DE4011422C2

DE4011422C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Volumenmessung

Info

Publication number: DE4011422C2
Application number: DE4011422A
Authority: DE
Inventors: Gunter Guerich; Eugen Schaefer; Norbert Adolph; Thomas 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: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: FR2660753B1; FR2660753A1; DE4011422A1; US5203822A

Description

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

Es ist schwierig, das Volumen eines unregelmäßigen oder zer klüfteten 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 Verbrennungsmotors, mit dem sich unter Berücksichtigung des Hubvolumens das Verdichtungsverhältnis berechnen läßt. Der Wir kungsgrad eines Verbrennungsmotors und damit der Kraftstoftver brauch wird wesentlich durch das Verdichtungsverhältnis beein flußt, so daß die genaue Kenntnis des Kompressionsvolumens von großem Interesse ist.

Bekannt ist die Bestimmung des Kompressionsvolumens eines Ver brennungsmotors durch das Verfahren des sogenannten "Aus literns". Dabei werden die Einzelvolumina des demontierten Zy linderkopfes bzw. des Zylinders mit Kolbenstellung im oberen Totpunkt durch Füllen mit einer Flüssigkeit, deren Volumen ge messen wird, ermittelt. Durch Addition dieser Teilvolumina und mit Berücksichtigung der Zylinderkopfdichtung ergibt sich das Kompressionsvolumen. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und zeitraubend und zudem ungenau. Die tatsächliche Stärke der Zy linderkopfdichtung ist z. B. abhängig vom Material und vom An preßdruck und daher im zusammengebauten Zustand nicht exakt be kannt. Zudem hängt die Genauigkeit einer Messung durch Ausli tern stark von der Sorgfalt der durchführenden Person ab, da Luftblasen oder ungenügend gefüllte Spalte sowie Leckagemengen das Ergebnis verfälschen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (DE 27 44 737 A1) wird ei ne elastisch nachgiebige Blase in den zu messenden Raum einge bracht und mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Volumen gemes sen wird. Nachteilig bei dieser Methode ist, daß in zerklüfte ten Räumen mit engen Spalten, wie im Brennraum eines Motors, nicht das gesamte Volumen erfaßt wird.

Es sind auch Verfahren zur Volumenmessung bekannt (DE 29 45 356 A1, DE 32 19 499 A1, DE 29 45 356 A1), bei denen Gas aus einem Behälter bekannten Volumens in das zu messende Volu men strömt bzw. umgekehrt und über die gemessene. Druckänderung das Volumen nach der Gasgleichung berechnet wird. Nachteilig bei diesem 2-Kammer-Übererström-Verfahren ist die Notwendig keit, das Meßvolumen abzudichten.

Auch sind Verfahren bekannt (DE 32 49 286 T1, DE 33 15 238 A1), 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.

Die nachveröffentliche EP-0 450 340 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens eines Hohlraumes, wobei der Hohl raum auf einen gegebenen Überdruck gefüllt wird, welcher zum Ausgleich von Leckagen aufrechterhalten wird und nachfolgend das System über eine Durchfluß-Meßvorrichtung entleert wird. Dieses Verfahren berücksichtigt jedoch insbesondere nicht Tem peraturschwankungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Ver fahren und eine Vorrichtung zur Raumvolumenmessung zu schaffen, bei denen auch bei leckagebehafteten Räumen eine schnelle, ein fache und genaue 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 des Gases im zu messenden Raumvolumen als Funktion der Zeit während der Druckänderung ge messen werden,
daß jedem Gasdruckwert während der Druckänderung ein Gasmassen strom zugeordnet wird (Volumenstromverlauf),
daß durch Integration des Gasmassenstroms als Funktion des Druckes (Volumenstromverlauf) über der Zeit eine Volumenände rung errechnet wird, und
daß das zu messende Raumvolumen unter Berücksichtigung des er sten 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 des zu- oder abgeführten Gasmassenstroms als Funktion des Druckes (Leckagekennlinie) bei stationären (einge schwungenen) Zuständen im zu messenden Raumvolumen 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 gesehenen Meß- und Auswertungsvorgänge.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Messung des Kom pressionsvolumens eines Verbrennungsmotors mit Hilfe des Ver fahrens 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 Druckluftaufbereiter 2, in dem eine Stabilisierung des Luft drucks, also eine Regelung der Herstellung eines konstanten Luftdrucks, erfolgt. Außerdem erfolgt in dem Druckluftaufberei ter 2 die Abscheidung von Verunreinigungen der zugeführten Luft, insbesondere von Öl und Wasser.

Von dem Druckluftaufbereiter 2 gelangt die Luft zu einem Gas durchflußregler 3, der die Menge der in der Zeiteinheit zuge führten Luft (Gasmassenstrom) in geeigneter Weise mißt und re gelt. Die Menge (Masse) der zugeführten Luft kann in kg oder als Normvolumen (kg dividiert durch die Dichte unter Normbedin gungen) angegeben werden.

Über den Gasdurchflußregler 3 wird ein definierter Gasmassen strom Q durch ein geöffnetes Ventil 4, sowie durch ein An schlußstück 5, welches die Verbindung zur Zündkerzen- oder Ein spritzdüsenbohrung 8 herstellt, in den Brennraum 9 einer Brenn kraftmaschine mit Kolben 10 eingeleitet.

Dadurch stellt sich im Brennraum 9 ein Druck ein, der von den vorhandenen Undichtigkeiten (Leckagen) abhängig ist. Der sich einstellende stationäre Druck p wird von einem Druckmeßgerät 7 gemessen, welches im oder am Anschlußstück 5 angebracht ist. Das Anschlußstück 5, in oder an dem auch ein Temperaturmeßgerät 6 angebracht ist, wird vorzugsweise an derjenigen Brennkraftma schine unmittelbar angeschraubt, bei der Volumenmessungen vor zunehmen sind.

Die Zufuhr eines definierten Gasmassenstroms Q in den Brennraum 9 wird stufenweise mit verschiedenen Gasmassenstromwerten wie derholt, und es wird dabei eine Kennlinie der Leckage Q(p), al so Q in Abhängigkeit von p, ermittelt, die im oberen Teil von Fig. 1 dargestellt ist.

Anschließend wird der Brennraum wieder mit dem Maximalwert des Gasmassenstroms (maximaler Durchfluß) beaufschlagt und abgewar tet, bis sich der entsprechende Druck in dem zu messenden Raum volumen eingestellt hat, also ein stationärer (eingeschwunge ner) Zustand besteht. Dann wird das schnell schaltende Elektro magnetventil 4 geschlossen, welches ein Nachströmen von Luft in den Brennraum 9 verhindert. Der sich dann infolge der vorhandenen Leckagen einstellende Druckabfall im Brennraum wird in Ab hängigkeit 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 Entspannungsfunktion p(t) hat einen Wert p1 des Druckes und einen Wert T1 der Tempe ratur im Zeitpunkt t1, und sie hat einen Wert p2 des Druckes 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) kom biniert, um die Funktion des Gasmassenstroms 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 V_L erhalten. Die ent sprechende Formel ist im unteren Teil der Fig. 1 auf der rech ten Seite dargestellt.

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

pV = mRT

das zu messenden Raumvolumen V_M 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 zu messende Raumvolumen V_M setzt sich zusammen aus dem Kompressionsvolumen (wenn sich der Kolben 10 im oberen Totpunkt befindet) und dem bekannten Volumen des Anschlußstückes 5. Wenn man von dem zu messenden Raumvolumen V_M 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 vorausge setzt, daß sich die Leckageverhältnisse im zu messenden Raumvo lumen während der Messung nicht ändern.

Zur Ermittlung der Leckagekennlinie Q(p) des zu messenden Raum volumens können dabei stufenweise geänderte Gasmassenströme eingeleitet und die sich einstellenden Drücke gemessen werden. Es ist aber auch möglich, zu diesem Zweck stufenweise geänderte Drücke aufzubringen und die sich einstellenden Gasmassenströme zu messen. Als Gas kann dabei mit Vorteil Atmosphärenluft ver wendet 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 durchflußreglers 3 und den Schaltzustand des Elektromagnetven tils 4. Die Meßgrößen Gasmenge Q, Druck p und Temperatur T1 und T2 werden über ein Gerät 11 zur Aufbereitung der Meßdaten, wel ches einen Meßverstärker und einen Analog/Digital-Wandler ent hält, dem Rechengerät 13 zugeführt. In dem Rechengerät 13 er folgt dann die Integration des zeitlichen Volumenstromverlaufes Q(t), die Berechnung des zu messenden Raumvolumens V_M und die Ausgabe des Ergebnisses.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Verfahrensschrit te und Vorrichtungsmerkmale beschränkt. Von grundsätzlicher Be deutung ist, daß die Werte einer Druckänderung in dem zu messenden Raumvolumen p(t) und eine Leckagekennlinie Q(p) eines Gases in dem zu messenden Raumvolumen aufgenommen werden, aus denen dann die zeitliche Änderung des Gasmassenstroms Q(t) er mittelt wird. Durch Umrechnung mit einer bekannten Gasgleichung kann dann das zu messende Raumvolumen bestimmt werden. Dabei kann die Druckänderung in dem zu messenden Raumvolumen 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 zu messenden Raumvolumen erreicht werden.

Auch kann die aus den Komponenten Gasdurchflußregler 3, Ventil 4, Anschlußstück 5, Temperaturmeßgerät 6 und Druckmeßgerät 7 bestehende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens in ge eigneter Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann zur Mes sung des Durchflusses der Gasmenge ein Gasmassendurchflußmesser verwendet werden, und es kann zu diesem Zweck auch ein Gas massenstrommesser mit integriertem Massenstromregler verwendet werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Anschlußstück 5 enthält in vorteil hafter Weise einen ventilseitigen Anschlußteil 16, eine An schlußverlängerung 15 und einen motorseitigen Anschlußteil 14 als Bausatz. Auch kann zur Anpassung an die verschiedenen Bauformen von Zündkerzen und Einspritzdüsen von Brennkraftma schinen eine Anzahl von motorseitigen Anschlußteilen 14 als Vorrat vorhanden sein, deren Volumen genau bekannt ist und bei denen das Einbauvolumen von Zündkerze bzw. Einspritzdüse be rücksichtigt ist. Auch kann zur Berücksichtigung verschieden großer Einbauräume an Brennkraftmaschinen eine Anzahl von un terschiedlich langen Anschlußverlängerungen 15 vorhanden sein. Ebenso kann ein in vorteilhafter Weise zur Druckmessung verwen deter Miniaturdruckaufnehmer 7, sowie ein zur Temperaturmessung verwendetes schnellansprechendes Thermoelement oder ein Tempe raturaufnehmer mit Platin-Meßwiderstand 6 im ventilseitigen An schlußteil 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 Raum volumen mit einem Gas unter einem ersten Gasdruck p1 beauf schlagt wird, dieser Druck anschließend auf einen anderen Druck p2 geändert wird und aus der zeitlichen Änderung der Gasdruck werte das Raumvolumen errechnet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Änderung des zu- oder abgeführten Gasmassenstroms als Funktion des Druckes (Leckagekennlinie) gemessen wird,
daß der Druck und die Temperatur des Gases im zu messenden Raumvolumen als Funktion der Zeit während der Druckänderung ge messen werden,
daß jedem Gasdruckwert während der Druckänderung ein Gasmassen strom zugeordnet wird (Volumenstromverlauf),
daß durch Integration des Gasmassenstroms als Funktion des Druckes (Volumenstromverlauf) über der Zeit eine Gasvolumenän derung errechnet wird,
und daß das zu messende Raumvolumen 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 des Gasmassenstroms als Funktion des Druckes (Volumenstromverlauf) bei stationären (eingeschwungenen) Zu ständen im zu messenden Raumvolumen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung eine Entspannung des Gases im zu messenden Raum volumen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckänderung eine Verdichtung des Gases im zu messenden Raum volumen 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 Raumvolumen verursacht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Gasdruck p1 im Raumvolumen durch Ein leiten oder Absaugen eines definierten Gasmassenstromes einge stellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Ermittlung der Leckagekennlinie Q(p) des Raumvolumens 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 Raumvolumens geänderte Drücke aufgebracht und die sich einstel lenden 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 Raumvolumen das Kompressionsvolumen eines Verbrennungsmotors ist.

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

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