WO2005017345A1 - Verfahren zur qualitätsbestimmung einer einspritzdüse - Google Patents

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WO2005017345A1
WO2005017345A1 PCT/EP2004/008570 EP2004008570W WO2005017345A1 WO 2005017345 A1 WO2005017345 A1 WO 2005017345A1 EP 2004008570 W EP2004008570 W EP 2004008570W WO 2005017345 A1 WO2005017345 A1 WO 2005017345A1
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WO
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injection
injection nozzle
jet
pressure chamber
bar
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Application number
PCT/EP2004/008570
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Ankele
Dietmar Bertsch
Lothar Herrmann
Manuel Zeller
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Publication date
Application filed by Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/12—Other methods of operation
    • F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the quality of an injection nozzle according to the preamble of claim 1.
  • injection nozzles When operating spark-ignited internal combustion engines with direct injection, injection nozzles are used which are intended to ensure improved combustion with low emission formation by the formation of a specific fuel spray pattern.
  • outwardly opening injection nozzles are used to design an optimized fuel injection.
  • the spray pattern generated by such injection nozzles is decisive for the ignition properties of the mixture formed.
  • a decisive quality feature of such injection nozzles is an unchangeable or almost permanent spray pattern design during the life of an internal combustion engine.
  • the method according to the invention is characterized in that, in order to determine the quality of an injection nozzle, in particular an injection nozzle that opens outwards, a medium emerging from the injection nozzle in the form of a conical jet is injected into a pressure chamber, the outlet conditions of the medium being set such that an off protruding vertebrae are formed on the lateral surface of the cone. A jet image of the medium emerging from the injection nozzle is recorded. An edge vertebra height of the beam formed is then determined. In this way, the injection quality of the injector under test can be determined on the basis of the detected spray pattern. A temporal course of the edge vertebra height can preferably be determined in order to use a further control measurement variable for quality determination.
  • the design of the injected jet is carried out in the pressure chamber under conditions similar to those in real operation of a spark-ignition internal combustion engine with direct fuel injection.
  • the edge vertebra height and / or the temporal course of the edge vertebra height serve as a quality criterion for the injector used.
  • the vertebra height and the temporal course of the vertebra height define or reflect the ignition requirements or the mixture quality around an ignition source in a jet-guided combustion process. For example, a minimum value for the vertebra height is set. After determining the present vertebra height, this is compared with the minimum value, so that a quality statement about the spray pattern or the injection behavior of the injector under test can then be formulated. This can also be done analogously with the temporal course of the peripheral vertebra height.
  • the edge vertebra height is measured at a time between 0.2 ms and 2.5 ms after the start of injection.
  • the quality determination is thus carried out at a point in time in which conditions similar to those in real operation of a spark-ignited internal combustion engine with direct fuel injection prevail in the pressure chamber.
  • the beam structure is diagnosed as under typical engine operating conditions.
  • the jet is injected with a cone angle of 60 ° to 120 °, in particular 75 ° to 95 °.
  • a cone angle of 60 ° to 120 °, in particular 75 ° to 95 °.
  • a pressure between 2 bar and 12 bar, in particular 6 bar is set within the pressure chamber.
  • Typical operating conditions in the combustion chamber during a Fuel injection can be simulated in the compression stroke.
  • a temperature between 5 ° C. and 40 ° C., in particular 20 ° C., is preferably set within the pressure chamber. This enables a reliable quality check to be carried out as with engine operation.
  • the pressure chamber can be filled with nitrogen or air.
  • a petrol or n-heptane is used as the injected medium.
  • the injection behavior of the injection nozzle can thus be checked thoroughly and almost exactly using a medium that is used in real operation of a spark-ignition internal combustion engine.
  • the injected medium is preferably introduced into the pressure chamber with an injection pressure between 100 bar and 300 bar, in particular with 200 bar.
  • silhouette images of the jet are generated up to a point in time of 5 ms after the start of injection. This is intended to determine the development of the edge vertebrae on the lateral surface of the conical beam in order to determine a time course of the height of the edge vertebrae.
  • the edge vertebra height is measured from the silhouette images in a grayscale range of 50% to 95%, in particular 85%.
  • the ignition conditions around an ignition source in the combustion chamber of a spark-ignited internal combustion engine are thus reliably checked.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a pressure chamber measuring device with an integrated injection nozzle
  • FIG. 2 is a silhouette image of a jet of a medium injected into the pressure chamber according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a time profile of an edge vertebra height h of the injected jet according to FIG. 2,
  • Fig. 6 is a schematic representation of different positions of the injection nozzle in the pressure chamber.
  • FIG. 1 shows a test bench structure with a pressure chamber 1 and an injection device 2, which is arranged above the pressure chamber 1, an injection nozzle 3 connected to the injection device 2 protruding into the pressure chamber 1.
  • a medium preferably petrol or n-heptane, is injected into the pressure chamber 1 by means of the injection nozzle 3.
  • a camera 5 is set up, with which silhouette images are taken during the injection process.
  • Light source 6 is arranged, with which a beam 4 emerging from the injection nozzle 3 is illuminated.
  • the pressure chamber 1 is filled with gaseous nitrogen under pressure.
  • the pressure chamber can be filled with air.
  • the injection nozzle 3 is preferably designed as an outwardly opening nozzle. This results in a typical jet structure during the fuel injection according to FIG. 2, in which an edge vortex 7 is formed on the lateral surface of the injected jet 4. If the injection jet 4 is illuminated by the light source 6 using the transmitted light or backlighting method, an injection pressure of approximately 180 to 220 bar, in particular 200 bar and an absolute pressure in the injection chamber of approximately 4 bar to 8 bar, in particular 6 bar, is produced the jet image shown in Fig.
  • the light source 6 generates a back light image of the injected beam 4 by means of the camera 5, which is recorded by the camera 5 at a discrete point in time. Multiple exposures can be taken during an injection.
  • the injection nozzle 3 is installed in a defined rotational position according to FIG. 6 in the pressure chamber apparatus 9. 6 shows the injection nozzle 3 in the direction of the camera 5.
  • the injection duration of the injection nozzle 3 is 1.0 ms with a back pressure in the pressure chamber of about 6 bar absolute.
  • the temperature inside the pressure chamber is set to 20 ° C.
  • Preferred as an injection medium is n-heptane, which as a pure substance corresponds to the viscosity of a petrol.
  • the injection medium is preferably at an injection pressure of approximately 150 bar Up to 250 bar, in particular 200 bar introduced into the pressure chamber 3.
  • a flow of approximately 36 to 42 mm 3 / ms is set at the outlet opening of the injection nozzle 3, for example in the case of an outwardly opening nozzle.
  • the present invention aims to check the injection behavior of the injection nozzle 3 and its suitability in particular for a jet-guided method.
  • a well-prepared mixture in the area of an ignition source e.g. a spark plug.
  • the position and properties of the ignitable mixture cloud are influenced by the spray pattern.
  • a fuel cone on a combustion air compressed in a combustion chamber whereby a toroidal vortex is formed on the lateral surface of the fuel cone.
  • An ignitable fuel / air mixture is provided in the area of the electrodes of the spark plug.
  • the spark plug is geometrically arranged in such a way that its electrodes protrude into the vortex obtained. In order to avoid wetting of the ignition electrodes during fuel injection, they are nevertheless positioned outside the lateral surface of the fuel cone 4.
  • the method according to the invention is characterized in that, in order to determine the quality of the injection nozzle 3, a medium emerging from the injection nozzle in the form of the conical jet 4 is injected into the pressure chamber 1, the exit conditions of the medium being set in such a way that that from the lateral surface 8 of the cone 4 emerging vertebrae 7 is formed.
  • the camera 5 set up to the right of the pressure chamber 1, a beam image or several images are recorded, so that an edge vertebra height h according to FIG. 2 is then determined.
  • the swirl obtained should have a uniform fuel distribution over the entire area, so that, for example, a tilting of the swirl is avoided.
  • the geometric ignition point in the engine is determined by the relative position of the spark plug or the ignition spark to the jet exit at the injection nozzle 3.
  • an ignitable mixture must be present at this ignition spark point with every injection process, since otherwise misfiring would occur in the engine. That is, in order to ensure a certain ignition stability in engine operation, the injection nozzle 3 must produce a spray pattern in which a necessary outer torus swirl 7 according to FIG. 2 occurs consistently in the area of the ignition spark point with each injection process.
  • the injection quality of the injection nozzle 3 is determined on the basis of the determined vertebral height h.
  • the edge vortex height h is measured, which serves as a criterion for the injection quality of the injection nozzle used.
  • the marginal vertebra height h is compared with a specified minimum value.
  • a statement regarding the spray pattern quality or the injection behavior is then made.
  • the injection nozzle 3 is examined in two rotational positions according to FIG. 6, which differ from one another by 90 °. This provides beam pattern information in four places, hereinafter referred to as A, B, C and D according to FIG. 6, which are each offset by 90 °.
  • the present invention uses a simple and inexpensive silhouette measurement technique which, thanks to a standardized recording sequence of injection jet images and a subsequent image analysis, permits rapid injection nozzle qualification.
  • the tests in the pressure chamber 1 are carried out at a counter pressure, i.e. Absolute pressure, from about 3 bar to 9 bar, in particular 5 bar to 6 bar. In a typical engine, this corresponds to a back pressure in the combustion chamber during the compression stroke in a range from approximately 40 ° crank angle to 15 ° crank angle before top dead center.
  • An absolute pressure of about 6 bar is preferably set in the pressure chamber. This corresponds approximately to an air density at an injection time of approximately 25 ° crank angle before top dead center.
  • a number of image series are recorded to enable meaningful quality determination.
  • a time range from 0.0ms to 1.5ms after the start of injection, i.e. with the beginning of the opening flank up to the end of the closing flank of the injection nozzle 3, at a distance of 0.1 ms, at least 10 images taken at the same time.
  • the injector nozzle 3 is rotated 90 ° counterclockwise in its installed position and the described recording procedure is repeated.
  • the suitability of the injection nozzle 3 for real engine operation is distinguished above all by the fact that the edge vortex height h has a fixed one at a point in time after the end of injection Not less than the minimum value.
  • the edge vortex height h above a jet cone jacket 8 and / or its temporal course serves as a measure for a reliable transport of an ignitable fuel / air mixture into the spark region of the spark plug.
  • the silhouette images are evaluated as follows.
  • a parallel line 10 is drawn to the jet edge 8 elongated in the exit direction according to FIG. 2, with which an outer area of the edge vortex 7, i.e. from the white area.
  • the scanning takes place up to a gray threshold value of 85%.
  • a gray threshold value of 0% for black and 100% for white is set. If the gray threshold falls below a value of 85% of the grayscale range at a certain point during the line scanning, the perpendicular distance of the line 10 to the beam edge 8 is determined at this point as the edge vortex height h.
  • edge vortex heights are referred to their position in relation to the injection valve as edge vortex heights at A, B, C and D according to FIG. 6.
  • edge vertebrae heights are averaged at the respective rotational positions, so that an additional average value for the edge vertebrae height is available at any time, ie every 0.1ms, over the course of the recording sequence from 0.0ms to 1.5ms after the start of injection.
  • a typical The course of the vertebral height h over time is shown in FIG. 3.
  • the values A, B, C and D for the vertebral height h can be averaged both arithmetically and by weighting the positions or rotational positions A, B, C and D, the weighting of the position or rotational position being the most important which points to the spark plug in the installed state of the injection nozzle in the engine, and the position which is weakest, which points away from the spark plug in the installed state of the injection nozzle in the engine, ie is opposite the position described above.
  • the two lays arranged or lying in between get an average rating, which is the same for both
  • the edge vertebra height h and its course must meet two conditions or two criteria.
  • the first criterion hereinafter referred to as the R ⁇ criterion
  • the edge vortex height h is determined in a time grid of 0.1 ms in the time range from 0.6 ms to 1.1 ms after the start of injection.
  • the determined values are approximated in every rotational position with a regression line using the least squares method.
  • the connecting straight line between the corner points at 0.6 ms and 1.1 ms after the start of injection can also be used for the regression.
  • the slopes of the four straight lines are averaged. As described above, the averaging can be carried out both arithmetically and via a different weighting of the individual values.
  • the marginal vertebral height progression criterion, Rx criterion is met according to the invention when the average slope of all four regression lines is greater than a value in the range from 1.0 to 2.0 mm / ms, in particular greater than a value in the range from 1.3 to 1.7 mm / ms.
  • the injection nozzle 3 is classified as unsuitable for the required engine operation, ie it is not suitable for the jet-guided combustion process, since an ignitable mixture cloud in the area of the ignition electrodes of a spark plug is not expected at the time of ignition.
  • An example of the determination of such regression lines is shown in FIG. 4.
  • the vertebra height h is used for the second criterion.
  • the value of the edge vortex height h is determined at 1.1 ms after the start of injection in each rotational position, ie A, B, C and D.
  • the values from the four rotational positions are averaged. As described above, the averaging can be carried out both arithmetically and via a different weighting of the individual values.
  • the edge vertebra height criterion, R 2 criterion is met according to the invention when the averaged edge vertebra height h at 1.1 ms after the start of injection exceeds a value range of 4.2 mm to 5.4 mm, in particular 4.6 mm to 5.5 mm.
  • the injector 3 is then considered unsuitable for the required engine operation and is therefore not suitable for the jet-guided combustion process.
  • An example of the edge vortex height h at the time 1.1 ms after the start of injection is shown in FIG. 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Einspritzdüse, bei dem ein aus der Einspritzdüse austretendes Medium in Form eines kegeligen Strahls in eine Druckkammer eingespritzt wird. Die Austrittsbedingungen des Mediums werden derart eingestellt, dass ein aus der Mantelfläche des Kegels hervortretender Randwirbel gebildet wird. Dabei wird ein Strahlbild des aus der Einspritzdüse austretenden Mediums erfasst, so dass eine Randwirbelhöhe des gebildeten Strahls ermittelt wird, die mit einer festgelegten Mindestrandwirbelhöhe verglichen wird.

Description

Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Einspritzdüse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden Einspritzdüsen verwendet, die durch die Bildung eines bestimmten KraftstoffStrahlbildes eine verbesserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbildung gewährleisten sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brennverfahren werden nach außen öffnende Einspritzdüsen zur Gestaltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung eingesetzt. Das durch solche Einspritzdüsen erzeugte Strahlbild ist dabei maßgeblich für die Zündeigenschaften des gebildeten Gemisches. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal solcher Einspritzdüsen ist eine unveränderlich bzw. nahezu bleibende Strahl- bildgestaltung während der Lebensdauer einer Brennkraftmaschine .
In der Regel wird zur Qualifizierung einer Einspritzdüse nach deren Produktion ein motorischer Test bzw. umfangreiche Untersuchungen mit optischen Messeinrichtungen durchgeführt. Dennoch kommen trotz Einhaltung der zugelassenen Toleranzen oftmals Strahlbilder mit geringfügigen Abweichungen im Vergleich zu einem idealen Strahlbild zustande, die beispielsweise zu Zündaussetzern und ähnlichem führen und somit das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine infolge des leicht veränderten Strahlbildes negativ beeinflussen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Einspitzverhalten einer Einspritzdüse vor deren Einbau in eine Brennkraftmaschine zu testen, um durch geringe Toleranzen bei einer großen Anzahl von Einspritzdüsen eine zuverlässige Zündung eines gebildeten Gemisches durch nahezu exakte Strahl- bildung zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Qualitätsbestimmung einer Einspritzdüse, insbesondere einer nach außen öffnenden Einspritzdüse, ein aus der Einspritzdüse austretendes Medium in Form eines kegeligen Strahls in eine Druckkammer eingespritzt wird, wobei die Austrittsbedingungen des Mediums derart eingestellt werden, dass ein aus der Mantelfläche des Kegels hervortretender Randwirbel gebildet wird. Dabei wird ein Strahlbild des aus der Einspritzdüse austretenden Mediums erfasst. Anschließend wird eine Randwirbelhohe des gebildeten Strahls ermittelt. Hierdurch kann die Einspritzqualität der getesteten Einspritzdüse anhand des erfassten Strahlbildes bestimmt werden. Vorzugsweise kann ein zeitlicher Verlauf der Randwirbelhohe bestimmt werden, um eine weitere Kontrollmessgröße zur Qualitätsbestimmung heranzuziehen.
In der Druckkammer wird die Gestaltung des eingespritzten Strahls unter ähnlichen Bedingungen wie im Realbetrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung bewerkstelligt. Die Randwirbelhohe und/oder der zeitliche Verlauf der Randwirbelhohe dienen dabei als Qualitätskriterium für die verwendete Einspritzdüse. Die Randwirbelhohe und der zeitliche Verlauf der Randwirbelhohe definieren bzw. widerspiegeln bei einem strahlgeführten Brennverfahren die Zündvoraussetzungen bzw. die Gemischqualität um eine Zündquelle. Beispielsweise wird ein Mindestwert für die Randwirbelhohe festgelegt. Nach der Bestimmung der vorliegenden Randwirbelhohe wird diese mit dem Mindestwert verglichen, sodass anschließend eine Qualitätsaussage über das Strahlbild bzw. das Einspritzverhalten der getesteten Einspritzdüse formuliert werden kann. Dies kann sinngemäß beim zeitlichen Verlauf der Randwirbelh he ebenfalls durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Randwirbelhohe zu einem Zeitpunkt zwischen 0,2ms und 2,5ms nach Einspritzbeginn gemessen. Somit wird die Qualitätsbestimmung zu einem Zeitpunkt durchgeführt, bei dem in der Druckkammer ähnliche Bedingungen wie in einem Realbetrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung herrschen. Dadurch wird die Strahlstruktur wie unter typischen Motorbetriebsbedingungen diagnostiziert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Strahl mit einem Kegelwinkel von 60° bis 120°, insbesondere 75° bis 95° eingespritzt. Dadurch lässt sich ein kegelförmiger Strahl ausbilden, bei dem ein für das strahlgeführte Brennverfahren notwendiger Randwirbel zustande kommt . Somit lässt sich das Einspritzverhalten und die Eignung der getesteten Einspritzdüse für ein strahlgeführtes Brennverfahren bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine leicht und kostengünstig überprüfen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird innerhalb der Druckkammer ein Druck zwischen 2 bar und 12 bar, insbesondere 6 bar eingestellt. Somit können an einem Prüfstand typische Betriebsbedingungen im Brennraum während einer Kraftstoffeinspritzung im Kompressionshub simuliert werden. Vorzugsweise wird innerhalb der Druckkammer eine Temperatur zwischen 5°C und 40°C, insbesondere 20°C eingestellt. Hierdurch lässt sich eine zuverlässige Qualitätsüberprüfung wie beim Motorbetrieb durchführen. Dabei kann die Druckkammer mit Stickstoff oder Luft befüllt sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als eingespritztes Medium ein Otto-Kraftstoff oder n-Heptan verwendet. Somit lässt sich das Einspritzverhalten der Einspritzdüse anhand eines Mediums , das im Realbetrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendet wird, gründlich und nahezu exakt überprüfen. Vorzugsweise wird das eingespritzte Medium mit einem Einspritzdruck zwischen 100 bar und 300 bar, insbesondere mit 200 bar in die Druckkammer eingebracht .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Schattenrissbilder des Strahls bis zu einem Zeitpunkt von 5ms nach Einspritzbeginn erzeugt. Dadurch soll eine Randwirbel- entwicklung an der Mantelfläche des kegelförmigen Strahls bestimmt werden, um einen zeitlichen Verlauf der Randwirbelhohe zu ermitteln.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Randwirbelhohe aus den Schattenrissbilder in einem Graustufenbereich von 50% bis 95%, insbesondere bei 85% gemessen. Somit werden die Zündbedingungen um eine Zündquelle im Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zuverlässig ü- berprüft .
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Druckkammermess- einrichtung mit einer eingebauten Einspritzdüse,
Fig. 2 ein Schattenrissbild eines Strahls eines in die Druckkammer eingespritzten Mediums nach Fig. 1,
Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf einer Randwirbelhohe h des eingespritzten Strahls nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Darstellung des Randwirbelhöhenverlaufs und seiner Regressionsgeraden in einem bestimmten Zeitbereich,
Fig. 5 eine Darstellung eines Mittelwertes der Randwirbelhohe zum Zeitpunkt von 1.1ms nach Einspritzbeginn und
Fig. 6 eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Stellungen der Einspritzdüse in der Druckkammer.
In Fig. 1 ist ein Prüfstandsaufbau mit einer Druckkammer 1 und einer Einspritzvorrichtung 2 dargestellt, die oberhalb der Druckkammer 1 angeordnet ist, wobei eine mit der Einspritzvorrichtung 2 verbundene Einspritzdüse 3 in die Druckkammer 1 einragt. Mittels der Einspritzdüse 3 wird in die Druckkammer 1 ein Medium, vorzugsweise Otto-Kraftstoff oder n-Heptan eingespritzt. In Fig. 1 rechts neben der Druckkammer 1 ist eine Kamera 5 aufgestellt, mit der Schattenrissbilder während des Einspritzvorgangs aufgenommen werden. Hierfür ist auf der gegenüberliegenden Seite von Druckkammer 1 eine Lichtquelle 6 angeordnet, mit der ein aus der Einspritzdüse 3 austretender Strahl 4 beleuchtet wird.
Um die Einspritzdüse 3 bei der Einspritzung von Otto- Kraftstoff oder n-Heptan unter Motorbetriebsbedingungen zu testen, wird die Druckkammer 1 mit gasförmigem Stickstoff unter Druck befüllt. Alternativ kann die Druckkammer mit Luft befüllt werden. Vorzugsweise ist die Einspritzdüse 3 als eine nach außen öffnende Düse ausgebildet. Hierdurch entsteht während der Kraftstoffeinspritzung gemäß Fig. 2 eine typische Strahlstruktur, bei der an der Mantelfläche des einsgespritzten Strahls 4 ein Randwirbel 7 gebildet wird. Beleuchtet man den Einspritzstrahl 4 durch die Lichtquelle 6 im Durchlicht- oder Gegenlichtverfahren, so entsteht bei einem Einspritzdruck von etwa 180 bis 220bar, insbesondere bei 200 bar und bei einem absoluten Druck in der Einspritzkammer von etwa 4 bar bis 8 bar, insbesondere bei 6 bar das in Fig. 2 dargestellte Strahlbild, wenn eine Aufnahme zu einem Zeitpunkt von etwa 0,7ms nach Einspritzbeginn stattfindet. Durch die Lichtquelle 6 wird von dem eingespritzten Strahl 4 mittels der Kamera 5 ein Gegenlichtbild erzeugt, das von der Kamera 5 zu einem diskreten Zeitpunkt aufgenommen wird. Es können während einer Einspritzung mehrere Aufnahmen vorgenommen werden.
Die Einspritzdüse 3 wird in einer definierten Drehlage gemäß Fig. 6 in der Druckkammer-Apparatur 9 eingebaut. Dabei zeigt ein elektrischer Anschlussstecker gemäß Fig. 6 der Einspritzdüse 3 in Richtung der Kamera 5. Die Einspritzdauer der Einspritzdüse 3 beträgt 1,0ms bei einem Gegendruck in der Druckkammer von etwa 6 bar absolut . Die Temperatur innerhalb der Druckkammer wird auf 20°C eingestellt. Als ein Einspritzmedium wird n-Heptan bevorzugt, das dieser als Reinstoff der Viskosität eines Ottokraftstoffes entspricht. Vorzugsweise wird das Einspritzmedium mit einem Einspritzdruck von etwa 150 bar bis 250 bar, insbesondere 200 bar in die Druckkammer 3 eingebracht. Hierdurch wird an der Austrittsδffnung der Einspritzdüse 3, z.B. bei einer nach außen öffnenden Düse, ein Durch- fluss von etwa 36 bis 42 mm3 /ms eingestellt.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das Einspritzverhalten der Einspritzdüse 3 und ihre Eignung insbesondere für ein strahlgeführtes Verfahren zu überprüfen. Bei einem solchen Brennverfahren muss innerhalb kürzester Zeit ein gut aufbereitetes Gemisch im Bereich einer Zündquelle, z.B. einer Zündkerze vorliegen. Die Lage und Eigenschaften der zündfähigen Gemischwolke werden durch das Strahlbild beeinflusst . Beim strahlgeführten Brennverfahren trifft z.B. ein Kraft- stoffkegel auf eine in einem Brennraum komprimierte Verbrennungsluft, wodurch ein torusförmiger Wirbel an der Mantelfläche des Kraftstoffkegeis gebildet wird. Hierbei wird im Bereich der Elektroden der Zündkerze ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch bereitgestellt. Die geometrische Anordnung der Zündkerze erfolgt derart, dass deren Elektroden in den erzielten Wirbel hineinragen. Um eine Benetzung der Zündelektroden während der Kraftstoffeinspritzung zu vermeiden, werden sie dennoch außerhalb der Mantelfläche des Kraftstoffkegels 4 positioniert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Qualitätsbestimmung der Einspritzdüse 3 ein aus der Einspritzdüse austretendes Medium in Form des kegeligen Strahls 4 in die Druckkammer 1 eingespritzt wird, wobei die Austrittsbedingungen des Mediums derart eingestellt werden, dass der aus der Mantelfläche 8 des Kegels 4 hervortretender Randwirbel 7 gebildet wird. Mittels der rechts von der Druckkammer 1 aufgestellten Kamera 5 wird ein Strahlbild bzw. mehrere Bilder erfasst, sodass eine Randwirbelhohe h gemäß Fig. 2 dann ermittelt wird. Zur Erzielung einer optimalen Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes ist es notwendig, durch die Einspritzdüse 3 einen symmetrischen und gleichmäßigen torusförmigen Wirbel zu gestalten, d. h. der erzielte Wirbel soll im gesamten Bereich eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung aufweisen, so dass beispielsweise eine Verkippung des Wirbels vermieden wird. Beim strahlgeführten Brennverfahren ist der geometrische Entflammungspunkt im Motor durch die relative Lage der Zündkerze bzw. des Zündfunkens zum Strahlaustritt an der Einspritzdüse 3 bestimmt. An dieser Zündfunkenstelle muss jedoch bei jedem Einspritzvorgang ein zündfähiges Gemisch vorliegen, da ansonsten Zündaussetzer im Motor auftreten würden. D.h., um eine bestimmte Zünd-Stabilität im Motorbetrieb zu gewährleisten, muss die Einspritzdüse 3 ein Strahlbild herbeiführen, bei dem ein notwendiger äußerer Toruswirbel 7 gemäß Fig. 2 im Bereich der Zündfunkenstelle bei jedem Einspritzvorgang gleichbleibend zustande kommt .
Erfindungsgemäß wird die Einspritzqualität der Einspritzdüse 3 anhand der ermittelten Randwirbelhohe h bestimmt. Mittels der aufgenommenen Schattenrissbilder des eingespritzten Strahls 4 werden in der Druckkammer 1 Schwankungen in der StrahlStruktur aufgrund einer Änderung der Grauwerte innerhalb des Strahlbildes ermittelt. Hierbei wird die Randwirbelhohe h gemessen, die als ein Kriterium für die Einspritzgüte der verwendeten Einspritzdüse dient . Nach der Bestimmung der Randwirbelhohe h wird diese mit einem festgelegten Mindest- wert verglichen. Eine Aussage bezüglich der Strahlbildqualität bzw. dem Einspritzverhalten wird dann getroffen. Zur Absicherung der Ergebnisse wird die Einspritzdüse 3 in zwei Drehlagen gemäß Fig. 6 untersucht, die sich um 90° voneinander unterscheiden. Dadurch erhält man Strahlbildinformationen an vier Stellen, nachfolgend als A, B, C und D gemäß Fig. 6 bezeichnet, die jeweils um 90° versetzt sind.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine einfache und billige Schattenrissmesstechnik verwendet, die durch eine standardisierte Aufnahmesequenz von Einspritzstrahlbildern und eine nachträgliche Bildanalyse eine schnelle Qualifizierung der Einspritzdüse zulässt .
Um das Einspritzverhalten der Einspritzdüse unter Realmotorbetrieb zu beurteilen, werden die Tests in der Druckkammer 1 bei einem Gegendruck , d.h. Absolutdruck, von etwa 3 bar bis 9 bar, insbesondere 5 bar bis 6 bar vorgenommen. Dies entspricht bei einem typischen Motor einem Gegendruck im Brennraum während des Kompressionshubs in einem Bereich von etwa 40°Kurbelwinkel bis 15° Kurbelwinkel vor einem oberen Totpunkt. Vorzugsweise wird in der Druckkammer ein Absolutdruck von etwa 6 bar eingestellt. Dies entspricht in etwa einer Luftdichte zu einem Einspritzzeitpunkt von etwa 25°Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt.
Zur Ermöglichung einer aussagekräftigen Qualitätsbestimmung werden erfindungsgemäß mehrere Bildserien aufgenommen. Es werden in einem Zeitbereich von 0,0ms bis 1,5ms nach Ein- spritzbeginn, d.h. mit Beginn der Öffnungsflanke bis nach Ende der Schließflanke der Einspritzdüse 3, in einem Abstand von 0,1ms jeweils mindestens 10 Bilder zum selben Zeitpunkt aufgenommen. Danach wird die Einspritzdüse 3 in ihrer Einbau- läge um 90° im Gegenuhrzeigersinn gedreht und die beschriebene Aufnahmeprozedur wiederholt.
Die Eignung der Einspritzdüse 3 für den realen Motorbetrieb zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Randwirbelhohe h zu einem Zeitpunkt nach Einspritzende einen festgelegten Mindestwert nicht unterschreitet. Dabei dient die Randwirbelhohe h über einem Strahlkegelmantel 8 und/oder ihr zeitlicher Verlauf als Maß für einen zuverlässigen Transport eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in den Funkenbereich der Zündkerze .
Die Schattenrissbilder werden wie folgt ausgewertet. Im Düsenaustrittsbereich wird eine parallele Linie 10 zu der in Austrittsrichtung verlängerten Strahlkante 8 gemäß Fig. 2 gezogen, mit der ein äußerer Bereich des Randwirbels 7, d.h. vom weißen Bereich aus, abgetastet wird. Die Abtastung erfolgt bis zu einem Grau-Schwellwert von 85%. Erfindungsgemäß wird ein Grau-Schwellwert von 0% für Schwarz und von 100% für Weiß festgelegt. Unterschreitet der Grau-Schwellenwert während der Linien-Abtastung einen Wert von 85% des Graustufenbereiches an einer bestimmten Stelle, so wird der senkrechte Abstand der Linie 10 zur Strahlkante 8 an dieser Stelle als Randwirbelhohe h ermittelt .
Die Abtastung erfolgt bei allen Bildern am rechten und am linken Rand des Einspritzstrahles. Die über die Abtastung bestimmten Werte für die Randwirbelhohe h werden zu jedem Zeitpunkt separat gemittelt, d.h. aus den zehn aufgenommenen Bildern, so dass zu jedem Zeitpunkt von 0,1ms vier mittlere Randwirbelhöhen gemäß Fig. 3 zur Verfügung stehen. Diese Randwirbelhöhen werden ihrer Position zum Einspritzventil entsprechend als Randwirbelhöhen bei A, B, C und D gemäß Fig. 6 bezeichnet .
Zusätzlich werden die Randwirbelhöhen bei den jeweiligen Drehlagen gemittelt, so dass über dem zeitlichen Verlauf der Aufnahmesequenz von 0,0ms bis 1,5ms nach Einspritzbeginn zu jedem Zeitpunkt, d.h. jede 0,1ms, zusätzlich ein mittlerer Wert für die Randwirbelhohe zur Verfügung steht. Ein typi- scher Verlauf der Randwirbelhohe h über der Zeit ist in Fig. 3 dargestellt. Die Mittelung der Werte A, B, C und D für die Randwirbelhohe h kann sowohl arithmetisch als auch über eine Gewichtung der Positionen bzw. Drehlagen A, B, C und D erfolgen, wobei bei einer Gewichtung die Position bzw. die Drehlage am stärksten bewertet wird, die im Einbauzustand der Einspritzdüse im Motor zur Zündkerze zeigt, und die Position am schwächsten bewertet wird, die im Einbauzustand der Einspritzdüse im Motor von der Zündkerze weg zeigt, d.h. der o- ben beschriebenen Position gegenüberliegt. Die beiden dazwischen angeordneten bzw. liegenden Drehlegen bekommen eine mittlere Bewertung, die bei beiden gleich groß ist
Die Randwirbelhohe h und ihr Verlauf muss erfindungsgemäß zwei Bedingungen bzw. zwei Kriterien erfüllen. Beim ersten Kriterium, nachfolgend als Rχ-Kriterium genannt, wird der Randwirbelhöhen-Verlauf herangezogen. Die Randwirbelhohe h wird in einer zeitlichen Rasterung von 0,1ms im Zeitbereich von 0,6ms bis 1,1ms nach Einspritzbeginn bestimmt. Dabei werden die ermittelten Werte in jeder Drehlage mit einer Regressionsgeraden nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate angenähert. Alternativ kann für die Regression jeweils auch die Verbindungsgerade zwischen den Eckpunkten bei 0,6ms und 1,1ms nach dem Einspritzbeginn herangezogen werden. Die Steigungen der vier Geraden werden gemittelt. Die Mittelung kann, wie oben beschrieben, sowohl arithmetisch als auch über eine unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Werte vorgenommen werden.
Das Randwirbelhöhen-Verlaufs-Kriterium, Rx-Kri erium, ist dann erfindungsgemäß erfüllt, wenn die gemittelte Steigung aller vier Regressionsgeraden größer als ein Wert im Bereich von 1,0 bis 2,0 mm/ms, insbesondere größer als ein Wert im Bereich von 1,3 bis 1,7 mm/ms beträgt. Bei Unterschreitung des Grenzwertes wird die Einspritzdüse 3 für den geforderten Motorbetrieb als nicht geeignet eingestuft, d.h., sie ist nicht tauglich für das strahlgeführte Brennverfahren, da eine zündfähige Gemischwolke im Bereich der Zündelektroden einer Zündkerze zum Zündzeitpunkt nicht erwartet wird. Ein Beispiel für die Ermittelung solcher Regressionsgeraden ist in Fig. 4 dargestellt .
Beim zweiten Kriterium, nachfolgend als R2-Kriterium genannt, wird die Randwirbelhohe h herangezogen. Dabei wird der Wert der Randwirbelhohe h bei 1,1ms nach Einspritzbeginn in jeder Drehlage, d.h. A, B, C und D bestimmt. Die Werte aus den vier Drehlagen werden gemittelt. Die Mittelung kann, wie oben beschrieben, sowohl arithmetisch als auch über eine unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Werte vorgenommen werden. Das Randwirbelhöhen-Kriterium, R2-Kriterium, ist dann erfindungsgemäß erfüllt, wenn die gemittelte Randwirbelhohe h bei 1,1ms nach Einspritzbeginn einen Wertebereich von 4,2mm bis 5,4 mm, insbesondere 4,6mm bis 5,5mm übersteigt. Bei Unterschreitung dieses Wertebereiches gilt die Einspritzdüse 3 dann als nicht geeignet für den geforderten Motorbetrieb und ist somit nicht tauglich für das strahlgeführte Brennverfahren. Ein Beispiel für die Randwirbelhohe h zum Zeitpunkt 1,1ms nach Einspritzbeginn ist in Fig. 5 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Einspritzdüse, bei dem - ein aus der Einspritzdüse austretendes Medium in Form eines kegeligen Strahls in eine Druckkammer eingespritzt wird, wobei - die Austrittsbedingungen des Mediums derart eingestellt werden, dass ein aus der Mantelfläche des Kegels hervortretender Randwirbel gebildet wird, - ein Strahlbild des aus der Einspritzdüse austretenden Mediums erfasst wird, und - eine Randwirbelhohe des gebildeten Strahls ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Randwirbelhohe zu einem Zeitpunkt zwischen 0,2ms und 2,5ms nach Einspritzbeginn gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Strahl mit einem Kegelwinkel von 60° bis 120° eingespritzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s dass innerhalb der Druckkammer ein Druck zwischen 2 bar und 10 bar, insbesondere 6 bar eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s innerhalb der Druckkammer eine Temperatur zwischen 5°C und 40°C, insbesondere 20°C eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als eingespritztes Medium ein Otto-Kraftstoff oder n- Heptan verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das eingespritzte Medium mit einem Einspritzdruck zwischen 100 bar und 300 bar, insbesondere mit 200 bar in die Druckkammer eingebracht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s mehrere Schattenrissbilder des Strahls bis zu einem Zeitpunkt von 5ms nach Einspritzbeginn erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Randwirbelhohe aus den Schattenrissbildern in einem Graustufenbereich von 50% bis 95%, insbesondere bei 85% gemessen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Druckkammer mit Stickstoff oder Luft befüllt ist.
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