System und Verfahren zur Messung von Einspritzvorgängen

Die Erfindung betrifft ein System zur Messung von Einspritzvorgängen mit einem Einspritzventil, einer mit einem Fluid gefüllten Messkammer, in die über das Einspritzventil eine Fluidmenge einspritzbar ist, einem Kolben, der in der Messkammer angeordnet ist, einem Sensor, dessen erzeugte Spannung ein Maß für die Auslenkung des Kolbens darstellt, und der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die kontinuierlich die Auslenkung des Kolbens in der Messkammer erfasst, einer rotatorischen Verdrängerpumpe, die in Abhängigkeit der anliegenden Volumendifferenz angetrieben ist und in einem Bypasskanal zur Messkammer angeordnet ist und einem Drucksensor, der in der Messkammer angeordnet ist sowie ein Verfahren zur Messung von Einspritzvorgängen mit einem derartigen System.

Derartige Systeme sind allgemein bekannt und werden in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben. Vor allem im Bereich direkteinspritzender Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem Diesel- oder dem Ottoverfahren arbeiten, steigen die Anforderungen an die Einspritzsysteme hinsichtlich der zugemessenen Menge, dem Zeitpunkt und dem Verlauf der Einspritzung stetig. So sind Einspritzverläufe in den letzten Jahren dahingehend modifiziert worden, dass entweder die zuzumessende Einspritzmenge für einen Verbrennungszyklus in mehrere kleine Teileinspritzungen aufgetrennt wird oder die Ratenverlaufsformung über die Modulation des Kraftstoff drucks oder andere ratenmodulierende Maßnahmen kontrolliert wird. Um derartige Einspritz verlaufe möglichst in Echtzeit genau wiedergeben zu können müssen entsprechende Systeme zur Verfügung gesteift werden, mit denen das Einspritzverhalten einzelner Kraftstoffinjektoren möglichst genau wiedergegeben werden kann.

Aus der DE 103 31 228 B3 ist eine Vorrichtung zur Messung von zeltlich aufgelösten volumetrischen Durchflußvorgängen insbesondere von Einspritzvorgängen bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt. Diese besteht aus einem in einer Bypassleitung angeordneten rotatorischen Verdränger und einem in einer Messkammer angeordneten beweglichen Kolben, der das gleiche spezifische Gewicht wie die Messflüssigkeit aufweist. Dem Kolben wird ein Sensor zugeordnet, dessen erzeugte Spannung ein Maß für die Auslenkung des Kolbens bei auftretenden Einspritzungen darstellt. Die erzeugte Spannung wird an eine Auswerteeinheit übertragen, die kontinuierlich die Ausienkung des Kolbens in der Messkammer erfasst und zeitlich hoch aufgelöste Durchflussvorgänge graphisch darstellt. Eine Regelelektronik sorgt dafür, dass die Steuerung des rotatorischen Verdrängers derart erfolgt, dass während eines Arbeitszyklus der Einspritzanlage die Drehzahl des rotatorischen Verdrängers konstant bleibt und dem mittleren Durchfiuss über den gesamten Arbeitszyklus im Wesentlichen entspricht. Diese Vorrichtung ermöglicht eine zeitlich hochaufgelöste Darstellung von Durchflussvorgängen, so dass sowohl Gesamtmengen als auch genaue Verläufe darstellbar und auswertbar sind.

Diese Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass längere thermische Einschwingzeiten aufgrund des Energieeintrags durch die Einspritzung in die Messkammer vorhanden sind. Bislang wurde versucht, die hieraus resultierenden Messungenauigkeiten durch Kompensationskonstanten, die durch Vorabmessungen gewonnen wurden, zu kompensieren. Da diese Konstanten jedoch nicht immer genau bekannt sind, bleiben diese Ungenauigkeiten vorhanden.

So ist aus der DE 100 64 509 AI ein Verfahren zum Kalibrieren von Wegsensoren bekannt geworden, bei dem vor der eigentlichen Messung eine Kalibriertabeile mit Quadrupeln aus Temperatur, Druck und dem Messsignal des Wegsensors erstellt wird. Um diese Tabelle erstellen zu können, ist ein Ringraum temperierbar, das heißt im Ringraum sind bestimmte Temperaturen einstellbar. Diese Kompensation ist lediglich unter hohem Zeitaufwand zur Kalibrierung durchzuführen, welche zusätziich für jedes weitere Ventil wiederholt werden muss, Zusätzlich findet bei jeder Einspritzung ein erneuter Einschwingvorgang im System statt, so dass eine exakte Messung bei einer aus mehreren Einzeleinspritzungen bestehenden Gesamteinspritzung nicht aufgelöst dargestellt werden kann, da keine Einzeitemperaturänderungen messbar sind.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein System und ein Verfahren zur Messung von Einspritzvorgängen bereitzustellen, mit denen die Messgenauigkeit eines Durchflussmessgerätes erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmaien des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Dadurch, dass an der Messkammer Heiz- oder Kühlelemente angeordnet sind, die über ein Steuergerät derart betätigbar sind, dass die durch die eingespritzte Fluidmenge und die Kühl- oder Heizelemente eingebrachte Energiemenge pro Einspritzung im Wesentlichen konstant ist, wird erreicht, dass die gemessene und berechnete Einspritzmenge nicht mehr abhängig von einer Temperaturänderung ist. Entsprechend werden die Einspritzmengen auch bei mehreren Einspritzvorgängen hintereinander korrekt bestimmt, da keine Einschwing Vorgänge vorhanden sind.

Diese Vorteile ergeben sich auch durch ein Verfahren, bei dem eine im Wesentlichen konstante Energiemenge pro Einspritzung in die Messkammer eingebracht wird, welche sich aus der durch die Einspritzung eingebrachten Energiemenge und einer über Hetz- oder Kühlelemente eingebrachten Energiemenge zusammensetzt. Vorzugsweise sind die Heizelemente Giühkerzen. Diese sind geeignet, in sehr kurzer Zeit ausreichende Energiemengen in das System einzubringen.

In einer weiterführenden Ausgestaltung ist eine Kühlvorrichtung an der Messkammer angeordnet, über die eine konstante Wärmemenge aus der Messkammer abführbar ist, Hierdurch wird ein Überhitzen des Systems bei ständigem Energieeintrag ausgeschlossen.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die der Kühlvorrichtung zugeführte Kühlmitteimenge über ein mit dem Steuergerät verbundenes Magnetventil regelbar. Dieses ist ebenfalls sehr schnell schaltend, so dass eine genaue Regelung möglich wird.

Vorzugsweise ist in der Messkammer ein Temperaturfühler angeordnet, über den der korrekte Energieeintrag überprüfbar ist. Die über den Temperaturfühier ermittelten Werte können auch zur weiteren Korrektur des Energieeintrags oder bei sehr schneller Temperaturaufnahme auch als Führungsgröße für den Energieeintrag dienen.

Bei Durchführung eines vorteilhaften Verfahrens wird zunächst ein maximale Energieeintrag bei maximaler Öffnungszeit des Einspritzventiis berechnet, anschließend der zu erwartende Energieeintrag durch die Einspritzung berechnet oder der tatsächliche Energieeintrag gemessen, daraufhin eine Differenzenergie zwischen maximalem Energieeintrag und tatsächlichem Energieeintrag berechnet und abschließend die Differenzenergie über die Heizelemente in die Messkammer eingebracht. Somit wird erreicht, dass ein immer gleicher Energieeintrag pro Einspritzung in das System erfolgt, wodurch eine jeweils konstante Energieerhöhung im System stattfindet, welche durch die zusätzliche Kühlung wieder abgebaut werden kann. Entsprechend erfolgt jede Messung bei gleicher Temperatur im System. In einer alternativen Ausführung wird zunächst ein tatsächlicher oder zu erwartender Energieeintrag durch die Einspritzung berechnet oder gemessen und anschließend diese Energiemenge dem System über eine entsprechende Kühlung wieder entzogen. Auch auf diese Weise kann eine konstante Temperatur im System zur exakten Messung sichergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der zu erwartende Energieeintrag über ein Kennfeid berechnet, in dem der Energieeintrag über dem bei bestimmten Öffnungszeiten des Einspritzventils zu erwartenden Durchfiuss und der eingestellten Druckdifferenz aufgetragen wird. Da dem Steuergerät die Öffnungszeit bekannt ist und über den Druckregler und die Hochdruckpumpe eine feststehende Druckdifferenz sowie ein theoretisch zu erwartender Durchfluss der Verdrängerpumpe bei dieser Öffnungszeit bekannt sind, kann hieraus ein theoretisch notwendiger Energieeintrag über das Kennfeld bestimmt und dem System zugeführt werden. Die resultierenden Differenzen zwischen dem theoretischen Durchfluss und dem anschließend im System gemessenen Durchfluss sind in der Regel so gering, dass eine Nachkorrektur nicht erforderlich, jedoch selbstverständlich möglich ist. Die Messung kann demnach so häufig mit verbesserten Kennfeldern wiederholt werden bis eine konstante Temperatur im System vorliegt. In einer alternativen Ausgestaltung wird der tatsächliche Energieeintrag durch Messung einer Temperaturänderung in der Messkammer bestimmt und die Differenz zum maximalen Energieeintrag dem System zugeführt. Auch hierdurch werden konstante Temperaturen in der Messkammer erzielt, die zu gena uen Messergebnissen führen, jedoch ist dieses System deutlich träger.

In einer weiterführenden Ausgestaltung wird die Temperaturänderung nach Einbringen des zusätzlichen Energieeintrags gemessen und aus der Temperaturänderung ein Korrekturenergieeintrag bestimmt, der der Messkammer zugeführt oder entzogen wird. So kann ein iterativ arbeitendes System geschaffen werden, durch welches Differenzen zwischen dem für den Energieeintrag zu Grunde gelegten Durchfiuss und dem daraufhin gemessenen Durchfiuss korrigiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Anhand dieser Figur wird die Erfindung im Folgenden beschrieben.

Das erfindungsgemäße System besteht aus einer Messkammer 2 an der ein Einspritzventi! 4 derart angeordnet ist, dass dieses in die Messkammer 2 einspritzen kann. In der Messkammer 2 befindet sich ein Kolben 6, der axial bewegbar ist und das gleiche spezifische Gewicht aufweist, wie das5 Fluid in der Messkammer 2. Der Kolben 6 teilt die Messkammer 2 in einen Einlassbereich 8 und einen Ausiassbereich 10. An der Messkammer 2 ist ein Sensor 12 angeordnet, der die Bewegung des Kolbens 6 in der Messkammer 2 detektiert. Zusätzlich ist in einem den Kolben 6 umgehenden Bypasskanal 14, welche den Einiassberetch 8 der Messkammer 2 unter Umgehung des Kolbens 6 mit dem Ausiassbereich 10 verbindet, eine rotatorische Verdrängerpumpe 16, beispielsweise in Form einer Zahnradpumpe, angeordnet. Vom Ausiassbereich 10 der Messkammer 2 führt eine Auslassleitung 18 über einen Druckregler 20 in einen Tank 22, in dem das Fluid gespeichert wird und der über eine Förderpumpe 24 mit dem Einspritzventil 4 verbunden ist. Der Druckregler 20 sorgt für einen feststehenden Druck in der Auslassieitung 18. Der Sensor 12 ist ebenso wie das Einspritzventi! 4 und die Pumpe 16 mit einem Steuergerät 26 verbunden, welches die Werte dieses Sensors 12 sowie die Umdrehungszahl der Pumpe 16, die mit einem Bewegungssensor ausgestattet ist, aufnimmt und weiterverarbeitet. In der Messkammer 2 ist zwischen dem Kolben 6 und dem Einspritzventil 4 ein Drucksensor 28 sowie ein Temperaturfühler 30 angeordnet, die kontinuierlich die in diesem Bereich auftretenden Drücke und Temperaturen messen und wiederum dem Steuergerät 26 zuführen, welches gleichzeitig zur Ansteuerung des Einspritzventils 4 und als Auswerteeinheit zur Kolbenlageerfassung dient.

Erfindungsgemäß sind an der Messkammer 2 Heizelemente 32 in Form von Glühkerzen angeordnet, über die in kürzester Zeit Energie in die Messkammer 2 zuführbar ist. Hierzu sind die Heizelemente 32 ebenfalls mit dem Steuergerät verbunden. Des Weiteren ist im Bereich des Kolbens 6 eine Kühlvorrichtung 34 angeordnet, über die Energie aus der Messkammer 2 abgezogen werden kann. Die Regelung erfolgt über ein Magnetventil 36, über welches ein konditioniertes Kühlmedium aus einem Vorratsbehälter 38 der Kühlvorrichtung 34 zugeführt werden kann.

Wird nun das Prüffiuid vom Einspritzventil 4 in die Messkammer 2 eingespritzt, reagiert der Kolben 6 ohne Verzögerung. Die im Bypasskanal 14 angeordnete Verdrängerpumpe 16 wird gleichzeitig mit einer Drehzahl angetrieben, die abhängig ist von der Auslenkung des Kolbens 6 und somit von der eingespritzten Fluidmenge, Die Regelung der Pumpendrehzahl erfolgt in bekannter Weise derart, dass über einen Arbeitszyklus die Drehzahl der Pumpe 16 und somit der Durchfluss konstant gehalten wird.

Die Auslenkung des Kolbens 6 entsteht somit durch Überlagerung eines kontinuierlichen Anteils durch die Pumpe 16 und einem diskontinuierlichen Anteil während eines Einspritzvorgangs in entgegengesetzter Richtung. Mit Hilfe des in der Messkammer 2 angeordneten Drucksensors 28 wird im Steuergerät 26 das Signal des Sensors 12, in eine eingespritzte Fluidmenge über die Zeit umgerechnet. Dazu wird automatisch der kontinuierliche Anteil der durch die Pumpe 16 entstehenden Bewegung von dem tatsächlich zurückgelegten Weg also den Werten des Sensors 12 subtrahiert. Die Umrechnung im Steuergerät 26 erfolgt über eine physikalisch basierte Modeilrechnung, bei der der tatsächlich gemessene Kolbenweg mit Hilfe des Drucksignals in einen Koibenweg umgerechnet wird, der sich bei isobaren Bedingungen während der Messung einsteilen würde. Entsprechend wird in dieser Rechnung auch das Kompressibilitätsmodul des Fluids als Funktion des Drucks berücksichtigt.

Aufgrund des Energieeintrags durch die Einspritzung verändert sich jedoch auch die Temperatur des Fluids. Eine Kompensation durch Messung des Temperaturverlaufs und Berechnung mittels Kompensationskonstanten bleibt jedoch häufig fehlerbehaftet. Daher werden die Heizelemente 32 benutzt, um zusätzlich Energie in die Messkammer 2 einzubringen. Die Energiemenge wird derart bestimmt, dass die Temperatur in der Messkammer 2 unabhängig von der Einspritzzeit konstant bleibt. Hierzu wird zunächst aus den Kenndaten des Einspritzventils 4 eine maximale durch die Einspritzung in die Messkammer 2 einzubringende Energiemenge berechnet. Der tatsächliche Energieeintrag in die Messkammer 2 wird entsprechend in der Rege! kleiner sein als diese Energiemenge. Die Differenz zwischen der maximalen berechneten Energiemenge und der durch die Einspritzung eingebrachten Energiemenge wird der Messkammer bei jeder Einspritzung über die Heizelemente 32 zugeführt. Gleichzeitig wird zur Aufrechterhaltung der Temperatur in der Messkammer 2 eine feste Energiemenge über die Kühlvorrichtung 34 abgeführt. Entsprechend muss in der Berechnung der eingespritzten Fiuidmenge keine Temperaturkompensation durchgeführt werden. Es entstehen keine Fehler aufgrund veränderter Kompressibilität durch veränderte Temperaturen.

Die Regelung der über die Heizelemente 32 zuzuführenden Energiemenge erfolgt beispielsweise mittels eines im Steuergerät 26 hinterlegten Kennfeldes, in dem der Energieeintrag über dem Durchfluss der Pumpe 16 und der über den Druckregler festgelegten Druckdifferenz aufgetragen ist. Der Durchfluss ist dabei abhängig von der eingestellten Öffnungszeit und der Druckdifferenz. Diese Energiemenge wird somit über das Kennfeld berechnet und der Messkammer 2 über die Heizelemente 32 während eines Messzyklus zugegeben. Da bei dieser Regelung der Abtransport von Energie durch Abfuhr des Mediums selbst nicht berücksichtigt wird, kann zur Korrektur oder Plausibiiitätsprüfung der Temperaturfühler 30 genutzt werden, der demnach eine zu Beginn und zum Ende des Zyklus konstante Temperatur messen sollte. Ist diese nicht konstant, liegt ein Fehler im hinterlegten Kennfeld vor, weiches entsprechend angepasst werden kann.

Alternativ kann auch die Bestimmung der einzufügenden Energiemenge lediglich über den Temperaturfühler 30 erfolgen. In diesem Fali handelt es sich jedoch um ein vollständig nachlaufendes System mit längeren Einschwingzeiten.

Entsprechend ist es sowohl möglich, eine Anpassung des Kennfeldes so lange durchzuführen, bis eine konstante Temperatur vorliegt, als auch bei nicht vorhandener Konstanz auf Fehlfunktionen des Einspritzventils zu schließen;

Es folgt eine sehr genaue schnel! durchzuführende Messung, welche unter isothermen Bedingungen stattfindet und somit keine zusätzlichen temperaturabhängigen Kompressibifitätskostanten benötigt,

Es sollte deutlich sein, dass auch durch reine Kühlung, welche jedoch sehr schnell erfolgen muss, ein Energiegleichgewicht erzielbar ist und somit die Temperatur konstant gehalten werden kann. Auch sind weitere Möglichkeiten zur Ermittlung des einzubringenden oder abzuziehenden Energieanteils denkbar. Konstruktive Änderungen sind ebenfalls im Rahmen des Hauptanspruchs denkbar.