DE3622902C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Einspritzvolumens eines Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Einspritzmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren, ist die genaue Kenntnis über das zeitlich und örtlich eingespritzte Kraftstoffvolumen für die Verbrennungsgemischbildung und den Verbrennungsablauf im Zylinder von großer Bedeutung. Die an ein Einspritzsystem und speziell an die Kraftstoffeinspritzdüse gestellten Anforderungen sind ein möglichst kleines Kraftstoffvolumen während der Zündverzugszeit, ein stetig ansteigendes Kraftstoffvolumen 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, das nach einem bestimmten zeitlichen und örtlichen Verlauf in den Brennraum eines Dieselmotors eingebrachte genau dosierte Kraftstoffvolumen erfassen bzw. messen zu können.

Meßverfahren und Meßvorrichtungen zur Bestimmung des eingespritzten Kraftstoffvolumens pro Einspritzintervall sind bekannt. Diese Meßgeräte beruhen auf einer volumetrischen Erfassung von stoßweise eingespritztem Kraftstoff. 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 Volumenbestimmung ausgenutzt. Dabei wird die Kolbengeschwindigkeit als in erster Näherung proportional zum sekundlich eingespritzten Kraftstoffvolumen angesetzt, was prinzipiell die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des an der Einspritzdüse austretenden Kraftstoffvolumens (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, das Gesamtvolumen des von der Mehrlocheinspritzdüse eingespritzten Kraftstoffs zu messen.

Bei einem anderen Meßgerät zur Bestimmung des Kraftstoffvolumens, 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 das an der Düse austretende zeitlich veränderliche Kraftstoffvolumen eine in ihrer Größe vom Rohrdurchmesser abhängige zeitlich veränderliche Geschwindigkeit. Die zeitlich veränderliche Geschwindigkeit hat dem austretenden Kraftstoffvolumen 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 Kraftstoffmasse 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 dem Volumen 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.

Ferner sind aus DE-OS 28 42 007 und DE-OS 29 41 192 Stauscheibendurchflußmesser bekannt, mit denen die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidstroms gemessen wird. Grundlage der Messung ist die Tatsache, daß die Strömungsgeschwindigkeit proportional zur Quadratwurzel aus der Kraft ist, die der Fluidstrom auf einen Staukörper ausübt. Eine explizite Kraftmessung sowie eine Wurzelbildung des Kraftwertes erfolgt nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Einspritzvolumens eines Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall bei einem Einspritzmotor anzugeben, mit dem das eingespritzte Kraftstoffvolumen genau gemessen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Strahlkraft des eingespritzten Kraftstoffstrahls in mehreren unterschiedlichen Abständen vom Spritzlochaustritt gemessen. Dazu wird der aus dem Spritzloch ausgetretene freie Kraftstoffstrahl auf eine Prallfläche gerichtet und der zeitliche Verlauf der auf die Prallfläche während des Einspritzintervalls (Δ t) wirkenden Strahlkraft ermittelt. Dieser Vorgang wird für mehrere verschiedene Abstände der Prallfläche zum Spritzloch durchgeführt. In einem nächsten Schritt werden die Quadratwurzeln der in den verschiedenen Abständen gemessenen Strahlkraftverläufe über dem Einspritzintervall integriert. Die Werte J dieser Integrale ergeben eine Kurve, die die Abhängigkeit der Integralwerte von dem Abstand y zum Spritzlochaustritt angibt. Diese Kurve wird für den Abstand y =0 extrapoliert, so daß man den Integralwert J₀ erhält. Bei bekanntem Spritzlochdurchmesser d₀ ergibt sich dann das Einspritzvolumen q _G pro Einspritzintervall nach der im Anspruch 1 angegebenen Formel. Dabei ist K eine dimensionsbehaftete Größe, 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 dem eingespritzten Kraftstoffstrahl entgegenwirkende Reibungskraft R sowie die auf die Prallfläche 16 wirkende 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 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 pro Zeiteinheit und der Strahlkraft F₀ hergeleitet.

Um die Einspritzmasse m _G bzw. das -volumen 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 q _G des Einspritzstrahls pro Einspritzintervall zu berechnen.

Wie oben beschrieben, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Messung bzw. Ermittlung des zeitlichen Strahlkraftverlaufs 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 Kraftstoffvolumina machen.

In die Messung und die Berechnung des Kraftstoffvolumens 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 des eingespritzten Kraftstoffvolumens. Mitgeführtes Gas spielt bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffmengenbestimmung keine Rolle, da die Dichte des Gases in jedem Falle gegenüber derjenigen von Kraftstoff vernachlässigt werden kann.

Die Verfahrensschritte einer vorteilhaften Weiterbildung sind im Patentanspruch 2 angegeben. 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 das Kraftstoffvolumen pro Einspritzintervall bestimmen.

Vorteilhafterweise wird der Strahlkraftverlauf pro Abstand mehrmals ermittelt und anschließend daraus der mitlere Strahlkraft-Zeitverlauf gebildet, wie es im Patentanspruch 3 angegeben ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Verfahrensschritte des Patentanspruchs 4 gekennzeichnet. 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 Einspritzventil Δ t ergebenden Integralwerte J _i , i =1, 2, . . . , l, (l 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 J _G0 für den Abstand y =0 (Spritzlochaustritt) extrapoliert wird. Die Gesamteinspritzmasse 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 das pro Einspritzintervall eingespritzte Kraftstoffvolumen 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 des Einspritzvolumens eines Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gekennzeichnet.

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 aufgetragenen 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 das Kraftstoffvolumen 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 Einspritzmasse bzw. das Einspritzvolumen pro Einspritzintervall berechnet.

Der Patentanspruch 10 gibt die Merkmale einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung an. 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 miteinander verglichen werden. Außerdem kann das pro Einspritzintervall eingespritzte Gesamtkraftstoffvolumen durch eine einzige Messung der Kraft der einzelnen Einspritzstrahlen berechnet werden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung weist das Merkmal des Patentanspruchs 11 auf. Bei dieser Weiterbildung sind zwei Kraftaufnehmer 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 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 Aufnehmern versetzt zu subtrahieren. Somit werden die die Messung verfälschenden Vibrationen aus den Meßwerten eliminiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben eine genaue Bestimmung des pro Einspritzintervall eingespritzten Kraftstoffvolumens, indem der Strahlkraft-Zeitverlauf in mehreren unterschiedlichen Abständen y <0 vom Spritzlochaustritt gemessen wird. Die Messung des Einspritzvolumens 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 des Einspritzvolumens 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 Verbrennungsraum anwendbar. Auch hierbei werden genaue Meßwerte erzielt, und es ist eine korrekte Bestimmung des Einspritzvolumens 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 gemessen 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 Kraftaufnehmer 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 des Einspritzvolumens 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 Einspritzventil ergebende Impuls I beträgt 5,417 mNs.

In der 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 ergebene Integralwert J beträgt hierbei J =2,971 m√ s.

In der Grafik 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 Strahlkräfte 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. das Einspritzvolumen q _G des Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall ergibt sich nach der Gleichung 15 bzw. 16. Zur Bestimmung des Einspritzvolumens 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 gelegt 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. das Einspritzvolumen 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 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 des über sämtliche Spritzlöcher eingespritzten Gesamtkraftstoffvolumens 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 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. das Gesamtkraftstoffvolumen 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 des Einspritzvolumens eines Kraftstoffstrahls pro Einspritzintervall, bei dem ein Kraftstoffstrahl über eine mindestens ein Spritzloch aufweisende Einspritzdüse eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Spritzloch (10) austretende freie Kraftstoffstrahl auf eine Prallfläche (16) auftrifft und der jeweilige zeitliche Verlauf der während des Einspritzintervalls (Δ t) auf die Prallfläche (16) einwirkenden Strahlkraft für mehrere verschiedene Abstände der Prallfläche (16) vom Spritzloch (10) ermittelt wird, daß die Quadratwurzel der ermittelten Kraftverläufe über dem Einspritzintervall (Δ t) integriert wird, daß die sich in Abhängigkeit vom Abstand ergebende Kurve aus den so erhaltenen Integralwerten J zur Ermittlung des Integralwertes (J₀) im Abstand y=0 extrapoliert wird und daß das Einspritzvolumen q _G pro Einspritzintervall (Δ t) durch die Formel q _G =K d₀ J₀ermittelt wird, wobei K für den verwendeten Kraftstoff eine Konstante und d₀ der Durchmesser des Spritzlochs (10) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Kraftverlauf pro Einspritzintervall (Δ t) in mindestens drei Abständen (Y₁, Y₂, Y₃) vom Spritzlochaustritt ermittelt wird und daß anhand der mindestens drei auf der Basis dieser Kraftverläufe ermittelten Integralwerte J eine Ausgleichskurve erstellt wird, die zur Ermittlung des Integralwertes (J₀) für den Abstand y =0 extrapoliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Abstand mehrere Strahlkraft-Zeitverläufe pro Einspritzintervall ermittelt werden und aus dem sich daraus ergebenden mittleren Strahlkraft-Zeitverlauf für jeden Abstand die Quadratwurzel gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Spritzlöchern (10) die Kräfte der einzelnen Strahlen (14) gleichzeitig und in unterschiedlichen Abständen y <0 von den jeweiligen Spritzlöchern (10) gemessen werden und daß das Einspritzvolumen Q _G pro Einspritzintervall anhand der Formel Q _G =K D₀ J _{G 0}berechnet wird, wobei J _{G 0} der sich durch Extrapolation der Kurve der Integralwerte (J) ergebende Integralwert im Abstand y =0 vom Spritzlochaustritt und 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 Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftaufnehmer (18) zum Messen der Kraft eines einzelnen 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, daß 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 Strahlkraft-Zeitverläufen 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 Mehrloch-Einspritzdüse (12) jedem Spritzloch (10) ein verschiebbar angeordneter Kraftaufnehmer (18) zugeordnet ist, der mit der Signalverarbeitungseinheit bzw. dem Rechner verbunden ist.

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) von denjenigen des die Strahlkraft aufnehmenden Kraftaufnehmers (18) abgewandt ist und der die durch Vibrationen hervorgerufenen und die Messung verfälschenden Kräfte mißt.