Einspritzventils für Flüssigkeiten

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung des Einspritzverhaltens eines Einspritzventils für Flüssigkeiten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Stand der Technik

Zur Funktionsprüfung bzw. Charakterisierung von Einspritzventilen, insbesondere von Common-Rail-Injektoren, ist in der Regel eine genaue Messung von Kenn größen wie z.B. der Einspritzrate bei Einzel- oder Mehrfacheinspritzungen erfor derlich, um beispielsweise Spritzbeginn und Spritzende eines Einspritzvorgangs erkennen zu können. Dazu werden z.T. unterschiedliche Messtechniken einge setzt, unter denen die Erfassung von primären Kenngrößen wie der Einspritzrate basierend auf der Messung von Druck und Schallgeschwindigkeit in einer Mess kammer relativ häufig eingesetzt wird. Bei diesem Stand der Technik ist jedoch eine relativ aufwendige Drucksensorsignalkonditionierung mittels einer Tiefpass filterung nötig, um Störsignaleinflüsse aufgrund von Eigenschwingungen der Messkammer zu kompensieren.

Aus der DE 10 2011 007 611 Al sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung zumindest der Spritzmenge und/oder der Spritzrate einer mit einem Ventil verspritzten Flüssigkeit bekannt. Die Vorrichtung weist eine Messkammer und eine Schnittstelle zur Aufnahme des Ventils, zumindest einen Sensor zum Messen eines in der Messkammer herrschenden Zustandes, sowie eine mit dem Sensor verschaltete Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Spritzmenge und/oder der Spritzrate zumindest in Abhängigkeit von dem gemessenen Zu stand auf. Die Vorrichtung sowie das Verfahren zur Ermittlung der Spritzmenge und/oder der Spritzrate ermöglichen es, gleichzeitig einen weiteren Parameter der Flüssigkeit zu ermitteln und zu bewerten. Dieser weitere Parameter ist das Strahlbild der verspritzten Flüssigkeit und wird von einer Einrichtung zur Strahl bilderfassung der verspritzten Flüssigkeit aufgenommen. Hierfür wird eine opti- sehe Kammer verwendet, wobei das Strahlbild simultan zu der Spritzmenge und/oder der Spritzrate von der Auswerteeinrichtung ermittelt und bewertet wird.

Offenbarung

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass es relativ einfach und kostengünstig realisierbar ist und zudem quantitative Re sultate liefert. Dazu umfasst das Verfahren die Schritte des Einspritzens von Flüssigkeit durch das Einspritzventil in eine Messkammer, des Einstrahlens von Licht in die Messkammer auf von dem Einspritzventil als Sprühmuster ausgesto ßene Flüssigkeit, des Detektierens und Abtastens von zeitlich aufeinanderfol genden Strahlbildern, die von an Grenzflächen des vom Einspritzventil ausge stoßenen Sprühmusters reflektiertem und auf eine Aufnahmeeinrichtung abgebil detem Licht erzeugt werden, um ortsaufgelöste Intensitätsverteilungen zu erhal ten, des Auswertens der zu den detektierten und abgetasteten Strahlbildern je weils zugeordneten Intensitätsverteilungen, wobei in den jeweiligen Intensitäts verteilungen solche Bildmatrixelemente identifiziert werden, welche dem abgebil deten Sprühmuster zugeordnete Bildinformationen enthalten, und anhand der jeweils identifizierten Bildmatrixelemente bzw. Pixel und deren Zeitentwicklung ein Maß für das Einspritzverhalten ermittelt wird. Der Erfindung liegt mithin die Erkenntnis zugrunde, dass bei geeignetem Messkammerdruck an einer Phasen grenze zwischen einer einen Einspritzvorgang darstellenden Gaspha

se/Flüssigkeitsphase und einer in der Messkammer befindlichen Flüssigpha se/Gasphase reflektiertes und dann als optische Momentaufnahme abgebildetes Licht einen zeitlich„eingefrorenen“ Zustand des Einspritzverhaltens darstellt, da beim Einspritzvorgang in die mit dem flüssigen Medium gefüllte Messkammer ei ne sich als Sprühmuster manifestierende Kavitation auftritt, so dass Öffnen und Schließen des Einspritzventils eindeutig mit dem Auftreten und Verschwinden von Kavitation korreliert ist; die Auswertung von derart„eingefrorenen“ Moment aufnahmen eines Kavitationsereignisses gibt somit Aufschluss über dessen zeit liche Entwicklung, woraus eine Kenngröße zur Charakterisierung des Einspritz verhaltens ableitbar ist. Mithin ist es möglich, Beginn und Ende eines Einspritz vorgangs aufgrund der dann auftretenden abrupten Änderungen der Intensitäts verteilungen der Strahlbilder eindeutig zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aufgrund der zugrundeliegenden optischen Messtechnik weitge hend unempfindlich gegenüber Eigenschwingungen der Messkammer.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass als Maß für das Einspritzverhalten eine als Kenngröße dienende relative Einspritzrate an hand der nachstehenden Beziehung

ermittelt wird, wobei mit n(t) die relative Einspritzrate in funktionaler Abhängigkeit von der Zeit t, mit G ein zwischen hohen und demgegenüber deutlich niedrigeren Intensitätswerten liegender Grenzwert, mit l(P _j , t) die Intensität eines j-ten Bild matrixelements eines jeweiligen zur Zeit t von der Aufnahmeeinrichtung detek- tierten und abgetasteten Strahlbilds, mit j ein sich von 1 bis m erstreckender Summationsindex, wobei m die Gesamtzahl der ausgewerteten Bildmatrixele mente darstellt und mit K _j ein jeweiliger Korrelationsfaktor bezeichnet sind, wel cher einen im jeweils zugeordneten Bildmatrixelement erfassten Lichtintensitäts informationswert l(P _j , t) berücksichtigt, wobei bei der Summenbildung nur solche Bildmatrixelemente P _j berücksichtigt werden, deren Lichtintensitätswerte größer als der Grenzwert G oder gleich dem Grenzwert G sind, um dem im jeweiligen Strahlbild enthaltenen Sprühmuster zugeordnete Bildmatrixelemente zu identifi zieren.

Zweckmäßigerweise wird die Aufnahmeeinrichtung so eingestellt, dass eine Querschnittebene des ausgestoßenen Sprühmusters als Strahlbild scharf abge bildet wird, wodurch ein zweidimensionales Abbild des Sprühmusters darstellbar ist.

Eine Verfahrensvariante, mit welcher ein quasi dreidimensionales Abbild eines der optischen Detektion zugrundeliegenden Sprühmusters darstellbar ist, kann darin bestehen, dass in zeitlich aufeinanderfolgend erfassten Strahlbildern ver schiedene Querschnittebenen abgebildet und abgetastet werden, wobei jeweils die Brennweite der Aufnahmeeinrichtung verändert wird und/oder die Aufnahme einrichtung hinsichtlich ihres optischen Abstands zur Messkammer verschoben wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung, mit welcher eine weitere Kenngröße zur Cha rakterisierung des Einspritzverhaltens optisch gewinnbar ist, kann darin beste hen, dass als Maß für das Einspritzverhalten eine Strahlausbreitungsgeschwin digkeit in einer Querschnittebene des Sprühmusters (Strahlbild) anhand der nachstehenden Beziehung

ermittelt wird, wobei mit v(ti _+i ) die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit zur Zeit t _+i , mit i ein Index für ein jeweils zu verarbeitendes Strahlbild, mit n ein Strahlausbrei tungsradius zum Zeitpunkt t, für ein i-tes Strahlbild und mit n _+i ein Strahlausbrei tungsradius zum Zeitpunkt t, _+i für ein (i+l)-tes Strahlbild bezeichnet sind, wobei wenigstens zwei zeitlich aufeinanderfolgende Strahlbilder detektiert und ausge wertet werden, indem in dem i-ten Strahlbild Bildmatrixelemente identifiziert wer den, welche mit nach außen weisenden Enden von Strahlkeulen eines abgebil deten Sprühmusters korrespondieren und etwa auf einem gedachten Kreisring mit einem Strahlausbreitungsradius n angeordnet sind, und in dem (i+l)-ten Strahlbild Bildmatrixelemente identifiziert werden, welche mit den nach außen weisenden Enden von Strahlkeulen des dann abgebildeten Sprühmusters kor respondieren und etwa auf einem gedachten Kreisring mit einem Strahlausbrei tungsradius n _+i angeordnet sind.

Dabei erfolgt eine Kalibrierung der Strahlausbreitungsradien, indem eine abbil dungsrelevante Gegenstandsgröße, vorzugsweise ein Düsendurchmesser des zu prüfenden Einspritzventils, und/oder ein Abbildungsmaßstab der Aufnahme einrichtung und/oder ein Auflösungsvermögen der Aufnahmeeinrichtung berück sichtigt wird/werden, so dass die Kenngröße in absoluten Einheiten darstellbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden simultan zum op tischen Detektieren von Strahlbildern hydraulische Messungen zum Ermitteln ei ner hydraulisch gewonnenen Kenngröße wie die Einspritzrate und/oder die Ein spritzmenge in der Messkammer durchgeführt, wobei optisch gewonnene Mess- daten mit hydraulisch gewonnenen Messdaten bezüglich der Kenngröße korre liert werden. Dadurch sind die hydraulisch gewonnenen Messresultate unmittel bar mittels der zeitgleich durchgeführten optischen Erkennung überprüfbar und verifizierbar, so dass bei der hydraulischen Messwerterfassung aufgrund der da für erforderlichen Tiefpassfilterung auftretende Messartefakte erkennbar sind.

Weiterhin können aus der optisch ermittelten relativen Einspritzrate n(t) eine auf ein Maximum von 1 normierte Einspritzrate F(t) und durch Einbeziehung der hyd raulischen Messresultate eine absolute Einspritzrate A(t) ermittelt werden, indem eine Skalierung über die hydraulisch gemessene Einspritzrate, welche dem In tegral über der Rate entspricht, erfolgt.

Bei dem kombinierten Einsatz von optischer und hydraulischer Messwerterfas sung kann als weitere Kenngröße ein Strahlimpuls zur Charakterisierung des Einspritzverhaltens ermittelt werden, wobei der Strahlimpuls aus der optisch ge wonnenen Strahlausbreitungsgeschwindigkeit v(t,) und aus einer hydraulisch ge wonnenen Einspritzmenge durch jeweilige Produktbildung ermittelt wird.

Zweckmäßigerweise kann aus den verschiedenen Querschnittebenen zu jedem Zeitpunkt der Einspritzung ein dreidimensionales Bild des Sprühmusters erzeugt werden. Ferner wird eine Strahlausbreitungsgeschwindigkeit entlang der Strahl achse aus dem dreidimensionalen Bild des Sprühmusters ermittelt.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Vorrichtung ist einfach konzipiert und liefert zuverlässig quantitative Resultate zur Charakteri sierung des Einspritzverhaltens eines Einspritzventils bzw. Kraftstoff! njektors. Dazu ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung umfasst, welche eine Datenübertragungsverbindung zur Aufnahmeeinrichtung aufweist, um von der Aufnahmeeinrichtung detektierte und abgetastete Strahlbilder zu ver arbeiten und auszuwerten, wobei die Auswerteeinrichtung in von der Aufnahme einrichtung erfassten Intensitätsverteilungen von jeweiligen Strahlbildern solche Bildmatrixelemente identifiziert, welche einem abgebildeten Sprühmuster zuge ordnete Bildinformationen enthalten, und anhand der jeweils identifizierten Bild matrixelemente und deren Zeitentwicklung ein Maß für das Einspritzverhalten ermittelt. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahmeeinrichtung entlang ihrer optischen Achse mittels einer zugeordneten Positioniereinrichtung verfahr bar ausgebildet, um die optische Weglänge zwischen der Aufnahmeeinrichtung und der Messkammer zu verändern. Dadurch ist es möglich, nacheinander ver schiedene Querschnittebenen des vom Einspritzventil ausgestoßenen

Sprühmusters optisch durchzufahren und zu erfassen, um mithin eine quasi drei dimensionale Darstellung zu erzielen. Zweckmäßigerweise ist die Aufnahmeein richtung als Digitalkamera ausgebildet, um für jedes detektierte und abgetastete Strahlbild jeweils einen ortsaufgelösten Intensitätsverlauf zu erfassen, was die Auswertung der optisch gewonnenen Daten vereinfacht und einen kompakten Aufbau der Vorrichtung ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:

Fig. 1A eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Messkammer mit einem darin aufgenommenen Injektor, eine an einen optischen Zugang der Messkammer angeordnete Beleuchtungseinrichtung und eine au ßerhalb der Messkammer angeordnete Aufnahmeeinrichtung aufweist,

Fig. 1B ein Schaubild, das für eine erste und eine darauf erfolgende zweite Ein spritzung jeweils während der Einspritzdauer erfasste hydraulische Messungen anhand von zwei Diagrammen und zeitlich koinzidierend dazu optisch erfasste Kavitationsbilder zusammen mit einer Impulsfolge für die Einspritzung des zu tes tenden Injektors und einem Steuersignal zur Ansteuerung der Beleuchtungsein richtung darstellt, wobei die Zeitachse entlang der Abszisse verläuft und in den Diagrammen die hydraulisch erfasste Einspritzmasse und deren zeitliche Ablei tung als Funktion der Zeit aufgetragen sind,

Fig. 2A ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens, Fig. 2B ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten einer zwei ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens,

Fig. 2C ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten einer drit ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens,

Fig. 3A ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens, um ein Maß für eine relative Einspritzrate eines zu testenden Injektors zu ermitteln,

Fig. 3B ein als Kavitationsbild optisch detektiertes Sprühmuster eines Injektors, das als Grundlage für die erste Ausführungsform des Auswerteverfahrens dient,

Fig. 4A ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten einer zwei ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens, um ein Maß für die Strahlausbreitung in einer Bildebene eines von einem zu testenden Injek tor ausgestoßenen Sprühmusters zu ermitteln,

Fig. 4B eine Projektion von zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend detek- tierten Kavitationsbildern als Grundlage für die zweite Ausführungsform des Auswerteverfahrens,

Fig. 4C ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten einer drit ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens, um ein Maß für die Strahlausbreitung entlang der Strahlachse eines von einem zu testenden Injektor ausgestoßenen Sprühmusters zu ermitteln,

Fig. 4D ein Schema zur groben Veranschaulichung des prinzipiellen zeitlichen Divergenzverhaltens eines vom Injektor ausgestoßenen Sprühmusters, das an hand seines zu verschiedenen Zeitpunkten jeweils zugeordneten Außenradius vereinfachend und skizzenhaft dargestellt ist, als Berechnungsgrundlage für die zu ermittelnde Strahlausbreitungsgeschwindigkeit,

Fig. 4E ein Schema zur Veranschaulichung des prinzipiellen zeitlichen Diver genzverhaltens eines vom Injektor ausgestoßenen Sprühmusters als Berech- nungsgrundlage für die zu ermittelnde Strahlausbreitungsgeschwindigkeit in einer einzigen Bildebene,

Fig. 5A eine anhand eines Kavitationsbilds veranschaulichte Auswertemaske zur Auswertung, um unerwünschte Reflexionen an der Messkammerwand bei der Auswertung zu unterdrücken,

Fig. 5B eine anhand eines Kavitationsbilds veranschaulichte Auswertemaske, die bei der Auswertung eingesetzt wird, um strahlfremde Reflexionsanteile zu unter drücken,

Fig. 5C eine anhand eines Kavitationsbilds veranschaulichte Auswertemaske, die zur Auswertung eingesetzt wird, um selektiv einzelne Strahlkeulen im Kavitati onsbild zu analysieren, sowie

Fig. 6 ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasstes und ausgewerte tes Messdiagramm, bei dem entlang der Ordinate eine normierte Einspritzrate F(t) aufgetragen ist, während entlang der Abszisse die Zeitachse verläuft, wobei Gruppen von optisch erfassten Messdaten dargestellt sind, indem der Anteil hel ler Bildmatrixelemente einzelner Sensorbilder einer zeitlichen Sequenz in funkti onaler Abhängigkeit von der Aufnahmezeit der Aufnahmeeinrichtung während ei nes Einspritzvorgangs dargestellt sind, und im Vergleich dazu eine gleichzeitig hydraulisch erfasste Messkurve dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsformen

Fig. 1A veranschaulicht in einer stark schematisch gehaltenen Schnittansicht die im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung, welche eine Messkammer 11 und ei ne optische Aufnahmeeinrichtung 12 sowie eine Beleuchtungseinrichtung 13 aufweist. Die Messkammer 11 dient zum Prüfen von Injektoren und weist ein Gehäuse 14 auf, das zur Aufnahme eines zu prüfenden Injektors 15 vorgesehen ist, welcher mittig in einer dafür vorgesehenen Öffnung in einer oben angeordne ten Wandung des Gehäuses 14 eingesetzt ist, so dass das mit Spritzlöchern ver sehene Injektorende in die Messkammer 11 hineinragt. In dem Gehäuse 14 sind ein Drucksensor 16 und eine Ultraschallwandlereinrich tung 17 aufgenommen, welche aus einer Ultraschallquelle und einem Ultra schallsensor gebildet ist. Dadurch weist die Messkammer 11 eine Funktionalität als hydraulischer Druckanstiegsanalysator auf; wenn der Injektor 15 durch seine Einspritzöffnungen bzw. Spritzlöcher Flüssigkeit in die mit Flüssigkeit gefüllte Messkammer 11 einspritzt und dadurch der Druck in der Messkammer 11 an steigt, kann in herkömmlicher Weise durch gleichzeitige Messung des Drucks und der Schallgeschwindigkeit in der Messkammer 11 mittels des Drucksensors 16 und der Ultraschallwandlereinrichtung 17 eine charakteristische Kenngröße des Injektors, nämlich die Einspritzrate, ermittelt werden.

Indem die Beleuchtungseinrichtung 13 und die optische Aufnahmeeinrichtung 12 mit der Messkammer 11 Zusammenwirken, weist die Vorrichtung 10 eine opti sche Sensorfunktionalität auf, um das beim Einspritzvorgang an den Spritzlö chern des Injektors 15 als Querschnittebene des Sprühmusters 18 durch den dort austretenden Kraftstoff erzeugte Strahlbild 30 optisch zu detektieren und mit tels einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung quantitativ zu analysieren. Da zu weist das Gehäuse 14 auf seiner dem Injektor 15 gegenüberliegend angeord neten Bodenseite 14 ^' einen etwa mittig darin aufgenommenen optischen Zugang 20 auf, der als optisch transparentes Fenster ausgebildet ist. Die Beleuchtungs einrichtung 13 ist als ringförmige Leuchtdiodenanordnung (LED-Anordnung) aus gebildet und außenseitig derart an der Bodenseite 14 ^' des Gehäuses 14 ange ordnet, dass die Ringinnenfläche der LED-Anordnung 13 einen aus der Boden seite 14 ^' herausragenden Abschnitt des optischen Fensters 20 umschließt. Von der ringförmigen LED-Anordnung 13 abgestrahltes Licht gelangt dann über das optische Fenster 20 in die Messkammer 11. Um unerwünschte Reflexionen des in die Messkammer abgestrahlten Lichts an der Innenwandung der Messkammer 11 weitestgehend zu unterdrücken, ist die Innenwandung der Messkammer 11 geschwärzt ausgebildet, so dass in die Messkammer 11 eingestrahltes Licht im Wesentlichen an Phasengrenzen reflektiert wird, welche durch Kavitation wäh rend des Einspritzvorgangs aus den Spritzlöchern des zu prüfenden Injektors 15 in Form von Strahlkeulen entstehen und ein Sprühmuster 18 bilden. Zumindest ein Teil des daran zurückgeworfenen bzw. reflektierten Lichts tritt durch das opti sche Fenster 20 und durch den Innenring der LED-Anordnung 13 hindurch nach außen und wird dann über einen Umlenkspiegel 21 um 90° umgelenkt, um von einer Aufnahmeeinrichtung 12 als Strahlbild bzw. Kavitationsbild 30 detektiert zu werden, wobei ein vorgeordnetes Objektiv 22 das vom Umlenkspiegel 21 her ein fallende Lichtstrahlenbündel auf einen Bildsensor (nicht dargestellt) der Aufnah meeinrichtung 12 abbildet, welche im Ausführungsbeispiel als Hochgeschwindig- keits- Digitalkamera mit einem CMOS- bzw. CCD-(,, Charge coupled device“)-Array als Bildsensor ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise sind dabei die ringförmige LED-Anordnung 13, das optische Fenster 20 und der Injektor 15 konzentrisch zueinander entlang der Längsachse 11 ^' der Messkammer 11 angeordnet. Die Aufnahmeeinrichtung 12 ist zusammen mit dem vorgeordneten Objektiv 22 auf einem Positionierschlitten 24 befestigt, der entlang einer Führung 25 horizontal verschiebbar ausgebildet ist, um die Bildebene der Aufnahmeeinrichtung 12 un abhängig von deren Fokuseinstellung variieren zu können. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) dient einerseits zum Ansteuern des Posi tionierschlittens 24, zur Steuerung des Einspritzverhaltens des Injektors 15, zur gepulsten Steuerung der Lichtemission der LED-Anordnung und zum darauf zeit lich abgestimmten Aufnahmeverhalten der Aufnahmeeinrichtung 12 und anderer seits zur Auswertung der vom Bildsensor der Aufnahmeeinrichtung 12 detektier- ten Lichtintensitäten; dazu ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung über Steuer- und Datenleitungen (nicht dargestellt) mit einer Steuerelektronik des Injektors, mit der LED-Anordnung, mit der Aufnahmekamera und deren Objektiv und einer Steuerelektronik des Positionierschlittens elektrisch verbunden. Außerdem führt die Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Korrelation der optisch gewonnenen Daten mit den dazu simultan aus der Druck- und Schallgeschwindigkeitsmes sung hydraulisch gewonnenen Daten durch.

Fig. 1B zeigt ein Schaubild 27, in welchem mit der erfindungsgemäßen Vorrich tung 10 erzielte Messungen dargestellt sind, die einerseits hydraulisch erfasste Messungen in zwei Diagrammen 28, 28 ^' für zwei zeitlich aufeinanderfolgende Einspritzungen des zu testenden Injektors und jeweils zeitlich dazu korrelierte und optisch erfasste Kavitationsbilder 30 ^' , 30 ^'' umfassen. In den beiden Dia grammen 28, 28 ^' sind die anhand des in der Messkammer laufend gemessenen Drucks p und der gemessenen Schallgeschwindigkeit c ermittelte Einspritzmasse m und die Einspritzrate dm/dt als Funktion der Zeit t während einer Mehrfachein spritzung bestehend aus beispielsweise dargestellter Vor-, Haupt- und Nachein spritzung dargestellt. Jedem der beiden Diagramme 28, 28 ^' ist eine Steuerimp ulsfolge zugeordnet, mit welcher die Einspritzung des Injektors steuerbar ist, in dem für die Voreinspritzung beispielsweise ein dreieckförmiger Sägezahnimpuls 29, für die Haupteinspritzung ein trapezförmiger Impuls 29 ^' und für die Nachein spritzung ein trapezförmiger Impuls 29 ^” von gegenüber der Haupteinspritzung kürzerer Impulsdauer verwendet wird. Ferner ist zu jedem der beiden Diagramme 28, 28 ^' ein Steuersignal 39 zur Ansteuerung der Leuchtdioden der Beleuch tungseinrichtung dargestellt, mit dem eine synchron zur Einspritzung erfolgende Beleuchtung der Messkammer bewirkt wird, wobei das Steuersignal eine im We sentlichen rechteckförmige Impulsform aufweist, deren Impulslänge so bemes sen ist, das diese sich über die Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung erstreckt. Wie Fig. 1B weiterhin veranschaulicht, ist ein Kavitationsereignis desto ausgeprägter, je höher die Einspritzrate dm/dt ist, denn das zeitgleich mit einer Voreinspritzung aufgezeichnete Kavitationsbild 30 ^' ist deutlich schwächer ausgeprägt als das während einer Haupteinspritzung bei hoher Einspritzrate aufgezeichnete Kavita tionsbild 30 ^” , dessen in radialer Richtung verlaufende Strahlkeulen demgegen über eine deutlich längere Reichweite aufweisen.

Fig. 2A zeigt anhand eines stark schematisch gehaltenen Flussdiagramms 100 die wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Steuerungsverfah rens gemäß einer ersten Verfahrensvariante, die dazu dient, verschiedene Vor richtungskomponenten, d.h. die Aufnahmekamera, deren Objektiv und die LED- Anordnung mit dem Einspritzvorgang des zu testenden Injektors zu synchronisie ren. In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird ein Steuerimpuls synchron an die Elektronik des Injektors 15, die LED-Anordnung 13, die Aufnahmekamera 12, das Objektiv 22 übermittelt, so dass der Injektor 15 Kraftstoff aus seinen Spritzlö chern ausstößt und in die Messkammer 11 injiziert; gleichzeitig emittiert der LED- Ring 13 einen Lichtimpuls, stellt das Objektiv 22 Blende und Fokus ein und öffnet die Aufnahmekamera 12 für eine vorbestimmte Belichtungszeit ihren Verschluss, damit Licht, das von dem LED-Ring 13 emittiert, an der Phasengrenze des von dem Injektor als Sprühmuster 18 ausgestoßenen Kraftstoffs reflektiert wird, aus der Messkammer 11 über das optische Fenster 20, den Umlenkspiegel 21 und das Objektiv 22 auf den Bildsensor der Aufnahmekamera 12 gelangt bzw. abge bildet wird. In einem zweiten Verfahrensschritt 102, welcher noch während der Belichtungsphase erfolgt, wird die Bildebene des Objektivs 11 auf die Ebene der Spritzlöcher des Injektors 15 scharfgestellt, um das beim Einspritzvorgang des Injektors typischerweise erzeugte Sprühmuster bzw. Kavitationsbild scharf auf den Bildsensor abzubilden. Nach diesen beiden Justageschritten 101 und 102 wird, um eine Sequenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern zu star- ten, in einem daran anschließenden Verfahrensschritt 103 erneut ein Steuerimp uls an die Elektronik des Injektors 15, die LED-Anordnung 13 und an die Auf nahmekamera 12 abgegeben, worauf in einem folgenden Verfahrensschritt 104 ein erstes Einzelbild erfasst wird. In einem nächsten Verfahrenschritt 105 wird das unmittelbar zuvor aktuell erfasste Einzelbild als Bildmatrix mit Bildmatrixele menten bzw. Pixel, in denen die jeweiligen Lichtintensitäten erfasst sind, auf ei nem Speichermedium abgespeichert. In einem daran anschließenden Prüfschritt 106 wird laufend abgefragt, ob die voreingestellte Sequenz von Einzelbildern schon abgearbeitet ist, wobei bei negativem Abfrageresultat ein Rücksprung zu Schritt 103 erfolgt und die Prozedur mit den Schritten 104 und 105 zum Erfassen und Abspeichern eines jeweils nächsten Einzelbilds innerhalb einer Schritte 103 bis 106 umfassenden Schleife, unter Inkrementierung eines Schleifenindex um einen Zähler 1 zyklisch durchlaufen wird, während demgegenüber bei positivem Abfrageresultat, d.h. wenn eine Sequenz von Einzelbildern erfasst und abgespei chert ist, die Schleife beendet bzw. verlassen wird, um in einem anschließenden Verfahrensschritt 107 einen Sprung in ein Auswerteverfahren einzuleiten. Die bei dieser Ausführungsform des Steuer- und Messdatenerfassungsverfahrens ge wonnenen Einzelbilder sind aufgrund der optischen Vorrichtungskonfiguration Querschnitte durch die vom Injektor erzeugte Kavitation entlang der am Objektiv 22 konstant eingestellten Bildebene.

Fig. 2B zeigt anhand eines stark schematisch gehaltenen Flussdiagramms 100 ^' die wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Steuerungsverfah rens gemäß einer zweiten Verfahrensvariante, die dazu dient, verschiedene Vor richtungskomponenten, d.h. die Aufnahmekamera, deren Objektiv und die LED- Anordnung und den Positionierschlitten mit dem Einspritzvorgang des zu testen den Injektors zu synchronisieren. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform des Steuer- und Messdatenerfassungsverfahrens 100 wird bei der zweiten Aus führungsform des Steuerverfahrens 100 ^' zusätzlich noch der Positionierschlitten 24 angesteuert, um die darauf befestigte Aufnahmekamera 12 zusammen mit vorgeordnetem Objektiv 22 unabhängig von der eingestellten Objektivbrennweite entlang der Führungsschiene 25 verfahren zu können. In einem initialisierenden Verfahrensschritt 101 ^' wird der Positionierschlitten in eine Anfangs- bzw. Start position gefahren. Daraufhin wird in einem nächsten Verfahrensschritt 102 ^' ein Steuerimpulssignal synchron an die Elektronik des zu testenden Injektors 15, die LED-Anordnung 13, die Aufnahmekamera 12, und deren Objektiv 22 abgegeben, so dass der Injektor 15 Kraftstoff aus seinen Spritzlöchern ausstößt und in die Messkammer 11 injiziert; gleichzeitig emittiert der LED-Ring 13 einen Lichtim puls, stellt das Objektiv 22 Blende und Fokus ein und öffnet die Aufnahmekame ra 12 für eine vorbestimmte Belichtungszeit ihren Verschluss, damit Licht, das von dem LED-Ring 13 emittiert, an der Phasengrenze des von dem Injektor als Sprühmuster 18 freigesetzten Kraftstoffs reflektiert und aus der Messkammer 11 über die optischen Komponenten 20, 21, und 22 auf den Bildsensor der Aufnah mekamera 12 gelangt bzw. abgebildet wird. In einem noch während der Belich tungsphase erfolgenden Verfahrensschritt 103 ^' wird die Bildebene des Objektivs 22 auf die Ebene der Spritzlöcher des Injektors 15 scharfgestellt, um das beim Einspritzvorgang des Injektors typischerweise erzeugte Sprühmuster als Kavita tionsbild scharf auf den Bildsensor abzubilden. Nach diesen Justageschritten 101 ^' , 102 ^' und 103 ^' wird, um eine Sequenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern zu starten, in einem daran anschließenden Verfahrensschritt 104 ^' ein Steuerimpulssignal an die Elektronik des Injektors 15, an die LED-Anordnung 13, an die Aufnahmekamera 12 und an das Objektiv abgegeben, worauf in einem unmittelbar folgenden Verfahrensschritt 105 ^' ein Einzelbild erfasst und in einem weiteren Verfahrensschritt 106 ^' als Bildmatrix in einem Speichermedium abge speichert wird. Nach dem Abspeichern 106 ^' wird in einem daran anschließenden Verfahrensschritt 107 ^' ein Steuerimpulssignal an die Positioniereinrichtung bzw. den Positionierschlitten abgegeben, um den bei Schritt 101 ^' auf eine Startpositi on xo eingestellten Positionierschlitten um einen Vorschub Dc zu einer neuen Po sition x:= xo + Dc zu verfahren; dadurch ändert sich die Bildebene um Dc. In ei nem daran anschließenden Prüfschritt 108 ^' wird laufend abgefragt, ob die vor eingestellte Sequenz schon abgearbeitet ist, wobei bei negativem Abfrageresul tat ein Rücksprung zu Schritt 104 ^' erfolgt und die Prozedur mit den Schritten 105 ^' und 106 ^' zum Erfassen und Abspeichern eines jeweils nächsten Einzelbilds innerhalb einer Schritte 104 ^' bis 108 ^' umfassenden Schleife zyklisch durchlaufen wird, wobei der Schleifenindex zum Zählen der Einzelbilder um jeweils einen Zähler von 1 erhöht bzw. inkrementiert wird, während demgegenüber bei positi vem Abfrageresultat, d.h. wenn die Sequenz von Einzelbildern erfasst und abge speichert ist, die Schleife beendet bzw. verlassen wird, um in einem anschlie ßenden Verfahrensschritt 109 ^' einen Sprung in ein - nachstehend noch zu erläu terndes - Auswerteverfahren einzuleiten. Da sich bei jedem Durchlauf der Schlei fe 104 ^' bis 108 ^' die Position des Positionierschlittens um jeweils ein Dc ändert, sind die bei dieser Ausführungsform des Steuer- und Messdatenerfassungsver- fahrens gewonnenen Einzelbilder einer Sequenz zueinander versetzte Quer schnitte, welche das vom jeweils vom in der Messkammer befindlichen Injektor erzeugte Sprühmuster sukzessive abrastern, so dass - im Unterschied zu der ersten Steuerungsverfahrensvariante gemäß Flussdiagramm 100 - mittels einer einzigen Sequenz das Sprühmuster des Injektors praktisch dreidimensional zu einer Zeit darstellbar ist.

Fig. 2C zeigt anhand eines stark schematisch gehaltenen Flussdiagramms 100 ^” die wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Steuerungsverfah rens gemäß einer dritten Verfahrensvariante, die dazu dient, verschiedene Vor richtungskomponenten, d.h. die Aufnahmekamera, deren Objektiv und die LED- Anordnung und den Positionierschlitten mit dem Einspritzvorgang des zu testen den Injektors zu synchronisieren. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform des Steuer- und Messdatenerfassungsverfahrens 100 wird bei der dritten Aus führungsform des Steuerverfahrens 100 ^” zusätzlich noch der Positionierschlitten 24 angesteuert, um die darauf befestigte Aufnahmekamera 12 zusammen mit vorgeordnetem Objektiv 22 unabhängig von der eingestellten Objektivbrennweite entlang der Führungsschiene 25 verfahren zu können. In einem initialisierenden Verfahrensschritt 101 ^” wird der Positionierschlitten in eine Anfangs- bzw. Start position gefahren. Daraufhin wird in einem nächsten Verfahrensschritt 102 ^” ein Steuerimpulssignal synchron an die Elektronik des zu testenden Injektors 15, die LED-Anordnung 13, die Aufnahmekamera 12, und deren Objektiv 22 abgegeben, so dass der Injektor 15 Kraftstoff aus seinen Spritzlöchern ausstößt und in die Messkammer 11 injiziert; gleichzeitig emittiert der LED-Ring 13 einen Lichtim puls, stellt das Objektiv 22 Blende und Fokus ein und öffnet die Aufnahmekame ra 12 für eine vorbestimmte Belichtungszeit ihren Verschluss, damit Licht, das von dem LED-Ring 13 emittiert, an der Phasengrenze des von dem Injektor als Sprühmuster freigesetzten Kraftstoffs reflektiert und aus der Messkammer 11 über die optischen Komponenten 20, 21, und 22 auf den Bildsensor der Aufnah mekamera 12 gelangt bzw. abgebildet wird. In einem noch während der Belich tungsphase erfolgenden Verfahrensschritt 103 ^” wird die Bildebene des Objektivs 22 auf die Ebene der Spritzlöcher des Injektors 15 scharfgestellt, um das beim Einspritzvorgang des Injektors typischerweise erzeugte Sprühmuster als Kavita tionsbild scharf auf den Bildsensor abzubilden. Nach diesen Justageschritten 101 ^” , 102 ^” und 103 ^” wird, um eine Sequenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern zu starten, in einem daran anschließenden Verfahrensschritt 104 ^” ein Steuerimpulssignal an die Elektronik des Injektors 15, an die LED-Anordnung 13, an die Aufnahmekamera 12 und an das Objektiv abgegeben, worauf in einem unmittelbar folgenden Verfahrensschritt 105 ^” ein Einzelbild erfasst und in einem weiteren Verfahrensschritt 106 ^” als Bildmatrix in einem Speichermedium abge speichert wird. In einem daran anschließenden Prüfschritt 107 ^” wird laufend ab gefragt, ob die voreingestellte zeitliche Sequenz von Einzelbildern einer Bildebe ne schon abgearbeitet ist, wobei bei negativem Abfrageresultat ein Rücksprung zu Schritt 104 ^” erfolgt und die Prozedur mit den Schritten 105 ^” und 106 ^” zum Erfassen und Abspeichern eines jeweils nächsten Einzelbilds innerhalb einer Schritte 104 ^” bis 107 ^” umfassenden Schleife unter Inkrementierung eines Schleifenindex um einen Zähler 1 zyklisch durchlaufen wird, während demge genüber bei positivem Abfrageresultat, d.h. wenn eine zeitliche Sequenz von Einzelbildern einer Bildebene erfasst und abgespeichert ist, die Schleife beendet bzw. verlassen wird, um in einem anschließenden Verfahrensschritt 108 ^” ein Steuerimpulssignal an die Positioniereinrichtung bzw. den Positionierschlitten abzugeben, um den bei Schritt 101 ^” auf eine Startposition xo eingestellten Posi tionierschlitten um einen Vorschub Dc zu einer neuen Position x:= xo + Dc zu ver fahren; dadurch ändert sich die Bildebene um Dc. In einem daran anschließen den Prüfschritt 109 ^” wird laufend abgefragt, ob die voreingestellte Sequenz von Bildebenen schon abgearbeitet ist, wobei bei negativem Abfrageresultat ein Rücksprung zu Schritt 104 ^” erfolgt und die Prozedur mit den Schritten 105 ^” und 106 ^” zum Erfassen und Abspeichern eines jeweils nächsten Einzelbilds der nächsten Bildebene sowie deren zeitliche Sequenz innerhalb einer Schritte 104 ^” bis 109 ^” umfassenden Schleife zyklisch durchlaufen wird, wobei der Schleifenin dex zum Zählen der Einzelbilder um jeweils einen Zähler von 1 erhöht bzw. in- krementiert wird, während demgegenüber bei positivem Abfrageresultat, d.h. wenn die Sequenz von Einzelbildern aller Bildebenen erfasst und abgespeichert ist, die Schleife beendet bzw. verlassen wird, um in einem anschließenden Ver fahrensschritt 110 ^” einen Sprung in ein - nachstehend noch zu erläuterndes - Auswerteverfahren einzuleiten. Da sich bei jedem Durchlauf der Schleife 104 ^” bis 109 ^” die Position des Positionierschlittens um jeweils ein Dc ändert, sind die bei dieser Ausführungsform des Steuer- und Messdatenerfassungsverfahrens gewonnenen Einzelbilder einer Sequenz zueinander versetzte Querschnitte, wel che das vom jeweils in der Messkammer befindlichen Injektor erzeugte Sprüh muster sukzessive abrastern, so dass - im Unterschied zu der ersten Steue- rungsverfahrensvariante gemäß Flussdiagramm 100 - mittels einer einzigen Se quenz das Sprühmuster des Injektors praktisch dreidimensional darstellbar ist.

Fig. 3A zeigt ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens 200 gemäß einer ersten Ausführungs form, wobei auf der Grundlage von als Kavitationsbilder optisch detektierten Sprühmustern eine jeweilige Einspritzrate des Injektors ermittelt wird. Fig. 3B zeigt exemplarisch ein derartiges Sensorbild bzw. Kavitationsbild 30, das von dem Bildsensor der Aufnahmeeinrichtung digital erfasst ist und Strahlkeulen 31 aufweist, die anhand von Bildmatrixelementen bzw. Pixeln mit hohen Lichtintensi tätswerten gegenüber einem überwiegend dunklen Bildhintergrund kenntlich sind, wobei die Intensitätsverteilung innerhalb der die Strahlkeulen 31 wiederge benden Pixel Graustufen bis beispielsweise maximal 255 bei einer 8-Bit-Tiefe umfasst. In einem ersten Verfahrensschritt 201 wird ein erstes Sensorbild aus ei ner Sequenz von zeitlich aufeinanderfolgend detektierten Aufnahmebildern ana lysiert, wobei die Bildmatrix elementweise im Hinblick auf die jeweils enthaltene bzw. abgetastete Lichtintensitätsinformation ausgelesen wird. In einem daran an schließenden Verfahrensschritt 202 wird in dem ersten Sensorbild ein Intensi tätsschwel Iwert G festgesetzt, um eine Hell-Dunkel-Grenze innerhalb des Intensi tätsverlaufs des ersten Sensorbilds festzulegen, die im Wesentlichen dazu dient, einen auf Reflexionen an der Messkammerinnenwand zurückzuführenden Stö runtergrund zu unterdrücken. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 203 erfolgt ein Erkennen bzw. Identifizieren von denjenigen Bildmatrixelementen P, des ersten Sensorbilds, deren zugeordnet abgespeicherter Lichtintensitätsinfor mationswert den vorbestimmten Intensitätsschwellwert erreicht oder überschrei tet. Der sich unmittelbar daran anschließende Verfahrensschritt 204 dient zum Ermitteln einer relativen Einspritzrate einer definierten Anzahl m der zuvor er kannten Bildmatrixelemente bzw. Pixel P, im ersten Sensorbild gemäß der nach stehend aufgeführten Gleichung:

Dabei sind mit n(t) die relative Einspritzrate in funktionaler Abhängigkeit von der Zeit t, mit P _j das j-te Pixel bzw. Bildmatrixelement eines jeweiligen von dem Bildsensor erfassten Strahlbilds mit m- Elementen, mit G ein zwischen hohen und demgegenüber niedrigeren Intensitätswerten liegender Grenzwert, mit j ein sich von 1 bis m erstreckender Summationsindex und mit K _j ein jeweiliger Korrelati onsfaktor bezeichnet. Der Korrelationsfaktor berücksichtigt einen im jeweils zu geordneten Bildmatrixelement gespeichert erfassten Lichtintensitätsinformati onswert l(P _j , t) und bewirkt eine Normierung der Bildmatrixelementbeiträge zu n(t). In der Summenbildung werden nur solche Bildmatrixelemente P _j berücksich tigt, deren Lichtintensitätsinformationswerte größer als der Grenzwert G oder gleich dem Grenzwert G sind. In einem weiteren Verfahrensschritt 205 erfolgt ein Speichern des ermittelten n(t) für das erste Sensorbild zur Zeit t als Maß für die mit dem optisch detektierten Kavitationsbild korrespondierende Einspritzrate. Ein darauf erfolgender Verfahrensschritt 206 inkrementiert einen internen Zähler um 1 und löst einen Rücksprung zu Verfahrenschritt 201 aus, um ein nächstes Sen sorbild zur Zeit t+At mit dem Ziel zu analysieren, eine diesbezügliche Einspritzra te n(t+At) in den sich daran anschließenden Verfahrensschritten 202 bis 205 zu ermitteln. Dieses Procedere wiederholt sich zyklisch für die übrigen Sensorbilder der Sequenz, so dass schließlich zu jedem Sensorbild zu einer Zeit t einer Auf nahmesequenz eine jeweils zugeordnete Einspritzrate n(t) vorliegt. In einem ab schließenden Verfahrensschritt 207 wird die jeweilige Einspritzrate n(t) für alle analysierten Sensorbilder dargestellt und mit dazu jeweils zeitlich koinzidierend erfassten Einspritzraten aus hydraulischer Messwerterfassung anhand des Drucks p und der Schallgeschwindigkeit c korreliert.

Fig. 4A zeigt ein Flussdiagramm 300 mit den wesentlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungs form, was im Wesentlichen dazu dient, die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit durch die Kavitation zu bestimmen. Dabei wird in einem Initialisierungsschritt 301 ein interner Zähler i auf Null gesetzt, worauf in einem weiteren Verfahrensschritt 302 der Zähler i um 1, d.h. i:= i +1 inkrementiert wird, um in einem daran an schließenden Verfahrensschritt 303 ein erstes indiziertes Sensorbild Si aus einer Sequenz bzw. Folge von m erfassten Sensorbildern Si, S ₂ , ..., Si, ... ,S _m zu bear beiten bzw. auszuwerten. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 304 wird eine Hell/Dunkel-Intensitätsschwelle in denjenigen Bildmatrixelementen des ak tuell in Bearbeitung befindlichen Sensorbilds S, ermittelt, welche mit den sich ra- dial nach außen wegerstreckenden Enden der Strahlkeulen eines identifizierten Kavitationsmusters korrespondieren, wobei die mit dieser Hell-Dunkel- Intensitätsschwelle assoziierten Bildmatrixelemente bzw. Pixel etwa entlang ei nes gedachten - radial im Sensorbild verlaufenden - Kreisrings mit Radius R, an geordnet sind. Der daran anschließende Verfahrensschritt 305 dient dazu, einen realen Strahlausbreitungsradius n in Einheiten von mm auf der Basis des im vor herigen Schritt 304 ermittelten und in Einheiten des Pixelabstands berechneten Ri, des Abbildungsmaßstabs und der Objektgröße, welche im Ausführungsbei spiel der Düsendurchmesser des zu prüfenden Injektors sein kann, zu errechnen bzw. bestimmen. In einem weiteren Verfahrensschritt 306 wird der so errechnete Strahlausbreitungsradius n mit dem zugeordneten Aufnahmezeitpunkt t, des ak tuellen Sensorbilds i als Wertepaar abgespeichert. Da zum Durchführen eines weiteren Auswerteschritts wenigstens zwei zeitlich aufeinanderfolgende Sensor bilder zu analysieren sind, erfolgt zunächst in einem Zwischenschritt 307 eine Prüfung, ob der Zähler i größer oder gleich 2 ist, wobei bei einem Zählerstand von i:= 1 ein Rücksprung zu Schritt 302 erfolgt, um den Zählerstand zu inkremen- tieren und das nächste Sensorbild in Bearbeitung zu nehmen und sodann die Schritte 304 bis 306 durchzuführen, oder andernfalls zum nächsten Verfahrens schritt 308 überzugehen. Denn in dem Verfahrensschritt 308 wird aus der Aus wertung von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Sensorbildern Si _+i und S, für die dafür jeweils ermittelten Wertepaare ein Quotient v gebildet gemäß der nachste henden Gleichung:

V (t _i+i ) = fc _{+i -} ) Gleichung (2)

0

Dabei sind mit v(ti _+i ) der Quotient, mit n der für ein jeweiliges Sensorbild ermittel te Strahlradius und mit t, der jeweilige Aufnahmezeitpunkt eines Sensorbilds be zeichnet, während n _+i der für ein zeitlich nachfolgend zum Zeitpunkt t, _+i aufge zeichnetes Sensorbild ermittelte Strahlausbreitungsradius darstellt; somit ist Gleichung (2) aus v = Ar/At abgeleitet. Der Quotient v(ti _+i ) ist ein Maß für die zir kulare Ausbreitung der - jeweils an den radial nach außen wegweisenden Enden der Strahlkeulen einer Kavitation existierenden - Hell/Dunkel-Intensitätsschwelle zwischen jeweils zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend erfassten Sensor bildern bzw. Aufnahmebildern und repräsentiert somit die Strahlausbreitungsge schwindigkeit v in einer Querschnittebene, welche zum Ermitteln des entspre- chenden Strahlimpulses p unter Berücksichtigung der simultan durchgeführten hydraulischen Messung der Einspritzmenge dient; zur Veranschaulichung zeigt Fig. 4B eine Projektion 26 von zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend er fassten Kavitationsbildern, wobei der Radius der Hell-Dunkel-Intensitätsschwelle bezüglich der Enden der Strahlkeulen 31 bei dem ersten Kavitationsbild mit ri und bei dem zweiten Kavitationsbild mit r ₂ bezeichnet ist. In einem daran an schließenden Verfahrensschritt 309 wird der zuvor jeweils ermittelte Quotient als Maß für die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit v in einer Querschnittebene und der daraus berechnete Strahlimpuls p in einer Querschnittebene abgespeichert und dargestellt. Ein anschließender Zwischenschritt 310 dient dazu, den aktuel len Zählerstand zu überprüfen und für den Fall, dass noch nicht alle Sensorbilder einer Sequenz analysiert bzw. ausgewertet sind, einen Rücksprung zu Schritt 302 auszuführen; andernfalls erfolgt in einem abschließenden Schritt 311 ein Stopp dieses Verfahrensblocks 300 und ein Rücksprung in das übergeordnete Steuerverfahren.

Fig. 4C zeigt ein Flussdiagramm 300 ^' mit den wesentlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens gemäß einer dritten Ausführungs form, was im Wesentlichen dazu dient, die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit durch die Kavitation entlang der Strahlachse v _s (ti) im Gegensatz zu dem Auswer teverfahren gemäß Fig. 4A, das die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit in einer Bildebene ermittelt, zu bestimmen. Dazu werden in einem Initialisierungsschritt 301 ^' ein interner Zähler i und ein interner Zähler j jeweils auf Null gesetzt, d.h. i:=0 und j:=0, wobei der Zähler i als zeitlicher Index dazu dient, Einzelbildauf nahmen bzw. Sensorbilder S für eine bestimmte Bildebene in zeitlicher Hinsicht zu indizieren, während der Zähler j als Index zur räumlichen Indizierung der Ein zelbildaufnahmen S dient, also eine Position bzw. Lage einer jeweiligen Bildebe ne von entsprechenden Einzelbildaufnahmen indiziert. Im Anschluss daran wird in Verfahrenschritten 302 ^' und 303 ^' zunächst der Zähler i um 1, d.h. i:=i+l, und dann der Zähler j um 1, d.h. j:=j+l, inkrementiert, um daraufhin in einem weiteren Verfahrensschritt 304 ^' ein entsprechend indiziertes Sensorbild S aus der Menge erfasster und abgespeicherter Sensorbilder herauszuselektieren und zu bearbei ten bzw. auszuwerten. Gemäß einem sich unmittelbar daran anschließenden Verfahrensschritt 305 ^' wird anhand der Bildmatrixelemente des aktuell in Bear beitung genommenen Sensorbilds Sy der Radius Ry (in Pixelabstandseinheiten) ermittelt, um im nächsten Verfahrensschritt 305 ^'' daraus einen realen Strahlaus- breitungsradius r,j in Einheiten von mm zu berechnen. In einem weiteren Verfah rensschritt 306 ^' wird der errechnete Strahlausbreitungsradius r,j zusammen mit dem zugeordneten Aufnahmezeitpunkt t, und der Bildebenenposition X _j des aktu ell in Bearbeitung befindlichen Sensorbilds als Werte-Tupel (n _j , t,, X _j ) abgespei chert. Um wenigstens zwei Sensorbilder analysieren bzw. miteinander verglei chen zu können, erfolgt in einem Zwischenschritt 307 ^' eine Prüfung, ob der Zäh ler j größer oder gleich 2 ist, wobei bei negativem Resultat ein Rücksprung zu Schritt 303 ^' erfolgt, um den Zählerstand für j um 1 zu inkrementieren und das nächste Sensorbild zu bearbeiten, wobei die Schritte 304 ^' bis 306 ^' erneut durch laufend ausgeführt werden, oder andernfalls zum nächsten Verfahrensschritt 308 ^' überzugehen. Dieser Verfahrensschritt 308 ^' dient als Prüfschritt dazu, eine Abfrage durchzuführen, ob bei zwei einander zur Analyse zugeordneten Sensor bildern für die entsprechenden Strahlausbreitungsradien r,j und n,j-i die Unglei chung r,j > n,j-i erfüllt ist, um die Bildebene mit maximalem Radius zum Aufnah mezeitpunkt t, zu finden; bei negativem Abfrageresultat erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 306 ^' zum Abspeichern eines Werte-Tupels (nj, t,, Xj), während bei positi vem Abfrageresultat ein Übergang zum nächsten Schritt 309 ^' erfolgt, wo der Zähler j auf Null gesetzt wird, d.h. j:=0, worauf in einem nächsten Schritt 310 ^' ei ne Abfrage für paarweise zu analysierende Sensorbilder durchgeführt wird, ob der Zähler i größer oder gleich 2 ist. Bei negativem Abfrageresultat erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 302 ^' , wo eine Zählerinkrementierung für i durchgeführt wird, also i:=i+l, während bei positivem Abfrageresultat ein Übergang zu Schritt 311 ^' erfolgt, in welchem die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit v _s (ti) entlang der Strahlachse berechnet wird, wie nachfolgend noch erläutert werden wird. In ei nem daran anschließenden Schritt 312 ^' wird dann die berechnete Strahlausbrei tungsgeschwindigkeit zusammen mit dem daraus errechneten Strahlausbrei tungsimpuls p _s abgespeichert. In einem weiteren Schritt 313 ^' erfolgt eine Abfra ge, ob eine Sequenz fertiggestellt bzw. abgearbeitet ist, d.h. der aktuelle Zähler stand i der Dimension m der abgespeicherten Sensorbilder entspricht; bei nega tivem Abfrageresultat erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 302 ^' mit Inkrementierung des Zählers i um 1, also i:=i+l, während bei positivem Abfrageresultat ein Über gang zum letzten Schritt 314 ^' erfolgt, in welchem ein Rücksprung zum überge ordneten Steuerungsverfahren erfolgt.

Fig. 4D veranschaulicht ein graphisches Schema als Berechnungsgrundlage für die in Verfahrensschritt 311 ^' gemäß Fig. 4C erfolgende Bestimmung der Strahl- ausbreitungsgeschwindigkeit v _s (t). Dabei ist skizzenhaft dargestellt, wie ein von einem Injektor 15 ausgestoßenes Sprühmuster sich abhängig von der Zeit ent lang seiner Strahlachse 18-3 räumlich ausbreitet, wobei das Sprühmuster in ei nem ersten Zustand 18-1 zu einem Zeitpunkt ^ und in einem zweiten Zustand 18- 2 zu einem Zeitpunkt t, _+i anhand der jeweiligen Außenradien n und n _+i kenntlich gemacht ist; diesen Außenradien der Sprühmuster-Zustände 18-1, 18-2 sind ver schiedene entlang der z-Achse eines x, y, z- Koordinatensystems voneinander beabstandete Bildebenen Z _j+i und Z _j +3 zugeordnet. Dazu ist für das graphisch dargestellte Ausführungsbeispiel ein rechtwinkliges Dreieck 18-4 im Koordina tensystem zwischen den beiden Zuständen 18-1, 18-2 entlang der Strahlachse 18-3 konstruierbar, in welchen für die beiden Katheten die Beziehungen dz = Z _j +3 - Z _j+i Gleichung (3)

und

dx = dr = n _+i - n Gleichung (4)

gelten, wobei mit dz das Differential der Variablen z, mit dx das Differential von x, mit dr das Differential von r und mit ds das Differential der Variablen s bezeichnet sind.

Für die Hypotenuse gilt dann:

ds = jdr ¹ + dz ² Gleichung (5);

Dadurch ergibt sich für die Strahlausbreitungsgeschwindigkeit v _s (ti _+i ) durch Ein setzen von Gl. 3 bis 5 in die Basisformel v _s (ti _+i ) = ds/dt mit dt= t, _+i - t, eine ent sprechende Auswertegleichung für v _s (t , ₊ i), die für das Ausführungsbeispiel als Funktion f(zi ₊ 3, z, ₊ i, n _+i , n, t _+i , t,) darstellbar ist.

Fig. 4E zeigt ein Schema zur Veranschaulichung des zeitlichen Divergenzverhal tens eines von einem Injektor 15 ausgestoßenen Sprühmusters, welches - im Unterschied zu dem in Fig. 4D dargestellten Schema - als Berechnungsgrundla ge für die zu ermittelnde Strahlausbreitungsgeschwindigkeit in lediglich einer ein zigen Bildebene gemäß Fig. 4A und 4B dient. Dabei ist das sich entlang seiner Strahlachse 18-3 ausbreitende Sprühmuster in einem ersten Zustand 18-1 zum Zeitpunkt t, und einem zweiten Zustand 18-2 zum Zeitpunkt t, _+i anhand der jewei ligen Außenradien n und n _+i kenntlich gemacht, welche sich durch ihre jeweiligen Schnittpunkte mit der Bildebene z ^' in einem x, y, z- Koordinatensystem ergeben. Dadurch ergibt sich für die Berechnung der Wegdifferenz dr zwischen den beiden Zuständen 18-1 und 18-2 die Beziehung dr = n _+i - n, wobei die Zeitdifferenz dt = ti _+i - 1, ist; für die Berechnung von v(ti _+i ) gilt mithin die Beziehung v(ti _+i ) = dr/dt. Fig. 5A zeigt ein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 optisch erfasstes Kavitationsbild 30, das neben den im zentralen Bildbereich symmetrisch ange ordneten Strahlkeulen 31, die anhand von Bildmatrixelementen bzw. Pixeln des Bildsensors mit hohen Intensitätswerten (hell dargestellt) kenntlich sind, an den Bildrändern Bereiche 33 aufweist, deren zugeordnete Bildmatrixelemente eben falls hohe Intensitätswerte enthalten und auf unerwünschte Reflexionen des ab gestrahlten Lichts an der Innenwand der Messkammer zurückzuführen sind. Um innerhalb des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens den Einfluss derartiger Reflexionen zu reduzieren, wird jedem Sensorbild bzw. Kavitationsbild eine Aus wertemaske 32 zugeordnet, um solche Bildmatrixelemente bei der Auswertung auszusparen, also den Auswertebereich in der Bildmatrix des jeweiligen Kavitati onsbilds entsprechend einzuschränken. Dazu wird gemäß der in Fig. 5A darge stellten Variante zwischen den dem Bildzentrum 34 abgewandten Enden der Strahlkeulen 31 und den die Reflexionen enthaltenden Randbereichen des digital abgetasteten bzw. erfassten Kavitationsbilds eine radial verlaufende Auswerte maske 32 eingesetzt, deren Radius bezüglich des Bildzentrums 34 größer als die radiale Erstreckung der Strahlkeulen 31, jedoch kleiner als die radiale Lage der Randbereiche 33 bemessen ist, so dass die Bildmatrixelemente in den Randbe reichen 33 der Bildmatrix bei der Auswertung gemäß Gleichung (1) außer Be tracht bleiben und mithin lediglich die Bildmatrixelemente, die innerhalb des Ra dius der Auswertemaske 32 liegen, bei der Auswertung gemäß Gleichung (1) be rücksichtigt werden.

Fig. 5B zeigt eine demgegenüber abgewandelte Auswertemaske 35, die - im Un terschied zu jener von Fig. 5A - eine im Wesentlichen sternförmige Struktur auf weist und so konturiert ist, dass jedem Konturenelement der sternförmigen Struk tur jeweils einer Strahlkeule 31 zugeordnet ist, so dass jede einzelne Strahlkeule eng eingerahmt ist, wobei der jeweilige Zwischenraum zwischen jeweils zueinan der benachbarten abgegrenzt ist und die radiale Erstreckung jedes Konturenele ments größer als die in radialer Richtung gesehene Lage des Endes der jeweili gen Strahlkeule 31, jedoch deutlich kleiner als die in radialer Richtung gesehene Lage der Randbereiche 33 bemessen ist. Dadurch bleiben bei der Auswertung nach Gleichung (1) Bildmatrixelemente von Bildbereichen außer Betracht, welche zwischen den jeweils benachbarten Strahlkeulen 31 und zwischen den Enden der Strahlkeulen und den Bildrändern 33 liegen, was bei der Auswertung eine Hervorhebung von strahlrelevanten Bildanteilen gegenüber dem Bildhintergrund bewirkt.

Fig. 5C zeigt eine abermals abgewandelte Auswertemaske 36, welche - im Un terschied zu den in Fig. 5A und 5B dargestellten Ausführungsformen - eine Struk tur aufweist, der selektiv nur eine einzige Strahlkeule 31 im Kavitationsbild zuge ordnet ist und die Strahlkeule 31 so einrahmt, dass die Maskenstruktur etwa von Ursprung der Strahlkeule 31 ausgeht und die Strahlkeule an ihren Außenrändern bis hin zu ihrem Ende eng eingrenzt, wobei die radiale Erstreckung der Struktur der Auswertemaske 36 geringfügig größer als die in radialer Richtung gesehene Lage des Endes der Strahlkeule 31 bemessen ist. Dadurch bleiben bei der Aus wertung gemäß Gleichung (1) Bildmatrixelemente von Bildbereichen außer Be tracht, die deutlich außerhalb jener Bildmatrixelemente liegen, welche die Intensi tätsverteilung der einzelnen Strahlkeulen 31 wiedergeben. Aufgrund der selek tiven Anwendung einer derartigen Maskenstruktur auf einzelne Strahlkeulen 31 eines Kavitationsbildes sind Asymmetrieeffekte, also Abweichungen der Intensi tätsverteilungen der einzelnen Strahlkeulen 31 zueinander quantitativ analysier bar und bewertbar, um im Hinblick auf die zugeordneten Spritzlöcher z.B. Ferti gungstoleranzen beurteilen und/oder Fertigungsfehler lokalisieren zu können.

Fig. 6 zeigt ein Messdiagramm 40, bei dem optisch gewonnene und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertete Messdaten 41 als Maß für eine normierte Einspritzrate jeweils in funktionaler Abhängigkeit von der entlang der Abszissenachse verlaufenden Zeit t während eines Einspritzvorgangs und zum Vergleich dazu eine hydraulisch erfasste und auf ein Maximum von 1 normierte Einspritzrate anhand einer durchgezogenen Messkurve 42 aufgetragen sind. Die optisch erfassten und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Ab laufdiagramm 200 ausgewerteten Messdaten 41 sind in Gruppen unterteilt, die sich jeweils voneinander bezüglich des eingestellten Intensitätsschwellwerts un terscheiden und in Fig. 6 durch unterschiedliche Symbole dargestellt sind, wobei für eine erste Gruppe, bei der die zugeordneten Messdaten mit Bezugssymbol L bezeichnet sind, nur solche Pixel im jeweiligen Kavitationsbild mit Intensitätswer ten ab einer Schwelle von beispielsweise 150 in einer beispielsweise von 0 bis 255 reichenden 8-Bit-Grauwerttiefe in der Zählung berücksichtigt sind, für eine zweite Gruppe, bei der die zugeordneten Messdaten mit Bezugssymbol 0 be zeichnet sind, nur solche Pixel mit Intensitätswerten ab einer Schwelle von 220, und für eine dritte Gruppe, bei der die zugeordneten Messdaten mit Bezugssym bol O bezeichnet sind, nur solche Pixel mit Intensitätswerten ab einer Schwelle von 250. Alle drei Gruppen der optisch erfassten und ausgewerteten Messdaten 41 liegen, wie Fig. 6 zeigt, dicht beieinander und weisen entlang der Zeitachse t eine etwa glockenförmige Verteilung auf, deren ansteigende Flanke 44 mit dem Beginn und deren abfallende Flanke 44 ^' mit dem Ende des Einspritzvorgangs korrespondiert. Die simultan dazu hydraulisch erfasste Einspritzrate ist entlang der Ordinatenachse als durchgezogene Messkurve 42 dargestellt, wobei die Ein spritzrate im Wesentlichen als Funktion des zeitlichen Verlaufs des laufend ge messenen Drucks p(t) in der Messkammer und der gemessenen druckabhängi gen Schallgeschwindigkeit c(p) ermittelt wird. Sowohl die gemäß optischer Er kennung bzw. Abtastung gewonnenen Messdaten als auch die zeitgleich hydrau lisch erfasste Messkurve sind bezüglich der Ordinatenachse F(t) normiert auf ein Maximum von 1, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen. Weiterhin zeigt Fig. 6 eine wesentliche Übereinstimmung zwischen dem zeitlichen Verlauf der optisch gewonnenen Messdaten 41 und dem Verlauf der hydraulisch gewonne nen Messkurve 42. Auch der Einspritzbeginn und das Einspritzende ist - in annä hernd zeitlicher Übereinstimmung mit der simultan erfolgten hydraulischen Mes sung - eindeutig anhand der ansteigenden Flanke 44 und der abfallenden Flanke 44 ^' bestimmbar. Die höhere Flankensteilheit bei der optischen Erkennung bzw. Abtastung im Unterschied zur hydraulischen Messung ist darauf zurückzuführen, dass bei der hydraulischen Messung ein Tiefpassfilter in der Messelektronikein heit eingesetzt wird, der zum Ausfiltern von Eigenschwingungen in der Mess kammer dient und als Nebeneffekt einerseits für einen deutlich flacheren Verlauf im Flankenbereich der durchgezogenen Messkurve und andererseits für Mess wertstreuungen bzw. Messartefakte im zwischen den beiden Flanken 44, 44 ^' lie genden Plateaubereich 45 sorgt.