DE19904319A1

DE19904319A1 - Druckkammerprüfstand und Verfahren zur Untersuchung von Einspritzabläufen an Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE19904319A1
Application number: DE1999104319
Authority: DE
Inventors: Arno Homburg; Reinhard Schulz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2000-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkammerprüfstand und ein Verfahren zur Untersuchung von Einspritzabläufen an Verbrennungskraftmotoren mit einer einsehbaren und mit einer Einspritzdüse versehenen Druckkammer, die zur Versorgung mit konditionierter Druckluft mit einem Kompressor und einer Heizvorrichtung gekoppelt ist und zum optischen Erfassen eines Einspritzablaufes eine Kamera sowie eine Beleuchtungseinrichtung für den Einspritzstrahl aufweist. Sie löst die Aufgabe, Einspritzabläufe von Einspritzdüsen mit hoher Genauigkeit meßtechnisch zu erfassen und reproduzierbar darzustellen. Dazu wird eine mit einer Signalsteuereinheit (S) eines Rechners, die mit einer Endstufensteuerung (E) für die Einspritzdüse (2) verbunden ist, gekoppelte ansteuerbare hochauflösende Kamera (3) eingesetzt, deren Bilder digitalisiert und in einer Meßwerterfassungseinheit (M 1) abrufbar ablegbar sind. Der Einspritzvorgang wird mit der Kamera (3) und einer synchron angesteuerten Beleuchtung (4) gefilmt, und die Bilder werden in Echtzeit im Arbeitsspeicher (Meßwerterfassungseinheit M 1) des rechners abgelegt, wobei das Ansteuersignal nach jeder Einzelaufnahme um ein vorgewähltes konstantes Zeitintervall weitergeschoben wird und die Kamera (3) und die Beleuchtung (4) für eine neue Einzelaufnahme synchron ansteuert (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkammerprüfstand und ein Verfahren zur Untersuchung von Einspritzabläufen an Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere direkteinspritzenden Benzin- und Dieselmotoren.

Ein Druckkammerprüfstand dient der Untersuchung von Einspritzausrüstungen und der durch diese mitbestimmten Einspritzabläufe bei einer ungestörten Strahlausbreitung unter konstanten und reproduzierbaren Umgebungsbedingungen. Dis gewonnenen Ergebnisse bezüglich Strömungsverhalten und Strahlausbreitung helfen beim Verständnis der innermotorischen Vorgänge und somit bei der Entwicklung moderner DI- Brennverfahren.

Bekannt ist ein Druckkammerprüfstand mit einer von außen einsehbaren Druckkammer, die eine austauschbare Einspritzdüse zum Einspritzen druckbeaufschlagten Kraftstoffs aufweist und die zur Versorgung mit konditionierter Druckluft mit einem Kompressor und einer Heizungseinrichtung gekoppelt ist, mit einer ansteuerbaren Hochgeschwindigkeitskamera und einer Beleuchtungseinrichtung. Mit der Kamera läßt sich der Einspritzverlauf verfolgen, wobei der Einspritzvorgang bei einer Einspritzdauer von etwa 1 ms bei einer Bildfrequenz der Kamera von 7000 Bildern/s mit sieben Bildern aufgelöst wird. Mit diesem Verfahren und dieser Auflösung sind die zeitkritischen Phasen während einer Einspritzung weitgehend unzureichend darstellbar und nur aufwendig reproduzierbar. Auch ist die zeitliche Zuordnung der Filmaufnahmen zum Einspritzablauf nur bedingt möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Druckkammerprüfstand und ein Verfahren zur Untersuchung von Einspritzabläufen an Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7 so zu gestalten, daß die Einspritzabläufe mit hoher Geschwindigkeit erfaßt und vereinfacht dargestellt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Druckkammerprüfstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 8 jeweils durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die Erfindung besteht darin, daß der Druckkammerprüfstand, der in bekannter Weise mit einer einsehbaren und mit einer austauschbaren Einspritzdüse versehenen Druckkammer ausgerüstet ist, die mit einem Kompressor und einer Heizvorrichtung zur Konditionierung von Druckluft verbunden ist, als Kamera zum Erfassen des Einspritzablaufs eine mit einem Rechner verbundene ansteuerbare hochauflösende Kamera, insbesondere eine Videokamera aufweist, deren Bilder in Echtzeit digitalisiert und in einer Meßwerterfassungseinheit - dem Arbeitsspeicher des Rechners - abrufbar ablegbar und damit auf einem Monitor darstellbar sind. Diese Kamera kann mit Kameraverschlußzeiten von bis zu 1/800.000 s arbeiten. Die im Arbeitsspeicher abgelegten Bilder sind durchnummeriert und lassen sich auf der Festplatte des Rechners (Datensicherungseinheit) speichern, von wo sie abgerufen und in jede Dokumentation eingebunden werden können. Anhand des vorgewählten Zeitintervalls für die Kameraansteuerung und der zugeordneten Bildnummern steht die genaue Aufnahmezeit eines jeden Einzelbildes innerhalb des Einspritzablaufs von Beginn des Einspritzvorganges an fest. Daher können ausgewählte Bereiche eines Einspritzablaufs oder auch Einzelbilder besonders aussagekräftig gefiltert, vergrößert kommentiert und als Ausdruck auf Papier und/oder Folie zur Verfügung gestellt werden, wobei die Daten des Versuchs, wie Ansteuerdauer, Ansteuerstrom, Spannung und Kraftstoffdruck über Digital-Speicheroszilloskopkarten ebenfalls aufgezeichnet und als Versuchsprotokoll mitgeliefert werden können. Weiterhin besteht die Möglichkeit, zwei oder mehr zu vergleichende Düsen oder die Auswirkungen veränderter Druckkammerparameter in einem parallel laufenden Einzelablauf als Hardcopy und/oder als Video auszugeben.

Dabei kann zur Digitalisierung der Bilder in Echtzeit eine schnelle (PCI-Bus) Framegrabberkarte verwendet werden. Zur Beleuchtung des Einspritzstrahles werden zwei synchron mit der Kamera ansteuerbare Lichtquellen, vorzugsweise Stroboskope angeordnet, mit denen eine Ausleuchtung der Druckkammer quer zur Aufnahmerichtung der Kamera vorgenommen wird. Damit kann eine Kameraverschlußzeit von minimal 1/800.000 s realisiert werden. Die Lichtquellen sind vorteilhaft an gegenüberliegenden Seiten der Druckkammer angeordnet.

Zwischen beiden Lichtquellen kann für eine zweimalige Belichtung des Einspritzstrahles eine Zeitverzögerung eingestellt werden. In Verbindung mit einem Raster, das in der Druckkammer als Hintergrundbild zum Einspritzablauf angeordnet ist, kann damit sofort nach der Filmaufnahme eine Aussage über die Ausbreitungstiefe des Einspritzstrahles und den Strahlwinkel getroffen werden.

In der Druckkammer kann für weiterführende Untersuchungen, insbesondere der Spray- Wand-Interaktion und deren Auswirkungen auf den Einspritzablauf, ein verstellbarer Kolben angeordnet sein, der mit einem Schrittmotor gekoppelt ist. Dieser Kolben und/ oder eine an diesem druckraum-/brennraumseitig angeordnete Scheibe mit einer druckraum-/brennraumseitig ausgebildeten speziellen Topographie ist austauschbar angeordnet.

Das Verfahren nach Anspruch 8, bei dem in einer kontinuierlich mit vorbestimmt komprimierter und erhitzter Luft durchströmten einsehbaren Druckkammer Kraftstoff mit einem vorbestimmbaren Druck eingespritzt und die Ausbreitung des eingespritzten Kraftstoffs optisch erfaßt und dargestellt wird, wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß der Einspritzvorgang mit einer mit einem Rechner gekoppelten ansteuerbaren Kamera bei einer synchron angesteuerten Beleuchtung gefilmt und die Bilder in Echtzeit im Arbeitsspeicher des Rechners abgelegt werden. Das Ansteuersignal für die Kamera und die Beleuchtung wird nach jeder Einzelaufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall weitergeschoben und steuert dann die Kamera und die Beleuchtung für die nächste Aufnahme erneut an.

Dabei kann aus mehreren Einspritzabläufen mit der gleichen Einspritzdüse und den gleichen Verfahrensparametern ein resultierender, also gemittelter Einspritzvorgang dargestellt werden. Auch ist die Darstellung von resultierenden Einzelbildern möglich.

Die Beleuchtung des Einspritzstrahles für die Aufnahmen erfolgt vorteilhaft aus einer Richtung quer zur Aufnahmerichtung der Kamera entweder aus nur einer Richtung oder aus den zwei entgegengesetzten Querrichtungen durch synchron mit der Kamera angesteuerte Lichtquellen.

Um Aussagen über die Geschwindigkeit der Strahlausbreitung an der sichtbaren Einspritzstrahlspitze zu erhalten, können die eingesetzten Lichtquellen definiert zeitverzögert angesteuert werden, um zwei aufeinanderfolgende Belichtungen und damit Strahlausbreitungsphasen in einem Bild zu erhalten. In Verbindung mit einem Raster als Hintergrundbild kann aus den Filmaufnahmen sofort die Größe der Strahlausbreitung erkannt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Druckkammerprüfstandes,

Fig. 2 die Druckkammer im Schnitt,

Fig. 3 ein Einzelbild mit zwei Phasen im Ausbreitungsverlauf eines Einspritzstrahles und

Fig. 4 eine Druckkammer mit einem verschiebbar angeordneten Kolben, schematisch.

In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild ein Druckkammerprüfstand mit einer von vier Seiten einsehbaren Druckkammer 1 für Innendruckbelastungen von wenigstens 60 bar mit einer lösbar angeordneten Einspritzdüse 2, einem Hochdruckkompressor D mit einem Betriebsdruck von max. 60 bar für die in die Kammer zu leitende Spülluft, einem Lufterhitzer T für die komprimierte Spülluft (max. 500°), einem Kraftstoffdruckerzeuger K, einer ansteuerbaren monochromen CCD-Kamera 3, zwei Stroboskopen 4, die quer zur Kamerarichtung angeordnet sind, einer Signal-Steuereinheit S, einer mit dieser gekoppelten Endstufensteuerung E für die Einspritzdüse 2, einer Meßwerterfassungseinheit M1 (Arbeitsspeicher einer Rechners) für von der CCD- Kamera 3 ausgehende optische Signale und die Steuersignale, einer Meßwerterfassungseinheit M2 (Festplatte des Rechners) für die jeweiligen Versuchsparameter, wie Ansteuerdauer, Ansteuerstrom, Spannung, Kraftstoffdruck, sowie einer mit den Meßwerterfassungseinheiten M1 und M2 gekoppelten Datensicherungseinheit DS, von der die Bilder abgerufen und in jede Dokumentation (DOK) eingebunden werden können (z. B. Videoband).

Die in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Druckkammer 1 weist einen Kameraboden 5, einen Bodenflansch 6, ein Kammermittelteil 7 und einen Kammerdeckel 8 auf. In letzterem ist ein separater auswechselbarer Düsenhalterflansch 9 integriert, der die jeweilige Einspritzdüse aufnimmt. In dem Umfang der Druckkammer 1 sind vier großflächige Quarzgläser 10 im Winkel von 90° zueinander eingelassen. Zusätzlich ist im Kammerboden 5 ein Quarzglasfenster 11 angeordnet. Der Düsenhalterflansch 9 ist so ausgelegt, daß die Düsenspitze im einsehbaren und von der Kamera 3 erfaßbaren Bereich liegt. Der konditionierte Luftstrom tritt über mehrere Schlauchleitungen 12 durch den Kameradeckel 8 in den Druckraum 13 ein, durchströmt diesen und tritt durch den Bodenflansch 6 über mehrere Spülluftabfuhrkanäle 12a als Abgas aus.

Zur Abdichtung der Quarzgläser 10 gegenüber den Kamerawänden ist jeweils ein durch eine O-Ringdichtung abgedichteter Gegenhalter 14 angeordnet, gegenüber dem druckrauminnenseitig das jeweilige Quarzglas 10 wiederum mit einer O-Ringdichtung abgedichtet ist. Die Abdichtung erfolgt nach dem Selbstdichtungsprinzip. Bei zunehmendem Innendruck erhöht sich die Dichtpressung an der Dichtstelle.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Druckkammer 1. In dieser ist ein durch einen unterhalb des Kammerbodens 5 angeordneten Schrittmotor (nicht dargestellt) in axialer Richtung bewegbarer Kolben 15 angeordnet. Dieser Kolben 15 ist durckraumseitig mit einer lösbar angeordneten Scheibe 16 versehen, deren druckraumseitige Oberfläche 17 eine spezielle Topographie aufweist.

In Fig. 3 ist ein Einspritzstrahl 18 in zwei Ausbreitungsphasen 18a und 18b gezeigt, die durch eine zeitverzögerte Ansteuerung t 1 und t 2 der beiden Stroboskope 4 während einer Aufnahme der Videokamera 3 mit einer entsprechend langen Kameraverschlußzeit erhalten wurden. Durch die zweimalige Belichtung und die genaue zeitliche Zuordnung des Belichtungsabstandes t1-t2 zu dem sich von der Ausbreitungsphase 18a zur Ausbreitungsphase 18b ausbreitenden Einspritzstrahl 18 und ein hinterlegtes Raster 19 kann die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

Für eine Untersuchung des Einspritzablaufs einer ausgewählten und in den Düsenhalterflansch 9 eingesetzten Einspritzdüse 2 wird nun im Hochdruckkompressor D mit einem Betriebsüberdruck von 60 bar in drei Stufen komprimierte und im Lufterhitzer T auf 500°C erhitzte Spülluft durch die Schlauchleitungen 12 durch den Druckraum 13 gedrückt. Nach Erreichen eines Luftdruckes von 60 bar im Druckraum wird der Einspritzvorgang ausgelöst. Dazu wird die Endstufensteuerung E durch ein Ansteuersignal der Signalsteuereinheit S über eine rechnerinterne Phasenschieberkarte angesteuert. Gleichzeitig werden die CCD-Kamera 3 zur Aufnahme und die Stroboskope 4 zur Aussendung jeweils eines Lichtblitzes von 1/10.000 s Dauer angesteuert, so daß die erste Kameraaufnahme bereits bei Eintritt des Einspritzstrahles aus der Einspritzdüse 2 gemacht wird. Das Ansteuersignal wird nach der ersten Aufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall - beispielsweise 200 µs - weitergeschoben und steuert die CCD-Kamera 3 und die Stroboskope 4 für die nächste Aufnahme an. Von einer schnellen Framegrabberkarte werden die Bilder in Echtzeit digitalisiert und im Arbeitsspeicher des Rechners (Meßwerterfassungseinheit M1) abgelegt. Auf diese Weise wird der gesamte Einspritzvorgang aufgenommen. Die sich bei voller pixel-(Bildpunkt-)Ausnutzung ergebenden bis zu 300 Bilder werden fortlaufend nummeriert gespeichert und sind somit zeitgenau ab dem Ansteuersignal für die Einspritzdüse festgehalten. Die übrigen Verfahrensparameter werden mit der Meßwerterfassungseinheit M2 festgehalten. Über die Datensicherungseinheit DS ist der aufgenommene Videofilm sofort nach der Aufnahme als Film und in Einzelbildern abspielbar.

Bezugszeichenliste

1

Druckkammer

2

Einspritzdüse

3

CCD-Kamera

4

Stroboskop

5

Kammerboden

6

Bodenflansch

7

Kammermittelteil

8

Kammerdeckel

9

Düsenhalterflansch

10

Quarzglasfenster

11

Quarzglasfenster

12

Schlauchleitung

13

Druckraum

14

Gegenhalter

15

Kolben

16

Scheibe

17

Oberfläche

18

Einspritzstrahl

18

a Ausbreitungsphase

18

b Ausbreitungsphase

19

Raster
D Hochdruckkompressor
DOK Datenentnahme
DS Datensicherungseinheit
E Endstufensteuerung
K Kraftstoffdruckerzeuger
M1 Meßwerterfassungseinheit
M2 Meßwerterfassungseinheit
S Signalsteuereinheit
T Lufterhitzer

Claims

1. Druckkammerprüfstand zur Untersuchung von Einspritzabläufen an Verbrennungskraftmotoren mit einer einsehbaren und mit einer Einspritzdüse für druckbeaufschlagten Kraftstoff versehenen Druckkammer, die zur Versorgung mit konditionierter Druckluft mit einem Kompressor und einer Heizvorrichtung gekoppelt ist, und mit einer Kamera zum chronologisch optischen Erfassen eines Einspritzablaufs sowie einer Beleuchtungseinrichtung für den Einspritzstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Einspritzablaufs eine mit einer Signalsteuereinheit (S) eines Rechners, die mit einer Endstufensteuerung (E) für die Einspritzdüse (2) verbunden ist, gekoppelte ansteuerbare hochauflösende Kamera (3) eingesetzt ist, deren Bilder digitalisiert und in einer Meßwerterfassungseinheit (M1) abrufbar ablegbar sind.

2. Druckkammerprüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (3) eine Videokamera ist.

3. Druckkammerprüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Digitalisierung der Bilder in Echtzeit eine Framegrabberkarte verwendet wird.

4. Druckkammerprüfstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung des Einspritzstrahles zwei synchron mit der Kamera (3) angesteuerte Lichtquellen, vorzugsweise Stroboskope (4) im Abstand von der Druckkammer (1) angeordnet sind.

5. Druckkammerprüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckkammer (1) ein verschiebbarer Kolben (15) angeordnet ist.

6. Druckkammerprüfstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) mit einem Schrittmotor gekoppelt ist.

7. Druckkammerprüfstand nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) und/oder eine an diesem angeordnete Scheibe (16) mit einer druckraumseitig ausgebildeten speziellen Topographie austauschbar angeordnet ist.

8. Verfahren zur Untersuchung von Einspritzabläufen an Verbrennungskraftmotoren in einem Druckkammerprüfstand, bei dem in eine kontinuierlich mit vorbestimmbar komprimierter und erhitzter Luft durchströmten einsehbaren Druckkammer Kraftstoff mit einem vorbestimmbaren Druck eingespritzt und die Ausbreitung des eingespritzten Kraftstoffs optisch erfaßt und dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzvorgang mit einer mit einem Rechner (Signalsteuereinheit S) gekoppelten ansteuerbaren Kamera (3) und einer synchron angesteuerten Beleuchtung (4) gefilmt und die Bilder in Echtzeit im Arbeitsspeicher (Meßwerterfassungseinheit M1) des Rechners abgelegt werden, wobei das Ansteuersignal nach jeder Einzelaufnahme um ein vorgewähltes Zeitintervall weitergeschoben wird und die Kamera (3) und die Beleuchtung (4) für die nächste Aufnahme ansteuert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kamera (3) eine Videokamera verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus mehreren Einspritzabläufen mit der gleichen Einspritzdüse (2) und den gleichen Verfahrensparametern ein resultierender Einspritzablauf mit resultierenden Einzelbildern darstellbar ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleuchtung der Druckkammer (1) im Winkel von 90° zur Aufnahmerichtung der Kamera (3) vorgenommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausleuchtung zwei synchron mit der Kamera (3) angesteuerte Stroboskope (4) eingesetzt werden, die beidseits der Druckkammer (1) angeordnet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stroboskopen (4) eine Zeitverzögerung eingestellt ist, durch die der Einspritzstrahl zweimal hintereinander belichtet wird.