DE3250126C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer von einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung abgegebenen Brennstoffmenge - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Messen einer von einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung abgegebenen Brennstoffmenge, sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3, die sich zur Durchführung des Verfahrens eignet.

Die Anmeldung ist eine Teilanmeldung aus der DE 32 40 622, welche nach § 60 PatG geteilt worden ist.

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-Einspritzvorrichtung bzw. einer elektromagnetischen Brennstoff-Einspritzdüse zu messen. Eine vorgegebenen Anzahl von beispielsweise 1.000 Einspritzsteuerimpulsen wird an die Einspritzvorrichtung angelegt und Brennstoff, welcher durch die Brennstoff- Einspritzvorrichtung eingespritzt wird, wird in einem Meß­ zylinder gesammelt. Die auf diese Weise gesammelte Brenn­ stoffmenge wird visuell oder mit einem Maßstab gemessen. Die durchschnittlich pro Einspritzung eingespritzte Menge bei­ spielsweise wird aus der Menge des gesammelten und gemesse­ nen Betrages des eingespritzten Brennstoffes errechnet.

Die pro Einspritzung eingespritzte Menge bei einer der­ artigen Brennstoff-Einspritzvorrichtung ist jedoch sehr klein, beispielsweise etwa nur 0,001-0,1 cm³ bzw. etwa 0,7 -70 mg. Ferner ist die Einspritzdauer unter normalen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine kurz, beispiels­ weise etwa 10-100 msec. Aus diesem Grund ist es nahezu un­ möglich, die pro Einspritzung eingespritzte Brennstoffmenge einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung in Anbetracht der Antwortzeit (mehr als 1 Sek.) 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 Einbaues und weist auch bei 1.000 Einspritzungen eine geringe Meßgenauigkeit auf.

Aus dem Vortrag von F. Thoma ("Der Spritzmengenindikator, ein nützliches Meßgerät für die Entwicklung von Diesel­ motoren", ASME-Jahreskonferenz vom 27.04.-02.05.1974, Houston, USA) ist eine Vorrichtung zum Messen einer durch eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung eingespritzten Brenn­ stoffmenge bekannt, welche eine auf einen konstanten Druck gesetzte Gasdruckkammer, eine an die Gasdruckkammer angren­ zenden Meßkammer, und einen Verdrängungskörper zur Trennung der Meßkammer von der Gasdruckkammer aufweist, wobei der Verdrängungskörper mit dem konstanten Druck eines Gases beaufschlagt wird. Gemäß dieses Spritzmengenindikators wird die von einer zu untersuchenden Einspritzdüse abgegebene Brenn­ stoffmenge in eine Volumenänderung der Meßkammer umgesetzt, die zu einer proportionalen Lageänderung des Verdrängungs­ körpers führt. Diese Lageänderung wird mittels eines Weg­ gebers bzw. eines Bewegungssensors erfaßt. Bei dieser bekannten Vorrichtung zum Messen einer durch eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung abgegebenen Brennstoffmenge wird also die zu untersuchende Einspritzdüse dazu verwendet, Brennstoff bei extrem hohen Drücken in die Meßkammer einzu­ spritzen, wobei die eingespritzte Brennstoffmenge den Ver­ drängungskörper verdrängt, wobei der gemessene Verdrängungs­ weg dem Volumen des eingespritzten Brennstoffes proportional ist.

Der vorliegende Stand der Technik weist allerdings den Nachteil auf, daß ein schnelles Nachfüllen der Meßkammer nicht möglich ist, wodurch die Verfügbarkeit der Anordnung eingeschränkt ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit der die Meßkammer einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung zuverlässig und schnell nachgefüllt werden kann, damit die Anordnung in zufrieden­ stellender Weise auf die Messung ansprechen kann.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 3.

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 Meßkam­ mer befindlichen Flüssigkeit infolge der Einspritzung der Flüssigkeit durch die Brennstoff-Einspritzvorrichtung wird aus der Verdrängung bzw. Lageveränderung des Verdrängungs­ körpers erkannt. Dementsprechend wird durch Verminderung der Schwankung des Brennstoff-Druckes, welcher auf die Brenn­ stoff-Einspritzvorrichtung wirkt, sowie dadurch, daß der Verdrängungskörper der Einspritzung der Brennstoff-Ein­ spritzvorrichtung folgt, eine genaue Messung des ausge­ tretenen Brennstoffbetrages pro Einheitsoperation und somit eine genaue Messung der ausgetretenen Menge des Brennstoffes erleichtert.

Durch die Ausstattung der Meßkammer mit einer Flüssigkeits­ zuführungsvorrichtung wird das erneute Auffüllen der Meßkam­ mer mit Flüssigkeit erleichtert, was eine besonders einfache und somit wirtschaftliche Betreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt. Allerdings kann die Meßkammer auch ohne eine Flüssigkeitszuführung betrieben werden.

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 end 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.

Entsprechend 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 Gadruckkammer 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-Steuerschaltrkeis 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 "Σqn" 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 "Σqn/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 dem 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 Treibersig­ nal 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 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 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·Δx) 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 62 abgespeichert 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 "Σqn" 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 2cm², 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 0,7g/cm³ ist. Diese Auflösung stellt eine etwa 80-fache 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 112A 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 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 be­ schrieben worden sind. Ein Schalt-Absperrorgan 52 wird geschaltet, um die Meßkammer mit einer 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-Einspritzvorrichtung 17 in Verbindung stehen, um Druck auf die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 17 mit­ tels des Meßabschnittes 51a 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 51b angelegt, um die Versorgung mit Brennstoff durchzu­ führen. In der Zeitperiode T2 läßt das Schalt-Absperrorgan 52 den Meßabschnitt 51b 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 51a 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 51a und 51b dargestellt. In den Fig. 8D und 8E sind Brennstoffversorgungs-Steuersi­ gnale dargestellt, die an die Brennstoffversorgungs-Ab­ sperrorgane 13a bzw. 13b für das Versorgen mit Brennstoff aus der Brennstoff-Versorgungseinrichtung 14 zu den Meß­ abschnitten 51a und 51b angelegt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Messen einer Brennstoff-Einspritzmenge, mit den Verfahrensschritten:
Erzeugen eines vorgegebenen Gasdrucks;
Einstellen eines Gasdrucks einer Gasdruckkammer (111) auf einen vorgegebenen Druck durch Beaufschlagung mit dem Gasdruck;
Veränderung der Lage eines Verdrängungskörpers (112), der die Gasdruckkammer (111) von einer mit Brennstoff gefüllten Meßkammer (113) trennt, mittels Beauf­ schlagung mit dem Gasdruck der Gasdruckkammer (111);
Erfassen des Ausmaßes der Lageänderung des Verdrän­ gungskörpers (112) mittels einem Bewegungssensor (15);
Berechnen einer Änderung der Einspritzrate des Brenn­ stoffs der Meßkammer (113) auf Basis eines Sensoraus­ gangssignals des Bewegungssensors (15), welches dem Ausmaß der Lageänderung entspricht, zur Feststellung einer Brennstoff-Einspritzmenge; und
Übertragung eines Steuersignals von einer Steuereinheit (18), um eine mit der Meßkammer (113) zusammenwirkende Brennstoff-Einspritzvorrichtung (17) anzusteuern, um von dort Brennstoff einzuspritzen,
gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Steuerung eines Brennstoffversorgungs-Absperrorgans (13) auf Basis der Anzahl der durch die Brennstoff-Ein­ spritzvorrichtung (17) vorgenommenen Brennstoff-Ein­ spritzungen in der Art, daß die Meßkammer (113) so mit Brennstoff nachgefüllt wird, daß die Menge des in der Meßkammer (113) vorliegenden Brennstoffs auf einem vor­ bestimmten Niveau beibehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durch den Gasdruck in der Gasdruckkammer (111) und das Eigengewicht des Verdrängungskörpers (112) auftretende Lageänderung des Verdrängungskörpers (112) erfaßt wird.

3. Vorrichtung zum Messen einer Brennstoff-Einspritzmenge, mit:
einer Gasdruckbeaufschlagungsvorrichtung (12) zum Er­ zeugen eines vorgegebenen Gasdrucks;
einer Gasdruckkammer (111), die derart mit dem vorgebe­ nen Gasdruck beaufschlagt ist, daß der Gasdruck in der Gasdruckkammer (111) auf ein vorgegebenes Niveau ge­ bracht ist;
einem Verdrängungskörper (112), der die Gasdruckkammer (111) von der mit Brennstoff gefüllten Meßkammer (113) trennt, wobei der Verdrängungskörper (112) durch den Gasdruck in der Gasdruckkammer (111) einer Lageänderung unterliegt;
einem Bewegungssensor (15) zum Erfassen des Ausmaßes der Lageänderung des Verdrängungskörpers (112);
einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung (17), die mit der Meßkammer (113) zusammenwirkt um Brennstoff einzusprit­ zen;
einer Brennstoff-Versorgungseinrichtung (14) zum Zu­ führen des Brennstoffs in die Meßkammer (113); und einer Steuereinheit (18) zum Aussenden eines Steuersi­ gnals zur Brennstoff-Einspritzvorrichtung (17) um Brennstoff einzuspritzen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinheit (18) ein Brennstoffversorgungs-Ab­ sperrorgan (13) auf der Basis der Anzahl der durch die Brennstoff-Einspritzvorrichtung (17) vorgenommenen Brennstoff-Einspritzungen derart steuert, daß die Meß­ kammer (113) so mit Brennstoff nachgefüllt wird, daß die Menge des in der Meßkammer (113) vorliegenden Brennstoffs auf einem vorbestimmten Niveau beibehalten wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Bewegungssensor (15) die durch den Gasdruck in der Gasdruckkammer (111) und das Eigengewicht des Verdrängungskörpers (112) auf­ getretene Lageänderung erfaßt.