DE3624264A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchflussmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchflußmessung von Temperaturschwankungen unterliegenden Flüssigkeiten, insbesondere zum Messen des Kraftstoffverbrauchs eines Ver­ brennungsmotors mit Kraftstoffeinspritzung, sowie eine Vor­ richtung zum Durchführen des Verfahrens.

Zum Messen des Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmo­ tors mit Kraftstoffeinspritzung wird dem Einspritzer des Motors in einer Kraftstoffleitung ein Durchflußmeßgerät vor­ geschaltet. Das in dem Leitungssystem zwischen dem Meßgerät und dem Einspritzer eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen stellt eine für ein einwandfreies Meßergebnis nicht zu vernachlässigende Größe dar; denn aufgrund von Temperaturän­ derungen, die z.B. durch Wärmeübertragung aus der Umgebung oder durch Erwärmung des aus dem Einspritzsystem zurückflie­ ßenden Kraftstoffs hervorgerufen werden, vergrößert oder verringert sich - bei Abkühlung - das eingeschlossene Flüs­ sigkeitsvolumen.

Die Volumenänderungen wirken sich als Meßabweichung im Meß­ gerät aus, da die durch das Ausdehnen des Flüssigkeits­ volumens zurückgedrängte oder durch das Schrumpfen angesaug­ te zusätzliche Kraftstoffmenge nämlich wie ein verringerter bzw. vermehrter Kraftstoffverbrauch des Motors gemessen wird. Das Meßgerät registriert das bedingt durch die höhere Temperatur größere Flüssigkeitsvolumen als einen verminder­ ten Kraftstoffverbrauch, bei einer niedrigeren Temperatur liegt der umgekehrte Fall vor. Die Meßabweichung erhöht sich, wenn das eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen durch dem Einspritzsystem vorgeschaltete, zur einwandfreien Funk­ tion häufig unabdingbare Dampfblasenabscheider, Filter o.ä. Zusatz- bzw. Hilfsaggregate weiter vergrößert wird; die Meßabweichung ist insbesondere bei kleinen Durchflußmengen und einem großen eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen häu­ fig so gravierend, daß eine Kompensation notwendig ist, beispielsweise durch indirektes Messen über einen von der gemessenen Temperatur abgeleiteten und errechneten Korrek­ turwert.

Das Problem meßwertverfälschender Volumenveränderungen kann beim Kalibrieren von Durchflußmeßgeräten oder bei anderen Messungen des Durchflusses sowie beim Eichen von Meßgeräten und beim Prüfen von z.B. Vergasern, Einspritzdüsen und -pumpen etc. auftreten, wenn zwischen dem Prüfling oder der Stelle, an der der Durchfluß bestimmt werden soll, und dem Meßgerät ein Leitungsvolumen vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein direktes Messen der Durch­ flußmenge zu ermöglichen, ohne daß sich das im Leitungs­ system eingeschlossene, beim Erwärmen vergrößernde und beim Abkühlen verringernde Flüssigkeitsvolumen als Meßabweichung im Meßgerät auswirken kann.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß das Hohlraumvolumen des die Flüssigkeit in Strömungsrichtung hinter dem Durchflußmeßgerät aufnehmenden Leitungssystems entsprechend der temperaturbedingten Volumenänderung der Flüssigkeit selbsttätig vergrößert oder verkleinert wird. Das sich ändernde eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen, wo­ runter in diesem Zusammenhang das Volumen der in der bzw. den Leitungen und ggf. in Zusatzaggregaten zwischen dem Durchflußmeßgerät und dem Einspritzsystem des Verbrennungs­ motors befindlichen bzw. strömenden Flüssigkeit verstanden wird, erfährt somit eine Kompensation durch entsprechendes Ändern des in dem Leitungssystem für die Flüssigkeit zur Verfügung stehenden Hohlraumvolumens, d.h., in dem Maße, wie Änderungen des Flüssigkeitsvolumens eintreten, ändert sich gleichzeitig das von der Flüssigkeit durchströmte Hohl­ raumvolumen des Leitungssystems. Ein sich temperaturabhän­ gig änderndes Flüssigkeitsvolumen nimmt somit keinen Meß­ wert verfälschenden Einfluß auf das Durchflußmeßgerät; denn die das Durchflußmeßgerät durchströmende Flüssigkeitsmenge bleibt völlig unbeeinflußt von den durch Temperaturschwan­ kungen hervorgerufenen Volumenänderungen. Es wird somit kein durch Volumenänderungen nur scheinbar verringerter oder vermehrter Kraftstoffverbrauch des Motors im Gerät gemessen.

Eine Vorrichtung zum selbsttätigen Vergrößern oder Verklei­ nern des Raumvolumens kann aus einer im Flüssigkeitsstrom in der Rohrleitung zwischen dem Durchflußmeßgerät und dem Verbraucher angeordneten, temperaturabhängig volumenverdrän­ genden Baugruppe bestehen. Unter einer Baugruppe werden hierbei Bauteile, insbesondere Dehnelemente, solcher Be­ schaffenheit verstanden, die auf Temperaturunterschiede durch Verändern ihrer Form oder Lage ansprechen, wie insbe­ sondere Bimetallscheiben, Druckdosen und Temperaturfühler, sowie mit Wachs gefüllte Patronen; anstelle von Bimetall­ federn oder -scheiben und Dehnern eignen sich beliebig andere Wärmedehnelemente.

Bei einer Kraftstoffzuleitung mit einem dem Einspritzsystem vorgeschalteten Gasblasenabscheider kann eine Vorrichtung zum selbsttätigen Vergrößern oder Verkleinern des Raum­ volumens vorzugsweise aus einer Bimetallfeder bestehen, die im Inneren des Gehäuses des an eine Zuführleitung ange­ schlossenen Gasblasenabscheiders vom Kraftstoff umspült wird. Die beispielsweise im Gehäuse in zwei Nuten eingesetz­ te Bimetallfeder wölbt sich im Falle von Temperaturerhöhun­ gen der Flüssigkeit in Richtung auf die Ausweichkammer, wodurch im Gehäuseinneren für die Flüssigkeit ein dem temperaturabhängigen höheren Flüssigkeitsvolumen entspre­ chendes größeres Raumvolumen bereitsteht. Falls Flüssigkeit mit einer gegenüber der Normaltemperatur niedrigeren Tempe­ ratur in den Gasblasenabscheider strömt, wölbt sich die Bimetallfeder in die andere Richtung und verringert das Raumvolumen entsprechend dem veränderten kleineren Flüs­ sigkeitsvolumen. Bei einem gleichmäßig umströmten Schaltele­ ment (Bimetallfeder, Bimetallscheibe) erhöht sich die Schaltgeschwindigkeit.

Ein an eine Kraftstoffleitung angeschlossener Gasblasenab­ scheider kann jedoch vorzugsweise eine in der Flüssigkeits­ kammer angeordnete Bimetallfeder aufweisen, die mit einem Verstellglied gekoppelt ist, das die Flüssigkeitskammer un­ terhalb von Zu- und Abströmöffnungen einer Ausweichkammer trennt. Hierbei wird das die Kammern voneinander trennende Verstellglied, vorzugsweise eine Membrane oder ein ver­ schiebbarer Kolben, vorteilhaft über eine Verbindungsstange ein variables Anpassen des Volumens der Ausweichkammer das jeweilige Flüssigkeitsvolumen bewirken.

Bei einer anderen Ausführung zum Volumenausgleich lassen sich zwei ineinandergreifend angeordnete, relativ gegen­ einander verschiebbare, als ein Degen- und ein Hülsrohr ausgebildete Rohrleitungen zu einer dehnbaren Rohrverbin­ dung, beispielsweise in einer Kraftstoffleitung, ausbilden. Hierbei kann sich das in ein hülsenartig ausgebildetes Ende des Hülsrohres eingreifende Degenrohr von einer Feder beauf­ schlagt gegen mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere mit entgegengesetzter Richtung der Ausbiegung im Hülsrohr angeordnete Bimetallscheiben legen. Die Federkraft und die beim Ausbiegen bzw. Wölben der Bimetallscheiben hervorgeru­ fene Kraft sind so abgestimmt, daß das Degenrohr, d.h., das in das äußere Hülsrohr hineinragende innere Rohr bei küh­ lerer Flüssigkeit von der Feder gegen die dann weniger gewölbten Bimetallscheiben weiter in das Hülsrohr hinein-, bzw. bei wärmerer Flüssigkeit von den entgegengesetzt ge­ wölbten Bimetallscheiben gegen die Federkraft entsprechend weiter aus dem Hülsrohr herausbewegt wird.

Ein Volumenausgleich durch eine unmittelbar in eine Kraft­ stoffleitung integrierte Vorrichtung läßt sich auch durch ein schlauchartiges, flexibles und in zwei sich mit Abstand gegenüberliegenden Rohrenden befestigtes Zwischenstück er­ reichen, das eine aus vorzugsweise streifenartigen Bimetall­ federn gebildete Mantelfläche umschließt. Das elastische Zwischenstück, das wie eine Membrane, beispielsweise aus Leder, Kunststoff oder Gummi bestehen kann, wird bei Tempe­ raturerhöhungen der Flüssigkeit von den Bimetallfedern nach außen gebogen oder zieht sich bei niedrigeren Temperaturen bis zur Anlage gegen die Bimetallfedern nach innen zusammen.

Eine andere Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens kann aus einer Membrane bestehen, die in einem Gehäuse eines in eine Kraftstoffleitung eingebauten Filters zwischen einem Filtereinsatz und einer Ausgleichskammer eingespannt ist, von einer Feder in der Ausgleichskammer beaufschlagt wird und innerhalb des Filtereinsatzes einem Dehner anliegt.

Als Dehner läßt sich ein Wärmedehnelement verwenden, das im Inneren eines Gehäuses einen sich stark wärmeausdehnenden Stoff besitzt, der einen Kolben mit Ansatz aus dem Gehäuse herausdrückt und die Membrane gegen die Kraft der Feder verstellt. Der sich bei Erwärmung stark ausdehnende Stoff, vorzugsweise ein Wachs, drückt bei Erwärmung den Kolben aus dem Gehäuse und mit seinem Ansatz die Membrane in Richtung der Ausgleichskammer, wodurch das Volumen in der Filterkam­ mer entsprechend verändert wird. Die Feder sorgt dafür, daß die Membrane dem Kolben stets anliegt, so daß sich schon bei kleinsten Kolbenbewegungen das über die sich verändern­ de Lage der Membrane variable Volumen der Ausgleichskammer entsprechend verändert. Die Federkraft ist so bemessen, daß sie keinen Einfluß auf die vom Dehner bewirkte Stellkraft nimmt; die Stellung des Kolbens ist allein abhängig von der Temperatur der Flüssigkeit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Aufbau eines Meß­ systems zum Messen des Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffeinspritzung;

Fig. 2 einen Gasblasenabscheider mit einer Volumen-Aus­ gleichsvorrichtung, im Schnitt;

Fig. 3 eine mit einer Rohrleitung integrierte Volumen-Aus­ gleichsvorrichtung, im Schnitt;

Fig. 4 eine zweite Ausführung einer mit einer Rohrleitung integrierten Volumen-Ausgleichsvorrichtung, im Schnitt; und

Fig. 5 eine in einem Kraftstoff-Filter angeordnete Volumen- Ausgleichsvorrichtung, geschnitten dargestellt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung zum Ermitteln des Kraftstoffverbrauchs ist einem Einspritzsystem 1 eines Verbrennungsmotors 2 in einer Kraftstoffleitung 3 ein Durch­ flußmeßgerät 4 vorgeschaltet. Eine vom Einspritzsystem 1 ausgehende Rücklaufleitung 5 mündet in Hauptströmungsrich­ tung der Flüssigkeit gemäß Pfeil 6 hinter dem Durchflußmeß­ gerät 4 in die Kraftstoffleitung 3.

In den Leitungen 3, 5 ist ein verhältnismäßig großes Kraft­ stoffvolumen enthalten, das zum Teil durch für die Funktion des Gesamtsystems notwendige Einrichtungen, wie z.B. Gas­ blasenabscheider, Filter, Ventile, Wärmetauscher, noch ver­ größert wird.

Damit sich das in den Leitungen 3 bzw. 5 zwischen dem Meß­ gerät 4 und dem Einspritzsystem 1 befindliche Flüssigkeits­ volumen bei Temperaturschwankungen nicht meßwertverfäl­ schend auswirkt, läßt sich mit einem, häufig in der Rück­ laufleitung 5 angeordneten, in Fig. 2 dargestellten Gas­ blasenabscheider 7 ein selbsttätiger Volumenausgleich vor­ nehmen. Damit Gasblasen austreten und durch ein von einem Schwimmer 8 betätigtes Nadelventil 9 in die Atmosphäre entweichen können, befindet sich in einer Flüssigkeitskam­ mer 10 des Abscheidergehäuses 11 ein relativ großes Flüs­ sigkeitsvolumen 12. In der Flüssigkeitskammer 10 ist ober­ halb von an die Rücklaufleitung 5 angeschlossenen Zu- und Abströmöffnungen 13, 14 in eine Nut 15 eine Bimetallfeder 16 eingesetzt, die über eine Verbindungsstange 17 bewegungsab­ hängig mit einer im Abscheidergehäuse unterhalb der Öffnun­ gen 13, 14 fest eingespannten Membrane 18 gekoppelt ist. Die Membrane 18 trennt die Flüssigkeitskammer 10 von einer von der Membrane 18 mit variablem Raumvolumen begrenzten Aus­ gleichskammer 19.

Wenn der Gasblasenabscheider 7 in der Rücklaufleitung 5 angeordnet ist, läßt es sich häufig nicht vermeiden, daß die über die Zuströmöffnung 13 in die Flüssigkeitskammer 10 einströmende Flüssigkeit wärmer ist als die Flüssigkeit im Meßgerät und in der zum Verbrennungsmotor 2 führenden Kraft­ stoffleitung 3. Ohne vorkehrende Maßnahmen registrierte das Durchflußmeßgerät 4 das bedingt durch die steigende Tempera­ tur größer werdende Flüssigkeitsvolumen als einen verminder­ ten Kraftstoffverbrauch. Aufgrund der Kopplung der Bimetall­ scheibe 16 mit der Membrane 18 wird jedoch die sich durch die steigende Flüssigkeitstemperatur stärker in Richtung auf die Membrane 18 wölbende Bimetallscheibe 16 die Membra­ ne 18 über die Verbindungsstange 17 gleichzeitig weiter in die Ausgleichskammer 19 hineinbewegen. Damit steht in der Flüssigkeitskammer 10 ein der temperaturbedingten Volumenän­ derung entsprechender größerer Raum der Flüssigkeitskammer 10 zur Verfügung; die durch das Meßgerät 4 fließende Menge entspricht dann der vom Einspritzsystem 1 verbrauchten Menge.

Eine in eine Kraftstoffleitung integrierte dehnbare Rohr­ verbindung 20 weist gemäß Fig. 3 zwei ineinander geschobene Rohrleitungen 21, 22 auf, von denen die Rohrleitung 21 als Hülsrohr mit einem hülsenartigen, d.h. sich im Durchmesser vergrößernden Ende 23 ausgebildet ist. Die in das Hülsrohr­ ende 23 eingreifende Rohrleitung 22 ist als bewegliches Degenrohr mit einem kolbenartigen, mit einer Dichtung 25 abgedichteten Ansatz 24 ausgebildet und legt sich mit ihrer Kolbenfläche gegen zwei im Hülsrohrende abgestützte Bime­ tallscheiben 16; das Degenrohr 22 steht unter der Kraft einer auf die Kolbenstangenfläche wirkenden Feder 26. Die von der Flüssigkeit durchströmten Bimetallscheiben 16 sind so angeordnet, daß sich ihre Ränder in entgegengesetzte Richtungen, d.h., voneinander weg, ausbiegen bzw. wölben, womit sich der Stellhub des Degenrohres 22 im Hülsrohrende 23 verdoppelt. Eine auf einen Gewindeabschnitt des Hülsrohr­ endes 23 geschraubte Muffe 27 sichert die Einbaulage der ineinander gesteckten Rohrleitungen 21, 22. Strömt Flüssig­ keit mit einer höheren als der Ausgangstemperatur durch die Rohrleitungen, so wölben sich die Bimetallscheiben 16 wie in Fig. 3 dargestellt und schieben das Degenrohr 22 gegen die Kraft der Feder 26 bis zum Ausgleich des durch die Erwärmung größeren Flüssigkeitsvolumens 12 aus dem Hülsrohr 23 heraus.

Eine andere, in Fig. 4 dargestellte Ausführung einer mit den Kraftstoffleitungen 3 oder 5 integrierten Volumen-Aus­ gleichsvorrichtung besteht aus zwei sich mit Abstand ko­ axial fluchtend gegenüberliegenden Rohrenden 28, 29. Der Ab­ stand zwischen den beiden Rohrenden wird durch ein schlauch­ artiges, flexibles Zwischenstück 30 überbrückt, das in stirnseitige Ringnuten 31 der Rohrenden 28, 29 eingreift, dort mit Dichtungen 32 abgedichtet ist. Durch Flansche 33 der Rohrenden 28, 29 hindurchgeführte Bolzen 34 fixieren beim Anziehen von Bolzenmuttern 35 die Lage der Rohre 28,29 in Längsrichtung, und zwar derart, daß sich die Rohrenden nicht voneinander entfernen, d.h., ein stets gleicher Ab­ stand zwischen den Rohrenden vorliegt. Das elastische Zwi­ schenstück 30 umschließt einen aus einzelnen, streifenarti­ gen Bimetallfedern 36 gebildeten Stützmantel, d.h., die beispielsweise jeweils in den Stirnseiten der Rohrenden unterhalb des Zwischenstückes 30 festgelegten Bimetallstrei­ fen 36 stützen das Zwischenstück 30 korsettartig ab. Bei hoherer Flüssigkeitstemperatur und damit größerem Flüssig­ keitsvolumen 12 biegen sich die Bimetallstreifen 36 nach außen und wölben das Zwischenstück 30 in einem dem tempera­ turbedingt größeren Flüssigkeitsvolumen 12 entsprechenden Maß radial nach außen, so daß ein größeres Hohlraumvolumen zur Verfügung steht; die fixierte Lage der Rohrenden 28, 29 verhindert eine Kompensation des sich vergrößernden Hohl­ raumvolumens.

Die in Fig. 5 dargestellte Volumen-Ausgleichsvorrichtung ist in einem an die Kraftstoffleitung 3 angeschlossenen Filter 37 angeordnet. Eine im Filtergehäuse 38 oberhalb eines Filtereinsatzes 39 festgespannte Membrane 40 trennt eine in Pfeilrichtung 41 durchströmte Flüssigkeitskammer 42 von einer Ausgleichskammer 43 oberhalb der Membrane 40. Eine sich in einer Ausnehmung 44 eines Gehäusedeckels 45 abstützende Feder 46 legt sich von oben gegen die Membrane 40 und drückt diese zur Anlage auf einen Ansatz 47 des Kolbens 48, der aus einem Dehner 49 ragt. Der sich im Inneren des Filtereinsatzes 39 erstreckende Dehner 49 stützt sich an einen Ansatz eines Zuströmanschlusses 51 ab. Der Dehner 49 ist ein bekanntes Bauelement, bei dem ein stark wärmeausdehnender Stoff, z.B. ein Wachs, in einem Gehäuse 50 enthalten ist. Eine höhere Temperatur der in Pfeilrichtung 41 strömenden Flüssigkeit bewirkt ein Heraus­ stellen des Kolbens 48, wodurch die Membrane 40 gegen die Kraft der Feder 46 verstellt wird und dabei das Raumvolumen der Ausgleichskammer verkleinert sowie in gleichem Maße das Volumen der Flüssigkeitskammer 42 erhöht; eine kühlere Flüs­ sigkeit bewirkt einen entgegengesetzten Effekt, d.h., der Kolben 48 wird von der Feder 46 tiefer in das Gehäuse 50 hineingedrückt und die Membrane 40 bewegt sich tiefer in die Flüssigkeitskammer 42, die dadurch im Volumen verklei­ nert wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Durchflußmessung von Temperaturschwankun­ gen unterliegenden Flüssigkeiten, insbesondere zum Mes­ sen des Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlraumvolumen des die Flüssigkeit zwischen dem Verbraucher und dem Durchflußmeßgerät aufnehmenden Leitungssystems entsprechend der temperaturbedingten Volumenänderung der Flüssigkeit selbsttätig vergrößert oder verkleinert wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch eine im Flüssigkeits­ strom in der Rohrleitung zwischen dem Durchflußmeßge­ rät (4) und dem Verbraucher (1) angeordnete, tempera­ turabhängig volumenverdrängende Baugruppe.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Flüssigkeitskammer (10) eines an eine Kraftstoffleitung (3; 5) angeschlossenen Gasblasenab­ scheiders (7) angeordnete Bimetallfeder (16) mit einem Verstellglied (18) gekoppelt ist, das die Flüssigkeits­ kammer (10) unterhalb von Zu- und Abströmöffnungen (13, 14) einer Ausgleichskammer (19) trennt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine die Bimetallfeder (16) mit einer Membrane (18) koppeln­ de Stange (17).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ineinandergreifend angeordnete, relativ gegen­ einander verschiebbare Rohrleitungen (21, 22), nämlich ein Degen- und ein Hülsrohr, eine dehnbare Rohrverbin­ dung (20) bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das in ein hülsenartig ausgebildetes Ende (23) des Hülsrohres (21) eingreifende Degenrohr (22) von einer Feder (26) beaufschlagt gegen eine im Hüls­ rohr (21) angeordnete Bimetallscheibe (16) legt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch zwei im Hülsrohr (21) angeordnete, einander an­ liegende und sich entgegengesetzt ausbiegende Bimetall­ scheiben (16).

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein schlauchartiges, flexibles und zwischen zwei sich mit Abstand koaxial fluchtend gegenüberliegenden Rohrenden (28, 29) befestigtes Zwischenstück (30), das eine aus Bimetallfedern (36) gebildete Mantelfläche umschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Mantelfläche aus streifenartigen Bimetallfedern (36).

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Membrane (40), die in einem Gehäuse (38) eines in eine Kraftstoffleitung (3; 5) eingebauten Filters (37) zwi­ schen einem Filtereinsatz (39) und einer Ausgleichs­ kammer (43) eingespannt ist und von einer Feder (46) in der Ausgleichskammer (43) beaufschlagt wird, und durch einen innerhalb des Filtereinsatzes (39) angeord­ neten, der Membrane (40) anliegenden Dehner (49).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Dehner (49) ein Wärmedehnelement verwendet wird, das im Inneren eines Gehäuses (50) einen sich stark wärmeausdehnenden Stoff besitzt, der einen Kol­ ben (48) mit Ansatz (47) aus dem Gehäuse (50) heraus­ drückt und die Membrane (40) gegen die Kraft der Feder (46) verstellt.