicher
167 werden an einen Mittelwert-Berechnungsschalt
kreis 168 zusammen mit den numerischen Daten aus
dem Zahleneinstell-Schaltkreis 166 angelegt. Der Mit
telwert-Berechnungsschaltkreis 168 berechnet den Mit
telwert des Betrages von Brennstoff pro Einspritzung,
und der ermittelte Mittelwert "Σqn/N' wird durch die
Anzeigevorrichtung 23 angezeigt.
In einer Durchflußmengen-Meßvorrichtung mit dem
oben beschriebenen Aufbau werden die Funktionsab
läufe für die Vorbereitung der Messung zunächst durch
geführt. Während dieser Vorbereitungen ist die Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung 17 auf einem Befestigungs
loch befestigt, welches mit der Meßkammer 113 in Ver
bindung steht; daraufhin wird der Brennstoffversor
gungs-Steuerschalter 181 betätigt. Dann wird ein
Brennstoffversorgungs-Steuersignal zu dem Brenn
stoffversorgungs-Absperrorgan 13 von dem Steuer
schaltkreis 18 geleitet, um Brennstoff in die Meßkam
mer 113 unter einem Druck einzugeben, der durch den
Druckregler 143 vorgegeben ist. Die Meßkammer 113
wird somit mit Brennstoff gefüllt, und der Verdrän
gungskörper 112 wird nach oben bewegt, bis er an den
oberen Anschlag 116 anstößt. Wenn das Luftauslaß-Ab
sperrorgan 118 zu diesem Zeitpunkt geöffnet ist, wird
Luft, die sich in der Meßkammer 113 befindet, abgelas
sen. Dieses Luftablassen kann weggelassen werden,
wenn kein Gas in der Meßkammer 113 vorliegt. Das
Volumen des Gases in der Meßkammer 113 kann durch
den Betrag der Abwärtsbewegung des Verdrängungs
körpers 112 beim Schließen des Luft-Ablaßventiles 118
und des Brennstoffversorgungs-Absperrorganes 13 er
faßt werden. Die Elastizität der Luft ist erheblich größer
als die der Flüssigkeit. Daher kann die Volumenabnah
me der Meßkammer 113 (welche durch das Luftvolu
men bestimmt ist) infolge des Druckes P in der Gas
druckkammer 111 nach dem Schließen des Luftablaß-
Absperrorganes 118 und des Brennstoffversorgungs Ab
sperrorganes 13 durch den Betrag der Abwärtsbewe
gung des Verdrängungsköpers 112 erfaßt werden.
Nachdem die Luft in der Meßkammer 113 abgelassen
ist, wird das Luftablaß-Absperrorgan 118 geschlossen,
und die Meßkammer 113 ist mit Brennstoff versorgt.
Der Brennstoffversorgungs-Steuerschalter 181 wird
freigegeben, und das Brennstoffversorgungs-Absperr
organ 13 wird geschlossen. Die Vorderflanke des Brenn
stoffversorgungs-Steuersignales aus dem Steuerschalt
kreis 18 wird durch den Operations Steuerschaltkreis
165 der Ausführungseinheit 16 für arithmetische Be
rechnungen erfaßt, und die Zählvorrichtung 160 wird
gelöscht. Zugleich wird Stickstoffgas aus der Stickstoff
gasflasche 121 durch die Druckmindervorrichtung 122
auf einen spezifischen Druck druckentlastet, welcher
durch den Druckregler 123 vorgegeben ist. Das Stick
stoffgas, dessen Druck eingestellt ist, wird dann zu der
Gasdruckkammer 111 geleitet, um das Innere der Gas
druckkammer 111 unter einen vorgegebenen Druck zu
setzen.
Wenn der Steuerschalter 182 für den Start der Mes
sung nach diesen Vorbereitungen betätigt wird, wird ein
Treibersignal mit einer Pulsbreite Tw und einer Periode
Tt, wie es in Fig. 4A dargestellt ist, und ein Zeitsteuersi
gnal für die Steuerung der Ausführungseinheit 16 für
arithmetische Berechnungen, wie es in Fig. 411 darge
stellt ist erzeugt. Das Steuersignal wird zu der Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung 17 geleitet, um sie zu öffnen.
Dann wird der Brennstoff in der Meßkammer 113 auf
den in der Gasdruckkammer 111 vorliegenden Druck
über den Verdrängungskörper 112 eingestellt, und da
durch Brennstoff aus der Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 eingespritzt.
Unter der Voraussetzung, daß der Verdrängungskör
per 112 mit einer hinreichend geringen Geschwindigkeit
im Vergleich mit der Druckfortpflanzungsgeschwindig
keit des Gases bewegt wird, ergibt sich die Variation
bzw. Änderung εp in dem Druck. P, welcher auf den
Verdrängungskörper 112 wirkt, in folgender Weise:
εp = (PO - P)/PO = (A.Δx)/(VO + A.Δx)
wobei bedeutet
PO: Anfangsdruck in der Gasdruckkammer 111,
VO: Anfangsvolumen der Gasdruckkammer 111
Δx: Verschiebung des Verdrängungskörpers 112,
A: Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers 112,
und
P: Druck in der Gasdruckkammer 111 nach der Bewe
gung des Verdrängungskörpers 112.
Aus obiger Gleichung kann, wenn das Volumen VO
der Gasdruckkammer 111 hinreichend groß im Ver
gleich mit dem verdrängten Volumen (A . Δx) des Ver
drängungskörpers 112 gemacht wird, die Änderung des
Druckes vernachlässigt werden, und es kann angenom
men werden, daß ein konstanter Druck auf den Ver
drängungskörper 112 wirkt.
Die oben beschriebene Vorrichtung wurde einem
Test auf ihr Betriebsverhalten mit den folgenden Bedin
gungen unterzogen. Die Querschnittsfläche des Ver
drängungskörpers war 2 cm2; das Gewicht des Verdrän
gungskörpers war 16 g; das Volumen des Verdrän
gungskörpers war 4 cm3; das Gleitspiel des Verdrän
gungskörpers war 10 µm; das Volumen der Gasdruck
kammer war 10 l; der Druck in der Gasdruckkammer
war 3 kg/cm2; die Auflagelast eines linearen Meßstabes
(Bewegungssensor) betrug 20 g; die Pulsbreite Tw be
trug 2,5 msec, die Periode Tt betrug 20 msec; die Ein
spritzrate 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 gerin
ger als 0,4% des Anfangsdruckes.
Der Brennstoff-Leckverlust an dem Verdrängungs
körper 112 während der einspritzfreien Zeit kann aus
der Abwärtsgeschwindigkeit des Verdrängungskörpers
112 berechnet werden. Da der Verdrängungskörper 112
dem Gasdruck unterworfen ist, ist die Größe der Ab
wärtsgeschwindigkeit des Verdrängungskörpers 112
unabhängig von dem Betrag des Druckes P und abhän
gig von dem Gewicht des Verdrängungskörpers 112, der
Auflagelast durch den Bewegungssensor 15, das Gleit
spiel, die Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers,
die Viskosität und das spezifische Gewicht des Brenn
stoffes usw. Daher kann das Betriebsverhalten der
Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 in zufriedenstellen
der Weise unter konstantem Vorlagedruck ermittelt
werden.
In Übereinstimmung mit der Einspritzmenge der
Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 wird der Verdrän
gungskörper 112 unter Steuerung bewegt, und der An
lagekörper 152 des Bewegungssensors 15 wird mit einer
Freifall-Geschwindigkeit, dem Verdrängungskörper 112
folgend, bewegt.
Der Bewegungssensor 15 erzeugt Bewegungsimpul
se, die der Bewegung des Anlagekörpers 152 entspre
chen. Der Verstärker 22 erzeugt Bewegungsimpulse mit
einer Pulsbreite von beispielsweise 2,5 msec für eine
Bewegung von 0,1 µm. In diesem Falle werden Auf
wärts- oder Abwärtsimpulse entsprechend der Bewe
gungsrichtung des Anlagekörpers erzeugt. Diese Auf
wärts- oder Abwärtsimpulse werden durch die Zählvor
richtung 160 der Ausführungseinheit 16 für arithmeti
sche Berechnungen aufwärts oder abwärts gezählt.
Die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 wird - de
taillierter gesehen - durch das Steuersignal, wie es in
Fig. 4A dargestellt ist, gesteuert. Nach einer gewissen
Zeitverzögerung wird die Einspritzung gesteuert, wie es
in Fig. 4C dargestellt ist, um den Verdrängungskörper
112 zu bewegen, wie es durch die durchgezogene Linie
in Fig. 4D angedeutet ist. Dann folgt der Anlagekörper
des Bewegungsfühlers 15 der Bewegung des Verdrän
gungskörpers 112, wie es durch die gestrichelte Linie in
Fig. 4D dargestellt ist. In Übereinstimmung mit der Be
wegungsrichtung des Anlagekörpers werden die Auf
wärts-Impulse oder Abwärts-Impulse, wie sie in den
Fig. 4E und 412 dargestellt sind, erzeugt.
Wie schon beschrieben, zählt die Zählvorrichtung
160, ansprechend auf Aufwärts-Impulse aufwärts, und
abwärts, entsprechend auf Abwärts-Impulse, um Zähl
daten zu erzeugen, die der Bewegung des Kontaktkör
pers des Bewegungssensors 15 entsprechen. Die Zähl
daten werden durch die Anzeigevorrichtung 161 ange
zeigt. Ansprechend auf die Hinterflanke des Zeitsteuer
signales aus dem Steuerschaltkreis 18, wie es in Fig. 4B
dargestellt ist, erzeugt der Operations-Steuerschaltkreis
165 einen Speicherimpuls, um die Zähldaten der Zähl
vorrichtung 160 in dem ersten Speicher 162 abzuspei
chern, und um die unmittelbar vorhergehenden Zählda
ten, die in dem ersten Speicher 162 bgespeichert sind, zu
dem zweiten Speicher 163 zu übertragen. Somit spei
chert der erste Speicher 162 die Speicherdaten "Vn+1"
entsprechend der Verschiebung "Xn+1" der aktuellen
Einspritzung, und der zweite Speicher 163 die Speicher
daten " Vn" entsprechend der Verschiebung "Xn" der un
mittelbar vorhergehenden Einspritzung ab. Der Arith
metikfunktions-Schaltkreis 164 berechnet:
qn = A(Vn+1 - Vn)
wobei bedeutet
A: Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers 112,
und
qn: Arbeitsdaten, die das Volumen des Brennstoffes dar
stellen, der pro Einspritzung der Brennstoff-Einspritz
vorrichtung 17 eingespritzt werden.
Ein Meßzyklus für den Betrag des Brennstoffes, der
pro Einspritzung der Brennstoff-Einspritzvorrichtung
17 eingespritzt wird, wird auf diese Weise durchgeführt.
Die Messungen werden laufend wiederholt, und die Ar
beitsdaten qn aus dem Arithmetikfunktions-Schaltkreis
164 werden in dem Addierer/Speicher 167 für die An
zahl von Malen entsprechend den numerischen Daten N
akkumuliert, welche durch den Zahleneinstell-Schalt
kreis 166 eingestellt sind. Die Summendaten "Σqn" aus
dem Addierer/Speicher 167 werden durch N mittels des
Mittelwert-Berechnungsschaltkreises 168 dividiert, um
den Mittelbetrag des bei N Einspritzungen eingespritz
ten Brennstoffes zu berechnen. Der so ermittelte Mittel
wert wird durch die Anzeigevorrichtung 23 angezeigt.
Wenn die Messungen für N Einspritzungen abgeschlos
sen sind, wird ein Messungs-Endesignal durch den Ope
rations-Steuerschaltkreis 165 erzeugt. Der Steuerschalt
kreis 18 bricht die Erzeugung von Steuersignalen bzw.
Antriebssignalen und Zeitsteuersignalen ab und schließt
so den Meßvorgang ab.
Wenn der Verdrängungskörper 112 den unteren An
schlag 117 erreicht, wird der Brennstoffversorgungs-
Steuerschalter 181 betätigt, um Brennstoff zu der Meß
kammer 113 zu leiten und so die Messung erneut zu
starten.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsflä
che des Verdrängungskörpers 112 2 cm2, und die Auflö
sung des Bewegungssensors 15 beträgt 0,1 µm. Daher
ergibt sich die Meßauflösung der Einspritzrate wie
folgt:
2 × 102 × 0,1 × 10-3mm3 = 0,02 mm3 = 2 × 10-5
cm3
Das dieser Menge entsprechende Gewicht kann wie
folgt berechnet werden:
0,7 g/cm3 × 2 × 10-5cm3 = 14 µg,
wenn das spezifische Gewicht des Brennstoffes etwa 0,7
g/cm3 ist. Diese Auflösung stellt eine etwa 80fache Ver
besserung gegenüber den 1 mg bei bekannten Meßvor
richtungen dar.
Wenn ein Laser in dem Bewegungssensor 15 verwen
det wird, um eine Auflösung von 0,01 µm zu erreichen,
wird eine Gesamtauflösung von 1,4 µg erreicht, was
bislang mit bekannten Meßvorrichtungen unerreichbar
war.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
kann, da eine lineare Skala für den Bewegungssensor 15
verwendet wird, eine Auflagebelastung auf den Ver
drängungskörper 112 wirken; andernfalls kann der Auf
lagekörper der Bewegung des Verdrängungskörpers
112 nicht folgen, die die Geschwindigkeit des freien Fal
les übersteigt. Wenn jedoch der Anlagekörper 152 weg
gelassen wird, und ein berührungsfreies Bewegungs-Er
fassungselement, 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 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Bewe
gungssensor 15 ein inkrementierender bzw. relativer
Sensor. Wenn jedoch ein Absolutbewegungs-Sensor
verwendet wird, kann die Zählvorrichtung 160 der Aus
führungseinheit 16 für arithmetische Funktionen weg
gelassen werden. Ferner wird in diesem Ausführungs
beispiel eine Brennstoffmenge während der Zeit einge
spritzt, in welcher ein Puls, der eine bestimmte Pulsbrei
te aufweist, anliegt. Wenn jedoch die Impulsbreite des
Steuersignales erhöht wird, und die Brennstoffmenge,
die während einer Zeitdauer eingespritzt wird, die ge
ringer als die Pulsbreite ist, berechnet wird, kann die
Brennstoff-Einspritzgeschwindigkeit pro Zeiteinheit
der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 gemessen wer
den.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wird der Betrag
von Brennstoff, der während der Einspritzung einge
spritzt wird, erfaßt. Wenn jedoch die Bewegung des
Verdrängungskörpers nach dem Schließen der Brenn
stoff-Einspritzdüse 17 erfaßt wird, kann ein Leckbetrag
von Brennstoff, der nach Schließen der Brennstoff-Ein
spritzvorrichtung 17 auftritt, gemessen werden. Wenn
das Verhältnis von Gewicht zu Volumen des Verdrän
gungskörpers 112 gleich dem spezifischen Gewicht des
Brennstoffs gemacht wird, wird die Belastung, die durch
den Verdrängungskörper ausgeübt wird, infolge des
Auftriebs zu Null, womit das Lecken von Brennstoff
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 Gasdruck
kammer 111 und die Meßkammer 113 vollständig von
einander zu trennen. Da in diesem Zustand kein Lecken
auftritt, kann die Stickstoffgasflasche 121 weggelassen
werden, wenn ein Gas unter einem spezifischen Druck
ein für allemal in der Gasdruckkammer 111 als gleich
bleibende Druckgasquelle eingeschlossen ist.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
die Gasquelle mit konstantem Druck durch Reduzie
rung des Druckes des Stickstoffgases aus einer Stick
stoffgasflasche auf einen Wert erhalten, der durch den
Druckregler 123 eingestellt ist. Die Druckquelle kann
jedoch auch dadurch erhalten werden, daß Umgebungs
luft durch eine Pumpe komprimiert wird.
Die Kraftstoffversorgung und Messung werden in ge
trennten Schritten in der oben beschriebenen Ausfüh
rungsform durchgeführt. Jedoch kann ein Kraftstoffver
sorgungs-Steuersignal, wie es in Fig. 6C dargestellt ist,
zu einem vorgegebenen Zeitpunkt Td nach dem An
triebs- bzw. Steuersignal erzeugt werden, welches in
Fig. 6A dargestellt ist. Die Erzeugung des Brennstoff
versorgungs-Steuersignales wird unterbrochen, wenn
der Verdrängungskörper 112 eine bestimmte Position
Xa erreicht. Wenn die Impulsbreite Tw' des Brennstoff
versorgungs-Steuersignales kleiner als die AUS-Zeit
dauer (Tt - Tw) des Steuersignales ist, kann der Brenn
stoffbetrag, der durch die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 eingespritzt ist, für eine beliebige Anzahl von
Einspritzungen aus der Differenz zwischen der Bewe
gung Xno des Verdrängungskörpers 112 unmittelbar vor
der Erzeugung des Steuersignales und der Bewegung
Xn1 unmittelbar vor der Erzeugung des Brennstoffver
sorgungs-Steuersignales gemessen werden, wie es in
Fig. 6D dargestellt ist. Um die Impulsbreite Tw' zu ver
mindern, wird der Druck in der Brennstoff-Versor
gungseinrichtung 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 Zeitsteuersignal dargestellt.
In der oben angegebenen Beschreibung wird ein
Steuersignal an die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17
angelegt, um Brennstoff einzuspritzen, und eine einge
spritzte Brennstoffmenge wird gemessen. Jedoch kann
alternativ ein Aufbau, wie er in Fig. 7 dargestellt ist,
verwendet werden, wenn ein fortwährendes, bzw. dau
erndes Steuersignal an die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 angelegt wird, um fortwährend Brennstoff zu
leiten, und eine Durchflußgeschwindigkeit wird in die
sem Zustand gemessen.
In der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung weist der
Meßabschnitt mindestens zwei Meßabschnitte 51a und
51b auf. jeder dieser Meßabschnitte 51a und 51b weist
eine Gasdruckkammer 111, einen Verdrängungskörper
112 und eine Meßkammer 113 auf, wie sie anhand von
Fig. 1 und 2 beschrieben worden sind. Ein Schalt-Ab
sperrorgan 52 wird geschaltet, um die Meßkammer mit
einem der Meßbereiche 51a und 51b mit der Brennstoff-
Einspritzvorrichtung 17 in Verbindung zu bringen. In
der Zeitperiode T1 läßt das Schalt-Absperrorgan 52
den Meßabschnitt 51a mit der Brennstoff-Einspritzvor
richtung 17 in Verbindung stehen, um Druck auf die
Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 mittels des Meßab
schnittes 51a auszuüben, und um den Brennstoffbetrag
zu messen, der durch die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 eingespritzt wird. Zur gleichen Zeit wird ein
Brennstoffversorgungs-Steuersignal an den Meßab
schnitt 51b angelegt, um die Versorgung mit Brennstoff
durchzuführen. In der Zeitperiode T2 läßt das Schalt-
Absperrorgan 52 den Meßabschnitt 51b mit der Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung 17 in Verbindung treten, um
die Brennstoffmenge zu messen, die durch die Brenn
stoff-Einspritzvorrichtung 17 eingespritzt wird. Zur
gleichen Zeit wird ein Brennstoffversorgungs-Steuersi
gnal an einen Meßabschnitt 51a angelegt, um die Brenn
stoffversorgung sicherzustellen und um die Messung ei
ner Durchflußmenge von Brennstoff zu erlauben, die
kontinuierlich durch die Brennstoff-Einspritzvorrich
tung 17 eingespritzt wird.
In Fig. 8A ist ein Schaftsignal des Schalt-Absperror
ganes 52 der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung darge
stellt, und in Fig. 8B und 8C sind Zustände des Verdrän
gungskörpers in den Meßabschnitten 51a und 51b dar
gestellt. In den Fig. 8D und 8E sind Brennstoffversor
gungs-Steuersignale dargestellt, die an die Brennstoff
versorgungs-Absperrorgane 13a bzw. 13b für das Ver
sorgen mit Brennstoff aus der Brennstoff-Versorgungs
einrichtung 14 zu den Meßabschnitten 51a und 51b an
gelegt werden.