DE3622902A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des einspritzvolumens eines kraftstoffstrahls pro einspritzintervall - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des einspritzvolumens eines kraftstoffstrahls pro einspritzintervallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Einspritzmenge eines Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall
bei einem Einspritzmotor und eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Bei Einspritzmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren,
ist die genaue Kenntnis über die zeitlich und örtlich
eingespritzte Kraftstoffmenge für die Verbrennungsgemischbildung
und den Verbrennungsablauf im Zylinder von
großer Bedeutung. Die an ein Einspritzsystem und speziell
an die Kraftstoffeinspritzdüse gestellten Anforderungen
sind eine möglichst kleiner Kraftstoffmenge
während der Zündverzugszeit, eine stetig ansteigende
Kraftstoffmenge während der Hauptbrennzeit sowie ein
rasches Schließen der Düsennadel ohne Nachtropfen. Für
die Weiterentwicklung von Einspritzsystemen und deren
Anpassung an einen Dieselmotor ist es erforderlich, die
nach einem bestimmten zeitlichen und örtlichen Verlauf
in den Brennraum eines Dieselmotors eingebrachte genau
dosierte Kraftstoffmenge erfassen bzw. messen zu
können.
Meßverfahren und Meßvorrichtungen zur Bestimmung der
eingespritzten Kraftstoffmenge pro Einspritzintervall
sind bekannt. Diese Meßgeräte beruhen auf einer volumetrischen
Erfassung von stoßweise eingespritzten
Kraftstoffmengen. Bei einer bekannten Meßvorrichtung,
dem Mengenindikator (Bosch, Technische Berichte, Bd. 1,
Heft 3, Juni 1965), wird die eingespritzte Kraftstoffmenge
in eine zylindrische Kammer eingebracht, in der
ein Kolben angeordnet ist. Der Durchmesser des Kolbens
ist gleich dem Innendurchmesser der Kammer. Die Hubbewegung
des Kolbens, die dieser bei Einspritzung des
Kraftstoffs in die Kammer ausführt, wird zur Mengenbestimmung
ausgenutzt. Dabei wird die Kolbengeschwindigkeit
als in erster Näherung proportional zur sekundlich
eingespritzten Kraftstoffmenge angesetzt, was
prinzipiell die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der
an der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffmenge (Einspritzgesetz)
ermöglicht. Die Eigenfrequenz des Mengenindikators
ist mit ca. 10 kHz im allgemeinen für viele
praktische Anwendungsfälle zu niedrig, so daß das Einspritzgesetz
nicht richtig wiedergegeben wird. Genaue
Messungen sind daher nach diesem Meßverfahren und mit
diesem Meßgerät nicht möglich. Im Falle einer Mehrlocheinspritzdüse
ist es darüber hinaus mit diesem Meßverfahren
nicht möglich, jeden einzelnen der über die
verschiedenen Spritzlöcher austretenden Kraftstoffstrahlen
zu untersuchen. Es ist lediglich möglich, die
Gesamtmenge des von der Mehrlocheinspritzdüse eingespritzten
Kraftstoffs zu messen.
Bei einem anderen Meßgerät zur Bestimmung der Kraftstoffmenge,
bei dem sogenannten Einspritzgesetz-Indikator
(MTZ 25/7, 1964, S. 268-282), wird der Kraftstoff
in ein mit Flüssigkeit gefülltes kalibriertes Rohr eingespritzt.
Nach dem Kontinuitätssatz erzeugt die an der
Düse austretende zeitlich veränderliche Kraftstoffmenge
eine in ihrer Größe vom Rohrdurchmesser abhängige zeitlich
veränderliche Geschwindigkeit. Die zeitlich veränderliche
Geschwindigkeit hat der austretenden Kraftstoffmenge
analoge Druckwellen zur Folge. Dieser Druckverlauf
wird bei entsprechender Bemessung der Rohrwandstärke
an der Außenwand des Rohres mittels Dehnmeßstreifen
gemessen und an einem Oszilloskop sichtbar
gemacht. Anhand des auf dem Oszilloskop dargestellten
Druckverlaufs über der Zeit kann dann die Kraftstoffmenge
bzw. das Kraftstoffvolumen pro Zeiteinheit berechnet
werden. Als eine Rechengröße geht in diese Berechnung
die Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs ein,
deren Betrag in starkem Maße von der Menge des mit dem
Kraftstoff vermischten Gases abhängt und für Dieselkraftstoff
zwischen 1400 m/s (ohne Gas) und 800 m/s
schwankt. Diese Schallgeschwindigkeit muß separat gemessen
werden, weshalb das Meßverfahren und der danach
arbeitende Einspritzgesetz-Indikator sehr aufwendig
sind. Darüber hinaus muß der Indikator für jede Einspritzdüse
neu ausgelegt und geeicht werden. Die Untersuchung
der einzelnen Kraftstoffstrahlen bei einer
Mehrlochdüse ist mit dieser Meßvorrichtung ebenfalls
nicht möglich.
Schließlich sind auch Kraftstoff-Verbrauchsmesser mit
foto-elektrischem Abtastsystem bekannt, die jedoch nach
einem sehr komplizierten Meßverfahren arbeiten und daher
einen sehr aufwendigen Aufbau aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Bestimmung der Einspritzmenge eines Kraftstoffstrahls
pro Einspritzintervall bei einem Einspritzmotor
anzugeben, mit dem die eingespritzte Kraftstoffmenge
bzw. das eingespritzte Kraftstoffvolumen sehr genau
gemessen werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die Kraft des Kraftstoffstrahls für die
Dauer Δ t der Einspritzung in mehreren unterschiedlichen
Abständen y < 0 vom Spritzlochaustritt ermittelt und die
Quadratwurzel der ermittelten einzelnen Kräfte über dem
Einspritzintervall Δ t integriert wird, daß die Kurve
aus den so erhaltenen Integrale J zur Ermittlung des
Integralwertes J₀ im Abstand y = 0 extrapoliert wird und
daß die Einspritzmenge bzw. das Einspritzvolumen q G pro
Einspritzintervall Δ t durch die Formel
q G = K d₀ J₀
ermittelt wird, wobei K eine Konstante und d₀ der
Durchmesser des Spritzlochs ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die
Kraft des eingespritzten Kraftstoffstrahls in mehreren
unterschiedlichen Abständen vom Spritzlochaustritt gemessen.
In einem nächsten Schritt werden die Quadratwurzeln
der einzelnen gemessenen Kraftverläufe über dem
Einspritzintervall integriert. Die Werte J dieser Integrale
ergeben eine Kurve, die die Abhängigkeit der
Integrale von dem Abstand y zum Spritzloch angibt.
Diese Kurve wird für den Abstand y = 0 extrapoliert,
so daß man den Integralwert J₀ erhält. Bei
bekanntem Spritzlochdurchmesser d₀ ergibt sich dann die
Einspritzmenge bzw. das Einspritzvolumen q G pro Einspritzintervall
nach der oben angegebenen Formel. Dabei
ist K eine dimensionsbehaftete Konstante, die von der
Dichte ρ des Kraftstoffs abhängig ist und für die gilt
mit der dimensionslosen Konstanten
Nachfolgend werden die dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrundeliegenden physikalischen Gleichungen angegeben.
Der Abstand y vom Spritzlochaustritt, der Durchmesser
d₀ des Spritzloches der Einspritzdüse, die den eingespritzten
Kraftstoffstrahl entgegenwirkende Reibungskraft R
sowie die gemessene Strahlkraft F sind gemäß
Fig. 1 definiert. Nach dem Impulssatz ist der Impuls I
des eingespritzten Kraftstoffstrahls unter der Voraussetzung,
daß sich der Umgebungsdruck während des
Einspritzvorganges nicht ändert,
wobei m die Masse und v die Geschwindigkeit des Kraftstoffstrahls
ist. In differentieller Form geschrieben,
lautet diese Gleichung
Mit dm/dt = und bei Abbremsung des Kraftstoffstrahls
auf die Geschwindigkeit v = 0 gilt
dv = dF + dR. (3)
Durch Integration beider Seiten ergibt sich
v = F + R, (4)
wobei die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmasse
ist.
Die Reibungskraft R ist eine Funktion des Abstandes y
vom Spritzloch: R = f(y). Mit den Randbedingungen
R = 0 und v = v₀ bei y = 0,
wobei sich der Index 0 auf die Werte am Spritzlochaustritt
bezieht, erhält man mit der Kraftstoffdichte ρ
v₀ = ρ v₀ = F₀, (5)
wobei mit das Kraftstoffvolumen pro Zeiteinheit bezeichnet
ist und F₀ die Kraft des Strahls am Spritzlochaustritt
ist. Mit dem Durchmesser d₀ des Spritzloches
und der Querschnittsfläche A₀ des Einspritzstrahls
am Spritzlochaustritt, wobei
gilt, ergibt sich die Geschwindigkeit v₀ am Spritzlochaustritt
zu
sowie die Masse pro Zeiteinheit und die Einspritzmenge
bzw. das Einspritzvolumen pro Zeiteinheit
Damit ist die Beziehung zwischen der eingespritzten
Kraftstoffmasse pro Zeiteinheit und der Strahlkraft
F₀ und die Beziehung zwischen dem eingespritzten Kraftstoffvolumen q
pro Zeiteinheit und der Strahlkraft F₀
hergeleitet.
Um die Einspritzmasse m G bzw. die -menge q G pro Einspritzintervall
zu ermitteln, ist die Masse pro Zeiteinheit
über dem Einspritzintervall Δ t = t₁ - t₀ zu integrieren.
Es gilt dann
Gemäß Gleichung 10 ist die Einspritzmasse von der am
Spritzlochaustritt herrschenden Strahlkraft F₀ abhängig.
Die Strahlkraft wird beispielsweise mit einem
Kraftaufnehmer gemessen, auf dessen kraftaufnehmende
Fläche der Strahl aufprallt, von wo aus er anschließend
zu allen Seiten abfließen kann. Direkt am Spritzlochaustritt
läßt sich die Strahlkraft jedoch nicht mit dem
Kraftaufnehmer messen, ohne daß der Meßwert verfälscht
wird. Um nämlich Rückwirkungen auf den Einspritzstrahl
und damit Meßfehler ausschließen zu können, muß gewährleistet
sein, daß der Kraftstoff nach Auftreffen auf
den Kraftaufnehmer gleichmäßig und nach allen Seiten
ungehindert abströmen kann. Dies ist bei einem unmittelbar
hinter dem Spritzlochaustritt angeordneten
Kraftaufnehmer nicht zufriedenstellend gegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher nicht
die Kraft F₀ des Einspritzstrahls am Spritzlochaustritt
gemessen, sondern der Wert J₀ des Integrals
am Spritzlochaustritt ermittelt, ohne daß eine Messung
der Kraft F₀ am Spritzlochaustritt erforderlich ist.
Dazu wird zunächst in n verschiedenen Abständen y i ,
i = 1, 2, . . ., n, vom Spritzlochaustritt die Strahlkraft F i ,
i = 1, 2, . . ., n, gemessen und durch Integration der Strahlkraft
über dem Einspritzintervall Δ t der Impuls I i ,
i = 1, 2, . . ., n, bzw. durch Integration der Quadratwurzel
der Strahlkraft über dem Einspritzintervall der Wert
J i , i = 1, 2, . . ., n, in den Abständen y i vom Spritzlochaustritt
gemäß den folgenden Gleichungen bestimmt:
Die Auswertung der Flächenintegrale nach diesen beiden
Gleichungen wird mit numerischen Auswerteprogrammen
durchgeführt. Sind die Integralwerte J i für die in n
unterschiedlichen Abständen vom Spritzlochaustritt ermittelten
Strahlkräfte F i , i = 1, 2, . . ., n, berechnet, so
läßt sich aus den Integralwerten J i , i = 1, 2, . . ., n, in
Abhängigkeit von dem Abstand y vom Spritzlochaustritt
eine Kurve angeben, die zur Ermittlung des Integralwertes J₀
am Spritzlochaustritt extrapoliert wird.
Bei Substitution dieses Integralwerts J₀ in die
Gleichungen 10 und 11 erhält man
bzw.
Bei bekanntem Spritzlochdurchmesser d₀ sind nun alle
Werte gegeben, um nach den Gleichungen 15 und 16 die
Kraftstoffmasse m G und das Kraftstoffvolumen bzw. die
Kraftstoffmenge q G des Einspritzstrahls pro Einspritzintervall
zu berechnen.
Wie oben beschrieben, beruht das erfindungsgemäße Verfahren
auf der Kraftmessung des Einspritzstrahls in
verschiedenen Ebenen mit unterschiedlichem Abstand y = 0
zum Spritzlochaustritt. Es erfordert nur einen geringen
meßtechnischen Aufwand. Werden als Strahlkraftaufnehmer
beispielsweise schnell ansprechende Piezo-Quarzkristall-
Kraftaufnehmer verwendet, entfällt eine
Eichung des Meßsystems bei der Verwendung unterschiedlicher
Einspritzdüsen, da diese Kraftaufnehmer im gesamten
für Kraftstoffeinspritzstrahlen in Frage kommenden
Meßbereich (0 bis 250 N) kalibriert werden können.
Außerdem sind dann bei allen Einspritzbedingungen
baugleiche Kraftaufnehmer einsetzbar.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können bei
einer Mehrlocheinspritzdüse die einzelnen Kraftstoffeinspritzstrahlen
getrennt voneinander untersucht werden.
Für jeden einzelnen Kraftstoffeinspritzstrahl kann
die pro Einspritzintervall eingespritzte Kraftstoffmenge
ermittelt werden. Dadurch lassen sich bei einer
Mehrlochdüse genaue Angaben über den örtlichen und
zeitlichen Verlauf der einzelnen eingespritzten Kraftstoffmenge
machen.
In die Messung und in die Berechnung der Kraftstoffmenge
geht die Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs
nicht ein, so daß eine Schallgeschwindigkeitsmessung
entfällt. Da die Schallgeschwindigkeit selbst bei einem
einzigen Einspritzvorgang wegen des sich während der
Einspritzung ändernden Gasanteils im Kraftstoff nicht
konstant ist, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die aufgrund dieser Erscheinung auftretenden
Meßfehler ausgeschlossen werden. Das Verfahren ermöglicht
daher eine sehr genaue Bestimmung der eingespritzten
Kraftstoffmenge. Mitgeführtes Gas spielt
bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffmengenbestimmung
keine Rolle, da die Dichte des Gases in jedem Falle
gegenüber derjenigen von Kraftstoff vernachlässigt
werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
wird die Strahlkraft in mindestens drei unterschiedlichen
Abständen y i , i = 1, 2, 3, vom Spritzlochaustritt
gemessen. Für die aus den gemessenen Strahlkräften F i ,
i = 1, 2, 3, berechneten Integralwerte J i , i = 1, 2, 3, läßt
sich - beispielsweise nach der Methode der kleinsten
Quadrate - eine Ausgleichsfunktion angeben, die die
Abhängigkeit der Integralwerte J vom Abstand y beschreibt.
Diese Ausgleichsfunktion kann entweder durch
Eingabe der Koordinatenpaare J i , y i , i = 1, 2, 3, in einen
Rechner numerisch ermittelt oder durch Eintragen der
Koordinatenpaare J i , y i , i = 1, 2, 3, in ein Koordinatenkreuz
zeichnerisch ermittelt werden. Die Ausgleichsfunktion
wird zur Ermittlung des Integralwertes J₀ für
den Abstand y = 0, d. h. am Spritzlochaustritt extrapoliert
(numerisch oder graphisch). Mit dem so erhaltenen
Wert J₀ lassen sich dann nach den Gleichungen
15 und 16 die Kraftstoffmasse m G und die Kraftstoffmenge q G
pro Einspritzintervall bestimmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß bei mehreren Spritzlöchern die
Kraft der einzelnen Strahlen in unterschiedlichen Abständen y < 0
von den Spritzlöchern gemessen wird und daß
die Einspritzmenge bzw. das Einspritzvolumen Q G pro
Einspritzintervall anhand der Formel
Q G = K D₀ J₀ (17)
berechnet wird, wobei D₀ die Summe der Durchmesser
aller Spritzlöcher ist. Hierbei wird die Kraft der einzelnen
Strahlen in unterschiedlichen Abständen von den
Spritzlöchern nur einmal gemessen. Wenn die einzelnen
Spritzlöcher den gleichen Durchmesser haben, können die
sich durch Integration der Quadratwurzel aus diesen
Kräften über dem Einspritzintervall Δ t ergebenden Integralwerte J i ,
i = 1, 2, . . ., 1, (1 ist die Anzahl der
Spritzlöcher) über dem Spritzlochabstand y aufgetragen
werden. Aus den einzelnen Integralwerten J i wird eine
Ausgleichsfunktion ermittelt (entweder numerisch oder
graphisch), die zur Bestimmung des Integralwertes J₀
für den Abstand y = 0 (Spritzlochaustritt) extrapoliert
wird. Die Gesamteinspritzmenge bzw. das Gesamteinspritzvolumen Q G
pro Einspritzintervall läßt sich
dann anhand der obigen Formel berechnen, wobei D₀ die
Summe der Durchmesser aller Spritzlöcher ist. Bei einer
Mehrlochdüse kann also die pro Einspritzintervall eingespritzte
Kraftstoffmenge durch einmaliges Messen der
Kraft der einzelnen Strahlen in unterschiedlichen Abständen
von den Spritzlöchern ermittelt werden, wenn
die Durchmesser sämtlicher Spritzlöcher gleich groß
sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Überprüfung
einer Mehrlocheinspritzdüse eingesetzt werden.
Dazu wird in gleichem Abstand hinter jedem Spritzloch
die Kraft jedes Strahls gemessen und die Einspritzdüse
anhand der ermittelten Einspritzstrahlkräfte überprüft.
Mehrlocheinspritzdüsen, deren über die Spritzlöcher
eingespritzten Kraftstoffstrahlen in bestimmter Weise
aufeinander abgestimmt sein sollen, können somit exakt
überprüft werden.
Ein Kriterium zum Überprüfen der Mehrlocheinspritzdüse
ist beispielsweise die Differenz zwischen den aus den
ermittelten Kräften berechneten Impulsen.
Die Erfindung betrifft desweiteren eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Einspritzmenge eines Kraftstoffstrahls
pro Einspritzintervall bei einem Einspritzmotor, mit
einer Einspritzdüse, die mindestens ein Spritzloch aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein Kraftaufnehmer zum Messen der
Kraft des eingespritzten Kraftstoffstrahls vorgesehen
ist, daß der Abstand zwischen der kraftaufnehmenden
Fläche des Kraftaufnehmers und dem Spritzlochaustritt
einstellbar ist und daß der Kraftaufnehmer mit einer
Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die die gemessene
Kraft anzeigt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung trifft der Kraftstoffstrahl
auf die kraftaufnehmende Fläche eines
Kraftaufnehmers, der die Kraft des Strahls mißt. Zwecks
Messung der Kraft in unterschiedlichen Abständen y vom
Spritzlochaustritt kann der Abstand zwischen der kraftaufnehmenden
Fläche und dem Spritzlochaustritt eingestellt
werden. Der Kraftaufnehmer ist mit einer
Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise einem Meßverstärker,
verbunden, der den Meßwert anzeigt. Aus
diesem Meßwert kann dann das Integral J i für den Abstand y i
vom Spritzlochaustritt berechnet werden. Werden n
Messungen in verschiedenen Abständen durchgeführt,
so kann durch Extrapolation der aus den über
dem Abstand y aufgetragen Integralwerten J i ,
i = 1, 2, . . ., n, entstehenden Kurve der Wert J₀ am
Spritzlochaustritt (y = 0) ermittelt werden. Nach den Gleichungen
15 und 16 lassen sich dann die Kraftstoffmasse m G
und die Kraftstoffmenge q G pro Einspritzintervall
berechnen.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung hat einen einfachen
Aufbau und liefert Meßwerte mit einer relativ hohen
Genauigkeit. Der Kraftaufnehmer kann in bezug auf das
Einspritzloch derart ausgerichtet werden, daß der
Kraftstoffstrahl senkrecht auf die kraftaufnehmende
Fläche des Kraftaufnehmers auftrifft. Die so gemessene
Kraft entspricht dann der tatsächlichen Kraft des Einspritzstrahls
im Abstand y.
Vorteilhafterweise ist die Signalverarbeitungseinheit
mit einem Rechner verbunden, der die Signale weiterverarbeitet
und aus den in mehreren unterschiedlichen
Abständen y < 0 vom Spritzloch ermittelten Kräften die
Einspritzmenge bzw. das Einspritzvolumen pro Einspritzintervall
berechnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind bei einer Einspritzdüse mit
mehreren Spritzlöchern mehrere in unterschiedlichen
Abständen von den Spritzlöchern angeordnete Kraftaufnehmer
vorgesehen, die jeweils mit dem Rechner verbunden
sind. Auch hier ist der Abstand zwischen der
kraftaufnehmenden Fläche der Kraftaufnehmer und den
Spritzlochaustritten durch Verschieben der einzelnen
Kraftaufnehmer einstellbar. Mit Hilfe dieser Vorrichtung
kann bei einer Mehrlocheinspritzdüse jeder
einzelne Strahl untersucht werden, oder es können die
Strahlen untereinander verglichen werden. Außerdem kann
die pro Einspritzintervall eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge
durch eine einzige Messung der Kraft der
einzelnen Einspritzstrahlen berechnet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß mindestens einem Kraftaufnehmer ein zweiter
Kraftaufnehmer zugeordnet ist, dessen kraftaufnehmende
Fläche derjenigen des die Strahlkraft aufnehmenden
Kraftaufnehmers abgewandt ist.
Bei dieser Weiterbildung sind zwei Kraftaufnehemr in
einer sogenannten Tandemanordnung angebracht, wobei der
Kraftaufnehmer mit der dem Kraftstoffstrahl abgewandten
kraftaufnehmenden Fläche zur Erfassung des Restkörperschalls
der Vorrichtung dient. Die von diesem Kraftaufnehmer
ermittelte Kraft, die durch Vibrationen der
Vorrichtung hervorgerufen wird, wird von der von dem
anderen Kraftaufnehmer ermittelten Kraft subtrahiert.
Dabei ist die Schallaufzeit zwischen den beiden Kraftaufnehmern
zu berücksichtigen. Der mit dem Kraftaufnehmer
zum Messen des Restkörperschalls gemessene
zeitliche Kraftverlauf ist von dem gemessenen zeitlichen
Strahlkraftverlauf um die Schallaufzeit zwischen den
beiden Ausnehmern versetzt zu substrahieren. Somit werden
die die Messung verfälschenden Vibrationen aus den
Meßwerten eliminiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung erlauben eine genaue Bestimmung der
pro Einspritzintervall eingespritzten Kraftstoffmenge,
indem die Kraft des Kraftstoffstrahls in mehreren
unterschiedlichen Abständen y < 0 vom Spritzlochaustritt
gemessen wird. Die Messung der Einspritzmenge ist unabhängig
von der Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs.
Daher entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
Messung der Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs, die
in Abhängigkeit von der Menge des mit dem Kraftstoff
vermischten Gases stark variiert. Bei der Bestimmung
der Einspritzmenge geht außer dem Durchmesser des
Spritzloches und der Dichte ρ des Kraftstoffs kein
weiterer Parameter ein. Der meßtechnische Aufwand der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist relativ gering, wobei
Meßwerte mit hoher Genauigkeit erzielt werden. Die Erfindung
ist sowohl bei Atmosphärendruck als auch unter
motorischen Bedingungen bezüglich der Dichte des Gases
im Verbrennungsram anwendbar. Auch hierbei werden genaue
Meßwerte erzielt, und es ist eine korrekte Bestimmung
der Einspritzmenge möglich.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung zur Definition der auf den
eingespritzten Kraftstoffstrahl wirkenden
Kräfte und der für die Messung wesentlichen
Abstände,
Fig. 2 den Aufbau der Meßvorrichtung,
Fig. 3 den Verlauf der bei einer einzigen Einspritzung
im Abstand y = 10 mm vom Spritzlochaustritt
gemessenen Strahlkraft F und den Verlauf
der im gleichen Abstand über 32 Einspritzungen
gemittelten Strahlkraft F 1-32,
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Impulses des
Kraftstoffstrahls in Abhängigkeit von dem
Abstand zum Spritzloch,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der über 32 Einzeleinspritzungen
gemittelten Strahlkraft F 1-32
und den zeitlichen Verlauf der Quadratwurzel
der im Abstand y = 10 mm vom Spritzlochaustritt
gemessenen Strahlkraft F für eine
einzige Einspritzung und
Fig. 6 die Werte J i in Abhängigkeit von dem Abstand
y vom Spritzlochaustritt.
In Fig. 1 ist das Meßprinzip für eine Einspritzdüse 12
mit einem einzigen Spritzloch 10, das den Durchmesser
d₀ aufweist, dargestellt. Der aus dem Spritzloch 10 der
Einspritzdüse 12 austretende Kraftstoffstrahl 14 trifft
im Abstand y vom Spritzlochaustritt auf die kraftaufnehmende
Fläche 16 eines Piezo-Quarzkristall-
Kraftaufnehmers 18 auf (Fig. 1). Dabei wird der Kraftstoffstrahl 14
zwischen dem Spritzlochaustritt und dem
Kraftstoffaufnehmer 18 durch die Reibungskraft R abgebremst.
Beim Aufprall auf die kraftaufnehmende Fläche 16 wird
die Kraft F des Strahls 14 gemessen.
Gemäß Fig. 2 weist die Vorrichtung zur Bestimmung der
Einspritzmenge einen Adapter auf, der sich aus einer
zylindrischen Führungshülse 20 und einer darin geführten
Scheibe 22 zusammensetzt. Die zentrisch auf die
Düsenspannmutter 24 des Düsenkörpers 26 geschobene
Führungshülse 20 wird mit mehreren Schrauben 28 am
äußeren Umfang der Düsenspannmutter 24 befestigt. An
der Scheibe 22 ist auf der der Einspritzdüse 12 zugewandten
Seite der Kraftaufnehmer 18 angeordnet. Durch
Verschieben der Scheibe 22 in der Führungshülse 20 in
axialer Richtung kann der Abstand zwischen der kraftaufnehmenden
Fläche 16 des Kraftaufnehmers 18 und dem
Austritt des Spritzloches 10 eingestellt werden. Die
Scheibe 22 ist derart in ihrer Lage fixierbar, daß der
Kraftstoffstrahl senkrecht auf die kraftaufnehmende
Fläche 16 des Kraftaufnehmers 18 auftrifft. Um eine
Übertragung vom Körperschall auf den Strahlkraftaufnehmer 18
bzw. seine kraftaufnehmende Fläche 16 möglichst
gering zu halten, sind sowohl die Führungshülse 20
als auch die Scheibe 22 aus stark Körperschall
dämpfendem Material hergestellt.
Zur Elimination des noch verbleibenden Restkörperschalls
ist an der Scheibe 22 auf der der Einspritzdüse 12
abgewandten Seite ein mit dem Kraftaufnehmer 18 baugleicher
Kraftaufnehmer 30 angeordnet. Die kraftaufnehmende
Fläche 32 des Kraftaufnehmers 30 ist der
Einspritzdüse 12 abgewandt. Die beiden Kraftaufnehmer 18
und 30 sind in einer Tandemanordnung mit einer durch
die Scheibe 22 hindurchführenden Spannschraube 34 auf
der Scheibe 22 miteinander verspannt. Die Längsachsen
beider Kraftaufnehmer 18 und 30 fallen mit der Längsachse
der Führungshülse 20 zusammen. Die Position der
Einspritzdüse 12 relativ zur Führungshülse 20 ist derart,
daß der Mittelpunkt des Spritzloches 10 auf der
Längsachse der Führungshülse 20 liegt. Bei Vibration
der Führungshülse 20 und der Scheibe 22 vibriert auch
der Kraftaufnehmer 30, so daß die von diesem gemessene
Kraft dem Restkörperschall entspricht. Die bei der
Messung der Strahlkraft bzw. des Restkörperschalls erzeugten
Signale der Kraftaufnehmer 18 und 30 werden
über (nicht dargestellte) Signalleitungen an einen Meßverstärker
(ebenfalls nicht dargestellt) weitergegeben
und auf einer Anzeige dargestellt.
Zur Elimination des Restkörperschalls wird der von dem
Kraftaufnehmer 30 gemessene Kraftverlauf, der vom Restkörperschall
herrührt, von dem durch den Kraftaufnehmer 18
gemessenen Strahlkraftverlauf subtrahiert. Bei der
Subtraktion ist die Schallaufzeit zwischen den beiden
Kraftaufnehmern 18 und 30 zu berücksichtigen. Die
Schallaufzeit wird bestimmt von der Schallübertragungsgeschwindigkeit
der Meßvorrichtung bzw. der Scheibe 22
und dem Abstand zwischen den kraftaufnehmenden Flächen 16
und 32 der beiden Kraftaufnehmer 18 und 30. Vor der
Subtraktion ist also die Meßkurve des Kraftaufnehmers 30
in bezug auf diejenige des Kraftaufnehmers 18 um den
Betrag der Schallaufzeit zurück zu verschieben. Die
nach der Subtraktion erhaltene Meßkurve ist dann die im
Abstand y vom Spritzlochaustritt gemessene Strahlkraft.
Der vom Kraftaufnehmer 30 gemessene Restkörperschall
liegt in der Praxis in der Größenordnung des Rauschpegels.
Die vom Körperschall verursachten Meßsignale
ergeben bei der späteren Flächenintegration einen Wert
von annähernd Null. Wenn nicht ein einzelner Einspritzvorgang
aufgenommen werden soll, ist es daher zur
Elimination des Restkörperschalls auch möglich, eine
Mittelwertbildung über mehrere von dem Kraftaufnehmer 18
aufgenommene Strahlkraftverläufe ohne Berücksichtigung
der vom Restkörperschall herrührenden Signale
vorzunehmen.
Bei der oberen in Fig. 3 dargestellten Kurve handelt
es sich um die zwischen dem Einspritzbeginn t₀ und dem
Einspritzende t₁ im Abstand y = 10 mm vom Spritzlochaustritt
aufgezeichnete Strahlkraft F. Dabei beträgt
das Einspritzintervall Δ t = t₁ - t₀ 1,58 ms. Der sich durch
Integration des Kraftverlaufes über dem Einspritzintervall
ergebende Impuls I beträgt 5,416 mNs. Die zweite
in Fig. 3 dargestellte Kurve zeigt die Mittelwertkurve F 1-32
aus den bei 32 Einspritzungen aufgezeichneten
Kraftverläufen. Auch hierbei beträgt der Abstand zum
Spritzlochabstand 10 mm und das Einspritzintervall
1,58 ms. Der sich durch Integration der Mittelwertkurve F 1-32
über dem Einspritzintervall ergebende Impuls I
beträgt 5,417 mNs.
In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf der Quadratwurzel
der im Abstand y = 10 mm gemessenen Strahlkraft F über
dem Einspritzintervall Δ t für eine Einzeleinspritzung
dargestellt. Der sich darauf ergebende Integralwert J
beträgt hierbei J = 2,971
In der Graphik nach Fig. 4 ist der Impuls I als Funktion
des Abstandes y vom Spritzlochaustritt aufgetragen.
Die Kurve 38 ist mit Hilfe einer Ausgleichsfunktion
erstellt. Dieser Ausgleichsfunktion liegen
diejenigen Impulse zugrunde, die sich aus den im Abstand
von 5, 10, 15, 20 und 25 mm vom Spritzloch gemessenen
Strahlkräften berechnen lassen. Die berechneten
Impulswerte sind durch Quadrate gekennzeichnet.
Durch Extrapolation der Ausgleichsfunktion auf den
Spritzlochaustritt y = 0 ergibt sich der Impuls I₀ am
Spritzlochaustritt, dessen Wert aus dem Diagramm abgelesen
werden kann.
Die Einspritzmasse m G bzw. die Einspritzmenge q G des
Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall ergibt sich
nach der Gleichung 15 bzw. 16. Zur Bestimmung der Einspritzmenge
ist demnach nicht der Impuls I₀ des Kraftstoffstrahls
am Spritzlochaustritt (also das Integral
der Kraft F₀ des Strahls am Spritzlochaustritt über dem
Einspritzintervall), sondern der Wert J₀ des Integrals
der Quadratwurzel der Kraft F₀ am Spritzlochaustritt
über dem Einspritzintervall erforderlich. Die Integralwerte J
sind in Abhängigkeit von der im Abstand von 5,
10, 15, 20 und 25 mm vom Spritzlochaustritt gemessenen
Kraft in dem Diagramm nach Fig. 6 aufgetragen und
durch Quadrate gekennzeichnet. Durch diese Integralwerte
ist eine Ausgleichsfunktion oder -kurve 40 angelegt
worden, die für den Abstand y = 0 extrapoliert worden
ist, so daß aus dem Diagramm der Integralwert J₀ am
Spritzlochaustritt abgelesen werden kann. Jetzt sind
alle Werte gegeben, um die Einspritzmasse m G pro Einspritzintervall
nach der Gleichung 15 bzw. die Einspritzmenge q G
pro Einspritzintervall nach der
Gleichung 16 für einen einzelnen Einspritzstrahl berechnen
zu können. Der so berechnete Wert für m G bzw. q G
basiert also auf fünf Kraftmessungen in unterschiedlichen
Abständen zum Spritzlochaustritt, oder auf
160 Kraftmessungen, wenn in fünf verschiedenen Abständen
jeweils über 32 Einspritzungen gemittelt worden
ist. Bei einem bekannten mit einem fotoelektrischen
Abtastsystem ausgestatteten Meßgerät (Seppler-Gerät)
sind dagegen ca. 1300 Einspritzungen erforderlich.
Die Kraftaufnehmer 18 und 30 der Vorrichtung nach Fig. 2
können über ihre Signalleitungen direkt mit einem
programmgesteuerten Rechner verbunden sein, der für
jeden gemessenen Kraftverlauf nach Elimination des
Restkörperschalls die Integralwerte J errechnet. Die in n
unterschiedlichen Abständen y i , i = 1, 2, . . ., n,
ermittelten Integralwerte werden in der Recheneinheit
gespeichert. Auf Betätigung einer entsprechenden Funktionstaste
ermittelt die Recheneinheit dann die Ausgleichsfunktion
sowie durch Extrapolation den Integralwert J₀
für den Abstand y = 0. Auf eine entsprechende
Tastenbetätigung hin wird unter Berücksichtigung des
zuvor interaktiv eingegebenen Spritzlochdurchmessers d₀
und der Kraftstoffdichte ρ die Einspritzmasse pro Einspritzintervall
und die Einspritzmenge bzw. das Einspritzvolumen
pro Einspritzintervall nach den Gleichungen
15 und 16 errechnet und angezeigt.
Handelt es sich bei der Einspritzdüse um eine Mehrlocheinspritzdüse
mit n Spritzlöchern (n < 1), wobei
jedes Spritzloch den Durchmesser d₀ hat, so kann die
Vorrichtung auch zur Bestimmung der über sämtliche
Spritzlöcher eingespritzten Gesamtkraftstoffmenge pro
Einspritzintervall eingesetzt werden. Dazu weist die
Vorrichtung n Kraftaufnehmer auf, die in unterschiedlichen
Abständen y i , i = 1, 2, . . ., n, von den Spritzlöchern
plaziert sind. Durch einen einzigen Einspritzvorgang
erhält man dann in n verschiedenen Abständen von den
Spritzlochaustritten gemessene Kraftverläufe F i ,
i = 1, 2, . . ., n, aus denen dann die Integralwerte J i ,
i = 1, 2, . . ., n, berechnet werden. Alternativ dazu ist es
auch möglich, die Strahlkräfte F i , i = 1, 2, . . ., n, durch
Mittelung über die in k Einspritzvorgängen ermittelten
Kräfte F ÿ , j = 1, 2, . . ., k gemäß der Formel
zu berechnen. Durch Extrapolation der sich aus den
Integralwerten J i , i = 1, 2, . . ., n, ergebenden Kurve bzw.
Ausgleichskurve kann der Wert J₀ am Spritzlochaustritt
angegeben werden und die Gesamtkraftstoffmasse M G bzw.
die Gesamtkraftstoffmenge Q G pro Einspritzintervall für
die Mehrlochdüse nach den Gleichungen
errechnet werden, wobei D = m d₀ der Gesamtdurchmesser
sämtlicher m Spritzlöcher ist.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung zur Überprüfung der
gleichmäßigen und einwandfreien Funktionsweise einer
Mehrlocheinspritzdüse genutzt werden. Dazu werden die
Impulse der aus den Spritzlöchern austretenden Kraftstoffstrahlen
in gleichen Abständen y zu den Spritzlochaustritten
bestimmt. Die Differenz zwischen den
einzelnen Strahlimpulsen ist dann ein Maß für die Güte
der Mehrlocheinspritzdüse.
Claims (11)
1. Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge eines
Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall, bei dem
ein Kraftstoffstrahl über eine mindestens ein
Spritzloch aufweisende Einspritzdüse eingespritzt
wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraft des Kraftstoffstrahls (14) für die
Dauer (Δ t) der Einspritzung in mehreren unterschiedlichen
Abständen y < 0 vom Spritzlochaustritt
ermittelt und die Quadratwurzel der ermittelten
einzelnen Kräfte über dem Einspritzintervall (Δ t)
integriert wird, daß die Kurve aus den so erhaltenen
Integrale J zur Ermittlung des Integralwertes
(J₀) im Abstand y = 0 extrapoliert wird und
daß die Einspritzmenge bzw. das Einspritzvolumen
q G pro Einspritzintervall (Δ t) durch die Formel
q G = K d₀ J₀ ermittelt wird, wobei K eine Konstante und d₀ der
Durchmesser des Spritzlochs (10) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß K eine von der Dichte (ρ) des
Kraftstoffs abhängige Konstante ist, mit
wobei K₁ eine dimensionslose Konstante ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraft des Einspritzstrahls (14)
in mindestens drei Abständen (y₁, y₂, y₃) vom
Spritzlochaustritt ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Spritzlöchern (10)
die Kraft der einzelnen Strahlen (14)
in unterschiedlichen Abständen y < 0 von den
Spritzlöchern (10) gemessen wird und daß die Einspritzmenge
bzw. das Einspritzvolumen Q G pro Einspritzintervall
anhand der Formel
Q G = K D₀ J₀ berechnet wird, wobei D₀ die Summe der Durchmesser
aller Spritzlöcher ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Spritzlöchern (10)
in gleichem Abstand hinter jedem
Spritzloch (10) die Kraft jedes Strahls (14) gemessen
wird und daß die Einspritzdüse (12) anhand
der ermittelten Strahlkräfte überprüft wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspritzdüse (12) anhand der
Differenz zwischen den aus den ermittelten
Strahlkräften berechneten Impulsen (I) überprüft
wird.
7. Vorrichtung zur Bestimmung der Einspritzmenge
eines Einspritzstrahls pro Einspritzintervall,
mit einer Einspritzdüse, die mindestens ein
Spritzloch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kraftaufnehmer (18) zum Messen der Kraft des
eingespritzten Kraftstoffstrahls (14) vorgesehen
ist, daß der Abstand zwischen der kraftaufnehmenden
Fläche (16) des Kraftaufnehmers (18) und dem
Spritzlochaustritt einstellbar ist und daß der
Kraftaufnehmer (18) mit einer Signalverarbeitungseinheit
verbunden ist, die die gemessene
Kraft anzeigt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signalverarbeitungseinheit mit
einem Rechner verbunden ist, der aus den in
mehreren unterschiedlichen Abständen vom Spritzloch (10)
ermittelten Kräften die Einspritzmenge
bzw. das Einspritzvolumen q G pro Einspritzintervall (Δ t)
berechnet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (18) verschiebbar
an einer Führungshülse (20) angeordnet
ist, an der die Einspritzdüse (12) lösbar befestigt
ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Einspritzdüse (12)
mit mehreren Spritzlöchern (10) mehrere
verschiebbar angeordnete Kraftaufnehmer (18) vorgesehen
sind, die jeweils mit dem Rechner verbunden
sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem
Kraftaufnehmer (18) ein zweiter Kraftaufnehmer (30)
zugeordnet ist, dessen kraftaufnehmende
Fläche (32) derjenigen des die Strahlkraft aufnehmenden
Kraftaufnehmers (18) abgewandt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863622902 DE3622902A1 (de) | 1986-07-08 | 1986-07-08 | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des einspritzvolumens eines kraftstoffstrahls pro einspritzintervall |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863622902 DE3622902A1 (de) | 1986-07-08 | 1986-07-08 | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des einspritzvolumens eines kraftstoffstrahls pro einspritzintervall |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3622902A1 true DE3622902A1 (de) | 1988-01-21 |
DE3622902C2 DE3622902C2 (de) | 1988-04-14 |
Family
ID=6304645
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863622902 Granted DE3622902A1 (de) | 1986-07-08 | 1986-07-08 | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des einspritzvolumens eines kraftstoffstrahls pro einspritzintervall |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3622902A1 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2741827A1 (de) * | 1976-09-18 | 1978-03-23 | Plessey Handel Investment Ag | Stroemungsmengenmesser |
DE2842007A1 (de) * | 1978-09-27 | 1980-05-08 | Mirahmadi Amin | Quadratisches kraft-stellglied mit drehsymmetrischer kennlinie |
DE2941192A1 (de) * | 1979-10-11 | 1981-04-23 | Amin Dipl.-Ing. Mirahmadi | Verfahren zur selbsttaetigen kalibrierung eines stauscheibendurchflussmessers |
-
1986
- 1986-07-08 DE DE19863622902 patent/DE3622902A1/de active Granted
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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DE2941192A1 (de) * | 1979-10-11 | 1981-04-23 | Amin Dipl.-Ing. Mirahmadi | Verfahren zur selbsttaetigen kalibrierung eines stauscheibendurchflussmessers |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3622902C2 (de) | 1988-04-14 |
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