专利名称：用于测量时间分辨的容积流动过程的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量尤其是内燃发动机中喷射过程的时间分辨的容积流动过程的装置，该装置包括平移的体积差记录器，其主要由设置在测量室中的活塞和记录该活塞偏转的采集装置组成，该采集装置与分析单元连接。
背景技术：
首先在根据柴油机方法或奥托方法工作的、直接喷射的内燃机领域，就喷射的定量配料的量、喷射时刻和喷射变化过程来说，对喷射系统的要求逐渐提高。因此近年来对喷射过程进行了这样的改进，将针对一个燃烧周期的定量配料的喷射量分为多个小的子喷射，或者通过调制燃料压力或其它速率调制的措施来监控速率变化的形成。为此必须提供相应的测量装置。
相应的在DE3139831A1中描述了一种方法，其中通过喷射到测量室内的燃料量来推动测量活塞。从该过程中活塞的返回路径可以推导出喷射量。在喷射了特定次数之后，测量活塞返回到其输出位置。在此分别采集测量活塞的结束位置。但在该方法中，由于活塞质量的惯性以及所出现的摩擦出现了对于当前比率来说太大的测量不精确性。
因此DE3916419A1描述了一种电磁控制的测量装置，该测量装置发展了DE3139831A1的装置，其中在每次喷射之后都清空测量室。由此虽然由于要测量的总体积很小而达到了更为精确的测量结果，但还存在较大移动的活塞质量的问题，由此同以前一样在系统中出现了振荡和延迟。因此无法对再喷射及其变化分析进行精确的测量。此外用放电阀门对相应的测量活塞进行放电，从而不能分辨出在内燃电动机的正常运行时常见的相隔很短的喷射。
在DE4434597A1中提出了对该装置的改进以改善测量精度。其中，测量活塞的返回速度保持恒定，从而可以在清空时同时考虑磁铁阀门的闭合延迟。虽然这改善了活塞输出位置的可再现性，但尤其因为活塞质量较大还是存在系统易受到振荡影响的问题。此外，由于整个系统的惯性也无法分辨出时间上接近的单次喷射及其变化。
在DE4130394A1中提出一种喷射量测量装置，其中喷射到一个封闭的压力容器中。在分别于预喷射和主喷射后测量该压力容器中形成的压力之后，重新关闭阀门，从而将喷射量排出到一个测量区域内，其中通过液体运动的活塞又位于该测量区域内，从而由活塞的运动推导出喷射的体积。通过这种实施方式虽然可以就主喷射、预喷射和再喷射来说分辨出喷射过程，但无法获得例如主喷射期间的喷射变化的量化结论，因为不存在连续的成批测量。此外这种结构也不适于对正在运行的电动机进行测量，因为不能以电动机运行的速度测量多个相互连续的工作周期。
在WO00/79125中采取了DE4130394A1的测量原理。但是连续测量压力容器中的压力，从而可以获得关于每次喷射的变化过程的结论。但该结构非常复杂，使得多个影响参数减小了装置的测量精度和可靠性。在这种装置中也无法在正在运行的电动机上使用该装置。
作为替代在WO02/054038中提议更轻地实施运动的活塞，以尽可能避免瞬变振荡，并采用无接触工作的、电容式或根据涡流原理工作的传感器来记录待测量的路径。通过该措施可以进一步提高测量精度。
在DE1798080中又描述了一种电控的流量测量和剂量设备，可以在较大的测量范围内以高精度测量流量。该测量设备由于其极小的惯性非常适合于对流量的即时测量，但不能周期同步的显示流量速率信息。这意味着该设备不能与奥托或柴油电动机的工作周期同时的显示待测量喷射过程的精确变化过程及其周期性。
除了该装置之外，所有公知装置都有一个共同点只能测量喷射装置的顺流的不连续流量。这带来的缺点是无法将流动速率测量与对喷射光的光传播的光学检查结合起来。此外也限制了测量精度。
DE3302059也公开了一种设置在喷射装置的顺流上的连续工作的流量测量设备。在此，喷嘴喷射到一个通道中，该通道引向齿轮泵并与第二通道并联，在该第二通道中平滑地引导着活塞。这两个通道一起构成可通过活塞的运动改变的必需的喷射空间。一方面测量活塞的路径，另一方面通过电调节电路将该路经输入调节电动机以调节齿轮泵的转速。利用这种装置进行的喷射量测量由于活塞的惯性和不考虑所喷射液体的物理特性而只能提供精度不足的测量结果。
发明内容
相应地，本发明要解决的技术问题是提供一种用于测量时间分辨的容积流动过程的装置，其能以较高的测量精度定量和定性地获得可分析的结果，其中该装置应当尽可能定位在喷射阀门前，并且可以在正在运行的电动机上测量连续的喷射量和喷射变化过程。这使得可以量化地通过统计特征参数评价不同周期之间和不同喷射阀门之间的喷射稳定性。相应地，必须使测量值可见，如喷射速率或多次喷射的子集，以及在一段较长时间变化上的总喷射量。
该技术问题是这样解决的，在测量室中除了记录活塞的偏转的采集装置之外还设置一个压力传感器，该压力传感器这样与分析单元连接，使得利用该压力传感器的测量值在分析单元中对根据采集装置的测量值获得的流量进行校正。由于压力传感器的使用，通过考虑液体的可压缩性而最小化了计算喷射量时的测量误差，从而使测量结果获得了明显的、定量和定性的改善。
在优选实施方式中，平移的体积差记录器对应于一个旋转挤压机，该挤压机由电动机根据存在的体积差来驱动，其中测量室设置在进气通道中，该进气通道在流动方向上在平移的体积差记录器之后开口到出气通道中，旋转挤压机设置在通向平移的体积差记录器的旁路中，其中对旋转挤压机的控制这样进行，使得在工作周期期间挤压机的转速是恒定的，并且该转速基本上对应于整个工作周期内的平均流量。相应地，给出一个锯齿形信号作为活塞路径，因为活塞的运动包括基于旋转挤压机的转速而进行的连续运动以及基于各个喷射而进行的非连续运动。工作周期在此例如对应于预喷射、主喷射和再喷射。
优选地，所述采集装置包括传感器，该传感器产生的电压是对活塞偏转的度量，并且该传感器连续采集活塞在测量室中的偏转。因此，流量变化通过传感器上的相应电压变化来识别出，通过输出到分析单元可以通过简单的方式将该结果转换为喷射量和喷射变化。通过连续地采集偏转，这种装置还可以在具有很多连续喷射过程(即工作周期)的正在运行的电动机上使用，因为不再需要像现有技术那样例如通过阀门来清空测量室。此外，该装置既可以设置在燃料喷射阀门之前又可以设置在燃料喷射阀门之后。
有利的是，所述活塞具有与测量液体相同的特殊重量。通过使活塞的特殊重量等于测量液体的重量以及将活塞设置成可自由地运动，几乎没有时间延迟地通过传感器上的对应电压变化识别出流量的变化，由此可以显示各个喷射的时间变化过程。
此外，可以在测量室中设置温度传感器，该温度传感器与分析单元连接，使得室内的温度也能一起用于计算，由此进一步提高了测量精度，因为基于压力信号和温度信号可以将活塞路径转换为理想的活塞路径，该理想的活塞路径是在测量期间的等压和等热条件下给出的。相应地，还可以将液体的压缩模型考虑为温度和压力的函数。
平移的体积差记录器的传感器可以是光学的、感应的或根据涡流原理工作的传感器。这些传感器几乎无惯性地工作，并因此提供非常精确的测量值。
优选地，旋转挤压机构造为齿轮泵，因为齿轮泵极度无脉动地排送。
为了简单分析总流量，有利的是，将电动机构造为伺服电动机，并且具有一个运动传感器，该运动传感器与分析单元和调节电路连接，该运动传感器的信号是对旋转挤压机的转速的度量。通过例如光学传感器和运动传感器的信号，可以通过简单方式调节旋转挤压机。
在此优选运动传感器构造为脉冲发生器盘，由此可以可靠而非常精确地确定挤压机的转速。
优选地，从燃料喷射阀门到旋转挤压机的输入端的液压长度等于到旋转挤压机的输出端的液压长度，由此可以在没有压力差的情况下驱动挤压机，并由此准确地在每个时刻确定到该时刻为止的喷射量。
在测量内燃发动机中喷射过程的应用中，由于液体的可压缩性导致压力波贯穿整个测量结构的传递。为了消除该压力波的不期望的反射，根据本发明的流量测量装置设置在至少一个燃料喷射阀门和速调管之间。
由此提供了一种装置，其使得可以连续和时间上可分辨地测量容积流动过程，其中结构非常简单但可以达到非常高的测量精度。由此可以定性和定量地对喷射变化过程和喷射量及其稳定性做出精确的结论。诸如喷射速率或多次喷射的子集以及在相同的或更长时间间隔内的总喷射量等测量值可以用该装置可见。
此外，可以通过传统方式校准用于连续测量的旋转挤压机，从而同样可以通过校正测量值以比较简单的方式校准各个喷射测量。
本发明的装置显示在附图中并在下面进行描述。
图1示意性示出在喷射阀门之后的本发明测量装置的结构。
图2示出在一个具有两个预喷射、一个主喷射和两个再喷射的工作周期期间通过齿轮泵的无连续分量的典型活塞变化过程以及所产生的喷射量变化过程。
具体实施例方式
在图1中示出采用本发明的用于测量时间分辨的容积流动过程的装置来测量内燃发动机中的喷射过程的结构。该装置包括未示出的产生流动的装置，在本例中一般是高压泵和燃料喷射阀门1，通过该燃料喷射阀门将燃料喷射到测量装置2中。测量装置2包括进气通道3，在其中设置了测量室4，在该测量室4中又设置了可自由移动的活塞5，其中活塞5具有与测量液体(即燃料)相同的特殊重量。测量室4中的活塞5用作平移的体积差记录器。在测量室4上设置了传感器6，该传感器6与活塞5形成作用连接(Wirkverbindung)，并在该传感器中通过活塞的偏转产生取决于该活塞5的偏转参数的电压。
此外，在围绕平移的体积差记录器的旁路导线7中，设置了按照齿轮泵8形式的旋转挤压机，该旁路导线尽可能短地在喷射阀门1后面分支。齿轮泵8由伺服电动机10通过离合器9驱动。进气导线3和旁路导线7都开口到出气通道11中。
传感器6与分析单元12连接，该分析单元12接收和进一步处理传感器6的值和电动机10的转速，该电动机与脉冲发生器13形式的运动传感器连接。传感器6在此构造为光学传感器。在活塞5和喷射装置1之间的测量室4中，设置了压力传感器14和温度传感器15，它们连续地测量在该区域出现的压力和温度，并又将其输入到分析单元12中。为了防止反射所形成的压力波，在测量装置2的出气通道11后面设置了一个未示出的速调管(Laufzeitrohr)，由此在时间上消除了测量过程的压力波。
下面描述测量过程。如果燃料从燃料喷射阀门1喷射到测量装置2或者说进气通道3中，则活塞5在没有延迟的情况下(也就是无惯性地)做出反应，立即像被引向的燃料柱，因为活塞具有与燃料相同的特殊重量，从而活塞的偏转成为对喷射的燃料量的容积的度量。在测量室4中，即在进气通道3中在活塞上和齿轮泵8上不形成压力差，因为从喷射阀门1到齿轮泵8的输入端和到齿轮泵8的输出端的液压长度保持相同。设置在旁路通道7中的齿轮泵8同时以取决于活塞5的偏转并由此取决于所喷射的燃料量的转速被驱动。但调节这样进行，使得在一个工作周期内(即例如预喷射、主喷射、再喷射)齿轮泵8的转速保持恒定，并且只有在出现偏差时，也就是活塞5在一个周期结束时的位置与该工作周期之前的输出位置不一致时才进行再调节。为此在调节电路16中，借助于脉冲发生器盘13的值将传感器6在一个工作周期开始和结束时的值相互进行比较，并产生相应的信号来控制电动机10。
由此，通过在喷射时叠加与偏转方向相反方向上的具有恒定速度的分量以及在喷射过程中叠加不连续分量而形成活塞5的偏转。由此对于活塞5的运动，也以图形显示的方式给出一锯齿图形，其中通过线性回归预先计算出通过齿轮泵8的旋转形成的活塞运动的连续分量。整个测量装置2设置得尽可能接近于喷射阀门1，以便尽可能减小液体可压缩性带来的影响。利用测量室4中设置的压力传感器14和温度传感器15，在分析单元12中将传感器6的信号、即通过活塞5的运动形成的信号换算为这段时间内的燃料喷射量。为此自动将通过齿轮泵8形成的运动的连续分量从实际返回的路径、即传感器6的值中减去。相应地，分析单元12从伺服电动机10上的脉冲发生器13获得相应的信号来确定通过齿轮泵8的流量。在电分析单元12中的换算通过基于物理的模型计算进行，其中借助压力信号和温度信号将实际测量的活塞路径换算为理想的活塞路径，该理想的活塞路径是在测量过程中的等压和等热条件下设置的。相应地，在该计算中还将液体的压缩模型考虑为温度和压力的函数。当然该计算非常明显地通过齿轮泵8的恒定转速以及由此通过活塞5的连续运动分量而得到了简化。
图2中是燃料喷射阀门1的通过感应扫描测量的喷油针行程17，由传感器6测量的活塞路径18，其中通过齿轮泵8的连续分量已经计算出来，示出由压力传感器14测量的压力变化过程19、借助于压力变化过程19校正的活塞路径20，以及从这些数据中计算出来的、燃料喷射阀门1在这段时间内所产生的喷射量变化过程21。很明显，通过第一预喷射22活塞5在测量室4中偏转，并且测量室4中的压力增大。此后通过活塞5的偏转测量室4中的压力又下降。齿轮泵8的恒定运动导致实际测量的路径(从中推导出活塞路径18)具有持续的下降。实际测量的路径没有示出。相应的给出在后续的第二预喷射23以及主喷射24和两个再喷射25、26中的压力变化过程和活塞路径变化过程18-21。这样调节齿轮泵8，使得压力以及由此活塞5的实际位置在工作周期结束时又对应于输出状态。
在此，由于活塞几乎没有惯性而可以直接运动，在工作周期期间也可以测量和分析微秒范围内的变化，从而测量装置2可以在不同的喷射阀门1之间就其喷射量和尤其是喷射过程的时间变化过程进行比较。在某段时间间隔内的总流量由齿轮泵8的脉冲发生器13的输出给出。该时间间隔与喷射是同步的。
或者，上述测量装置2还可以设置在燃料喷射阀门1前面，其中速调管也设置在该流量测量之前，从而整个测量装置2设置在高压泵和燃料喷射阀门1之间。此外还可以想到，在全负载区域的过控制时设置对应的安全功能，其中例如这样铺设引向测量室出气端的旁路通道，使得在活塞5的偏转太大时能溢出液体。
此外很明显，这种装置还适用于测量其它流动过程。
本发明的装置使得可以在具有任意多个连续燃料喷射脉冲的喷射阀门前面或后面的正在运行的电动机上测量流动过程。从而可以定性和定量地得出关于喷射量、喷射变化过程的很高价值的结论，并评价不同的喷射阀门。
很明显，除了感应式或光学传感器之外，还可以采用其它传感器、如速度传感器或加速度传感器来测量活塞的偏转，而不会偏离独立权利要求的保护范围。由这些传感器产生的电压还是对活塞的偏转的一种度量，其中活塞的速度或加速度通过分析单元中进行的一次或二次积分又换算为路径。
权利要求
1.一种用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，该装置具有平移的体积差记录器，其主要由设置在测量室中的活塞和记录该活塞的偏转的采集装置组成，该采集装置与分析单元连接，其特征在于，在测量室(4)中除了记录活塞偏转的采集装置(6)之外还设置一个压力传感器(14)，该压力传感器(14)这样与分析单元(12)连接，使得利用该压力传感器(14)的测量值在分析单元(12)中对根据采集装置(6)的测量值确定的流量进行校正。
2.根据权利要求1所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述平移的体积差记录器(4，5，6)配备有一个旋转的挤压机(8)，该挤压机(8)由电动机(10)根据存在的体积差来驱动，其中测量室(4)设置在进气通道(3)中，该进气通道在流动方向上在平移的体积差记录器(4，5，6)之后开口到出气通道(11)中，旋转挤压机(8)设置在通向平移的体积差记录器(4，5，6)的旁路(7)中，其中，对旋转挤压机(8)的控制这样进行，使得在工作周期期间挤压机(8)的转速是恒定的，并且该转速基本上对应于整个工作周期内的平均流量。
3.根据权利要求1或2所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述采集装置(6)包括传感器，该传感器产生的电压是对活塞(5)的偏转的度量，并且该传感器连续采集活塞(5)在测量室(4)中的偏转。
4.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述活塞(5)具有与测量液体相同的特殊重量。
5.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，在所述测量室(4)中设置温度传感器(15)，该温度传感器(15)与分析单元(12)连接。
6.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述传感器(6)是光学的、感应的或根据涡流原理工作的传感器。
7.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述旋转挤压机(8)构造为齿轮泵。
8.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述电动机构造为伺服电动机(10)，并具有一个运动传感器(13)，该运动传感器(13)与所述分析单元(12)和调节电路(16)连接，其中，该运动传感器(13)的信号是对旋转挤压机(8)的转速的度量。
9.根据权利要求8所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述运动传感器(13)构造为脉冲发生器盘。
10.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，从燃料喷射阀门(1)到旋转挤压机(8)的输入端的液压长度等于到旋转挤压机(8)的输出端的液压长度。
11.根据上述权利要求之一所述的用于测量时间分辨的容积流动过程、尤其是内燃发动机的喷射过程的装置，其特征在于，所述流量测量装置(2)设置在至少一个燃料喷射阀门(1)和速调管之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量尤其是内燃发动机喷射过程的时间分辨的容积流动过程的装置，包括平移的体积差记录器(4，5，6)，其主要由设置在测量室(4)中的活塞(5)和记录该活塞(5)的偏转的采集装置(6)组成，该采集装置与分析单元(12)连接。根据本发明，在测量室(4)中除了记录活塞偏转的采集装置(6)之外还设置一个压力传感器(14)，利用该压力传感器改善对采集单元(6)的对应于活塞偏转的信号的分析，使得可以在计算喷射量时考虑测量室(4)中的液体可压缩性。该装置可以高度时间分辨地显示流动过程，从而可以显示和分析总量和精确的变化过程。
文档编号F02M65/00GK1820184SQ200480019772
公开日2006年8月16日 申请日期2004年7月6日 优先权日2003年7月10日
发明者雷纳·梅茨勒, 曼弗雷德·沃纳, 赫里伯特·卡默斯泰特 申请人:Avl皮尔伯格仪器流程技术有限责任公司