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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 21 zur Bestimmung einer von einem Ventil abgegebenen
Einspritzmenge eines Fluids und/oder eines Einspritzmengenverlaufs.
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Einspritzmengenmessgeräte sind,
insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik, seit längerem bekannt und spielen
bei der Entwicklung und Prüfung von
Einspritzventilen eine wichtige Rolle. Die messtechnische Erfassung
einer Einspritzmenge und insbesondere eines Einspritzmengenverlaufs
während einer
einzigen oder mehreren aufeinanderfolgenden Einspritzungen ist für die Untersuchung
und Optimierung von Brennverläufen
in Verbrennungskraftmaschinen von großer Bedeutung.
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Bekannt
ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer von einem Ventil abgegebenen
Einspritzmenge eines Fluids und/oder eines Einspritzmengenverlaufes
mit einem Messkopf, der eine volumenveränderliche Messkammer, eine
Eintrittsöffnung
für einen
Eintritt des Fluids in die Messkammer und eine Ausgangsöffnung für einen
Austritt des Fluids aus der Messkammer aufweist, und mit einer Messeinrichtung
zum Bestimmen einer Volumenänderung
der Messkammer als Maß für die Einspritzmenge
bzw. den Einspritzmengenverlauf.
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Weiterhin
ist ein Verfahren zur Bestimmung einer von einem Ventil abgegebenen
Einspritzmenge eines Fluids und/oder eines Einspritzmengenverlaufs bekannt,
wobei ein Ventil auf einer Zulaufseite mit dem Fluid beaufschlagt
wird, das Ventil für
einen definierten Zeitraum offen gestellt wird, eine Einspritzmenge
des Fluids durch das offene Ventil hindurchtritt und die Einspritzmenge
eine Volumenänderung einer
veränderlichen
Messkammer eines Messkopfes bewirkt und wobei die Volumenänderung
der Messkammer mit einer Messeinrichtung als ein Maß für die Einspritzmenge
des Fluids bestimmt wird.
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Diese
Messgeräte
sind vorwiegend für
Untersuchungen an Dieseleinspritzventilen konzipiert und werden
auslaufseitig am Ventil angeordnet, um den vom Ventil austretenden
Kraftstoff in einer Messkammer zu sammeln.
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Hierbei
ist in der Messkammer ein schwimmender passiver Kolben geführt, der
durch den zufließenden
Kraftstoff verschoben wird. Die Verschiebung wird durch einen Wegsensor
aufgezeichnet und ermöglicht
somit die Messung der zugeflossenen Menge. Um eine einwandfreie
Funktion zu gewährleisten
und um Fehlmessungen zu vermeiden, muss die Messkammer vollständig mit
dem Kraftstoff gefüllt sein.
Weiterhin wird zur Vermeidung eines Überschwingens die Rückseite
des Kolbens mit einem für jeden
Anwendungsfall einzujustierenden Überdruck beaufschlagt. Hierzu
wird üblicherweise
ein Gas verwendet. Wenn der Kolben das Messkammerende erreicht hat,
die Messkammer also vollständig
mit Fluid gefüllt
ist, muss die Messkammer durch ein Ablassventil geleert werden.
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Im
Unterschied zur realen Betriebssituation im Verbrennungsmotor, wo
das Fluid in eine mit Gasdruck gefüllte Kammer eingespritzt wird,
erfolgt bei den bekannten Messvorrichtungen eine Abspritzung in
eine flüssigkeitsgefüllte und
mit Druck beaufschlagte Messkammer. Es kommt somit bei dem bekannten
Verfahren zu Rückwirkungen
der Messvorrichtung auf das Abspritzverhalten des zu untersuchenden
Ventils. Die hieraus resultierenden Unterschiede gegenüber der
realen Betriebssituation können
für ein
Dieseleinspritzventil mit einem Einspritzdruck zwischen 300 bis über 2000
bar tolerierbar sein. Wünschenswert
ist für
den Entwickler jedoch immer eine möglichst exakte Nachbildung
der Situation am Verbrennungsmotor. Dies ist insbesondere bei strahlgeführten Benzinhochdruckeinspritzventilen
der Fall, deren rotierender Strahlkegel beim Eintauchen in eine
Flüssigkeitskammer
vollständig
zerstört
würde und
bei welchen durch den Gegendruck in der Messkammer erhebliche Rückwirkungen
auf die Abspritzmengen verursacht werden.
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Aber
auch bei Dieseleinspritzventilen der neuesten Generation mit mehreren
Einspritzungen während
eines einzigen Verbrennungsvorgangs stoßen die bekannten Systeme an
Grenzen, da die passive zu bewegende Masse des Kolbens einen nicht zu
vernachlässigenden
Fehlerfaktor darstellt. Die Masse des Kolbens muss gegen den auf
seiner Rückseite
herrschenden Gegendruck zu Beginn des Einspritzvorganges beschleunigt
und wieder abgebremst werden. Die dabei auftretenden Beschleunigungen
können
bis etwa dem tausendfachen der Erdbeschleunigung entsprechen, wodurch
selbst für geringe
Kolbenmassen bereits äußerst große Kräfte zur
Beschleunigung oder Bremsung benötigt
werden. Diese Kräfte
können
nur durch den Differenzdruck zwischen Messkammer und der gasbefühlten Dämpferkammer
erzeugt werden. Eine Erhö hung
des Differenzdrucks kann aber nur durch einen weiteren Druckanstieg
in der Messkammer zu Beginn der Beschleunigungsphase, d. h. nach Öffnen des
Einspritzventils, sowie durch ein eventuelles Überschwingen des Kolbens zu
Beginn der Bremsphase, d. h. bei Schließbeginn des Einspritzventils,
erzeugt werden. Beide Effekte beeinflussen jedoch das Abspritzverhalten
des zu untersuchenden Ventils und führen somit zu einer unerwünschten
Verfälschung
der gemessenen Einspritzmenge und/oder des gemessenen Einspritzmengenverlaufs.
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Eine
Messvorrichtung zur volumetrischen Messung von Einspritzmengen einer
Diesel-Einspritzpumpe, die über
eine Einspritzdüse
in eine Messkammer spritzt, wobei die Messkammer von einem gasdruckbelasteten
Messkolben abgeschlossen ist, welcher bei jeder Einspritzung ausweicht,
und der Weg dieser Ausweichbewegung proportional zur eingespritzten
Kraftstoffmenge ist, ist aus der
DE 39 16 419 C2 bekannt.
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Die
gattungsbildende
DE
32 40 622 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen einer durch eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung eingespritzten
Einspritzmenge. Dabei ist vorgesehen, dass ein in einer Gasdruckkammer
eingestellter Gasdruck über
einen Verdrängungskörper auf
eine Messkammer wirkt, welche mit zu messendem Brennstoff gefüllt ist.
Wenn eine Anweisung zur Brennstoffeinspritzung angelegt wird, wird
Brennstoff aus der Messkammer durch die Brennstoff-Einspritzvorrichtung
eingespritzt. Eine Volumenabnahme der in der Messkammer befindlichen
Flüssigkeit
infolge der Einspritzung der Flüssigkeit
durch die Brennstoff-Einspritzvorrichtung wird aus der Verdrängung bzw.
Lageveränderung
des Verdrängungskörpers erkannt.
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Die
nachveröffentlichte
EP 1 083 332 A2 offenbart
eine Anlage zum Messen der Fluidströmung durch ein Einspritzventil.
Die Anlage weist Messmittel und Aufnahmemittel auf, wobei mittels
der Aufnahmemittel das Ventil in Fluidverbindung mit den Messmitteln
aufnehmbar ist. Die Messmittel sind oberstromig der Aufnahmemittel
für das
Ventil angeordnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung sowie
ein Verfahren anzugeben, mit welchen eine von einem Ventil abgegebene Einspritzmenge
eines Fluids und/oder ein Einspritzmengenverlauf bei geringem konstruktivem
Aufwand äußerst präzise bestimmt
werden kann. Die Messvorrichtung und das Verfahren sollen weiterhin
möglichst
wenig systematische Fehlerquellen aufweisen und die Untersuchung
von Ventilen in einer realen Betriebssituation möglichst nahekommenden Messsituation
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch
die Messvorrichtung nach Patentanspruch 1 und verfahrensmäßig durch
das Verfahren nach Patentanspruch 21 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Messvorrichtung und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
beansprucht.
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Eine
gattungsgemäße Messvorrichtung
ist erfindungsgemäß dadurch
weitergebildet, dass die Druckeinrichtung als Membran- oder Faltenbalg
ausgebildet ist, welcher mit einem Druckmedium füllbar ist, und dass sich eine
Stirnseite des Membran- oder Faltenbalgs im Wirkeingriff mit dem
zweiten Ende des Kolbens befindet.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung
ist vorgesehen, dass der Messkopf mit der Messkammer dem Ventil
vorgeschaltet ist und dass der Messkopf zum Beschicken des Ventils
mit dem Fluid ausgebildet ist.
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Ein
Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, dass zur Bestimmung
einer von einem Ventil abgegebenen Einspritzmenge eines Fluids eine
volumenveränderliche
Messkammer nicht ablaufseitig sondern vielmehr zulaufseitig an dem
zu untersuchenden Ventil angeordnet wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass eine Rückwirkung
einer mit einem Gegendruck beaufschlagten Messkammer auf das Abspritzverhalten
des zu untersuchenden Ventils praktisch ausgeschlossen und somit
eine wesentliche systematische Fehlerquelle ausgeschaltet ist. Auf
diese Weise können
Ventile, insbesondere auch strahlgeführte Benzinhochdruckeinspritzventile
mit rotierendem Strahlkegel in einer realen Betriebssituation untersucht
werden und eine Einspritzmenge und/oder ein Einspritzmengenverlauf
kann äußerst genau
bestimmt werden.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
ist die Messkammer in einem Gehäuse
als zylindrische Bohrung ausgebildet, in welcher ein erstes Ende
eines Kolbens beweglich geführt
ist. Die volumetrische Messung, d. h. die Bestimmung einer Volumenänderung
der Messkammer kann dadurch auf eine Messung der Kolbenbewegung
zurückgeführt werden.
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Zweckmäßig ist
daher, dass die Messeinrichtung als Wegaufnahmeeinrichtung für den Kolben ausgebildet
ist, wobei aus der Wegaufnahmeeinrichtung insbesondere ein elektrisches
Wegsignal auslesbar ist. Eine differenzielle Einspritzmenge dQ eines
Fluids ergibt sich dann als Produkt einer Querschnittsfläche des
A des Kolbens und einer differenziellen Wegänderung dS. Eine gesamte während eines
Zyklus von dem zu untersuchenden Ventil abgegebene Einspritzmenge
des Fluids kann durch Integration von dQ gewonnen werden. Einen
Einspritzmengenverlauf erhält
man durch Bestimmung der Kolbengeschwindigkeit ds/dt.
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Ein
Kolbenverschub und damit eine Volumenänderung der Messkammer lässt sich
besonders genau bestimmen, wenn die Wegaufnahmeeinrichtung als Triangulationslasern
oder LVDT-Sensor
ausgebildet ist.
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Zur
möglichst
realistischen Nachbildung der Situation am Verbrennungsmotor ist
es weiterhin vorgesehen, dass ein zweites Ende des Kolbens mit einer
Druckeinrichtung verbunden ist, durch welche ein in der Messkammer
befindliches Fluid über
den Kolben mit einem definierten Druck beaufschlagbar ist. Die Druckeinrichtung
kann einen Druckübersetzer aufweisen.
Dies kann grundsätzlich
eine Doppelkolben-Zylindereinheit sein.
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Für eine konstruktiv
einfache Realisierung ist erfindungsgemäß die Druckeinrichtung als
Membran- oder Faltenbalg ausgebildet, welcher mit einem Druckmedium
füllbar
ist, wobei vorzugsweise eine erste Stirnseite des Membran- oder
Faltenbalgs an einem fest montierten Sockel fixiert ist und wobei
sich eine weitere Stirnseite im Wirkeingriff mit dem zweiten Ende
des Kolbens befindet.
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Die
Wegaufnahmeeinrichtung kann dabei innerhalb des Membran- oder Faltenbalgs
angeordnet sein, wodurch sich ein kompakter und wenig fehleranfälliger Aufbau
ergibt.
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Besonders
bevorzugt ist weiterhin eine Ausgestaltung der Messvorrichtung,
bei welcher eine Querschnittsfläche
des Membran- oder Faltenbalgs um ein Vielfaches größer als
eine Querschnittsfläche des
ersten Endes des Kolbens ausgebildet ist und bei welcher auf diese
Weise eine Druckübersetzung
im Verhältnis
der Querschnittsfläche
des Membran- oder
Faltenbalgs zur Querschnittsfläche
des ersten Endes des Kolbens erzeugbar ist. Durch diese Druckübersetzung
können
in dem dem zu untersuchenden Ventil vorgeschalteten Messkopf Drücke bis zu
einigen 100 bar mit geringem konstruktiven Aufwand bereitgestellt
werden.
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Der
Innendruck des Balgs wirkt somit über den Kolben auf die Flüssigkeitssäule in der
Messkammer, die das zu untersuchende Einspritzventil versorgt.
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Da
der zulaufseitige Druck des Fluids eine wesentliche einzustellende
Größe darstellt,
ist es in diesem Zusammenhang zweckmäßig, dass eine mit der Messkammer
leitend verbundene Druckmonitoröffnung
für den
Anschluss eines ersten Druckmessgerätes zur Bestimmung eines Drucks
in der Messkammer vorgesehen ist.
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Um
definierte Messbedingungen zu erhalten, kann es erwünscht sein,
die Messkammer zwischen verschiedenen Messungen mit Fluid zu spülen. Hierzu
kann eine mit der Messkammer leitend verbundene Spülöffnung zum
Spülen
der Messkammer vorgesehen sein. Durch kontinuierliches Spülen der
Messkammer im Leerlauf kann zum einen eine gute Entlüftung und
zum anderen eine gute Temperierung, d. h. eine gute thermische Stabilität erzielt
werden.
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Zur
Bereitstellung eines Fluids kann eine Druckerzeugungseinrichtung
vorgesehen sein, welche gemeinsam mit dem Messkopf auf einer Zulaufseite
des Ventils angeordnet ist. Die Druckerzeugungseinrichtung kann
dabei konstruktiv einfach ausgelegt sein, da ein definierter Druck
des Fluids in der Messkammer bereits durch den oben beschriebenen Membran- oder Faltenbalg
als Druckeinrichtung bereitgestellt werden kann.
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Zur
Nachbildung von realen Gegebenheiten in einem Verbrennungsmotor
kann außerdem
vorgesehen sein, dass eine Ablaufseite des Ventils in eine Austrittskammer
mündet,
welche definiert mit Über- oder
Unterdruck beaufschlagbar ist. Im Unterschied zu den aus dem Stand
der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren gelangt also das
Fluid nach Durchtritt durch das Ventil in eine Austrittskammer in welcher
die Gegebenheiten einer realen Betriebssituation nachgebildet sind.
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Zur
Einstellung eines definierten Drucks in der Austrittskammer kann
eine weitere Druckerzeugungseinrichtung vorgesehen sein. Hierbei
kann es sich um einfache Druckdosen aber auch um einfache Vakuumpumpen,
wie etwa Drehschieberpumpen, handeln.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Aufnahme der
Ablaufseite des Ventils ein Ventilsockel vorgesehen, an welchem
die Austrittskammer angeordnet ist. Dieser Aufbau bildet die Basis
für eine
weitere Ausgestaltung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens
ein Beschleunigungssensor mit dem Ventilsockel in Wirkverbindung steht,
wobei aus dem Beschleunigungssensor insbesondere ein elektrisches
Beschleunigungssignal auslesbar ist. Da beim Öffnen und Schließen eines
zu untersuchenden Ventils immer Massen bewegt, d. h. beschleunigt
werden müssen,
stellt die von dem Beschleunigungssensor gemessene Beschleunigung einen
sehr empfindlichen Parameter für
den Stellzustand des Ventils dar.
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Es
kann für
den Ventilsockel und/oder für den
Messkopf außerdem
eine Hubeinrichtung vorgesehen sein. Ein zu untersuchendes Ventil
kann dann präzise
in den Messkopf und/oder den Ventilsockel eingesetzt werden.
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Zur
Automatisierung des Messprozesses ist bevorzugt eine Ansteuereinrichtung
zum elektrischen Ansteuern des Ventils vorgesehen, wobei ein Stellzustand
des Ventils insbesondere durch ein elektrisches Ventilsignal abfragbar
ist.
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In
dieser Hinsicht ist es weiterhin zweckmäßig, wenn zum Verschließen von
Eingangsöffnung und/oder
Spülöffnung ein
Eingangsventil und/oder ein Spülventil
vorhanden ist, wobei insbesondere elektrisch steuerbare und/oder
abfragbare Ventile vorgesehen sein können. Beispielsweise können hierfür elektropneumatische
oder elektrohydraulische Ventile eingesetzt werden.
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Zur
raschen Wiederbefüllung
der Messkammer mit einem Fluid kann das Eingangsventil dabei als
schnellschaltendes Hochdruckventil ausgebildet sein.
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Um
eine möglichst
breite Informationsgrundlage über
eine Einspritzmenge und/oder einen Einspritzmengenverlauf zu gewinnen,
können
an verschiedenen Stellen Druckmessgeräte eingesetzt werden.
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Zum
einen kann ein erstes Druckmessgerät, aus welchem insbesondere
ein erstes elektrisches Drucksignal auslesbar ist, zur Bestimmung
eines Drucks in der Messkammer an dem Messkopf angeschlossen sei.
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Alternativ
oder zusätzlich
hierzu kann ein zweites Druckmessgerät, aus welchem insbesondere
ein zweites elektrisches Drucksignal auslesbar ist, zur Bestimmung
eines Drucks des Druckmediums in dem Membran- oder Faltenbald vorgesehen
sein.
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Schließlich kann
es zur Verifizierung der in der Austrittskammer vorliegenden Bedingungen zweckmäßig sein,
dass ein drittes Druckmessgerät, aus
welchem insbesondere ein drittes elektrisches Drucksignal auslesbar
ist, zur Bestimmung eines Drucks in der Austrittskammer vorgesehen
ist.
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Zur
effektiven Durchführung
der Messungen und für
eine effektive nachfolgende Aufbereitung der gewonnenen Daten ist
vorzugsweise eine Rechnereinrichtung zum Regeln von Messparametern und/oder
zur Datenaufnahme und/oder -verarbeitung vorgesehen ist.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorgesehen, dass das Fluid zunächst über eine in dem Messkopf vorgesehene
Eingangsöffnung
in die Messkammer geleitet wird, dass das Fluid aus der Messkammer
des Messkopfes in das Ventil eingeleitet wird und dass dabei die
Volumenänderung
der Messkammer bewirkt wird, so dass die Bestimmung der Einspritzmenge
des Fluids bzw. des Einspritzmengenverlaufs auf einer Zulaufseite
des Ventils erfolgt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens wird zur Bestimmung
des Einspritzmengenverlaufs des Fluids die Volumenänderung
der Messkammer mit hoher Abtastrate bestimmt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung erläutert.
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Diese
Zeichnung zeigt:
eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Eine
wesentliche Komponente der in der Fig. dargestellten Messvorrichtung 10 zur
Bestimmung einer von einem Ventil 12 abgegebenen Einspritzmenge
eines Fluids 14 und/oder eines Einspritzmengenverlaufs
ist ein Messkopf 16, mit einem Gehäuse 17 und einer darin
als zentrale zylindrische Bohrung ausgebildeten Messkammer 18.
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In
der Messkammer 18 ist ein erstes Ende 32 eines
Kolbens 30 beweglich gelagert. Über ein Dichtelement 33 ist
der Kolben 30 nach außen
geführt. Prinzipiell
ist es aber auch denkbar, den Kolben 30 in der Bohrung
dichtend zu führen.
Das Dichtelement 33 könnte
dann entfallen.
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Zum
Eintritt des Fluids 14 in die Messkammer 18 ist
eine Eingangsöffnung 20 vorgesehen,
die ebenfalls als zylindrische Bohrung ausgebildet ist. Eine Versorgungspumpe
als Druckerzeugungseinrichtung 13 zur Bereitstellung eines
Fluids 14 ist gemeinsam mit dem Messkopf 16 auf
einer Zulaufseite 26 des Ventils 12 angeordnet
und mit der Eingangsöffnung 20 über eine
Zulaufleitung 78 leitend verbunden. Die Zulaufleitung 78 ist über ein
pneumatisches oder hydraulisches Eingangsventil 80 verschließbar.
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Der
Messkopf 16 ist weiterhin mit einer Ausgangsöffnung 22 für einen
Austritt des Fluids aus der Messkammer 18 versehen, wobei
an der Ausgangsöffnung 22 eine
Ventilaufnahme 24 vorgesehen ist, welche speziell zur Verbindung
mit der Zulaufseite 26 des Ventils 12 ausgebildet
ist.
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Schließlich ist
an einer der Eingangsöffnung 20 gegenüberliegenden
Seite des Messkopfs 16 eine wiederum als zylindrische Bohrung
ausgeführte Spülöffnung 23 vorgesehen,
die ebenfalls mit der Messkammer 18 in Verbindung steht.
Angeschlossen an die Spülöffnung 23 ist
eine Spülleitung 79,
welche durch ein pneumatisches oder hydraulisches Spülventil 82 absperrbar
ist.
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Zur Überwachung
eines Drucks in der Messkammer 18 ist außerdem in
dem Messkopf 16 eine Druckmonitoröffnung 36 ausgebildet,
an welcher ein erstes Druckmessgerät 38 angeordnet ist.
Dieses erste Druckmessgerät 38 zeichnet
die während
der Messungen auftretenden dynamischen Druckschwankungen auf und
liefert ein erstes Drucksignal 62, welches nach Verstärkung und
A/D-Wandlung einer Rechnereinrichtung 100 zur Überwachung
und Verarbeitung zugeführt
wird.
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Das
zweite Ende 34 des Kolbens 30 befindet sich im
kraftschlüssigen
Eingriff mit einem Faltenbalg als Druckeinrichtung 44.
Eine erste Stirnseite 48 des Faltenbalgs 44 ist
an einem fest montierten Sockel 52 fixiert. Das zweite
Ende 34 des Kolbens 30 liegt auf einer zweiten
Stirnseite 50 des Faltenbalgs 44 an, so dass über ein
in dem Faltenbalg 44 befindliches Druckmedium 46 eine
definierte Kraft auf den Kolben eingestellt werden kann.
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Zur
Erzeugung eines definierten Drucks des Druckmediums 46 innerhalb
des Faltenbalgs 44 steht eine dritte Druckerzeugungseinrichtung 86 zur
Verfügung,
wobei der tatsächlich
vorliegende Druck mit Hilfe eines zweiten Druckmessgeräts 40 überwacht werden
kann. Ein von dem zweiten Druckmessgerät 40 geliefertes zweites
Drucksignal 64 wird ebenfalls der Rechnereinrichtung 100 zur
Protokollierung und Weiterverarbeitung zugeführt.
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Zum
Schutz vor Beschädigungen
ist der empfindliche Faltenbalg 44 in einem weiteren Gehäuse 21 angeordnet.
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Der
Druck des Druckmediums 46 innerhalb des Faltenbalgs 44 wird
durch das Verhältnis
von einer effektiven Querschnittsfläche des Faltenbalgs 44 zu
einer effektiven Querschnittsfläche
des Kolbens 30 verstärkt,
so dass der Druck des Fluids 14 innerhalb der Messkammer 18 um
ein Vielfaches höher als
der Druck des Druckmediums 46 innerhalb des Faltenbalgs 44 sein
kann.
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Durch
den Faltenbalg 44 wird somit ein Druck auf die in der Messkammer 18 stehende
Kraftstoffsäule
ausgeübt,
der annähernd
proportional einerseits zum Druck des Druckmediums 46 im
Faltenbald und andererseits proportional zum Verhältnis von
effektiver Balgfläche
zu effektiver Kolbenfläche ist.
Durch die Regelung des Balgdruckes über das Druckmessgerät 40 kann
somit der zur Messung gewünschte
Druck des Fluids 14, insbesondere ein gewünschter
Kraftstoffdruck in der Messkammer 18 erzeugt werden.
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Als
zentrale Messkomponente ist innerhalb des Faltenbalgs 44 ein
hochdynamischer Wegsensor als Messeinrichtung 19 vorgesehen,
mit welchem Verschübe
des Zylinders 30 und damit Volumenänderungen der Messkammer 18 mit
hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Der Wegsensor 19, bei
dem es sich beispielsweise um einen Triangulationslaser oder einen
LVDT-Sensor handeln kann, liefert dabei ein elektrisches Wegsignal 60,
welches zur Protokollierung und weiteren Auswertung wiederum der
Rechnereinrichtung 100 zugeführt wird.
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In
der in der Fig. gezeigten Situation ist ein zu untersuchendes Ventil 12 mit
seiner Zulaufseite 26 in die Ventilaufnahme 24 des
Messkopfs 16 eingeführt,
wobei die Messkammer 18 vertikal über dem Einspritzventil angeordnet
ist. Eine horizontale oder schräge
Anordnung ist prinzipiell auch möglich.
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Mit
einer Ablaufseite 27 ist das Ventil 12 in einem
Ventilsockel 55 aufgenommen, wobei die Ablaufseite 57 des
Ventils 12 in eine Austrittskammer 54 mündet, welche
definiert über
eine weitere Druckerzeugungseinrichtung 56 mit einem Über- oder Unterdruck
beaufschlagt werden kann. Die Austrittskammer 54 ist dabei
an einer dem Ventil 12 gegenüberliegenden Seite 57 des
Ventilsockels 55 angeordnet. In der Austrittskammer 54 kann
sich beispielsweise ein Austrittskegel 84 eines strahlgeführten Benzinhochdruckeinspritzventils
in einer den realen Bedingungen sehr nahe kommenden Situation ausbilden. Eventuell
in der Austrittskammer 54 befindlicher Kraftstoff kann über eine
nicht dargestellte Ablaufbohrung am boden der Austrittskammer 54 entweichen.
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Zur
Verbreiterung der Informationsgrundlage für die Messung ist in dem Ventilsockel 55 ein
Beschleunigungssensor 58 angebracht, an welchen die beim
Einspritzventil 12 auftretenden Stöße beim öffnen und Schließen als
Körperschall
weitergeleitet werden. Der Beschleunigungssensor 58 liefert
ein elektrisches Beschleunigungssignal 68 welches nach einer
A/D-Wandlung ebenfalls der Rechnereinrichtung 100 zur Protokollierung
und Weiterverarbeitung zugeführt
wird.
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Von
der Rechnereinrichtung 100, die auch als Prüfstandsrechner
bezeichnet wird, wird über eine
Ansteuereinrichtung 51 ein Ansteuersignal 70 für das Ventil 12 ausgegeben
und über
eine geeignet Endstufe 71 verstärkt. Die Endstufe 71 weist
einen Strommonitorausgang auf, dessen Stromsignal 72 der
Rechnereinrichtung 100 als weitere Information über Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
des Ventils 12 zugeführt
wird.
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An
der Austrittskammer 54 ist ein drittes Druckmessgerät 42 vorgesehen,
mit welchem ein Druck innerhalb der Austrittskammer 54 überwacht und
eine Druckregelung durchgeführt
werden kann. Ein drittes Drucksignal 66 wird dabei ausgelesen
und der Rechnereinrichtung 100 zur Protokollierung und weiteren
Verarbeitung zugeführt.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der Messvorrichtung bei einem konkreten
Messvorgang beschrieben.
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Zunächst wird
der Messkopf 16 mit der Ventilaufnahme 24 auf
das zu untersuchende Ventil 12 abgesenkt oder das Ventil 12 in
die Ventilaufnahme 24 eingeführt. Anschließend wird
mit Hilfe einer Hubeinrichtung 85 der Ventilsockel 55 angehoben
und die Ablaufseite 27 des Ventils 12 in diesen
eingeführt und
abgedichtet. Die Ablaufseite 27 des Ventils 12, die
auch als Kraftstoffaustrittsöffnung
bezeichnet werden kann, mündet
dann in eine Austrittskammer 54, in welcher mit Hilfe der
Druckerzeugungseinrichtung 56 ein definierter Über- oder
Unterdruck eingestellt und mit dem Druckmessgerät 42 überwacht wird.
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Die
Messkammer 18 innerhalb des Messkopfes 16 wird
nun mit Hilfe der Druckerzeugungseinrichtung 13 mit einem
Fluid 14, beispielsweise mit einem Kraftstoffgemisch, beaufschlagt
und der Faltenbalg 44 wird mit einem Druckmedium 46 unter Druck
gesetzt, so dass sich innerhalb der Messkammer 18 ein definierter
Druck des Fluids 14 ausbildet. Dieser Druck kann mit dem
Druckmessgerät 38 mitgeschrieben
werden. Das Ventil 12 befindet sich noch im geschlossenen
Zustand.
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Die
Rechnereinrichtung 100 liefert sodann über die Ansteuereinrichtung 59 ein
Ansteuersignal 70 an das Ventil 12, welches daraufhin
seinen Stellzustand ändert
und sich öffnet.
Die im Ventil 12 auftretenden Stöße beim Öffnen und Schließen werden über den
Ventilsockel 55 auf den Beschleunigungssensor 58 übertragen
und das aus dem Beschleunigungssensor 58 ausgelesene Beschleunigungssignal 68 wird
der Rechnereinrichtung 100 zugeführt. Nach Offenstellung tritt
das Fluid 14 durch das Ventil 12 hindurch und
auf der Ablaufseite 27 in Form eines typischen Austrittskegels 84 in
die Austrittskammer 54 ein.
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Mit
dem Durchtritt des Fluids 14 durch das Ventil 12 verringert
sich die Flüssigkeitssäule in der Messkammer 18 und
der Faltenbalg 44 dehnt sich, so dass der Kolben 30 aktiv
nachgeführt
wird.
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Der
Faltenbalg 44 verhält
sich somit wie eine gespannte Feder und das Volumen der Messkammer 18 ändert sich
entsprechend der aus dem Ventil 12 ausgetretenen Fluidmenge.
Die Wegänderung
des beweglichen Kolbens 30 wird dabei von dem oben beschriebenen
hochdynamischen Wegsensor 19 als Messeinrichtung während des
Einspritzvorgangs kontinuierlich mit hoher Abtastrate, aufgezeichnet. Aus
der gewonnenen Weginformation kann durch Multiplikation mit der
effektiven Querschnittsfläche des
Zylinders 30 zum einen die gesamte während eines Öffnungszyklus
abgegebene Fluidmenge sowie zum anderen auch ein Einspritzmengenverlauf
bestimmt werden.
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Am
Ende einer Messung, die aus mehreren, aufeinanderfolgenden gleichen
oder unterschiedlichen Einspritzungen bestehen kann, wird der Druck im
Balg 44 reduziert. Die Messkammer 18 wird über das
Eingangsventil 80, das auch als Füllventil bezeichnet werden
kann, erneut mit Kraftstoff gefüllt, wobei
der Bald 44 wieder komprimiert wird. Das System ist bereit
für eine
neue Messung, nachdem das Füllventil 80 wieder
geschlossen ist. Die Messkammer 18 kann im Leerlauf gespült werden,
wodurch auch ein Betrieb mit temperierten Kraftstoffen (heiss oder
kalt) ermöglicht
wird.
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Ebenfalls
denkbar ist eine dynamische Wiederbefüllung des Messkreises durch
ein schnellschaltendes Hochdruckventil, welche in der Off-Phase
des Einspritzventillastzykluses stattfinden kann.
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Der
Prüfstandsrechner 100 ist
verantwortlich für
die Einregelung des Prüfdruckes
des Fluids 14 in der Messkammer 18 und generiert
das Ansteuersignal 70 für
das Einspritzventil 12. Weiterhin zeichnet der Prüfstandsrechner 100 während eines
Einspritzvorgangs zeitgleich sämtliche
oder einen Teil der folgenden Signale mit einer entsprechend schnellen Analogeingangskarte
auf:
- – Stromsignal 72 des
Ansteuersignales 70
- – Drucksignal 62 im
Messkopf 16,
- – Beschleunigungssignale 68
- – Wegsignal 60 entsprechend
einer Hubänderung des
Balges.
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Zur
Synchronisation mit dem elektrischen oder mechanischen Start des
Einspritzvorganges kann entweder das Ansteuersignal 70,
das Stromsignal 72 des Ansteuersignals 70, das
Beschleunigungssignal 68 und/oder das Drucksignal 62 des
im Messkopf 16 befindlichen Drucksensors 38 verwendet
werden.
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Über den
Prüfstandsrechner 100 können verschiedene
Auswertungsmöglichkeiten
realisiert werden, die von der Auswertung einer einzelnen Einspritzung
mit konstanter Einspritzzeit und Periodendauer, oder über die
eine beliebige Anzahl von Wiederholungen dieses Vorganges und deren
statistischer Betrachtung reicht.
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Schließlich errechnet
der Prüfstandsrechner 100 Einspritzmenge
und Einspritzmengenverlauf und stellt diese als Grafik dar.