WO2005005935A1 - Vorrichtung zur messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen durchflussvorgängen - Google Patents

Vorrichtung zur messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen durchflussvorgängen Download PDF

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WO2005005935A1
WO2005005935A1 PCT/EP2004/007353 EP2004007353W WO2005005935A1 WO 2005005935 A1 WO2005005935 A1 WO 2005005935A1 EP 2004007353 W EP2004007353 W EP 2004007353W WO 2005005935 A1 WO2005005935 A1 WO 2005005935A1
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piston
processes
measuring
internal combustion
combustion engines
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PCT/EP2004/007353
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Rainer Metzler
Manfred Werner
Heribert Kammerstetter
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Avl Pierburg Instruments Flow Technology Gmbh
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    • G01F3/02—Measuring the volume flow of fluids or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in successive and more or less isolated quantities, the meter being driven by the flow with measuring chambers which expand or contract during measurement
    • G01F3/04—Measuring the volume flow of fluids or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in successive and more or less isolated quantities, the meter being driven by the flow with measuring chambers which expand or contract during measurement having rigid movable walls
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    • G01F3/16—Measuring the volume flow of fluids or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in successive and more or less isolated quantities, the meter being driven by the flow with measuring chambers which expand or contract during measurement having rigid movable walls comprising reciprocating pistons, e.g. reciprocating in a rotating body in stationary cylinders
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M65/00—Testing fuel-injection apparatus, e.g. testing injection timing ; Cleaning of fuel-injection apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G07C9/20—Individual registration on entry or exit involving the use of a pass
    • G07C9/28—Individual registration on entry or exit involving the use of a pass the pass enabling tracking or indicating presence

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring time-resolved volumetric flow processes, in particular injection processes in internal combustion engines, with a translational volume difference transducer, which essentially consists of a piston arranged in a measuring chamber and a detection device receiving the deflection of the piston, which is connected to an evaluation unit.
  • DE 31 39 831 A1 describes a method in which a measuring piston is moved through the amount of fuel injected into a measuring chamber. The amount of fuel injected is inferred from the piston travel. After a certain number of individual injections, the volumetric piston is returned to its starting position. The end positions of the volumetric flask are recorded. In this method, however, due to the inertia of the piston mass and the friction that occurs, measurement inaccuracies are too great for today's conditions.
  • DE 39 16 419 A1 describes an electromagnetically controlled measuring device which further develops the device according to DE 31 39 831 A1, the measuring chamber being emptied after each injection.
  • DE 41 30 394 A1 proposes an injection quantity measuring device in which the injection takes place in a closed pressure vessel. After measuring the pressure in each case after pre-injection or main injection in this pressure vessel, a valve is switched again so that the injected quantity is discharged into a measuring range, in which there is in turn a piston moved by the liquid, so that from the movement of the Piston can be concluded on the injected volume.
  • a valve is switched again so that the injected quantity is discharged into a measuring range, in which there is in turn a piston moved by the liquid, so that from the movement of the Piston can be concluded on the injected volume.
  • DE 1 798 080 describes an electronically controlled flow measuring and metering device which can measure flows with high accuracy in a large measuring range.
  • This measuring device is optimally suited for the immediate measurement of flows due to its extremely low inertia, but is not able to display flow rate information synchronous to the cycle. This means that it is not possible to show the exact courses of the injection processes to be measured and their periodicity at the same time as the working cycle of a petrol or diesel engine.
  • a continuously operating flow measuring device which is attached downstream of the injection devices, is also disclosed by DE 33 02 059.
  • the injection nozzle injects into a channel that leads to a gear pump and to which a second channel is connected in parallel, in which a piston is slidably guided. These two channels together form the necessary injection volume, which can be changed by the movement of the piston.
  • the path of the piston is measured on the one hand and on the other hand fed to a control motor for speed control of the gear pump via an electrical control circuit.
  • this device should also be able to be positioned in front of an injection valve as far as possible and should be able to on one continuously running engine to measure injection quantities and courses. This enables the stability of the injections from cycle to cycle and from injector to injector to be assessed quantitatively using statistical parameters. Accordingly, measured values such as the injection rate or the partial quantities of multiple injections, as well as the total quantity injected over a longer course, must be made visible.
  • a pressure sensor is arranged in the measuring chamber, which pressure sensor is connected to the evaluation unit in such a way that the measurement values of the pressure sensor in the evaluation unit correct the measured values of the detection device Flow rate takes place.
  • the translational volume difference transducer is assigned a rotary displacer which is driven by a motor Dependence on the applied volume difference is driven, the measuring chamber being arranged in an inlet channel, which opens into an outlet channel behind the translational volume difference sensor and the rotary displacer is arranged in a bypass line to the translational volume difference sensor, the rotary displacer being controlled in this way that the speed of the displacer is constant during a work cycle and essentially corresponds to the mean flow over the entire work cycle.
  • a sawtooth-shaped signal results as the piston path, since the movement of the piston is composed of a continuous movement due to the rotational speed of the rotary displacer and a discontinuous movement due to the individual injections.
  • a work cycle corresponds, for example, to a pre-injection, a main injection and a post-injection.
  • the detection device preferably consists of a sensor, the voltage generated of which represents a measure of the deflection of the piston and which continuously detects the deflection of the piston in the measuring chamber. Flow changes are thus recognized by a corresponding voltage change on the sensor, and by transferring them to the evaluation unit, these results can be converted into an injection quantity and an injection course in a simple manner. Due to the continuous detection of the deflection, such a device can also be used on a running engine with many successive injection processes, that is to say work cycles, since it is no longer necessary to empty the measuring chambers, for example by means of valves, as in the prior art. Furthermore, such a device can be installed both in front of and behind a fuel injection valve.
  • the piston has the same specific weight as the measuring liquid. Because the specific weight of the piston corresponds to that of the measuring liquid and the piston is freely movable, flow changes are recognized almost without time delays due to the corresponding voltage change on the sensor, which makes it possible to show the time profiles of an individual injection.
  • a temperature sensor can be arranged in the measuring chamber, which is connected to the evaluation unit, so that the temperature in the room can also be included in the calculation, which further increases the accuracy of the measurement, since the piston travel is based on the pressure and temperature signal can be converted into an ideal piston travel, which would result in isobaric and isothermal conditions during the measurement.
  • the compressibility module of the fluid as a function of temperature and pressure is also taken into account accordingly.
  • the sensor of the translational volume difference transducer can be an optical, inductive or working according to the eddy current principle. These sensors work almost without inertia and therefore deliver very precise measured values.
  • the motor is designed as a servo motor and has a motion sensor which is connected to the evaluation unit and control electronics, the signal from the motion sensor representing a measure of the rotational speed of the rotary displacer.
  • the rotary displacer can be controlled in a simple manner via the signals of, for example, the optical sensor and the motion sensor.
  • the movement sensor is advantageously designed as a pulse generator disk, which enables a reliable and very precise determination of the displacement speed.
  • the hydraulic length from a fuel injection valve to the input side of the rotary displacer is equal to the hydraulic length to the output side of the rotary displacer, which makes it possible to operate the displacer without an applied pressure difference and thus to be able to determine the amount injected up to that point exactly at any time.
  • the compressibility of the fluid can cause pressure waves to propagate through the entire measurement setup.
  • the flow meter is arranged according to the invention between at least one fuel injection valve and a runtime pipe.
  • a device is thus created which makes it possible to measure volumetric flow processes continuously and in a temporally resolved manner, the structure being very simple and nevertheless very high measuring accuracies being achievable. In this way, qualitatively and quantitatively precise statements about injection processes and injection quantities and their stability can be made. Measured values such as the injection rate or the partial quantities of multiple injections and the total quantity injected in the same or a longer period of time can be made visible with this device.
  • the rotary displacer used for the continuous measurement can be calibrated in a conventional manner, so that by correlating the measured values, the single-shot measurements can also be calibrated in a comparatively simple manner.
  • a device according to the invention is shown in the figures and is described below.
  • Figure 1 shows schematically the structure of the measuring device according to the invention behind an injection valve.
  • Figure 2 shows an example of typical piston profiles without a continuous portion by the gear pump during a work cycle with two pre-injections, one main injection and two post-injections, and the resulting injection quantity profile.
  • FIG. 1 shows a structure for measuring injection processes in internal combustion engines with a device according to the invention for measuring time-resolved volumetric flow processes. It consists of one a flow-generating device, not shown, in this case usually a high-pressure pump and a fuel injection valve 1, via which fuel is injected into the measuring device 2.
  • the measuring device 2 consists of an inlet channel 3 in which a measuring chamber 4 is arranged, in which a piston 5 is again freely displaceable, the piston 5 having the same specific weight as the measuring liquid, ie the fuel.
  • This piston 5 in the measuring chamber 4 serves as a translational volume difference sensor.
  • a sensor 6 is arranged on the measuring chamber 4, which is in operative connection with the piston 5 and in which a voltage dependent on the size of the deflection of the piston 5 is generated by the deflection of the piston 5.
  • a bypass line 7 which branches off the translational volume difference transducer and branches off as shortly as possible behind the injection valve 1, has a rotary displacer in the form of a gear pump 8.
  • the gear pump 8 is driven by a servo motor 10 via a clutch 9. Both the inlet line 3 and the bypass line 7 open into an outlet channel 11.
  • the sensor 6 is connected to an evaluation unit 12, which records and processes the values of this sensor 6 and the number of revolutions of the motor 10, which is connected to a motion sensor in the form of a pulse generator 13.
  • the sensor 6 is designed here as an optical sensor.
  • a pressure sensor 14 and a temperature sensor 15 are arranged, which continuously measure the pressures and temperatures occurring in this area and in turn feed them to the evaluation unit 12.
  • a runtime tube (not shown) is arranged behind the outlet channel 11 of the measuring device 2, as a result of which the pressure waves are decoupled in time from the measuring process.
  • the piston 5 reacts without delay, i.e. without inertia, since it has the same specific weight as the fuel and is immediately identical to the fuel column supplied, so that its deflection is a measure of the volume the one amount of fuel injected.
  • the inlet channel 3 via the piston and via the gear pump 8, since the hydraulic lengths from the injection valve 1 to the input and output sides of the gear pump 8 are kept the same.
  • the gear pump 8 arranged in the bypass duct 7 is simultaneously driven at a speed which is dependent on the deflection of the piston 5 and thus on the amount of fuel injected.
  • the control takes place in such a way that the rotational speed of the gear pump 8 is kept constant over a working cycle, for example pre-injection, main injection, post-injection, and only when it occurs
  • the deflection of the piston 5 is thus created by superimposing a portion at a constant speed in the opposite direction to the deflection direction during an injection and a discontinuous portion during an injection.
  • the evaluation unit 12 receives the corresponding signals from the pulse generator 13 on the servo motor 10 for determining the flow through the gear pump 8.
  • the conversion in the electronic evaluation unit 12 takes place via a physically based model calculation, in which the actually measured piston benweg is converted with the help of the pressure and temperature signal into an ideal piston travel, which would occur during the measurement under isobaric and isothermal conditions.
  • the compressibility module of the fluid as a function of temperature and pressure is also taken into account in this calculation.
  • this calculation is very clearly simplified by the constant speed of rotation of the gear pump 8 and thus the continuous proportion of movement of the piston 5.
  • the needle stroke 17 of the fuel injector 1 measured by inductive scanning, the piston path 18 measured by the sensor 6, the continuous portion having already been calculated out by the gear pump 8, the pressure curve 19 measured by the pressure sensor 14, which Pressure curve 19 corrected piston path 20 and the resulting injection quantity curve 21 of fuel injector 1 calculated from these data are shown over time.
  • the first pilot injection 22 deflects the piston 5 in the measuring chamber 4 and increases the pressure in the measuring chamber 4. Due to the deflection of the piston 5, the pressure in the measuring chamber 4 then drops again.
  • the constant movement of the gear pump 8 means that the actually measured path from which the piston path 18 is derived has a steady drop. The path actually measured is not shown.
  • the pressure and piston path curves 18-21 correspondingly result in the following second pilot injection 23 as well as the main 24 and the two post-injections 25, 26.
  • the gear pump 8 is regulated in such a way that the pressure and thus the actual position of the piston 5 correspond to the starting position at the end of the working cycle.
  • the microsecond range Due to the direct movement of the piston 5 due to its almost non-existent inertia, changes in the microsecond range can also be measured and evaluated during the working cycle, so that this measuring device 2 is able to make comparisons between different injection valves 1 with regard to their injection quantities and in particular also to make the timing of the injection processes.
  • the total flow over a certain time interval results from the output of the pulse generator 13 of the gear pump 8. The time interval is synchronized with the injections.
  • the measuring device 2 described above can also be arranged upstream of the fuel injection valve 1, in which case the runtime pipe is also arranged before the flow measurement, so that the entire measuring device 2 is arranged between the high pressure pump and the fuel injection valve 1.
  • This device makes it possible to measure flow processes on the running engine in front of or behind the injection valve with any number of consecutive fuel injection pulses. This makes it possible to make quantitative and high-quality statements about injection quantities, injection profiles and to assess different injection valves.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volume trischen Durchflussvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem translatorischen Volumendifferenzaufnehmer (4, 5, 6), der im wesentlichen aus einem in einer Meßkammer (4) angeordneten Kolben (5) und einer die Auslenkung des Kolbens (5) aufnehmenden Erfassungseinrichtung (6) besteht, welche mit einer Auswerteeinheit (12) verbunden ist. Erfindungsgemäss ist in der Meßkammer (4) zusätzlich zu der die Auslenkung des Kolbens aufnehmenden Erfassungseinrichtung (6) ein Drucksensor (14) angeordnet, mit welchem die Auswertung des zur Auslenkung des Kolbens korrespondierenden Signals der Erfassungseinrichtung (6) dahingehend verbessert wird, dass die Kornpressibilität des Fluids in der Messkammer (4) in der Berechnung der Einspritzmenge berücksichtigt werden kann. Die Vorrichtung ermöglicht eine zeitlich hochaufgelöste Darstellung von Durchflussvorgängen, so dass sowohl Gesamtmengen als auch genaue Verläufe darstellbar und auswertbar sind.

Description

B E S C H R E I B U N G
Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem translatorischen Volumendifferenzaufnehmer, der im wesentlichen aus einem in einer Meßkammer angeordneten Kolben und einer die Auslenkung des Kolbens aufnehmenden Erfassungseinrichtung besteht, welche mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.
Vor allem im Bereich direkteinspritzender Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem Diesel- oder dem Ottoverfahren arbeiten, steigen die Anforderungen an die Einspritzsysteme hinsichtlich der zugemessenen Menge, dem Zeitpunkt und dem Verlauf der Einspritzung stetig. So sind Einspritzverläufe in den letzten Jahren dahingehend modifiziert worden, dass entweder die zuzumessende Einspritzmenge für einen Verbrennungszyklus in mehrere kleine Teileinspritzungen aufgetrennt wird oder die Ratenverlaufsformung über die Modulation des Kraftstoffdrucks oder andere ratenmodulierende Maßnahmen kontrolliert wird. Dazu müssen entsprechende Meßvorrichtungen zur Verfügung gestellt werden.
Entsprechend wird in der DE 31 39 831 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Meßkolben durch die in eine Meßkammer eingespritzte Kraftstoffmenge bewegt wird. Aus dem dabei zurückgelegten Weg des Kolbens wird auf die Einspritzmenge geschlossen. Nach einer bestimmten Anzahl von Einzeleinspritzungen erfolgt die Rückführung des Meßkolbens in seine Ausgangsposition. Erfasst werden dabei jeweils die Endstellungen des Meßkolbens. Bei diesem Verfahren treten jedoch aufgrund der Trägheit der Kolbenmasse sowie der auftretenden Reibung für heutige Verhältnisse zu große Meßungenauigkeiten auf. So wird in der DE 39 16 419 A1 eine elektromagnetisch gesteuerte Meßvorrichtung beschrieben, welche die Vorrichtung gemäß der DE 31 39 831 A1 weiterentwickelt, wobei hier die Meßkammer nach jeder Einspritzung entleert wird. Hierdurch können zwar aufgrund der geringeren zu vermessenden Gesamtvolumina genauere Meßergebnisse erzielt werden, es bleibt jedoch das Problem der relativ großen zu bewegenden Kolbenmasse, wodurch nach wie vor Schwingungen und Verzögerungen im System auftreten. Eine genaue Vermessung beispielsweise einer Nacheinspritzung und deren Verlaufsanalyse ist somit nicht möglich. Des weiteren erfolgt die Entla- düng des jeweiligen Meßkolbens mit einem Entladeventil, so dass sehr kurz aufeinander folgende Einspritzungen, wie sie im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors üblich sind, nicht aufgelöst werden können.
Eine Weiterentwicklung dieser Vorrichtung zur Verbesserung der Meßgenauigkeit wird in der DE 44 34 597 A1 vorgeschlagen. Dabei wird die Rückstellgeschwindigkeit des Meßkolbens konstant gehalten, so dass die Schaltverzögerung des Magnetventils beim Entleeren mitberücksichtigt werden kann. Trotz dieser verbesserten Reproduzierbarkeit der Kolbenausgangslage verbleibt nachteilhaft die Schwingungsanfälligkeit des Systems nicht zuletzt aufgrund der relativ großen Kolbenma- sse. Des weiteren bleibt eine Auflösung zeitnaher Einzeleinspritzungen sowie deren Verläufe aufgrund der Trägheit des Gesamtsystems unmöglich.
In der DE 41 30 394 A1 wird ein Einspritzmengenmeßgerät vorgeschlagen, bei dem die Einspritzung in einen geschlossenen Druckbehälter erfolgt. Nach Messung des jeweils nach Vor- bzw. Haupteinspritzung in diesem Druckbehälter anstehenden Druckes wird erneut ein Ventil geschaltet, so dass die eingespritzte Menge in einen Meßbereich abgelassen wird, in dem sich wiederum ein durch die Flüssigkeit bewegter Kolben befindet, so dass aus der Bewegung des Kolbens auf das eingespritzte Volumen geschlossen werden kann. Durch eine solche Ausführung wird es zwar möglich, die Einspritzvorgänge bezüglich Haupt- bzw. Vor- oder Nacheinspritzung aufzulösen, eine quantitative Aussage bezüglich der Einspritzverläufe während beispielsweise einer Haupteinspritzung bleibt jedoch unmöglich, da keine kontinuierliche Mengenmessung vorliegt. Des weiteren ist ein solcher Aufbau nicht dafür geeignet Messungen am laufenden Motor durchzuführen, da mehrere aufeinander fol- gende Arbeitszyklen in der dort ablaufenden Geschwindigkeit nicht gemessen werden können.
In der WO 00/79125 wird das Meßprinzip aus der DE 41 30 394 A1 übernommen. Allerdings wird der Druck im Druckbehälter kontinuierlich gemessen, so dass Aussagen über den Verlauf jeder Einzeleinspritzung möglich werden. Der Aufbau ist jedoch sehr komplex, so dass eine Vielzahl von Einflußgrößen die Meßgenauigkeit und die Zuverlässigkeit der Anlage reduzieren. Auch bei einer solchen Vorrichtung ist es nicht möglich, diese am laufendem Motor zu nutzen.
Alternativ hierzu wird in der WO 02/054038 vorgeschlagen, den beweglichen Kolben leichter auszuführen, um ein Nachschwingen möglichst zu vermeiden und einen kapazitiven oder nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden Sensor zur Aufnahme des zu messenden Weges zu verwenden, der berührungslos arbeitet. Durch diese Maß- nahmen soll die Messgenauigkeit weiter erhöht werden.
In der DE 1 798 080 wiederum wird ein elektronisch gesteuertes Durchflußmeß- und Dosiergerät beschrieben, welches in einem großen Meßbereich Durchflüsse mit hoher Genauigkeit messen kann. Dieses Meßgerät ist für die Sofortmessung von Durchflüssen aufgrund seiner extrem geringen Trägheit optimal geeignet, jedoch nicht in der Lage zyklussynchrone Durchflußrateninformationen anzuzeigen. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, zeitgleich zum Arbeitszyklus eines Otto- oder Dieselmotors die genauen Verläufe der zu messenden Einspritzvorgänge sowie deren Periodizität darzustellen.
Mit Ausnahme dieser Vorrichtung ist allen bekannten Vorrichtungen gemeinsam, dass lediglich diskontinuierliche Durchflüsse stromabwärts der Einspritzvorrichtungen meßbar sind. Dies birgt den Nachteil, dass eine Durchflußratenmessung in Kombination mit einer optischen Untersuchung der Strahlausbreitung eines Ein- spritzstrahles nicht möglich ist. Des weiteren ist die Messgenauigkeit weiterhin eingeschränkt.
Ein kontinuierlich arbeitendes Durchflussmessgerät, welches stromabwärts der Einspritzvorrichtungen angebracht ist, wird auch durch die DE 33 02 059 offenbart. Die Einspritzdüse spritzt dabei in einen Kanal der zu einer Zahnradpumpe führt und zu dem ein zweiter Kanal parallel geschaltet ist, in dem ein Kolben gleitend geführt ist. Diese beiden Kanäle bilden gemeinsam das notwendige Einspritzvolumen, welches durch die Bewegung des Kolbens veränderbar ist. Der Weg des Kolbens wird einer- seits gemessen und andererseits über einen elektrischen Regelkreis einem Regelmotor zur Drehzahlregelung der Zahnradpumpe zugeführt. Eine Einspritzmengenmessung mit einer derartigen Vorrichtung liefert aufgrund der Trägheit des Kolbens und der Nichtberücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des eingespritzten Fluids nur unzureichend genaue Meßergebnisse.
Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von zeitlichen aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen zu schaffen, die mit einer hohen Meßgenauigkeit quantitativ und qualitativ auswertbare Ergebnisse erzielt, wobei diese Vorrichtung möglichst auch vor einem Einspritzventil positionierbar sein soll sowie in der Lage sein soll an einem laufenden Motor kontinuierlich Einspritzmengen und -Verläufe zu messen. Dies ermöglicht die Stabilität der Einspritzungen von Zyklus zu Zyklus und von Einspritzventil zu Einspritzventil quantitativ über statistische Kenngrößen beurteilen zu können. Entsprechend müssen Meßwerte wie die Einspritzrate oder auch die Teilmengen von Mehrfacheinspritzungen, sowie über ei- nen längeren Verlauf die gesamt eingespritzte Menge, sichtbar gemacht werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Meßkammer zusätzlich zu der die Auslenkung des Kolbens aufnehmenden Erfassungseinrichtung ein Drucksensor angeordnet ist, der derart mit der Auswerteeinheit verbunden ist, dass mittels der Messwerte des Drucksensors in der Auswerteeinheit eine Korrektur der aus den Messwerten der Erfassungseinrichtung ermittelten Durchflussmenge stattfindet. Durch den Einsatz des Drucksensors werden Messfehler bei der Berechnung der Einspritzmenge durch die Berücksichtigung der Kompressibilität des Fluids mini- miert, so dass die Ergebnisse der Messungen eine deutliche qualitative und quantitative Verbesserung aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem translatorischen Volumendifferenzaufnehmer ein rotatorischer Verdränger zugeordnet, der über einen Motor in Abhängigkeit der anliegenden Volumendifferenz angetrieben ist, wobei die Messkammer in einem Einlasskanal angeordnet ist, der in Strömungsrichtung hinter dem translatorischen Volumendifferenzaufnehmer in einen Auslasskanal mündet und der rotatorische Verdränger in einer Bypassleitung zum translatorischen Volumendiffe- renzaufnehmer angeordnet ist, wobei die Steuerung des rotatorischen Verdrängers derart erfolgt, dass während eines Arbeitszyklus die Drehzahl des Verdrängers konstant ist und dem mittleren Durchfluß über den gesamten Arbeitszyklus im wesentlichen entspricht. Entsprechend ergibt sich als Kolbenweg ein sägezahnförmiges Signal, da sich die Bewegung des Kolbens aus einer kontinuierlichen Bewegung auf- grund der Drehzahl des rotatorischen Verdrängers sowie einer diskontinuierlichen Bewegung aufgrund der Einzeleinspritzungen zusammensetzt. Ein Arbeitszyklus entspricht dabei beispielsweise einer Vor-, einer Haupt- und einer Nacheinspritzung.
Vorzugsweise besteht die Erfassungseinrichtung aus einem Sensor, dessen er- zeugte Spannung ein Maß für die Auslenkung des Kolbens darstellt und der kontinuierlich die Auslenkung des Kolbens in der Meßkammer erfasst. Durchflußänderungen werdensomit über eine entsprechende Spannungsänderung am Sensor erkannt und durch die Übergabe an die Auswerteeinheit können diese Ergebnisse auf einfache Art und Weise in eine Einspritzmenge sowie einen Einspritzverlauf umge- rechnet werden. Durch die kontinuierliche Erfassung der Auslenkung kann eine solche Vorrichtung auch an einem laufenden Motor mit vielen aufeinander folgenden Einspritzvorgängen also Arbeitszyklen verwendet werden, da eine Entleerung der Meßkammern beispielsweise durch Ventile, wie im Stand der Technik, nicht mehr notwendig ist. Des weiteren kann eine solche Vorrichtung sowohl vor als auch hinter einem Kraftstoffeinspritzventil eingebaut werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Kolben das gleiche spezifische Gewicht wie die Meßflüssigkeit aufweist. Dadurch dass das spezifische Gewicht des Kolbens dem der Meßflüssigkeit entspricht und der Kolben frei beweglich angeordnet ist, werden Durch- flussänderungen nahezu ohne Zeitverzögerungen durch die korrespondierende Spannungsänderung am Sensor erkannt, wodurch es möglich wird die zeitlichen Verläufe einer einzelnen Einspritzung dazustellen. Zusätzlich kann in der Meßkammer ein Temperatursensor angeordnet sein, der mit der Auswerteeinheit verbunden ist, so dass auch die Temperatur im Raum in die Berechnung mit einbezogen werden kann, wodurch die Genauigkeit der Messung weiter gesteigert wird, da aufgrund des Druck- und Temperatursignals der Kolbenweg in einen idealen Kolbenweg umgerechnet werden kann, der sich bei isobaren und isothermen Bedingungen während der Messung ergeben würde. Entsprechend wird auch das Kompressibilitätsmodul des Fluids als Funktion von Temperatur und Druck berücksichtigt.
Der Sensor des translatorischen Volumendifferenzaufnehmers kann dabei ein optischer, induktiver oder nach dem Wirbelstromprinzip arbeitender Sensor sein. Diese Sensoren arbeiten nahezu trägheitslos und liefern somit sehr genaue Meßwerte.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der rotatorische Verdränger als Zahn- radpumpe ausgeführt ist, da diese extrem pulsationsarm fördert.
Zur einfachen Auswertung der gesamten Durchflußmenge hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Motor als Servomotor ausgeführt wird und einen Bewegungssensor aufweist, der mit der Auswerteeinheit und einer Regelelektronik verbunden ist, wobei das Signal des Bewegungssensors ein Maß für die Drehzahl des rotatorischen Verdrängers darstellt. Über die Signale beispielsweise des optischen Sensors und des Bewegungssensors kann der rotatorische Verdränger auf einfache Art und Weise geregelt werden.
Dabei wird vorteilhafterweise der Bewegungssensor als Impulsgeberscheibe ausgeführt, wodurch eine zuverlässige und sehr genaue Ermittlung der Verdrängerdrehzahl ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise ist die hydraulische Länge von einem Kraftstoffeinspritzventil zur Eingangsseite des rotatorischen Verdrängers gleich der hydraulischen Länge zur Ausgangsseite des rotatorischen Verdrängers, wodurch es möglich wird, den Verdränger ohne anliegende Druckdifferenz zu betreiben und so exakt zu jedem Zeitpunkt die bis dahin eingespritzte Menge bestimmen zu können. Bei einer Verwendung zur Messung von Einspritzvorgängen in Verbrennungskraftmaschinen kann es aufgrund der Kompressibilität des Fluids zu einer Fortpflanzung von Druckwellen durch den gesamten Meßaufbau kommen. Zur Entkopplung von unerwünschten Reflexionen dieser Druckwellen ist erfindungsgemäß das Durch- flußmeßgerät zwischen mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Laufzeitrohr angeordnet.
Es wird somit eine Vorrichtung geschaffen, die es ermöglicht, kontinuierlich und zeitlich aufgelöst volumetrische Durchflußvorgänge zu messen, wobei der Aufbau sehr einfach ist und dennoch sehr hohe Meßgenauigkeiten erzielbar sind. Hierdurch können qualitativ und quantitativ genaue Aussagen über Einspritzverläufe und Einspritzmengen sowie deren Stabilität getätigt werden. Meßwerte wie die Einspritzrate oder auch die Teilmengen von Mehrfacheinspritzungen sowie die im selben oder einem längeren Zeitraum gesamt eingespritzte Menge können mit dieser Vorrichtung sichtbar gemacht werden.
Des weiteren ist der zur kontinuierlichen Messung verwendete rotatorische Verdränger auf konventionelle Weise kalibrierbar, so dass durch Korrelation der Messwerte damit in vergleichbar einfacher Weise ebenfalls die Einzelschussmessungen kali- brierbar sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung hinter einem Einspritzventil.
Figur 2 zeigt beispielhaft typische Kolbenverläufe ohne kontinuierlichen Anteil durch die Zahnradpumpe während eines Arbeitszyklus mit zwei Vor-, einer Haupt- und zwei Nacheinspritzungen sowie den resultierenden Einspritzmengenverlauf.
In Figur 1 ist ein Aufbau zur Vermessung von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen dargestellt. Sie besteht aus einer einen Durchfluß erzeugenden nicht dargestellten Einrichtung, in diesem Fall in der Regel einer Hochdruckpumpe und einem Kraftstoffeinspritzventil 1 , über welches Kraftstoff in die Meßvorrichtung 2 eingespritzt wird. Die Meßvorrichtung 2 besteht aus einem Einlaßkanal 3, in dem eine Meßkammer 4 angeordnet ist, in der wieder- um ein Kolben 5 frei verschiebbar angeordnet ist, wobei der Kolben 5 das gleiche spezifische Gewicht wie die Meßflüssigkeit, also der Kraftstoff aufweist. Dieser Kolben 5 in der Meßkammer 4 dient als translatorischer Volumendifferenzaufnehmer. An der Meßkammer 4 ist ein Sensor 6 angeordnet, der in Wirkverbindung mit dem Kolben 5 steht und in dem durch die Auslenkung des Kolbens 5 eine von der Größe der Auslenkung des Kolbens 5 abhängige Spannung erzeugt wird.
Zusätzlich ist in einer den translatorischen Volumendifferenzaufnehmer umgehenden Bypassleitung 7, welche möglichst kurz hinter dem Einspritzventil 1 abzweigt, ein rotatorischer Verdränger in Form einer Zahnradpumpe 8 angeordnet ist. Die Zahnradpumpe 8 wird über eine Kupplung 9 von einem Servomotor 10 angetrieben. Sowohl die Einlassleitung 3 als auch die Bypassleitung 7 münden in einen Auslaßkanal 11.
Der Sensor 6 ist mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden, welche die Werte dieses Sensors 6 sowie die Umdrehungszahl des Motors 10, der mit einem Bewegungssensor in Form eines Impulsgebers 13 verbunden ist, aufnimmt und weiterverarbeitet. Der Sensor 6 ist hier als optischer Sensor ausgeführt. In der Meßkammer 4 zwischen dem Kolben 5 und der Einspritzvorrichtung 1 ist ein Drucksensor 14 sowie ein Temperatursensor 15 angeordnet, die kontinuierlich die in diesem Bereich auftre- tenden Drücke und Temperaturen messen und wiederum der Auswerteeinheit 12 zuführen. Zur Verhinderung von Reflexionen entstehender Druckwellen wird hinter dem Auslaßkanal 11 der Meßvorrichtung 2 ein nicht dargestelltes Laufzeitrohr angeordnet, wodurch die Druckwellen vom Meßvorgang zeitlich entkoppelt werden.
Der Ablauf der Messungen wird im folgenden beschrieben. Wird Kraftstoff vom Kraftstoffeinspritzventil 1 in die Meßvorrichtung 2 beziehungsweise den Einlaßkanal 3 eingespritzt, reagiert der Kolben 5 ohne Verzögerung, also trägheitsfrei, da er das gleiche spezifische Gewicht wie der Kraftstoff aufweist sofort identisch der zugeführten Kraftstoffsäule, so dass seine Auslenkung ein Maß für das Volumen der ein- gespritzten Kraftstoffmenge darstellt. In der Messkammer 4, dem Einlasskanal 3, über den Kolben sowie über die Zahnradpumpe 8 entsteht dabei keine Druckdifferenz, da die hydraulischen Längen vom Einspritzventil 1 zur Eingangs- und zur Ausgangsseite der Zahnradpumpe 8 gleich gehalten werden. Die im Bypasskanal 7 an- 5 geordnete Zahnradpumpe 8 wird gleichzeitig mit einer Drehzahl angetrieben, die abhängig ist von der Auslenkung des Kolbens 5 und somit von der eingespritzten Kraftstoffmenge. Die Regelung erfolgt allerdings derart, dass über einen Arbeitszyklus also beispielsweise Voreinspritzung, Haupteinspritzung, Nacheinspritzung die Drehzahl der Zahnradpumpe 8 konstant gehalten wird und lediglich bei auftretenden
10 Abweichungen, das heißt einer Stellung des Kolbens 5 am Ende eines Zyklus, der nicht der Ausgangsstellung vor dem Arbeitszyklus entspricht, nachgeregelt wird. Dazu werden in einer Regelelektronik 16 die Werte des Sensors 6 zu Beginn und am Ende eines Arbeitszyklus unter zu Hilfenahme der Werte der Impulsgeberscheibe 13 miteinander verglichen und ein entsprechendes Signal zur Ansteuerung des Motors
15 10 erzeugt.
Die Auslenkung des Kolbens 5 entsteht somit durch Überlagerung eines Anteils mit konstanter Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung zur Auslenkungsrichtung bei einer Einspritzung sowie eines diskontinuierlichen Anteils während eines Ein-
20 spritzvorgangs. Somit ergibt sich für die Bewegung des Kolbens 5 in graphischer Darstellung im wesentlichen ein Sägezahnprofil, wobei der kontinuierliche Anteil der Kolbenbewegung durch die Drehung der Zahnradpumpe 8 durch lineare Regression vorausberechnet wird. Die gesamte Meßvorrichtung 2 ist möglichst nah am Einspritzventil 1 anzuordnen, um Einflüsse durch die Kompressibilität des Fluids mög- 5 liehst gering zu halten. Mit Hilfe des in der Meßkammer 4 angeordneten Drucksensors 14 und des Temperatursensors 15 wird in der Auswerteeinheit 12 das Signal des Sensors 6, also das durch die Bewegung des Kolbens 5 entstehende Signal, in eine Kraftstoffeinspritzmenge über die Zeit umgerechnet. Dazu wird automatisch der kontinuierliche Anteil der durch die Zahnradpumpe 8 entstehenden Bewegung von 0 dem tatsächlich zurückgelegten Weg also den Werten des Sensors 6 subtrahiert. Entsprechend erhält die Auswerteeinheit 12 vom Impulsgeber 13 am Servomotor 10 die entsprechenden Signale zur Bestimmung des Durchflusses durch die Zahnradpumpe 8. Die Umrechnung in der elektronischen Auswerteeinheit 12 erfolgt über eine physikalisch basierte Modellrechnung, bei der der tatsächlich gemessene Kol- benweg mit Hilfe des Druck- und Temperatursignals in einen idealen Kolbenweg umgerechnet wird, der sich bei isobaren und isothermen Bedingungen während der Messung einstellen würde. Entsprechend wird in dieser Rechnung auch das Kompressibilitätsmodul des Fluids als Funktion von Temperatur und Druck berücksich- tigt. Selbstverständlich vereinfacht sich diese Rechnung sehr deutlich durch die gleichbleibende Drehgeschwindigkeit der Zahnradpumpe 8 und somit den kontinuierlichen Bewegungsanteil des Kolbens 5.
In Figur 2 ist der über eine induktive Abtastung gemessene Nadelhub 17 des Kraft- stoffeinspritzventils 1 , der vom Sensor 6 gemessene Kolbenweg 18, wobei der kontinuierliche Anteil durch die Zahnradpumpe 8 bereits herausgerechnet wurde, der vom Drucksensor 14 gemessene Druckverlauf 19, der mit Hilfe des Druckverlaufs 19 korrigierte Kolbenweg 20 sowie der aus diesen Daten berechnete resultierende Einspritzmengenverlauf 21 des Kraftstoffeinspritzventils 1 über die Zeit dargestellt. Es wird deutlich, dass durch die erste Voreinspritzung 22 der Kolben 5 in der Meßkammer 4 ausgelenkt wird und der Druck in der Messkammer 4 ansteigt. Durch die Auslenkung des Kolbens 5 fällt der Druck in der Meßkammer 4 danach wieder ab. Die konstante Bewegung der Zahnradpumpe 8 führt dazu, dass der tatsächlich gemessene Weg, aus dem der Kolbenweg 18 abgeleitet wird, einen stetigen Abfall aufweist. Der tatsächlich gemessene Weg ist nicht dargestellt. Entsprechend ergeben sich die Druck- und Kolbenwegverläufe 18-21 bei der folgenden zweiten Voreinspritzung 23 sowie der Haupt- 24 und den zwei Nacheinspritzungen 25,26. Die Zahnradpumpe 8 ist so geregelt, dass der Druck und somit die tatsächliche Stellung des Kolbens 5 bei Abschluß des Arbeitszyklus wieder der Ausgangslage entspre- chen.
Durch die unmittelbare Bewegung des Kolbens 5 aufgrund seiner nahezu nicht vorhandenen Trägheit sind hier während des Arbeitszyklus auch Änderungen im Mikro- sekundenbereich meß- und verwertbar, so dass diese Meßvorrichtung 2 in der Lage ist, Vergleiche zwischen verschiedenen Einspritzventilen 1 bezüglich ihrer Einspritzmengen und insbesondere auch der zeitlichen Verläufe der Einspritzvorgänge zu machen. Der Gesamtdurchfluß über ein gewisses Zeitintervall ergibt sich aus der Ausgabe des Impulsgebers 13 der Zahnradpumpe 8. Das Zeitintervall wird mit den Einspritzungen synchronisiert. Alternativ kann die oben beschriebene Meßvorrichtung 2 auch vor dem Kraftstoffeinspritzventil 1 angeordnet sein, wobei dann auch das Laufzeitrohr vor der Durchflußmessung angeordnet wird, so dass die gesamte Meßvorrichtung 2 zwischen der Hochdruckpumpe und dem Kraftstoffeinspritzventil 1 angeordnet ist. Zusätzlich ist es denkbar, entsprechende Sicherheitsfunktionen bei Übersteuerung im Volllastbereich vorzusehen, indem beispielsweise ein Bypaßkanal zur Meßkammerauslaßseite derart gelegt wird, dass bei einer zu großen Auslenkung des Kolbens 5 hier Flüssigkeit überströmen kann.
Ferner wird deutlich, dass eine solche Vorrichtung auch zur Messung von anderen Durchflußvorgängen geeignet ist.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Messung von Durchflußvor- gangen am laufenden Motor vor oder hinter dem Einspritzventil mit einer beliebigen Anzahl aufeinander folgender Kraftstoffeinspritzimpulse. So wird es möglich, quantitativ und qualitativ hochwertige Aussagen zu Einspritzmengen, Einspritzverläufen zu machen und unterschiedliche Einspritzventile zu beurteilen.
Es sollte deutlich sein, dass neben den induktiven oder optischen Sensoren auch andere Sensoren, wie Geschwindigkeitssensoren oder Beschleunigungssensoren zur Messung der Auslenkung des Kolbens benutzt werden können, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Die von diesen Sensoren erzeugte Spannung ist weiterhin ein Maß für die Auslenkung des Kolbens, wobei die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung des Kolbens über in der Auswerteeinheit durchgeführte einfache bzw. zweifache Integration wieder in den Weg umgerechnet werden.

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem translatorischen Volumendifferenzaufnehmer, der im wesentlichen aus einem in einer Meßkammer angeordneten Kolben und einer die Auslenkung des Kolbens aufnehmenden Erfassungseinrichtung besteht, welche mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Meßkammer (4) zusätzlich zu der die Auslenkung des Kolbens aufnehmenden Erfassungseinrichtung (6) ein Drucksensor (14) angeordnet ist, der derart mit der Auswerteeinheit (12) verbunden ist, dass mittels der Messwerte des Drucksen- sors (14) in der Auswerteeinheit (12) eine Korrektur der aus den Messwerten der Erfassungseinrichtung (6) ermittelten Durchflussmenge stattfindet.
2. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem translatorischen Volumendifferenzaufnehmer (4, 5, 6) ein rotatorischer Verdränger (8) zugeordnet ist, der über einen Motor (10) in Abhängigkeit der anliegenden Volumendifferenz angetrieben ist, wobei die Messkammer (4) in einem Einlasskanal (3) angeordnet ist, der in Strömungsrichtung hinter dem translatorischen Volumendifferenzauf- nehmer (4, 5, 6) in einen Auslasskanal (11 ) mündet und der rotatorische Verdränger (8) in einer Bypassleitung (7) zum translatorischen Volumendifferenzaufnehmer (4, 5, 6) angeordnet ist, wobei die Steuerung des rotatorischen Verdrängers (8) derart erfolgt, dass während eines Arbeitszyklus die Drehzahl des Verdrängers (8) konstant ist und dem mittleren Durchfluß über den gesamten Ar- beitszyklus im wesentlichen entspricht.
3. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfas- sungseinrichtung (6) aus einem Sensor besteht, dessen erzeugte Spannung ein Maß für die Auslenkung des Kolbens (5) darstellt und der kontinuierlich die Auslenkung des Kolbens (5) in der Meßkammer (4) erfasst.
4. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (5) das gleiche spezifische Gewicht wie die Meßflüssigkeit aufweist.
5. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Meßkammer (4) ein Temperatursensor (15) angeordnet ist, der mit der Auswerteeinheit (12) verbunden ist.
6. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) ein optischer, induktiver oder nach dem Wirbelstromprinzip ar- beitender Sensor ist.
7. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rotatorische Verdränger (8) als Zahnradpumpe ausgeführt ist.
8. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor als Servomotor (10) ausgeführt ist und einen Bewegungssensor (13) aufweist, der mit der Auswerteeinheit (12) und einer Regelelektronik (16) verbunden ist, wobei das Signal des Bewegungssensors (13) ein Maß für die Drehzahl des rotatorischen Verdrängers (8) darstellt.
9. Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor (13) als Impulsgeberscheibe ausgeführt ist.
10.Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Länge von einem Kraftstoffeinspritzventil (1 ) zur Eingangseite des rotatorischen Verdrängers (8) gleich der hydraulischen Länge zur Ausgangsseite des rotatorischen Verdrängers (8) ist.
11.Vorrichtung zur Messung von zeitlich aufgelösten Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßvorrichtung (2) zwischen mindestens einem Kraftstoffeinspritzventil (1 ) und einem Laufzeitrohr angeordnet ist.
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