EP1561029B2 - Verfahren und vorrichtung zur messung der einspritzrate eines einspritzventils für flüssigkeiten - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung der einspritzrate eines einspritzventils für flüssigkeiten Download PDFInfo
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- EP1561029B2 EP1561029B2 EP03809686A EP03809686A EP1561029B2 EP 1561029 B2 EP1561029 B2 EP 1561029B2 EP 03809686 A EP03809686 A EP 03809686A EP 03809686 A EP03809686 A EP 03809686A EP 1561029 B2 EP1561029 B2 EP 1561029B2
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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
- F02M65/001—Measuring fuel delivery of a fuel injector
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- F02M65/005—Measuring or detecting injection-valve lift, e.g. to determine injection timing
Definitions
- the injected fuel causes pressure oscillations in the corresponding natural frequencies of the measuring volume, these natural frequencies depending on the geometric dimensions of the measuring volume.
- many harmonics are usually excited, with several vibration modes are usually possible. This makes it difficult to filter the pressure sensor measuring signal, since the frequencies of the natural oscillations are partly in the range of the frequencies of the measuring signal.
- the density depends on the temperature of the test medium. To take this into account, the temperature will be Measured in the measuring volume by means of a temperature sensor and the density corrected accordingly. The temperature measurement is selective and does not take into account a possibly unequal temperature in the entire measuring volume. Such a method is described in WO 02/064970 A described.
- the device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that can be determined from the pressure curve in a simple manner, the injection quantity.
- the time course of the pressure in the measuring volume is recorded during the injection and from this the time course of the injection quantity is calculated.
- the sound velocity is determined. From the increase in pressure and the speed of sound can then directly the injection quantity or its time course, so calculate the rate of injection rate.
- the speed of sound is determined by means of a separate measurement process, in which a sound pulse is emitted by a sound generator into the measurement volume and is collected by the pressure sensor. If the sound generator and the pressure sensor are arranged opposite each other, the sound velocity can be calculated directly from the distance and the running time. This is a very fast measuring method, which causes hardly any significant delays in the measurement process.
- the measurement data of the pressure curve are stored with the aid of an electronic computer, which also makes a direct further processing of the data possible.
- the frequency of a natural pressure oscillation of the measuring volume is determined from the pressure measured values. From the natural frequency, the sound velocity then results as an average value over the entire measurement volume, without the need for a separate measurement with corresponding devices.
- the filtering of the pressure measured values is carried out, for example, with a low-pass filter, so that disturbances and noise are largely eliminated. From the time differentiation of the pressure signal can then determine the injection rate.
- the device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage over the prior art that the measurement signal can be better filtered.
- the pressure sensor is arranged in the pressure node of the first compressive natural vibration, that is, the natural vibration, so that the pressure sensor does not detect a signal of the natural vibration. Therefore, the cut-off frequency of the low-pass filter can be shifted upwards by a factor of two for smoothing the pressure measurement values.
- FIG. 1 the measuring device is shown in a partially sectioned view.
- a cylindrical measuring volume 1 with a wall 2 is completely filled with a test liquid, wherein the measuring volume 1 is completed on all sides.
- the wall 2 has a first base area 102 and a second base area 202, which are connected by the side wall 303, which has a longitudinal axis 4.
- an injection valve 3 projects with its tip into the measuring volume 1, wherein the passage of the injection valve 3 is closed by the wall 2 liquid-tight.
- the injection valve 3 has a valve body 7, in which in a bore 6, a piston-shaped valve needle 5 is arranged longitudinally displaceable.
- test liquid flows from a pressure space 9 formed between the valve needle 5 and the wall of the bore 6 to the injection openings 12 and is injected from there into the measuring volume 1 until the injection openings 12 pass through the valve needle 5 are closed again.
- the injection of the test liquid takes place here with a high pressure, which can be up to 200 MPa depending on the injection valve used.
- a pressure holding valve 17 line 16 In the side wall 303 of the cylindrical wall 2 opens a connected to a pressure holding valve 17 line 16, can be derived by the test liquid from the measuring volume 1 in a not shown in the drawing leakage volume.
- a control valve 15 is also arranged, through which the line 16 can be closed if necessary, if a derivation of test liquid from the measuring volume 1 is not desired.
- the pressure-maintaining valve 17 ensures that a certain pressure in the measuring volume 1 is maintained and this always remains completely filled with liquid.
- a holder 22 projects through the second base 202 of the wall 2 into the measuring volume 1.
- a pressure sensor 20 is arranged, which is connected via a signal line 24, which leads out of the measuring volume 1 in the holder 22 with an electronic computer 28, wherein the passage of the holder 22 is sealed by the wall 2 liquid-tight.
- the pressure sensor 20 is arranged in the median plane between the two base surfaces 102, 202 of the wall 2 and thus has the same distance to both base surfaces 102, 202. Since the pressure sensor 20 is also located on the longitudinal axis 4, it has to the side surface 303 on all sides the same distance s.
- the signal that the pressure sensor 20 supplies read and stored electronically.
- the pressure sensor 20 is constructed, for example, on a piezo-based basis, so that even rapid changes in pressure can be measured without appreciable delay.
- a sounder 21 is arranged, which has the distance s from the pressure sensor 20.
- a separate sound receiver 30 diametrically opposite the sounder 21 on the side surface 303 in order to obtain the largest possible distance of the sound signal and thus greater accuracy in determining the speed of sound c.
- the time course of the pressure is measured, from which in turn the injection rate r (t) can be determined, ie the amount dm (t) of the test fluid injected per unit time dt.
- the pressure in the measuring volume 1 increases. Liquids are virtually incompressible compared to gases, so that even a small increase in volume leads to a well-measurable pressure increase. Due to the impact-like introduction of the test liquid, pressure oscillations are excited in the measuring volume 1.
- the natural frequencies depend on the geometric dimensions of the measurement volume 1:
- FIG. 2 shows this first natural compressive vibration schematically, wherein the lines designated p show the pressure curve, in which at the edges bellies are to be found and in the middle, ie in the radial plane of the cylindrical measuring volume in which the pressure sensor 20 is disposed, a pressure node.
- the pressure sensor 20 does not register the first natural pressure vibration since no pressure changes occur at the pressure node. Nor are the 2nd, 4th and all other even harmonics recorded by the pressure sensor 20.
- the procedure is as follows: Into the measuring volume 1, in which the test liquid is located, the injection valve 3 injects a certain amount of liquid by a rapid longitudinal movement of the valve needle 5, through which the injection openings 12 are opened and closed again.
- the pressure sensor 20 measures the pressure p (t) which is read out and stored by the computer 28 at a specific rate of, for example, 100 kHz.
- equation (III) is used.
- the measured values p (t) stored in the computer are time-differentiated and multiplied by the factor V / c 2 , which directly yields the injection rate r (t).
- the cut-off frequency ⁇ G for the low-pass filter can be selected to be twice as large as the first fundamental vibration is not registered by the pressure sensor 20.
- the smoothed pressure readings are then differentiated in time, and after multiplication by the factor V / c 2 results in a known volume V, the injection rate r (t).
- the speed of sound c can also be determined in a separate method.
- FIG. 3 shows the time course of pressure p (t) and its derivative dp (t) / dt as a function of time t in arbitrary units U.
- an injector as used for direct-injection, auto-ignition internal combustion engines, this corresponds to a fuel injection, which is divided into a pilot or pilot injection and a subsequent main injection.
- the derivative dp (t) / dt gives a value which is proportional to the injection rate r (t).
- V / c 2 By multiplication by the factor V / c 2 , one finally obtains from this the absolute value of the injection rate r (t).
- the measurement method together with the described measurement setup thus makes it possible to measure the pressure profile and to determine the speed of sound c under the current test conditions, from which the injection quantity and the injection rate can be determined. If the speed of sound c is calculated from the frequency of the natural vibrations, then all the necessary variables from the pressure curve can be determined, which excludes errors due to additional components. Due to the arrangement of the pressure sensor 20 exactly between the two base areas 102, 202, the cut-off frequency ⁇ G of the low-pass filter can be raised to twice the frequency of the fundamental vibration ⁇ e , without a qualitative impairment is to be expected by the filtering. Elaborate calibration procedures, in which the speed of sound is determined in a separate measurement method, can thus be dispensed with.
- the test fluid may be fuel or another fluid whose properties are similar to that used in normal use of the fuel injector.
- the measurement volume 1 need not be cylindrical, but instead of a cylinder, a cuboid measuring volume 1 or another suitable shape may be provided, for example a ball.
- the pressure sensor 20 is also arranged here in a pressure node of the first natural pressure vibration of the measuring volume 1 in order to set the cutoff frequency for the filtering as high as possible.
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Description
- Bei der Fertigungs- und Funktionsprüfung von Kraftstoff-Einspritzkomponenten, wie beispielsweise von Einspritzventilen, Common-Rail-Injektoren und anderen Hochdruckeinspritzventilen, sind zur Mengenmessung verschiedene Prüfvorrich-tungen und -verfahren im Stand der Technik beschrieben. So ist beispielsweise aus der
DE 100 64 511 A1 das Messkolben-prinzip bekannt, bei dem das Einspritzventil Kraftstoff in ein mit einem Prüfmedium gefülltes Messvolumen einspritzt. Der Druck in dem Messvolumen wird konstant gehalten, indem ein Messkolben durch die Einspritzmenge verdrängt wird. Aus der Verschiebung des Messkolbens kann dann unmittelbar die Einspritzmenge berechnet werden. Dieses Verfahren ist wegen der mechanischen Kolbenbewegung dynamisch begrenzt und kann dadurch die steigenden Anforderungen nach zeitlich hochaufgelöster Messung der Einspritzrate bei modernen Hochdruck-Einspritzsystemen für Brennkraftmaschinen, die pro Einspritzzyklus häufig mehrere Teileinspritzungen umfassen, nicht erfüllen. - Ein alternatives und genaues Verfahren, wie es beispielsweise in W. Zeuch: "Neue Verfahren zur Messung des Einspritzgesetzes und der Einspritz-Regelmäßigkeit von Diesel-Einspritzpumpen", Motortechnische Zeitschrift (MTZ) 22 (1961), S. 344-349, beschrieben ist, ist das hydraulische Druckanstiegsverfahren (HDV). Ein ähnliches Verfahren ist auch aus MTZ 25/7 S.268-282 "Der Einspritzgesetzindikator, ein neues Meßgerät zur direkten Bestimmung des Einspritzgesetzes von Einzeleinspritzungen" (W. Bosch) bekannt. Hierbei spritzt das Einspritzventil ebenfalls in ein flüssigkeitsgefülltes Messvolumen ein, jedoch wird hier das Messvolumen konstant gehalten. Dadurch kommt es zu einem Druckanstieg im Messvolumen, was mit einem geeigneten Drucksensor gemessen wird. Moderne Drucksensoren auf Piezo-Basis zeichnen sich dabei durch eine sehr kurze Ansprechzeit aus, was zeitlich hochaufgelöste Messungen möglich macht. Aus dem zeitlichen Verlauf des Druckanstiegs lässt sich im Prinzip der Verlauf der Einspritzrate und die eingespritzte Menge berechnen.
- In der Praxis wird dies jedoch durch eine Reihe von Faktoren erschwert: Im Messvolumen V kommt es durch den eingespritzten Kraftstoff zu Druckschwingungen in den entsprechenden Eigenfrequenzen des Messvolumens, wobei diese Eigenfrequenzen von den geometrischen Abmessungen des Messvolumens abhängen. Neben der Grundschwingung werden in der Regel auch viele Oberschwingungen angeregt, wobei in der Regel mehrere Schwingungsmoden möglich sind. Dies erschwert eine Filterung des Drucksensor-Messsignals, da die Frequenzen der Eigenschwingungen zum Teil im Bereich der Frequenzen des Messsignals liegen.
- Weiter wird eine genaue Messung des Absolutwerts der Einspritzmenge Δm dadurch erschwert, dass die Messgröße des Drucks erst auf die eingespritzte Flüssigkeitsmenge umgerechnet werden muss. Die Umrechnungsfaktoren beinhalten hierbei den Kompressionsmodul und die Dichte. Diese Größen hängen von den jeweiligen Prüfbedingungen und der Vorgeschichte ab und stehen deshalb nicht mit der notwendigen Genauigkeit aus früheren Messungen zur Verfügung. Um diese Größen zu ermitteln ist für jede Messung ein separater, aufwendiger Kalibriervorgang nötig, was die Messung umständlich und in der Praxis schwer durchführbar macht. Hierzu wird über einen separaten Kalibrierzylinder ein definiertes Kalibrier-Volumen ΔVk in das Messvolumen V eingebracht und die Druckänderung Δpk gemessen. Der Kompressionsmodul K ergibt sich dann aus der Beziehung
-
-
- Hierbei hängt die Dichte von der Temperatur des Prüfmediums ab. Um dies zu berücksichtigen wird die Temperatur mittels eines Temperatursensors im Messvolumen gemessen und die Dichte entsprechend korrigiert. Die Temperaturmessung ist dabei punktuell und berücksichtigt nicht eine eventuell ungleiche Temperatur im gesamten Messvolumen. Ein derartiges Verfahren wird in der
WO 02/064970 A - Für die Ermittlung des Kompressionsmoduls K nach der angegebenen Gleichung (I) ist die Einbringung eines definierten Kalibrier-Volumens in das Messvolumen notwendig, was einen separaten Volumengeber nötig macht. Darüber hinaus ergibt sich der Nachteil, dass für die Kalibriermessung eine separate Messzeit notwendig ist, was die mögliche Frequenz von aufeinanderfolgenden Messungen reduziert.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sich aus dem Druckverlauf in einfacher Weise die Einspritzmenge bestimmen lässt. Hierzu wird der zeitliche Verlauf des Drucks im Messvolumen bei der Einspritzung aufgezeichnet und daraus der zeitliche Verlauf der Einspritzmenge berechnet. Um den Faktor zur Berechnung des Absolutwerts der Einspritzmenge zu ermitteln, wird die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Aus dem Druckanstieg und der Schallgeschwindigkeit lässt sich dann direkt die Einspritzmenge bzw. deren zeitlicher Verlauf, also die Mengen-Einspritzrate, berechnen.
- In einer Weiterbildung wird die Schallgeschwindigkeit mittels eines separaten Messvorgangs ermittelt, bei dem ein Schallimpuls von einem Schallgeber in das Messvolumen abgegeben wird und durch den Drucksensor aufgefangen wird. Sind der Schallgeber und der Drucksensor einander gegenüber angeordnet, so lässt sich aus dem Abstand und der Laufzeit direkt die Schallgeschwindigkeit berechnen. Dies ist ein sehr schnelles Messverfahren, das kaum nennenswerte Verzögerungen des Messablaufs bewirkt.
- In einer Weiterbildung werden die Messdaten des Druckverlaufs mit Hilfe eines elektronischen Rechners gespeichert, der auch eine direkte Weiterbearbeitung der Daten möglich macht.
- In einer Weiterbildung wird aus den Druckmesswerten die Frequenz einer Druckeigenschwingung des Messvolumens bestimmt. Aus der Eigenfrequenz ergibt sich dann die Schallgeschwindigkeit als gemittelte Größe über das gesamten Messvolumen, ohne dass eine separate Messung mit entsprechenden Vorrichtungen nötig wäre. Beispielshaft ist es hierbei möglich, die Frequenzanalyse mit Hilfe eines Fourier-Verfahrens zu berechnen, wobei auch andere, moderne Verfahren möglich sind.
- Die Filterung der Druckmesswerte wird beispielsweise mit einem Tiefpass durchgeführt, so dass Störungen und Rauschen weitgehend eliminiert werden. Aus der zeitlichen Differentiation des Drucksignals lässt sich dann die Einspritzmengenrate bestimmen.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass das Messsignal besser gefiltert werden kann. Hierzu ist der Drucksensor im Druckknoten der ersten Druckeigenschwingung, also der Grundeigenschwingung, angeordnet, so dass der Drucksensor kein Signal der Grundeigenschwingung erfasst. Deshalb kann die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters zur Glättung der Druckmesswerte um einen Faktor zwei nach oben verschoben werden.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt
- Figur 1
- die Messvorrichtung mit den schematisch dargestellten Komponenten,
- Figur 2
- eine Darstellung des Messvolumens mit dem Druckverlauf der ersten Druckeigenschwingung und
- Figur 3
- das Diagramm einer Messung, wobei der Druck und dessen Ableitung über der Zeit abgetragen sind.
- In der
Figur 1 ist die Messvorrichtung in einer teilweise geschnittenen Darstellung gezeigt. Ein zylinderförmiges Messvolumen 1 mit einer Wandung 2 ist mit einer Prüfflüssigkeit vollständig gefüllt, wobei das Messvolumen 1 allseitig abgeschlossen ist. Die Wandung 2 weist eine erste Grundfläche 102 und eine zweite Grundfläche 202 auf, die durch die Seitenwand 303 verbunden sind, welche eine Längsachse 4 aufweist. Durch eine Öffnung 10 in der ersten Grundfläche 102 der Wandung 2 ragt ein Einspritzventil 3 mit seiner Spitze in das Messvolumen 1, wobei der Durchtritt des Einspritzventils 3 durch die Wandung 2 flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Das Einspritzventil 3 weist einen Ventilkörper 7 auf, in dem in einer Bohrung 6 eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet ist. Durch eine Längsbewegung der Ventilnadel 5 werden mehrere Einspritzöffnungen 12, die an der in das Messvolumen 1 hineinragenden Spitze des Einspritzventils 3 ausgebildet sind, geöffnet oder geschlossen. Bei geöffneten Einspritzöffnungen 12 strömt Prüfflüssigkeit aus einem zwischen der Ventilnadel 5 und der Wand der Bohrung 6 ausgebildeten Druckraum 9 zu den Einspritzöffnungen 12 und wird von dort in das Messvolumen 1 eingespritzt, bis die Einspritzöffnungen 12 durch die Ventilnadel 5 wieder verschlossen werden. Die Einspritzung der Prüfflüssigkeit erfolgt hierbei mit einem hohen Druck, der je nach verwendetem Einspritzventil bis zu 200 MPa betragen kann. - In die Seitenwand 303 der zylinderförmigen Wandung 2 mündet eine mit einem Druckhalteventil 17 verbundene Leitung 16, durch die Prüfflüssigkeit aus dem Messvolumen 1 in ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Leckvolumen abgeleitet werden kann. In der Leitung 16 ist darüber hinaus ein Steuerventil 15 angeordnet, durch das im Bedarfsfall die Leitung 16 verschlossen werden kann, falls eine Ableitung von Prüfflüssigkeit aus dem Messvolumen 1 nicht gewünscht wird. Durch das Druckhalteventil 17 ist sichergestellt, dass ein gewisser Druck im Messvolumen 1 aufrecht erhalten wird und dieses stets völlig mit Flüssigkeit gefüllt bleibt.
- Eine Halterung 22 ragt durch die zweite Grundfläche 202 der Wandung 2 in das Messvolumen 1 hinein. Am Ende der Halterung 22 ist ein Drucksensor 20 angeordnet, der über eine Signalleitung 24, die in der Halterung 22 aus dem Messvolumen 1 hinausführt, mit einem elektronischen Rechner 28 verbunden ist, wobei der Durchtritt der Halterung 22 durch die Wandung 2 flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Der Drucksensor 20 ist in der Mittelebene zwischen den beiden Grundflächen 102, 202 der Wandung 2 angeordnet und hat somit zu beiden Grundflächen 102, 202 denselben Abstand. Da der Drucksensor 20 auch auf der Längsachse 4 liegt, weist er zur Seitenfläche 303 einen allseitig gleichen Abstand s auf. Über den elektronischen Rechner 28 kann das Signal, das der Drucksensor 20 liefert, ausgelesen und elektronisch gespeichert werden. Um eine schnelle Messung des Druckverlaufs zu ermöglichen ist der Drucksensor 20 beispielsweise auf Piezo-Basis gebaut, so dass auch schnelle Änderungen des Drucks ohne nennenswerte Verzögerung gemessen werden können. An der Seitenfläche 303 der Wandung 2 ist ein Schallgeber 21 angeordnet, der vom Drucksensor 20 den Abstand s aufweist. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass ein separater Schallempfänger 30 diametral dem Schallgeber 21 an der Seitenfläche 303 gegenüberliegt, um eine möglichst große Laufstrecke des Schallsignals zu erhalten und damit eine größere Genauigkeit bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit c.
- Die zu messende Einspritzmenge Δm der Prüfflüssigkeit kann aus dem Druckanstieg und der Schallgeschwindigkeit berechnet werden. Ist ρ die Dichte der Prüfflüssigkeit und V das Volumen des Messvolumens, so ergibt sich durch das Einspritzen des Einspritzventils bei konstantem Volumen V eine Änderung der Dichte Δρ, so dass gilt
-
- Es gibt also einen direkten Zusammenhang zwischen dem Druckanstieg Δp und der Mengenänderung Δm.
- Mit dem Drucksensor 20 wird der zeitliche Verlauf des Drucks gemessen, woraus sich wiederum die Einspritzrate r(t) bestimmen lässt, also die pro Zeiteinheit dt eingespritzte Menge dm(t) der Prüfflüssigkeit. Aus dem obigen Zusammenhang ergibt sich damit für die Einspritzrate r(t), also die zeitliche Ableitung der eingespritzten Menge dm(t)/dt, folgende Gleichung:
- Das heißt, dass bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit c und des Volumens V aus dem zeitlichen Verlauf des Drucks p(t) der Absolutwert der Einspritzrate r(t) berechnet werden kann.
- Beim Einspritzen der Prüfflüssigkeit in das Messvolumen 1, das anfänglich einen konstanten Druck aufweist, der beispielsweise 1 MPa entspricht, steigt der Druck im Messvolumen 1 an. Flüssigkeiten sind im Vergleich zu Gasen praktisch inkompressibel, so dass auch eine kleine Mengenzunahme zu einer gut messbaren Druckerhöhung führt. Durch das stoßartige Einbringen der Prüfflüssigkeit werden im Messvolumen 1 Druckeigenschwingungen angeregt. Die Eigenfrequenzen hängen von den geometrischen Abmessungen des Messvolumens 1 ab: Für die erste Druckeigenschwingung, die sogenannte Grundschwingung, bei der eine Longitudinalwelle entlang der Längsachse 4 schwingt, ist die halbe Wellenlänge λ/2 gleich der Länge L des Messvolumens 1, also gilt
-
Figur 2 zeigt diese erste Druckeigenschwingung schematisch, wobei die mit p bezeichneten Linien den Druckverlauf zeigen, bei dem an den Rändern Druckbäuche zu finden sind und in der Mitte, also in der Radialebene des zylinderförmigen Messvolumens, in der der Drucksensor 20 angeordnet ist, ein Druckknoten liegt. Die Frequenz νe der ersten Druckeigenschwingung errechnet sich dann einfach aus der Schallgeschwindigkeit c nach der Beziehung λe·νe = c zu -
- Der Drucksensor 20 registriert die erste Druckeigenschwingung nicht, da am Druckknoten keine Druckänderungen auftreten. Ebensowenig werden die 2., 4. und alle anderen geradzahligen Oberschwingungen vom Drucksensor 20 aufgenommen.
- Zur Auswertung der Messung geht man folgendermaßen vor: In das Messvolumen 1, in dem sich die Prüfflüssigkeit befindet, spritzt das Einspritzventil 3 durch eine schnelle Längsbewegung der Ventilnadel 5, durch welche die Einspritzöffnungen 12 geöffnet und wieder verschlossen werden, eine bestimmte Flüssigkeitsmenge ein. Der Drucksensor 20 misst den Druck p(t), der mit einer bestimmen Rate von beispielsweise 100 kHz vom Rechner 28 ausgelesen und gespeichert wird.
- Um den zeitlichen Verlauf der Einspritzmenge dm(t)/dt, also die Einspritzrate r(t) zu bestimmen, benutzt man Gleichung (III). Die im Rechner gespeicherten Messwerte p(t) werden zeitlich differenziert und mit dem Faktor V/c2 multipliziert, was direkt die Einspritzrate r(t) ergibt.
- Neben der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit durch eine separate Messung ist es auch möglich, diese aus den gemessenen Druckmesswerten direkt zu bestimmen. Die im Rechner 28 aufgezeichneten Druckmesswerte sind zum einen verrauscht und zum anderen sind Druckeigenschwingungen des Messvolumens 1 überlagert, was zu weiteren Verfälschungen führt. Aus einer Frequenzanalyse kann aus den Druckmesswerten die Frequenzen der ersten Oberschwingung der Druckeigenschwingungen bestimmt werden, woraus nach der oben angegebenen Beziehung c = ν·L die Schallgeschwindigkeit c berechnet wird, die in der verwendeten Prüfflüssigkeit bei den vorliegenden Bedingungen herrscht. Obwohl die ungefähre Größe von c natürlich bekannt ist, kommt es doch zu Schwankungen durch veränderte Zusammensetzungen der Prüfflüssigkeit oder geänderte Temperaturen, was andernfalls zu einer Verminderung der Messgenauigkeit führen würde. Durch eine Filterung der Druckmesswerte durch einen Tiefpass kann hochfrequentes Rauschen unterdrückt werden. Wegen der Anordnung des Drucksensors 20 in der Mitte des Messvolumens kann die Grenzfrequenz νG für den Tiefpass doppelt so groß gewählt werden, da die erste Grundschwingung vom Drucksensor 20 nicht registriert wird. Die geglätteten Druckmesswerte werden anschließend zeitlich differenziert, und nach Multiplikation mit dem Faktor V/c2 ergibt sich bei bekanntem Volumen V die Einspritzrate r(t).
- Die Schallgeschwindigkeit c kann auch in einem separaten Verfahren bestimmt werden. Hierzu wird vom Schallgeber 21 ein Schallimpuls ausgesandt, der von dem als Schallempfänger dienenden Drucksensor 20 oder von einem separaten Schallempfänger 30 nach einer Laufzeit tL aufgefangen wird. Aus dem Abstand s von Schallgeber 21 und Drucksensor 20 berechnet sich dann nach
-
Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Druck p(t) und dessen Ableitung dp(t)/dt als Funktion der Zeit t in willkürlichen Einheiten U. Der Druck p(t) steigt etwa zum Zeitpunkt t = 1 ms auf ein erstes Niveau an und etwa zum Zeitpunkt t = 2 ms auf ein zweites, deutlich höheres Niveau. Dies entspricht einer Einspritzung von zuerst einer kleineren Menge Prüfflüssigkeit und in einem Abstand von etwa 1 ms einer größeren Menge. Wird ein Einspritzventil gemessen, wie es für direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet wird, entspricht dies einer Kraftstoffeinspritzung, die sich in eine Pilot- oder Voreinspritzung und eine nachfolgende Haupteinspritzung gliedert. Nachdem das vom Drucksensor 20 gemessene Drucksignal p(t) nach der oben geschilderten Methode geglättet worden ist, ergibt die Ableitung dp(t)/dt einen Wert, der proportional zur Einspritzrate r(t) ist. Durch Multiplikation mit dem Faktor V/c2 erhält man daraus schließlich den Absolutwert der Einspritzrate r(t). - Das Messverfahren zusammen mit dem beschriebenen Messaufbau ermöglicht es also, den Druckverlauf zu messen und die Schallgeschwindigkeit c bei den aktuellen Prüfbedingungen zu bestimmen, woraus sich die Einspritzmenge und die Einspritzrate bestimmen lässt. Wird die Schallgeschwindigkeit c aus der Frequenz der Eigenschwingungen berechnet, so können sämtliche notwendigen Größen aus dem Druckverlauf bestimmt werden, was Fehler durch zusätzliche Bauteile ausschließt. Durch die Anordnung des Drucksensors 20 genau zwischen den beiden Grundflächen 102, 202 kann die Grenzfrequenz νG des Tiefpassfilters auf die doppelte Frequenz der Grundschwingung νe angehoben werden, ohne dass eine qualitative Beeinträchtigung durch das Filtern zu erwarten ist. Aufwendige Kalibrierverfahren, bei denen in einem separaten Messverfahren die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, können somit entfallen.
- Die Prüfflüssigkeit kann Kraftstoff sein oder eine andere Flüssigkeit, deren Eigenschaften dem Stoff nahekommen, der im normalen Gebrauch des Einspritzventils verwendet wird. Das Messvolumens 1 muss nicht zylinderförmig ausgebildet sein, sondern statt eines Zylinders kann auch ein quaderförmiges Messvolumen 1 oder eine andere geeignete Form vorgesehen sein, beispielsweise eine Kugel. Der Drucksensor 20 wird auch hier in einem Druckknoten der ersten Druckeigenschwingung des Messvolumens 1 angeordnet, um die Grenzfrequenz für die Filterung möglichst hoch ansetzen zu können.
Claims (6)
- Vorrichtung zur Messung der Einspritzrate (r(t)) eines Einspritzventils (3) für Flüssigkeiten mit einem Messvolumen (1), das allseitig abgeschlossen ist und mit einer Prüfflüssigkeit gefüllt ist, einer Öffnung (10) in der Wandung (2) des Messvolumes (1) zur Aufnahme eines Einspritzventils (3), so dass das Einspritzventil (3) in Einbaulage mit wenigstens einer Einspritzöffnung (12) in das Messvolumen (1) hineinragt, und einem Drucksensor (20), der im Messvolumen (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (20) im Druckknoten der ersten Druckeigenschwingung des Messvolumens (1) angeordnet ist, und die Schallgeschwindigkeit durch Messung der Laufzeit eines Schallsignals im Messvolumen (1) oder direkt aus den Druckmesswerten ermittelt werden kann.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen (1) zylinderförmig ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (20) in der Radialebene angeordnet ist, die mittig zwischen den beiden Grundflächen (102; 202) des Zylinders liegt.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronischer Rechner (28) die Messwerte des Drucksensors (20) erfasst und speichert.
- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem elektronischen Rechner (28) ein Programm läuft, das aus den aufgezeichneten Druckmesswerten (p(t)) die Eigenfrequenzen des Messvolumens (V) berechnet.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messvolumen (V) ein Schallgeber (21) und ein separater Schallempfänger (30) angeordnet sind.
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