WO2015197252A1 - Verfahren und vorrichtung zur charakterisierung eines injektors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse von durch einen Injektor (13) abgegebenem Fluid (2), umfassend ein fluidundurchlässiges Gehäuse (1) zur Fluidspeicherung, dieses aufweisend einen Injektoranschluss (11) zum Anschluss, insbesondereeines Eingangs (12),des Injektors (13) und einen Fluidanschluss (8) zur Einspeisung von Fluid (2),wobeiim Gehäuse (1) mindestens ein Drucksensor (3) zur Druckmessung vorgesehen ist, um mittels einer Auswerteeinheit (17) abhängig vom ermittelten Druck die Masse des Fluides (2) im Gehäuse (1) zu bestimmen.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung eines Injektors
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse von durch einen Injektor abgegebenem Fluid, umfassend ein fluidundurchlässiges Gehäuse zur Fluidspeicherung, dieses aufweisend einen Injektoranschluss zum
Anschluss, insbesondere eines Eingangs, des Injektors und einen Fluidanschluss zur Einspeisung von Fluid. Außerdem betrifft die Erfindung mehrere Verfahren, die Masse von durch einen Injektor abgegebenen Fluid zu bestimmen.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Entwicklung,
Funktionsprüfung und Wartung von Fluid-, insbesondere Gas- Injektoren. Solche Injektoren werden beispielsweise in Einspritzsystemen von Diesel-, oder Otto- Motoren eingesetzt. Einer der wesentlichen charakteristischen Parameter eines solchen Injektors ist der Durchfluss von Fluid während dessen Öffnungszeit, in der ein Fluidfluss vom Eingang zum Ausgang des Injektors ermöglicht ist. Aus der Öffnungszeit und dem effektiven Flusswiderstand des Injektors bei einem Einspritzvorgang ergibt sich zusammen mit den Fluideigenschaften,
mathematisch als Integral des Durchflusses über diese Öffnungszeit, und in der Praxis als innerhalb eines Injektionsvorgangs abgegebene Menge, als charakteristisches und wesentliches Merkmal die pro Schuss abgegebene Masse eines solchen Injektors.
Stand der Technik
Im allgemein bekannten Stand der Technik werden zur Durchflussmessung auf der Corioliskraft basierende Messinstrumente verwendet. Bei diesen
Instrumenten wird ein Fluidstrom durch ein mechanisch lateral schwingendes Rohr geleitet, wobei die Trägheit in Verbindung mit der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit des im Rohr enthaltenen Fluides die
Resonanzeigenschaften insbesondere in Form einer Phasenverschiebung entlang des Rohres beeinflusst. Ein entsprechender Phasenversatz kann dann gemessen werden und zur Quantifizierung des Fluidstroms verwendet werden.
Nachteilhaft an dieser Vorgehensweise ist, dass das physikalische
Wirkungsprinzip einen entlang des Rohres konstanten, oder nur Variationen in Größenordnungen, die sehr viel kleiner sind als die axiale Ausdehnung des Rohres, aufweisenden, ausgebildeten Fluidstrom erfordert. Bei Injektoren, deren Öffnungszeiten in geringen zeitlichen Größenordnungen, beispielsweise Zehntelsekunden oder weniger, liegen, müssen deshalb quasi-homogene Fluidströmungen erzeugt werden, indem der jeweilige Injektor eine Vielzahl an schnell aufeinanderfolgenden Injektionen vornimmt. Der durch das
Coriolismessinstrument dann gemessene Durchfluss kann durch die Anzahl der Injektionen geteilt werden, um auf den Durchfluss beziehungsweise die
Fluidmenge einer einzelnen Injektion zu kommen. Nachteilhaft hieran ist, dass keine Aussage über die Streuung zwischen einzelnen Injektionen (shot-to-shot Variation) möglich ist, wobei gerade dieser gerätespezifische Parameter in der Praxis besonders relevant ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, die Menge beziehungsweise die Masse des von einem Injektor abgegebenen Fluid auf Einzelschussbasis zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahren gemäß der Erfindung werden in den unabhängigen Ansprüchen 9 und 11 beschrieben. Die davon abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass im Gehäuse mindestens ein Drucksensor zur Druckmessung vorgesehen ist, um mittels einer Auswerteeinheit abhängig vom ermittelten Druck die Masse des Fluides im Gehäuse zu bestimmen.
Die Bestimmung der Masse des Fluides im Gehäuse dient der Bestimmung der Masse des Fluides, das der Injektor ausstößt. Die Masse des vom Injektor ausgestoßenen Fluides ist die Differenz zwischen der Masse des Fluides, das vor Aktivierung des Injektors im Gehäuse angeordnet ist, und der Masse des Fluides, das nach der Aktivierung im Gehäuse verbleibt. Die Bestimmung der Masse des Fluides in dem Gehäuse geschieht dabei durch die dort angebrachte Diagnostik. Beispielsweise ist es möglich, bei einem Fluid, welches
näherungsweise der idealen Gasgleichung gehorcht, die Anzahl der Atome oder Moleküle in einem Volumen in Abhängigkeit des Volumens, des Drucks und der Temperatur zu berechnen. Eine mögliche Darstellungsform der idealen
Gasgleichung lautet beispielsweise N = pV/(kT) mit der Fluidteilchenzahl N, dem Druck p, dem Volumen V, der Boltzmannkonstante k und der Temperatur T. Die Masse des Fluides in dem Volumen entspricht dann der beispielsweise aus der Fachliteratur bekannten Masse eines einzelnen Teilchens multipliziert mit der Teilchenanzahl N. Die Parameter auf der rechten Seite dieser Gleichung können auf Einzelschussbasis ermittelt werden. Einzelschussbasis bedeutet, dass die Messung bei einer einzelnen Aktivierung des Injektors durchführbar ist, statt über viele Aktivierungen gemittelt, wie beispielsweise bei auf der Corioliskraft basierenden Messinstrumenten. Es ist beispielsweise möglich, durch
Verwendung eines Drucksensors die Fluidteilchenzahl abzuschätzen, wenn ein isothermes System vorausgesetzt wird und die konstante Temperatur bekannt ist.
Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich im Gehäuse mindestens ein Temperaturmittel zur Temperaturmessung oder
Temperaturregelung des Fluides vorgesehen ist. Das Temperaturmittel kann dabei mindestens ein Temperatursensor, der nichtinvasiv eine Information über die Temperatur im Gehäuse liefert, sein, oder mindestens ein Temperaturregler, der eine vordefinierte Temperatur in dem Gehäuse erzeugt. Es ist auch möglich, beide Ausführungsformen des Temperaturmittels gleichzeitig zu verwenden. Um eine zusätzliche Methode zur Bestimmung der Fluidmenge zu schaffen, oder um die Messgenauigkeit zu erhöhen, und / oder um Kenntnis über weitere Fluideigenschaften, wie beispielsweise den Isentropenexponenten D = Dc2/p (mit dem gemessenen Druck p, der errechneten Dichte D und der gemessenen Schallgeschwindigkeit c) zu erlangen, können ein Schallsensor und ein
Schallempfänger, vorzugsweise im Ultraschallbereich arbeitend, vorzugsweise auf der Innenseite des Gehäuses angebracht werden, so dass von dem
Schallsender Schallwellen ausgesendet werden, welche durch das Fluid propagieren und von dem Schallsensor empfangen werden.
Durch die den Schallsender und Schallsensor aufweisende Diagnostik können somit Fluidparameter entlang eines oder mehrere Pfade durch das Fluid untersucht werden, statt nur lokal an einer einzelnen Stelle, beispielsweise wie bei einem geometrisch auf einige Kubikmillimeter begrenzten Temperatursensor. Lokale Variationen der die Schallmessung beeinflussenden Fluidparameter werden somit automatisch durch diese Form der Messung über einen oder mehrere Pfade in dem Fluid gemittelt. Beispielsweise kann bei Kenntnis des Fluidvolumens, das bei der Ausbildung des Fluides als Gas vorzugsweise dem Innenvolumen des Gehäuses entspricht, durch Messung der
Schallgeschwindigkeit und unter Kenntnis des Drucks in dem Gehäuse rechnerisch die Dichte und somit die Masse vor und nach Öffnung des Injektors gemessen werden, um die Masse des abgegebenen Fluides aus der Differenz der beiden Massen zu bestimmen.
Schallsender und Schallempfänger können dabei durch ein einzelnes Element, das sowohl elektrische Signale in Schall als auch Schallwellen in elektrische Signale umwandeln kann, realisiert sein.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass ausgangsseitig des Injektors ein Behältnis, beispielsweise ein eine Strömung führendes Rohr oder ein abgeschlossener Behälter, angebracht ist. Somit kann durch Definition des ausgangsseitig des Injektor anliegenden Druckes ein zum Test des Injektors vorgesehener Aufbau realisiert werden, der einem in der Praxis relevanten Aufbau physikalisch entspricht. Beispielsweise kann dort der Druck oder die Strömung in einem Zylinder eines Hubkolbenmotors simuliert werden. Vorzugsweise ist das Fluid kompressibel. Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem Fluid um ein Gas, das vorzugsweise gut durch die ideale Gasgleichung beschrieben werden kann. Relevante Beispiele hierfür sind Luft, Stickstoff, Autogas, Erdgas oder ein Kraftstoffgas.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die
Auswerteeinheit zusätzlich zum Druck auch die Messwerte des
Temperatursensors und / oder Schallwellensensors auswertet, um die Masse des vom Injektor abgegebenen Fluides zu bestimmen. Die Auswerteeinheit verarbeitet beispielsweise die Daten der jeweiligen Sensoren um die
Massenbestimmung des Fluides innerhalb des Gehäuses vor und nach Öffnung des Injektors vorzunehmen, und bildet anschließend die Differenz dieser Massen und gibt diese optional aus oder übermittelt diese elektronisch. Somit lässt sich das Testen beziehungsweise Charakterisieren des Injektors gegebenenfalls gänzlich automatisieren.
Ein die Erfindung betreffendes Verfahren sieht vor, dass bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung ein Eingang des Injektors an den Injektoranschluss angeschlossen wird, zur Extraktion von Fluid aus dem Gehäuse, wonach vor und nach Öffnung des Injektors Fluidparameter in dem Gehäuse erfasst werden, die eine Bestimmung der Masse, insbesondere der Massedifferenz des vor und nach Öffnung des Injektors im Gehäuse angeordneten Fluides zu ermöglichen.
Dieses Verfahren wird dadurch weiter verbessert, dass der Injektor
ausgangsseitig in ein Behältnis mit insbesondere vordefiniertem Druck mündet. Dadurch ist es möglich, in der Praxis relevante Konfigurationen physikalisch äquivalent zu simulieren.
Ein weiteres Verfahren sieht vor, dass ein Ausgang des Injektors an den
Fluidanschluss angeschlossen wird, dass dieser Fluidanschluss also gleichzeitig den Injektoranschluss darstellt, so dass durch den Injektor Fluid in das Gehäuse injiziert wird, um dort eine Bestimmung der Masse, insbesondere der
Massedifferenz des vor und nach Öffnung des Injektors im Gehäuse
angeordneten Fluides zu ermöglichen. Kurzbeschreibung der Zeichnung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Charakterisierung eines Injektors. Detailbeschreibung der Zeichnung
Gemäß Figur befindet sich in einem Gehäuse 1 mit einem Innenvolumen ein unter einem Druck stehendes Fluid 2 in Form eines Gases. Auf der Innenseite des Gehäuses 1 angeordnet sind ein Drucksensor 3, ein Temperaturmittel 4 in Form eines Temperatursensors, ein weiteres Temperaturmittel 5 in Form eines das Fluid 2 kühlenden Kühlmittels, ein Schallwellensender 6 und ein
Schallwellensensor 7. Ein Fluidanschluss 8 des Gehäuses ist an ein Ventil 9 angeschlossen, über das unter Druck stehendes Fluid 2 aus einem Fluidbehälter 10 in das Gehäuse 1 geleitet werden kann. An einem Injektoranschluss 11 ist der Eingang 12 eines Injektors 13 angeschlossen, der ausgangsseitig in ein
Behältnis 14 mündet, das von unter einem vorzugsweise vordefinierten Druck stehenden Fluid 15 durchströmt wird. In diesem Behältnis 14 in Form eines Fluidkanals ist ein Drucksensor 16 zur Bestimmung des darin anliegenden Druckes angeschlossen. Eine Auswerteeinheit 17 steuert den Injektor 13, den Schallwellensender 6, das Ventil 9 und das Temperaturmittel 5 in Form eines
Kühlmittels und überwacht die Werte des Drucksensors 3, des Temperaturmittels 4 in Form eines Temperatursensors, des Schallwellensensors 7 und des
Drucksensors 16. Durch den hier dargestellten Aufbau kann vor und nach Öffnung und
anschließender Schließung des Injektors 13 unter anderem der Druck, die Temperatur und die Schallgeschwindigkeit im Fluid 2 gemessen werden, wodurch eine rechnerische Bestimmung des durch den Injektor 13 aus dem Gehäuse 1 abgegebenen Fluides 2 beziehungsweise dessen Masse erlaubt wird. Die Messung des Drucks des Fluides 15 in dem Behältnis 14 in Form des Fluidkanals durch den Drucksensor 16 ist für die Bestimmung der Masse des abgegebenen Fluides 2 nicht relevant und dient nur gegebenenfalls der
Konstruktion einer an einem praktischen Szenario orientierten, realistischen Messumgebung.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das zuvor beschriebene
Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen davon möglich, die von den nachfolgenden Ansprüchen mit umfasst werden. So ist beispielsweise denkbar, dass das Volumen des Behältnisses so groß oder auch die Zeitdauer, über die hinweg der Injektor geöffnet ist so kurz gewählt wird, dass sich der Druck in dem Gehäuse nur marginal ändert und somit über den
Injektionsvorgang hinweg ein konstanter oder näherungsweise konstanter Druck am Eingang des Injektors anliegt, um gegebenenfalls einen physikalisch näher an einem in der Praxis relevanten Fall liegenden Aufbau zu schaffen.
Ebenso ist es möglich, dass beispielsweise nur Schallsender und Schallsensor und Drucksensor oder nur Drucksensor und Temperatursensor oder nur Kühlmittel und Schallsender und Schallsensor oder eine beliebige andere Kombination der Sensoren eingesetzt werden.
Es ist ebenfalls denkbar und mit von den folgenden Ansprüchen umfasst, dass der Injektor statt des Ventils eingangsseitig an den Fluidbehälter und
ausgangsseitig an den Fluidanschluss angeschlossen ist, so dass durch den Injektor Fluid in das Gehäuse injiziert und nicht, wie in der Figur dargestellt, daraus extrahiert wird. In Folge werden die Fluidparameter des durch den Injektor in das Gehäuse abgegebenen Fluides bestimmt. In diesem Verfahren ist dann der Injektoranschluss identisch mit dem Fluidanschluss und es wird, anders als in der Figur dargestellt, nicht das Fluid vermessen, das der Injektor aus dem Gehäuse extrahiert, sondern das Fluid, das der Injektor in das Gehäuse injiziert.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Masse von durch einen Injektor (13) abgegebenem Fluid (2), umfassend ein fluidundurchlässiges Gehäuse (1) zur Fluidspeicherung, dieses aufweisend einen Injektoranschluss (11) zum
Anschluss, insbesondere eines Eingangs (12), des Injektors (13) und einen Fluidanschluss (8) zur Einspeisung von Fluid (2),
dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) mindestens ein Drucksensor (3) zur Druckmessung vorgesehen ist, um mittels einer Auswerteeinheit (17) abhängig vom ermittelten Druck die Masse des Fluides (2) im Gehäuse (1) zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) mindestens ein
Temperaturmittel (4; 5) zur Temperaturmessung oder Temperaturregelung des Fluides (2) im Gehäuse (1) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperaturmittel (4) einen Temperatursensor umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperaturmittel (5) einen Temperaturregler umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallwellensender (6) und ein
Schallwellensensor (7) am oder im Gehäuse angebracht sind, um Eigenschaften der Propagation von Schall durch das Fluid (2), insbesondere die
Schallgeschwindigkeit, innerhalb des Gehäuses (1) zu messen.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behältnis (14) vorgesehen ist, zum
Anschluss an einen Ausgang des Injektors (13).
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (2) ein Gas aus einer Gruppe von Gasen ist, der Luft, Stickstoff und Kraftstoffgas zugeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (17) zusätzlich die Messwerte des Temperatursensors und / oder Schallwellensensors (7) auswertet, um die Masse des vom Injektor (13) abgegebenen Fluides (2) zu bestimmen.
9. Verfahren, die Masse von durch einen Injektor (13) abgegebenem Fluid (2) zu bestimmen, indem ein Eingang (12) des Injektors (13) an den
Injektoranschluss (11) einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angeschlossen wird, und durch den Fluidanschluss (8) ein Fluid (2) in das Gehäuse befördert wird, und durch den Drucksensor (3) der Druck des Fluides (2) im Gehäuse (1) gemessen und durch die Auswerteeinheit (17) ausgelesen wird, und danach durch den Injektor (13) Fluid (2) aus dem Gehäuse (1) abgegeben wird, und danach erneut durch den Drucksensor (3) der Druck des Fluides (2) im Gehäuse (1) gemessen und durch die Auswerteeinheit (17) ausgelesen wird, und durch die Auswerteeinheit (17) mittels der zuvor bestimmten Messwerte die Masse des Fluides (2) im Gehäuse (1) vor und nach Abgabe von Fluid (2) durch den Injektor (13) errechnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (2) durch den Injektor (13) in ein Behältnis (14) mit vordefiniertem Druck ausgegeben wird.
11. Verfahren, die Masse von durch einen Injektor (13) abgegebenem Fluid (2) zu bestimmen, indem ein Eingang (12) des Injektors (13) an einen
Fluidbehälter (10) angeschlossen wird, und der Injektor ausgangsseitig an den Fluidanschluss (8) einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angeschlossen wird, und durch den Drucksensor (3) der Druck des Fluides (2) im Gehäuse (1) gemessen und durch die Auswerteeinheit (17) ausgelesen wird, und danach durch den Injektor (13) Fluid (2) in das Gehäuse (1) abgegeben wird, und danach erneut durch den Drucksensor (3) der Druck des Fluides (2) im Gehäuse (1) gemessen und durch die Auswerteeinheit (17) ausgelesen wird, und durch die Auswerteeinheit (17) mittels der zuvor bestimmten Messwerte die Masse des
Fluides (2) im Gehäuse (1) vor und nach Abgabe von Fluid (2) durch den Injektor (13) errechnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 oder 11, wobei vor und nach Abgabe von Fluid (2) durch den Injektor (13) die Temperatur des Fluides (2) durch das Temperaturmittel (4) und / oder die Schallgeschwindigkeit im Fluid (2) durch den Schallwellensensor (7) ermittelt und durch die Auswerteeinheit ausgelesen wird.
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