DE4011422A1

DE4011422A1 - Verfahren und vorrichtung zur volumenmessung

Info

Publication number: DE4011422A1
Application number: DE4011422A
Authority: DE
Inventors: Gunter Dr Ing Guerich; Eugen Dipl Ing Schaefer; Norbert Dr Ing Adolph; Thomas Dipl Ing Schladt
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1991-10-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: US5203822A; DE4011422C2; FR2660753B1; FR2660753A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Volumenmessung, bei denen ein zu messendes Volumen mit einem ersten Gasdruck p1 beaufschlagt wird, dieser Druck an schließend auf einen anderen Druck p2 geändert wird und aus der zeitlichen Änderung der Gasdruckwerte das Volumen errechnet wird.

Es ist schwierig, das Volumen eines unregelmäßigen oder zerklüf teten Hohlraumes zu messen, der darüberhinaus auch noch schwer zugänglich oder undicht sein kann. Dieses Problem stellt sich z. B. bei der Bestimmung des Kompressionsvolumens eines Verbren nungsmotors, mit dem sich unter Berücksichtigung des Hubvolumens das Verdichtungsverhältnis berechnen läßt. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors und damit der Kraftstoffverbrauch wird wesent lich durch das Verdichtungsverhältnis beeinflußt, so daß die ge naue Kenntnis des Kompressionsvolumens von großem Interesse ist.

Bekannt ist die Bestimmung des Kompressionsvolumens eines Ver brennungsmotors durch das Verfahren des sogenannten "Ausliterns". Dabei werden die Einzelvolumina des demontierten Zylinderkopfes bzw. des Zylinders mit Kolbenstellung im oberen Totpunkt durch Füllen mit einer Flüssigkeit, deren Volumen gemessen wird, er mittelt. Durch Addition dieser Teilvolumina und mit Berücksichti gung der Zylinderkopfdichtung ergibt sich das Kompressionsvolu men. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und zeitraubend und zudem ungenau. Die tatsächliche Stärke der Zylinderkopfdichtung ist z. B. abhängig vom Material und vom Anpreßdruck und daher im zusammengebauten Zustand nicht exakt bekannt. Zudem hängt die Ge nauigkeit einer Messung durch Auslitern stark von der Sorgfalt der durchführenden Person ab, da Luftblasen oder ungenügend gefüllte Spalte sowie Leckagemengen das Ergebnis verfälschen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (P 27 44 737.6) wird eine elastisch nachgiebige Blase in den zu messenden Raum eingebracht und mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Volumen gemessen wird. Nachteilig bei dieser Methode ist, daß in zerklüfteten Räumen mit engen Spalten, wie im Brennraum eines Motors, nicht das gesamte Volumen erfaßt wird.

Es sind auch Verfahren zur Volumenmessung bekannt (P 29 45 356.3, P 32 19 499.4, P 29 45 356.3), bei denen Gas aus einem Behälter bekannten Volumens in das zu messende Volumen strömt bzw. umgekehrt und über die gemessene Druckänderung das Volumen nach der Gasglei chung berechnet wird. Nachteilig bei diesem 2-Kammer-Überström- Verfahren ist die Notwendigkeit, das Meßvolumen abzudichten.

Auch sind Verfahren bekannt (P 32 49 286.3, P 33 15 238.1), bei denen eine genau dosierte Menge eines Gases in das Meßvolumen und in ein bekanntes Vergleichsvolumen eingebracht wird und der Druckunterschied zwischen den beiden Volumina als Maß für das Prüfvolumen dient. Auch hier ist der Nachteil vorhanden, daß die Leckage in den Volumina vernachlässigbar klein sein muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfah ren und eine Vorrichtung zur Volumenmessung zu schaffen, bei denen auch bei leckagebehafteten Räumen eine schnelle, einfache und ge naue Volumenbestimmung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein gangs bezeichneten Art dadurch gelöst,
daß die Änderung der zu- oder abgeführten Gasmenge als Funktion des Druckes (Leckagekennlinie) gemessen wird,
daß der Druck und die Temperatur im Meßvolumen als Funktion der Zeit während der Druckänderung gemessen werden,
daß jedem Gasdruckwert während der Druckänderung eine Gasmenge zugeordnet wird (Volumenstromverlauf),
daß durch Integration der Gasmenge (Volumenstromverlauf) als Funktion des Druckes über der Zeit eine Volumenänderung errech net wird,
daß das zu messende Volumen unter Berücksichtigung des ersten Druckes und des zweiten Druckes sowie der Temperatur zu Beginn und am Ende der Druckänderung mit Hilfe der Gasgleichung p.V = m.R.T ermittelt wird,
wobei die Messung der zu- oder abgeführten Gasmenge als Funktion des Druckes (Leckagekennlinie) bei statioären (eingeschwungenen) Zuständen im Meßvolumen erfolgt.

Weitere Ausführungsarten und zusätzliche Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den dem Anspruch 1 folgenden Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher be schrieben.

Fig. 1 zeigt, teilweise im Diagramm, die gemäß der Erfindung vor gesehenen Meß- und Auswertungsvorgänge.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Messung des Kom pressionsvolumens eines Verbrennungsmotors mit Hilfe des Verfah rens gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform eines Anschluß stückes der Meßvorrichtung an eine Brennkraftmaschine.

Von einer Druckluftquelle 1 (Fig. 2) gelangt Luft zu einem Druck luftaufbereiter 2, in dem eine Stabilisierung des Luftdrucks, al so eine Regelung der Herstellung eines konstanten Luftdrucks, erfolgt. Außerdem erfolgt in dem Druckluftaufbereiter 2 die Ab scheidung von Verunreinigungen der zugeführten Luft, insbesondere von Öl und Wasser.

Von dem Druckluftaufbereiter 2 gelangt die Luft zu einem Gasmen genregler 3, der die Menge der in der Zeiteinheit zugeführten Luft (Gasmassenstrom) in geeigneter Weise mißt und regelt. Die Menge (Masse) der zugeführten Luft kann in kg oder als Normvolumen (kg dividiert durch die Dichte unter Normbedingungen) angegeben wer den.

Über den Gasmengenregler 3 wird eine definierte Luftmenge Q durch ein geöffnetes Ventil 4, sowie durch ein Anschlußstück 5, welches die Verbindung zur Zündkerzen- oder Einspritzdüsenbohrung 8 her stellt, in den Brennraum 9 einer Brennkraftmaschine mit Kolben 10 eingeleitet.

Dadurch stellt sich im Brennraum 9 ein Druck ein, der von den vorhandenen Undichtigkeiten (Leckagen) abhängig ist. Der sich ein stellende stationäre Druck p wird von einem Druckmeßgerät 7 gemes sen, welches im oder am Anschlußstück 5 angebracht ist. Das An schlußstück 5, in oder an dem auch ein Temperaturmeßgerät 6 ange bracht ist, wird vorzugsweise an derjenigen Brennkraftmaschine unmittelbar angeschraubt, bei der Volumenmessungen vorzunehmen sind.

Die Zufuhr einer definierten Luftmenge Q in den Brennraum 9 wird stufenweise mit verschiedenen Luftmengenwerten wiederholt, und es wird dabei eine Kennlinie der Leckage Q(p), also Q in Abhän gigkeit von p, ermittelt, die im oberen Teil von Fig. 1 darge stellt ist.

Anschließend wird wieder der Maximalwert der Luftmenge (maximaler Durchfluß) eingeführt und abgewartet, bis sich der entsprechende Druck in dem zu messenden Volumen eingestellt hat, also ein statio närer (eingeschwungener) Zustand besteht. Dann wird das schnell schaltende Elektromagnetventil 4 geschlossen, welches ein Nach strömen von Luft in den Brennraum 9 verhindert. Der sich dann in folge der vorhandenen Leckagen einstellende Druckabfall im Brenn raum wird in Abhängigkeit von der Zeit registriert, und er kann graphisch als Entspannungsfunktion p(t) dargestellt werden, wie es in dem mittleren Teil von Fig. 1 gezeigt ist. Die Entspan nungsfunktion p(t) hat einen Wert p1 des Druckes und einen Wert T1 der Temperatur im Zeitpunkt t1, und sie hat einen Wert p2 des Druc kes und einen Wert T2 der Temperatur im Zeitpunkt t2.

Die Entspannungsfunktion p(t) (mittlerer Teil der Fig. 1) wird nun mit der Leckagekennlinie Q(p) (oberer Teil der Fig. 1) kombi niert, um die Funktion des Volumens in Abhängigkeit von der Zeit Q(t) (zeitlicher Volumenstromverlauf) zu erhalten. Dies kann rechnerisch, graphisch, tabellarisch oder in anderer geeigneter Weise geschehen. Durch Integration der Funktion Q(t) über die Zeit von t1 bis t2, also über der Entspannungszeit, wird dann das ausgeströmte Leckvolumen VL erhalten. Die entsprechende Formel ist im unteren Teil der Fig. 1 auf der rechten Seite dargestellt.

Bei dem Entspannungsvorgang wurde zu Beginn der Entspannung im Zeitpunkt t1 und an Ende der Entspannung im Zeitpunkt t2 die Tem peratur des Gases durch das Temperatur-Meßgerät 6 gemessen. Daher sind die Werte p1 und T1 des Anfangszustandes der Entspannung und die Werte p2 und T2 des Endzustandes der Entspannung bekannt. Es kann nun in Anwendung der bekannten "Gasgleichung"

pV = mRT

das Meßvolumen VM errechnet werden. Dabei ist

p = absoluter Druck
V = Volumen
m = Masse
R = Gaskonstante
T = absolute Temperatur.

Die entsprechende Formel ist im unteren Teil der Fig. 1 auf der linken Seite dargestellt. Das Meßvolumen VM setzt sich zusammen aus dem Kompressionsvolumen (wenn sich Kolben 10 im oberen Totpunkt befindet) und dem bekannten Volumen des Anschlußstückes 5. Wenn man von dem Meßvolumen VM das Volumen des Anschlußstückes 5 subtrahiert, erhält man das Kompressionsvolumen.

Die zeitliche Reihenfolge der beschriebenen Verfahrensschritte kann in geeigneter Weise abgeändert werden. So ist es bei spielsweise möglich, die Leckagekennlinie Q(p) (oberer Teil der Fig. 1) zeitlich nach der Entspannungskurve p(t) (mittlerer Teil der Fig. 1) aufzunehmen. Dabei ist jedoch stets vorausgesetzt, daß sich die Leckageverhältnisse im Meßvolumen während der Mes sung nicht ändern.

Zur Ermittlung der Leckagekennlinie Q(p) des Meßvolumens können dabei stufenweise geänderte Gasmengen eingeleitet und die sich einstellenden Drücke gemessen werden. Es ist aber auch möglich, zu diesem Zweck stufenweise geänderte Drücke aufzubringen und die sich einstellenden Gasmengen zu messen. Als Gas kann dabei mit Vorteil Atmosphärenluft verwendet werden, und einer der Drücke p1 oder p2 bei der Aufnahme der Funktion p(t) kann Atmosphärendruck sein.

Der beschriebene Meßvorgang kann auch automatisiert werden. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt.

Die Auswertung erfolgt durch ein Rechengerät 13. Ein elektroni sches Steuergerät 12, welches aus einem Digital/Analog-Wandler und einer Leistungsstufe besteht, steuert den Sollwert des Gas mengenreglers 3 und den Schaltzustand des Elektromagnetventils 4. Die Meßgrößen Gasmenge Q, Druck p und Temperatur T1 und T2 werden über ein Gerät 11 zur Aufbereitung der Meßdaten, welches einen Meßverstärker und einen Analog/Digital-Wandler enthält, dem Rechengerät 13 zugeführt. In dem Rechengerät 13 erfolgt dann die Integration des zeitlichen Volumenstromverlaufes Q(t), die Be rechnung des Meßvolumens VM und die Ausgabe des Ergebnisses.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Verfahrensschritte und Vorrichtungsmerkmale beschränkt. Von grundsätzlicher Bedeu tung ist, daß die Werte einer Druckänderung in dem Meßvolumen p(t) und eine Leckagekennlinie Q(p) eines Gases in dem Meßvolumen aufgenommen werden, aus denen dann die zeitliche Änderung der Gasmenge Q(t) ermittelt wird. Durch Umrechnung mit einer bekann ten Gasgleichung kann dann das Meßvolumen bestimmt werden. Dabei kann die Druckänderung in dem Meßvolumen sowohl eine Entspannung als auch eine Verdichtung des Gases sein, und diese Druckänderung kann durch Ein- und Ausströmen von Gas durch eine Drossel oder durch Ein- oder Ausströmen von Gas durch Leckage im Meßvolumen erreicht werden.

Auch kann die aus den Komponenten Gasmengenregler 3, Ventil 4, Anschlußstück 5, Temperaturmeßgerät 6 und Druckmeßgerät 7 be stehende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens in geeig neter Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann zur Messung des Durchflusses der Gasmenge ein Gasmassendurchflußmesser ver wendet werden, und es kann zu diesem Zweck auch ein Gasmassen strommesser mit integriertem Massenstromregler verwendet werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Anschlußstück 5 enthält in vorteilhaf ter Weise einen ventilseitigen Anschlußteil 16, eine Anschlußver längerung 15 und einen motorseitigen Anschlußteil 14 als Bausatz. Auch kann zur Anpassung an die verschiedenen Bauformen von Zünd kerzen und Einspritzdüsen von Brennkraftmaschinen eine Anzahl von motorseitigen Anschlußteilen 14 als Vorrat vorhanden sein, deren Volumen genau bekannt ist und bei denen das Einbauvolumen von Zündkerze bzw. Einspritzdüse berücksichtigt ist. Auch kann zur Berücksichtigung verschieden großer Einbauräume an Brennkraftma schinen eine Anzahl von unterschiedlich langen Anschlußverlänge rungen 15 vorhanden sein. Ebenso kann ein in vorteilhafter Weise zur Druckmessung verwendeter Miniaturdruckaufnehmer 7, sowie ein zur Temperaturmessung verwendetes schnellansprechendes Thermoele ment oder ein Temperaturaufnehmer mit Platin-Meßwiderstand 6 im ventilseitigen Anschlußteil 16 untergebracht sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (nicht darge stellt) kann das Ventil 4 als Baueinheit mit dem Anschlußstück 5 verbunden sein.

Claims

1. Verfahren zur Volumenmessung, bei dem ein zu messendes Volumen mit einem ersten Gasdruck p1 beaufschlagt wird, dieser Druck an schließend auf einen anderen Druck p2 geändert wird und aus der zeitlichen Änderung der Gasdruckwerte das Volumen errechnet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Änderung der zu- oder abgeführten Gasmenge als Funktion des Druckes (Leckagekennlinie) gemessen wird,
daß der Druck und die Temperatur im Meßvolumen als Funktion der Zeit während der Druckänderung gemessen werden,
daß jedem Gasdruckwert während der Druckänderung eine Gasmenge zugeordnet wird (Volumenstromverlauf),
daß durch Integration der Gasmenge (Volumenstromverlauf) als Funktion des Druckes über der Zeit eine Gasvolumenänderung errechnet wird und
daß das zu messende Volumen unter Berücksichtigung des ersten Druckes und des zweiten Druckes sowie der Temperatur zu Beginn und am Ende der Druckänderung mit Hilfe der Gasgleichung p.V=m.R.T ermittelt wird,
wobei die Messung der Gasmenge (Volumenstromverlauf) als Funktion des Druckes bei stationären (eingeschwungenen) Zuständen im Meß volumen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung eine Entspannung des Gases im Meßvolumen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung eine Verdichtung des Gases im Meßvolumen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Druckänderung durch Ein- oder Ausströmen von Gas durch eine Drossel verursacht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Druckänderung durch Ein- oder Ausströmen von Gas durch Leckage im Meßvolumen verursacht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Gasdruck p1 im Meßvolumen durch Einleiten oder Absaugen eines definierten Gasmassenstromes eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Ermittlung der Leckagekennlinie Q(p) des Meß volumens stufenweise geänderte Gasmassenströme eingeleitet und die sich einstellenden Drücke gemessen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Ermittlung der Leckagekennlinie Q(p) des Meß volumens geänderte Drücke aufgebracht und die sich einstellen den Gasmassenströme gemessen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Gasdruck p1 oder der andere Gasdruck p2 Atmosphärendruck ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßvolumen das Kompressionsvolumen eines Ver brennungsmotors ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch eine Gasdruckquelle (1), einen Gasmengenregler (3), ein Ventil (4), welches das Ein- oder Ausströmen von Gas in das bzw. aus dem Meßvolumen freigibt oder absperrt, ein Anschlußstück (5) zum Anschluß an das zu messende Volumen, ein Temperaturmeßgerät (6) und ein Druckmeßgerät (7).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung verschiedener Bauformen von Zündkerzen und Einspritzdüsen und verschieden großer Einbauräume an Brennkraft maschinen eine Anzahl von Anschlußstücken (5) als Vorrat vorhanden ist, die dem Einbauvolumen von Zündkerzen bzw. Ein spritzdüsen angepaßt sind.