Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Di- rekteinspritzung werden Einspritzdüsen verwendet, die durch die Bildung eines bestimmten Kraftstoffstrahlbildes eine ver- besserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbildung gewähr- leisten sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brenn- verfahren werden nach außen öffnende Einspritzdüsen zur Ges- taltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung eingesetzt.

Das durch solche Einspritzdüsen erzeugte Strahlbild ist dabei maßgeblich für die Zündeigenschaften des gebildeten Gemi- sches. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal solcher Einspritz- düsen ist eine unveränderlich bzw. nahezu bleibende Strahl- bildgestaltung während der Lebensdauer einer Brennkraftma- schine.

In der Regel wird zur Qualifizierung einer Einspritzdüse nach deren Produktion ein motorischer Test bzw. umfangreiche Un- tersuchungen mit optischen Messeinrichtungen durchgeführt.

Dennoch kommen trotz Einhaltung der zugelassenen Toleranzen oftmals Strahlbilder mit geringfügigen Abweichungen im Ver- gleich zu einem idealen Strahlbild zustande, die beispiels- weise zu Zündaussetzern und ähnlichem führen und somit das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine infolge des leicht veränderten Strahlbildes negativ beeinflussen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Ein- spitzverhalten einer Einspritzdüse vor deren Einbau in eine Brennkraftmaschine zu testen, um durch geringe Toleranzen bei einer großen Anzahl von Einspritzdüsen eine zuverlässige Zün- dung eines gebildeten Gemisches durch nahezu exakte Strahl- bildung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Qualitätsbestimmung einer Einspritzdüse, insbesonde- re einer nach außen öffnenden Einspritzdüse, ein aus der Ein- spritzdüse austretendes Medium in Form eines kegeligen Strahls in eine Druckkammer eingespritzt wird, wobei die Aus- trittsbedingungen des Mediums derart eingestellt werden, dass ein aus der Mantelfläche des Kegels hervortretender Randwir- bel gebildet wird. Dabei wird ein Strahlbild des aus der Ein- spritzdüse austretenden Mediums erfasst. Anschließend wird eine Randwirbelhöhe des gebildeten Strahls ermittelt. Hier- durch kann die Einspritzqualität der getesteten Einspritzdüse anhand des erfassten Strahlbildes bestimmt werden. Vorzugs- weise kann ein zeitlicher Verlauf der Randwirbelhöhe bestimmt werden, um eine weitere Kontrollmessgröße zur Qualitätsbe- stimmung heranzuziehen.

In der Druckkammer wird die Gestaltung des eingespritzten Strahls unter ähnlichen Bedingungen wie im Realbetrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer direkten Kraft- stoffeinspritzung bewerkstelligt. Die Randwirbelhöhe und/oder der zeitliche Verlauf der Randwirbelhöhe dienen dabei als Qualitätskriterium für die verwendete Einspritzdüse. Die Randwirbelhöhe und der zeitliche Verlauf der Randwirbelhöhe definieren bzw. widerspiegeln bei einem strahlgeführten Brennverfahren die Zündvoraussetzungen bzw. die Gemischquali- tät um eine Zündquelle. Beispielsweise wird ein Mindestwert für die Randwirbelhöhe festgelegt. Nach der Bestimmung der vorliegenden Randwirbelhöhe wird diese mit dem Mindestwert verglichen, sodass anschließend eine Qualitätsaussage über das Strahlbild bzw. das Einspritzverhalten der getesteten Einspritzdüse formuliert werden kann. Dies kann sinngemäß beim zeitlichen Verlauf der Randwirbelhöhe ebenfalls durchge- führt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Randwirbelhöhe zu einem Zeitpunkt zwischen 0,2ms und 2, 5ms nach Einspritzbe- ginn gemessen. Somit wird die Qualitätsbestimmung zu einem Zeitpunkt durchgeführt, bei dem in der Druckkammer ähnliche Bedingungen wie in einem Realbetrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung herrschen. Dadurch wird die Strahlstruktur wie unter typi- schen Motorbetriebsbedingungen diagnostiziert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Strahl mit einem Kegelwinkel von 60° bis 120°, insbesondere 75° bis 95° eingespritzt. Dadurch lässt sich ein kegelförmi- ger Strahl ausbilden, bei dem ein für das strahlgeführte Brennverfahren notwendiger Randwirbel zustande kommt. Somit lässt sich das Einspritzverhalten und die Eignung der getes- teten Einspritzdüse für ein strahlgeführtes Brennverfahren bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine leicht und kos- tengünstig überprüfen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird innerhalb der Druckkammer ein Druck zwischen 2 bar und 12 bar, insbe- sondere 6 bar eingestellt. Somit können an einem Prüfstand typische Betriebsbedingungen im Brennraum während einer Kraftstoffeinspritzung im Kompressionshub simuliert werden.

Vorzugsweise wird innerhalb der Druckkammer eine Temperatur zwischen 5°C und 40°C, insbesondere 20°C eingestellt. Hier- durch lässt sich eine zuverlässige Qualitätsüberprüfung wie beim Motorbetrieb durchführen. Dabei kann die Druckkammer mit Stickstoff oder Luft befüllt sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als eingespritztes Medium ein Otto-Kraftstoff oder n-Heptan ver- wendet. Somit lässt sich das Einspritzverhalten der Ein- spritzdüse anhand eines Mediums, das im Realbetrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendet wird, gründlich und nahezu exakt überprüfen. Vorzugsweise wird das einge- spritzte Medium mit einem Einspritzdruck zwischen 100 bar und 300 bar, insbesondere mit 200 bar in die Druckkammer einge- bracht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Schattenrissbilder des Strahls bis zu einem Zeitpunkt von 5ms nach Einspritzbeginn erzeugt. Dadurch soll eine Randwirbel- entwicklung an der Mantelfläche des kegelförmigen Strahls be- stimmt werden, um einen zeitlichen Verlauf der Randwirbelhöhe zu ermitteln.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Randwirbelhöhe aus den Schattenrissbilder in einem Graustu- fenbereich von 50% bis 95%, insbesondere bei 85% gemessen.

Somit werden die Zündbedingungen um eine Zündquelle im Brenn- raum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zuverlässig ü- berprüft.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Druckkammermess- einrichtung mit einer eingebauten Einspritzdüse, Fig. 2 ein Schattenrissbild eines Strahls eines in die Druckkammer eingespritzten Mediums nach Fig. 1, Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf einer Randwirbelhöhe h des eingespritzten Strahls nach Fig. 2, Fig. 4 eine Darstellung des Randwirbelhöhenverlaufs und sei- ner Regressionsgeraden in einem bestimmten Zeitbe- reich, Fig. 5 eine Darstellung eines Mittelwertes der Randwirbelhö- he zum Zeitpunkt von l. lms nach Einspritzbeginn und Fig. 6 eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Stellungen der Einspritzdüse in der Druckkammer.

In Fig. 1 ist ein Prüfstandsaufbau mit einer Druckkammer 1 und einer Einspritzvorrichtung 2 dargestellt, die oberhalb der Druckkammer 1 angeordnet ist, wobei eine mit der Ein- spritzvorrichtung 2 verbundene Einspritzdüse 3 in die Druck- kammer 1 einragt. Mittels der Einspritzdüse 3 wird in die Druckkammer 1 ein Medium, vorzugsweise Otto-Kraftstoff oder n-Heptan eingespritzt. In Fig. 1 rechts neben der Druckkammer 1 ist eine Kamera 5 aufgestellt, mit der Schattenrissbilder während des Einspritzvorgangs aufgenommen werden. Hierfür ist auf der gegenüberliegenden Seite von Druckkammer 1 eine Lichtquelle 6 angeordnet, mit der ein aus der Einspritzdüse 3 austretender Strahl 4 beleuchtet wird.

Um die Einspritzdüse 3 bei der Einspritzung von Otto- Kraftstoff oder n-Heptan unter Motorbetriebsbedingungen zu testen, wird die Druckkammer 1 mit gasförmigem Stickstoff un- ter Druck befüllt. Alternativ kann die Druckkammer mit Luft befüllt werden. Vorzugsweise ist die Einspritzdüse 3 als eine nach außen öffnende Düse ausgebildet. Hierdurch entsteht wäh- rend der Kraftstoffeinspritzung gemäß Fig. 2 eine typische Strahlstruktur, bei der an der Mantelfläche des einsgespritz- ten Strahls 4 ein Randwirbel 7 gebildet wird. Beleuchtet man den Einspritzstrahl 4 durch die Lichtquelle 6 im Durchlicht- oder Gegenlichtverfahren, so entsteht bei einem Einspritz- druck von etwa 180 bis 220bar, insbesondere bei 200 bar und bei einem absoluten Druck in der Einspritzkammer von etwa 4 bar bis 8 bar, insbesondere bei 6 bar das in Fig. 2 darge- stellte Strahlbild, wenn eine Aufnahme zu einem Zeitpunkt von etwa 0,7ms nach Einspritzbeginn stattfindet. Durch die Licht- quelle 6 wird von dem eingespritzten Strahl 4 mittels der Ka- mera 5 ein Gegenlichtbild erzeugt, das von der Kamera 5 zu einem diskreten Zeitpunkt aufgenommen wird. Es können während einer Einspritzung mehrere Aufnahmen vorgenommen werden.

Die Einspritzdüse 3 wird in einer definierten Drehlage gemäß Fig. 6 in der Druckkammer-Apparatur 9 eingebaut. Dabei zeigt ein elektrischer Anschlussstecker gemäß Fig. 6 der Einspritz- düse 3 in Richtung der Kamera 5. Die Einspritzdauer der Ein- spritzdüse 3 beträgt 1, Oms bei einem Gegendruck in der Druck- kammer von etwa 6 bar absolut. Die Temperatur innerhalb der Druckkammer wird auf 20°C eingestellt. Als ein Einspritzmedi- um wird n-Heptan bevorzugt, das dieser als Reinstoff der Vis- kosität eines Ottokraftstoffes entspricht. Vorzugsweise wird das Einspritzmedium mit einem Einspritzdruck von etwa 150 bar bis 250 bar, insbesondere 200 bar in die Druckkammer 3 einge- bracht. Hierdurch wird an der Austrittsöffnung der Einspritz- düse 3, z. B. bei einer nach außen öffnenden Düse, ein Durch- fluss von etwa 36 bis 42 mm3/ms eingestellt.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das Einspritzver- halten der Einspritzdüse 3 und ihre Eignung insbesondere für ein strahlgeführtes Verfahren zu überprüfen. Bei einem sol- chen Brennverfahren muss innerhalb kürzester Zeit ein gut aufbereitetes Gemisch im Bereich einer Zündquelle, z. B. einer Zündkerze vorliegen. Die Lage und Eigenschaften der zündfähi- gen Gemischwolke werden durch das Strahlbild beeinflusst.

Beim strahlgeführten Brennverfahren trifft z. B. ein Kraft- stoffkegel auf eine in einem Brennraum komprimierte Verbren- nungsluft, wodurch ein torusförmiger Wirbel an der Mantelflä- che des Kraftstoffkegels gebildet wird. Hierbei wird im Be- reich der Elektroden der Zündkerze ein zündfähiges Kraft- stoff/Luft-Gemisch bereitgestellt. Die geometrische Anordnung der Zündkerze erfolgt derart, dass deren Elektroden in den erzielten Wirbel hineinragen. Um eine Benetzung der Zünd- elektroden während der Kraftstoffeinspritzung zu vermeiden, werden sie dennoch außerhalb der Mantelfläche des Kraftstoff- kegels 4 positioniert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Qualitätsbestimmung der Einspritzdüse 3 ein aus der Einspritzdüse austretendes Medium in Form des kegeligen Strahls 4 in die Druckkammer 1 eingespritzt wird, wobei die Austrittsbedingungen des Mediums derart eingestellt werden, dass der aus der Mantelfläche 8 des Kegels 4 hervortretender Randwirbel 7 gebildet wird. Mittels der rechts von der Druck- kammer 1 aufgestellten Kamera 5 wird ein Strahlbild bzw. meh- rere Bilder erfasst, sodass eine Randwirbelhöhe h gemäß Fig.

2 dann ermittelt wird.

Zur Erzielung einer optimalen Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes ist es notwendig, durch die Einspritzdüse 3 ei- nen symmetrischen und gleichmäßigen torusförmigen Wirbel zu gestalten, d. h. der erzielte Wirbel soll im gesamten Bereich eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung aufweisen, so dass beispielsweise eine Verkippung des Wirbels vermieden wird.

Beim strahlgeführten Brennverfahren ist der geometrische Ent- flammungspunkt im Motor durch die relative Lage der Zündkerze bzw. des Zündfunkens zum Strahlaustritt an der Einspritzdüse 3 bestimmt. An dieser Zündfunkenstelle muss jedoch bei jedem Einspritzvorgang ein zündfähiges Gemisch vorliegen, da an- sonsten Zündaussetzer im Motor auftreten würden. D. h., um ei- ne bestimmte Zünd-Stabilität im Motorbetrieb zu gewährleis- ten, muss die Einspritzdüse 3 ein Strahlbild herbeiführen, bei dem ein notwendiger äußerer Toruswirbel 7 gemäß Fig. 2 im Bereich der Zündfunkenstelle bei jedem Einspritzvorgang gleichbleibend zustande kommt.

Erfindungsgemäß wird die Einspritzqualität der Einspritzdüse 3 anhand der ermittelten Randwirbelhöhe h bestimmt. Mittels der aufgenommenen Schattenrissbilder des eingespritzten Strahls 4 werden in der Druckkammer 1 Schwankungen in der Strahlstruktur aufgrund einer Änderung der Grauwerte inner- halb des Strahlbildes ermittelt. Hierbei wird die Randwirbel- höhe h gemessen, die als ein Kriterium für die Einspritzgüte der verwendeten Einspritzdüse dient. Nach der Bestimmung der Randwirbelhöhe h wird diese mit einem festgelegten Mindest- wert verglichen. Eine Aussage bezüglich der Strahlbildquali- tät bzw. dem Einspritzverhalten wird dann getroffen. Zur Ab- sicherung der Ergebnisse wird die Einspritzdüse 3 in zwei Drehlagen gemäß Fig. 6 untersucht, die sich um 90° voneinan- der unterscheiden. Dadurch erhält man Strahlbildinformationen an vier Stellen, nachfolgend als A, B, C und D gemäß Fig. 6 bezeichnet, die jeweils um 90° versetzt sind.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine einfache und billi- ge Schattenrissmesstechnik verwendet, die durch eine standar- disierte Aufnahmesequenz von Einspritzstrahlbildern und eine nachträgliche Bildanalyse eine schnelle Qualifizierung der Einspritzdüse zulässt.

Um das Einspritzverhalten der Einspritzdüse unter Realmotor- betrieb zu beurteilen, werden die Tests in der Druckkammer 1 bei einem Gegendruck, d. h. Absolutdruck, von etwa 3 bar bis 9 bar, insbesondere 5 bar bis 6 bar vorgenommen. Dies ent- spricht bei einem typischen Motor einem Gegendruck im Brenn- raum während des Kompressionshubs in einem Bereich von etwa 40°Kurbelwinkel bis 15° Kurbelwinkel vor einem oberen Tot- punkt. Vorzugsweise wird in der Druckkammer ein Absolutdruck von etwa 6 bar eingestellt. Dies entspricht in etwa einer Luftdichte zu einem Einspritzzeitpunkt von etwa 25°Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt.

Zur Ermöglichung einer aussagekräftigen Qualitätsbestimmung werden erfindungsgemäß mehrere Bildserien aufgenommen. Es werden in einem Zeitbereich von 0, Oms bis 1, 5ms nach Ein- spritzbeginn, d. h. mit Beginn der Öffnungsflanke bis nach En- de der Schließflanke der Einspritzdüse 3, in einem Abstand von 0, lms jeweils mindestens 10 Bilder zum selben Zeitpunkt aufgenommen. Danach wird die Einspritzdüse 3 in ihrer Einbau- lage um 90° im Gegenuhrzeigersinn gedreht und die beschriebe- ne Aufnahmeprozedur wiederholt.

Die Eignung der Einspritzdüse 3 für den realen Motorbetrieb zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Randwirbelhöhe h zu einem Zeitpunkt nach Einspritzende einen festgelegten Mindestwert nicht unterschreitet. Dabei dient die Randwirbel- höhe h über einem Strahlkegelmantel 8 und/oder ihr zeitlicher Verlauf als Maß für einen zuverlässigen Transport eines zünd- fähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches in den Funkenbereich der Zündkerze.

Die Schattenrissbilder werden wie folgt ausgewertet. Im Dü- senaustrittsbereich wird eine parallele Linie 10 zu der in Austrittsrichtung verlängerten Strahlkante 8 gemäß Fig. 2 ge- zogen, mit der ein äußerer Bereich des Randwirbels 7, d. h. vom weißen Bereich aus, abgetastet wird. Die Abtastung er- folgt bis zu einem Grau-Schwellwert von 85%. Erfindungsgemäß wird ein Grau-Schwellwert von 0% für Schwarz und von 100% für Weiß festgelegt. Unterschreitet der Grau-Schwellenwert wäh- rend der Linien-Abtastung einen Wert von 85% des Graustufen- bereiches an einer bestimmten Stelle, so wird der senkrechte Abstand der Linie 10 zur Strahlkante 8 an dieser Stelle als Randwirbelhöhe h ermittelt.

Die Abtastung erfolgt bei allen Bildern am rechten und am linken Rand des Einspritzstrahles. Die über die Abtastung be- stimmten Werte für die Randwirbelhöhe h werden zu jedem Zeit- punkt separat gemittelt, d. h. aus den zehn aufgenommenen Bil- dern, so dass zu jedem Zeitpunkt von 0, lms vier mittlere Randwirbelhöhen gemäß Fig. 3 zur Verfügung stehen. Diese Randwirbelhöhen werden ihrer Position zum Einspritzventil entsprechend als Randwirbelhöhen bei A, B, C und D gemäß Fig.

6 bezeichnet.

Zusätzlich werden die Randwirbelhöhen bei den jeweiligen Drehlagen gemittelt, so dass über dem zeitlichen Verlauf der Aufnahmesequenz von 0, Oms bis 1, 5ms nach Einspritzbeginn zu jedem Zeitpunkt, d. h. jede 0, lms, zusätzlich ein mittlerer Wert für die Randwirbelhöhe zur Verfügung steht. Ein typi- scher Verlauf der Randwirbelhöhe h über der Zeit ist in Fig.

3 dargestellt. Die Mittelung der Werte A, B, C und D für die Randwirbelhöhe h kann sowohl arithmetisch als auch über eine Gewichtung der Positionen bzw. Drehlagen A, B, C und D erfol- gen, wobei bei einer Gewichtung die Position bzw. die Drehla- ge am stärksten bewertet wird, die im Einbauzustand der Ein- spritzdüse im Motor zur Zündkerze zeigt, und die Position am schwächsten bewertet wird, die im Einbauzustand der Ein- spritzdüse im Motor von der Zündkerze weg zeigt, d. h. der o- ben beschriebenen Position gegenüberliegt. Die beiden dazwi- schen angeordneten bzw. liegenden Drehlegen bekommen eine mittlere Bewertung, die bei beiden gleich groß ist Die Randwirbelhöhe h und ihr Verlauf muss erfindungsgemäß zwei Bedingungen bzw. zwei Kriterien erfüllen. Beim ersten Kriterium, nachfolgend als Ri-Kriterium genannt, wird der Randwirbelhöhen-Verlauf herangezogen. Die Randwirbelhöhe h wird in einer zeitlichen Rasterung von 0, lms im Zeitbereich von 0,6ms bis 1, lms nach Einspritzbeginn bestimmt. Dabei wer- den die ermittelten Werte in jeder Drehlage mit einer Regres- sionsgeraden nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate angenähert. Alternativ kann für die Regression jeweils auch die Verbindungsgerade zwischen den Eckpunkten bei 0,6ms und 1, lms nach dem Einspritzbeginn herangezogen werden. Die Stei- gungen der vier Geraden werden gemittelt. Die Mittelung kann, wie oben beschrieben, sowohl arithmetisch als auch über eine unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Werte vorgenommen werden.

Das Randwirbelhöhen-Verlaufs-Kriterium, R1-Kriterium, ist dann erfindungsgemäß erfüllt, wenn die gemittelte Steigung aller vier Regressionsgeraden größer als ein Wert im Bereich von 1,0 bis 2,0 mm/ms, insbesondere größer als ein Wert im Bereich von 1,3 bis 1,7 mm/ms beträgt. Bei Unterschreitung des Grenzwertes wird die Einspritzdüse 3 für den geforderten Motorbetrieb als nicht geeignet eingestuft, d. h., sie ist nicht tauglich für das strahlgeführte Brennverfahren, da eine zündfähige Gemischwolke im Bereich der Zündelektroden einer Zündkerze zum Zündzeitpunkt nicht erwartet wird. Ein Beispiel für die Ermittelung solcher Regressionsgeraden ist in Fig. 4 dargestellt.

Beim zweiten Kriterium, nachfolgend als R2-Kriterium genannt, wird die Randwirbelhöhe h herangezogen. Dabei wird der Wert der Randwirbelhöhe h bei 1, lms nach Einspritzbeginn in jeder Drehlage, d. h. A, B, C und D bestimmt. Die Werte aus den vier Drehlagen werden gemittelt. Die Mittelung kann, wie oben be- schrieben, sowohl arithmetisch als auch über eine unter- schiedliche Gewichtung der einzelnen Werte vorgenommen wer- den. Das Randwirbelhöhen-Kriterium, R2-Kriterium, ist dann erfindungsgemäß erfüllt, wenn die gemittelte Randwirbelhöhe h bei 1, lms nach Einspritzbeginn einen Wertebereich von 4,2mm bis 5,4 mm, insbesondere 4,6mm bis 5, 5mm übersteigt. Bei Un- terschreitung dieses Wertebereiches gilt die Einspritzdüse 3 dann als nicht geeignet für den geforderten Motorbetrieb und ist somit nicht tauglich für das strahlgeführte Brennverfah- ren. Ein Beispiel für die Randwirbelhöhe h zum Zeitpunkt 1, lms nach Einspritzbeginn ist in Fig. 5 dargestellt.