DE102008040628A1

DE102008040628A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der mit einem Einspritzventil eingespritzten Flüssigkeitsmenge

Info

Publication number: DE102008040628A1
Application number: DE200810040628
Authority: DE
Inventors: Walter Bauer; Juergen Abt; Stefan Muelders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung der mit einem Einspritzventil (2) für Flüssigkeiten, vorzugsweise Kraftstoff, eingespritzten Flüssigkeitsmenge (m) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Einspritzventil (2) aus einer Messkammer (3) mit unter Druck stehender Flüssigkeit (4) versorgt wird, dass während der Einspritzung der zeitliche Druckabfall (p(t)) des in der Messkammer (3) herrschenden Flüssigkeitsdrucks gemessen wird, und dass aus der Schallgeschwindigkeit (c) der in der Messkammer (3) befindlichen Flüssigkeit (4) und aus dem in der Messkammer (3) während der Einspritzung gemessenen zeitlichen Druckabfall (p(t)) die eingespritzte Flüssigkeitsmenge (m) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. 6.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Messung der Einspritzrate eines Einspritzventils sind beispielsweise durch die DE 102 49 754 A1 bekannt. Bei diesem bekannten hydraulischen Druckanstiegsverfahren spritzt das Einspritzventil die Flüssigkeit in ein flüssigkeitsgefülltes Messvolumen ein, wobei das Messvolumen allseitig abgeschlossen ist und im Messvolumen ein Drucksensor angeordnet ist. Aus dem Druckanstieg im Messvolumen analog zur eingespritzten Flüssigkeitsmenge wird mithilfe der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit die Einspritzmenge oder der zeitliche Verlauf der Einspritzrate berechnet. Die zugehörige Messvorrichtung umfasst ein Messvolumen, ein Einspritzventil, das mit wenigstens einer Einspritzöffnung in das Messvolumen ragt, und einen Drucksensor, der im Druckknoten der ersten Druckeigenschwingung des Messvolumens angeordnet ist.
Dieses bekannte Messverfahren eignet sich für Hochdruckeinspritzsysteme, welche überwiegend im Dieselbereich eingesetzt werden und mit Drücken bis zu 2000 bar arbeiten. Ein weiterer Vorteil dieses bekannten Messverfahrens besteht darin, dass das Einspritzventil (Injektor) selbst eine Leckrate/Rücklauf aufweisen darf, die konstruktiv seitens der Injektoren bedingt ist. Aufgrund der hohen Versorgungsdrücke spielt der mit der Einspritzung steigende Druck im Messgerät keine Rolle.
Im Benzinbereich werden jedoch meist Einspritzventile ohne Leckrate benutzt, die bei geringen Systemdrücken arbeiten, welche ca. 8 bar bei Saugrohrventilen und ca. 100 bar bei Direkteinspritzventilen betragen. Diese geringen Druckbereiche werden ebenfalls bei der Eindosierung von Harnstoff-Wasser-Lösungen im Dieselbereich erreicht, welche bei der selektiven katalytischen Reduktion verwendet werden.
Hauptsächliches Problem bei der Vermessung von Einspritzventilen mit niedrigen Versorgungsdrücken ist der Gegendruckeinfluss auf das Einspritzventil und damit auf die eingespritzte Menge. Durch diesen Einfluss wird die Einspritzmenge verfälscht. Des Weiteren finden bei den bekannten Messsystemen, bei denen die Einspritzung in die eigentliche Messkammer erfolgt, verschiedene Störgrößeneinträge statt, welche die Messung erschweren bzw. verfälschen können:

– Schwingungseintrag, wie z. B. Körperschall oder hydraulische Schwingungen;
– inhomogenes Medium innerhalb der Messkammer, wie z. B. Wärmeeintrag infolge von heißem Einspritzmedium, Kavitationseffekten oder Lufteintrag bei Ventilwechsel.

Zudem findet die Einspritzung des Kraftstoffes bzw. eines verwendeten Prüföls nicht motornah in Luft bzw. in ein Gasgemisch statt, sondern wiederum in Kraftstoff bzw. Prüföl, was nicht der Realität entspricht.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird nicht in ein Messvolumen eingespritzt, sondern eine Messkammer infolge einer Einspritzung entlastet, wodurch der Eintrag der oben genannten Störgrößen ausgeschlossen ist. Das zu vermessende Einspritzventil wird realitätsnah betrieben, d. h., die Einspritzung erfolgt in Luft oder in eine vom Benutzer definierte Umgebung. Somit können auch Variationen des Gegendrucks, den das Einspritzventil im Motor z. B. durch zunehmende Verdichtung infolge der Kolbenaufwärtsbewegung erhält, vom Benutzer ggf. durch zusätzliche Apparaturen nachgeahmt werden. Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Messverfahren sogar während des normalen Motorbetriebes mit eingebautem Einspritzventil eingesetzt werden, da der Einsatz „upstream”, also vor dem zu vermessenden Einspritzventil erfolgt.
Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Nutzung des im Motor verwendeten Common Rails als Messkammer, da die Druckverluste infolge Einspritzung des Einspritzventils hier ebenfalls erfassbar sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstands ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der mit einem Einspritzventil eingespritzten Flüssigkeitsmenge; und
2 einen während einer Einspritzung gemessenen Druckverlauf in einer Messkammer der Messvorrichtung von 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Messung der mit einem Einspritzventil 2 für Flüssigkeiten, vorzugsweise Kraftstoff, eingespritzten Flüssigkeitsmenge m. Die Messvorrichtung 1 umfasst eine an das Einspritzventil 2 angeschlossene Messkammer 3, die mit unter Druck stehender Flüssigkeit 4 gefüllt ist, einen in der Messkammer 3 angeordneten Drucksensor 5 zum Messen des in der Messkammer 3 herrschenden Flüssigkeitsdrucks, ein Schaltventil 6, über das die Messkammer 3 mit einer Druckleitung 7, also mit Versorgungsdruck, verbunden ist, sowie eine Auswertungseinrichtung 8 zum Auswerten des mit dem Drucksensor 5 gemessenen zeitlichen Druckverlaufs p(t). Weiterhin weist die Messvorrichtung 1 noch einen in der Messkammer 3 angeordneten Schallwandler 9 zum Erzeugen von Schallwellen in der Flüssigkeit 4 auf.
Zwischen zwei Einspritzungen wird die Messkammer 3 über das Schaltventil 6 mit der Druckleitung 7 einer externen Druckversorgung (z. B. Pumpe) verbunden und so mit unter Druck stehender Flüssigkeit 4 befüllt. Nach Erreichen des gewünschten Flüssigkeitsdrucks wird das Schaltventil 6 geschlossen und die Messkammer 3 somit von der externen Druckversorgung abgekoppelt, damit aus der Druckerzeugung resultierende Schwingungen nicht mehr in die Messkammer 3 gelangen können. Grundsätzlich arbeitet die Messkammer 3 ab diesem Zeitpunkt als Druckspeicher, der das zu vermessende Einspritzventil (Prüfling) 2 mit unter Druck stehender Flüssigkeit versorgt.
Erfolgt nun über das Einspritzventil 2 die Einspritzung, so bewirkt dies einen Druckabfall innerhalb der Messkammer 3, welcher sich proportional zur eingespritzten Flüssigkeitsmenge m verhält. 2 zeigt schematisch den von dem Drucksensor 5 gemessenen zeitlichen Druckverlauf p(t) während einer Einspritzung in der Messkammer 3. Zum Zeitpunkt t₀ wird bei geschlossenem Schaltventil 6 und bei einem Anfangsdruck p_v das Einspritzventil 2 für die Einspritzung geöffnet, und der Druck in der Messkammer 3 fällt ab, bis zum Zeitpunkt t₁ die Einspritzung durch Schließen des Einspritzventils 2 bei einem Druck p_n beendet wird. Zum Zeitpunkt t₂ wird das Schaltventil 6 geöffnet und die Messkammer 3 mit unter Druck stehender Flüssigkeit befüllt, bis zum Zeitpunkt t₃ der gewünschte Druck p_v wieder erreicht ist und das Schaltventil 6 geschlossen wird.
Wie in DE 102 49 754 A1 ausgeführt, errechnet sich die eingespritzte Flüssigkeitsmenge m bei einer Druckänderung dp im Messvolumen V der Messkammer 3 unter Einbeziehung der (ggf. druckabhängigen) Schallgeschwindigkeit c der in der Messkammer 3 befindlichen Flüssigkeit 4 allgemein wie folgt:
Für den Fall, dass die Schallgeschwindigkeit c während der Druckänderung konstant bleibt, vereinfacht sich die Berechnung der eingespritzten Flüssigkeitsmenge m bei einer Druckänderung Δp im Messvolumen V der Messkammer 3 wie folgt: m = V·1/c2·Δp.
Es gibt also einen direkten Zusammenhang zwischen dem gemessenen zeitlichen Druckverlauf bzw. Druckabfall p(t) und der eingespritzten Flüssigkeitsmenge m, so dass die Auswertungseinrichtung 8 die eingespritzte Flüssigkeitsmenge m aus dem gemessenen zeitlichen Druckverlauf bzw. Druckabfall p(t) bestimmen kann.
Aus dem gemessenen zeitlichen Druckverlauf bzw. Druckabfall p(t) lässt sich auch die Einspritzrate r(t) bestimmen, also die pro Zeiteinheit dt eingespritzte Flüssigkeitsmenge dm(t). Aus dem obigen Zusammenhang ergibt sich für die Einspritzrate r(t), also die zeitliche Ableitung der eingespritzten Flüssigkeitsmenge dm(t)/dt, folgende Gleichung: r(t) = dm(t)/dt = V/c2·dp(t)/dt.
Das heißt, dass bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit c und des Messvolumens V die Auswertungseinrichtung 8 durch zeitliche Differentiation des gemessenen zeitlichen Druckabfalls p(t) den Absolutwert der Einspritzrate r(t) berechnen kann.
Bei der Auslegung des Messkammervolumens V ist wichtig, dass der entstehende Druckabfall möglichst gering gehalten wird, damit der Einfluss auf die eingespritzte Flüssigkeitsmenge infolge des Druckabfalls gering gehalten wird. Allerdings muss die entstehende Druckstufe auch groß genug sein, damit sie von dem Messsystem aufgelöst werden kann. Alternativ kann durch die Volumenauslegung auch ein realitätsnaher Druckverlust in der Messkammer 3 erreicht werden, wie er im tatsächlichen Motorbetrieb vorliegt.
Der Schallwandler 9 dient zum Messen der Schallgeschwindigkeit c der in der Messkammer 3 befindlichen Flüssigkeit 4 und sendet dazu Schallwellen aus, die vom Drucksensor 5 erfasst werden. Aus den gemessenen Druckwerten bestimmt die Auswertungseinrichtung 8 die Schallgeschwindigkeit c, und zwar insbesondere die Schallgeschwindigkeit c(p_v) vor der Einspritzung und die Schallgeschwindigkeit c(p_n) nach der Einspritzung.
Als alternativer Aufbau kann die Messkammer 3 durch den Hochdruckspeicher (Rail) eines Common Rail-Einspritzsystems gebildet sein. Auch in dem Rail wird für jeden Einspritzvorgang ein Druckabfall registriert, der ein Maß für die Einspritzmenge darstellt. Die Schallgeschwindigkeitsmessung kann von außerhalb des Rails z. B. durch Ankopplung eines Piezoschwingers direkt an das Railgehäuse gemessen werden, wobei der Schall zunächst die Railgehäusewand durchdringt und erst dann durch die Flüssigkeit 4 läuft. Da das Rail entgegen der obigen Anordnung nicht über ein Ventil von der Pumpe getrennt werden kann, um Pumpenschwingungen zu vermeiden, müssen geeignete Filter gewählt werden, die die Störeinträge verhindern. Dieser Aufbau eignet sich besonders zur Vermessung direkt am Motor eines Fahrzeuges, ggf. als Einsatz zur Motordiagnose in Werkstätten oder als Methode zur Vermessung von Einspritzventilen im motornahen Betrieb.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10249754 A1 [0002, 0016]

Claims

Verfahren zur Messung der mit einem Einspritzventil (2) für Flüssigkeiten, vorzugsweise Kraftstoff, eingespritzten Flüssigkeitsmenge (m), dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (2) aus einer Messkammer (3) mit unter Druck stehender Flüssigkeit (4) versorgt wird, dass während der Einspritzung der zeitliche Druckabfall (p(t)) des in der Messkammer (3) herrschenden Flüssigkeitsdrucks gemessen wird, und dass aus der Schallgeschwindigkeit (c) der in der Messkammer (3) befindlichen Flüssigkeit (4) und aus dem in der Messkammer (3) während der Einspritzung gemessenen zeitlichen Druckabfall (p(t)) die eingespritzte Flüssigkeitsmenge (m) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzung die Messkammer (3) mit Ausnahme ihrer Verbindung mit dem Einspritzventil (2) vollständig nach außen, insbesondere von einer Druckleitung (7), abgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzung die Messkammer (3) an ihre Druckleitung (7) angeschlossen bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen zeitlichen Druckabfall (p(t)) durch zeitliche Differentiation die Einspritzrate (r(t)) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit (c) der in der Messkammer (3) befindlichen Flüssigkeit (4), insbesondere vor und nach jeder Einspritzung, gemessen wird.
Vorrichtung (1) zur Messung der mit einem Einspritzventil (2) für Flüssigkeiten, vorzugsweise Kraftstoff, eingespritzten Flüssigkeitsmenge (m), mit einer an das Einspritzventil (2) angeschlossenen Messkammer (3), die mit unter Druck stehender Flüssigkeit (4) gefüllt ist, mit einem Drucksensor (5) zum Messen des in der Messkammer (3) herrschenden Flüssigkeitsdrucks, und mit einer Auswertungseinrichtung (8), die aus der Schallgeschwindigkeit (c) der in der Messkammer (3) befindlichen Flüssigkeit (4) und aus dem in der Messkammer (3) während der Einspritzung gemessenen zeitlichen Druckabfall (p(t)) die eingespritzte Flüssigkeitsmenge (m) bestimmt.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (3) mit ihrer Flüssigkeitszufuhr (7) über ein Schaltventil (6) verbunden ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallwandler (9) zum Erzeugen von Schallwellen in der in der Messkammer (3) befindlichen Flüssigkeit (4) vorgesehen ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (3) durch den Hochdruckspeicher eines Common Rail-Einspritzsystems gebildet ist.