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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Strahlbildes
eines Fluidstrahls, insbesondere eines Einspritzstrahls bei einem
Einspritzventil. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum
Erfassen eines Strahlbildes eines Fluidstrahls.
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Einspritzventile
für Brennkraftmaschinen, insbesondere
für Kraftfahrzeugmotoren,
sind bekannt. Derartige Einspritzventile geben Kraftstoff in Form
von Strahlkegeln ab, die durch ihre Strahlbilder charakterisiert
werden können.
Es hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors maßgeblich
von den Strahlbildern der verwendeten Einspritzdüsen abhängen können. So kann das Strahlbild
insbesondere die Leistung, den Verbrauch und die Emissionseigenschaften
des Verbrennungsmotors beeinflussen.
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Zur
Verbesserung des Verbrennungsverhaltens eines Verbrennungsmotors
ist bekannt geworden, das Strahlbild durch geeignete Herstellung
der Einspritzventile gezielt zu beeinflussen. Die Einspritzventile
können
dabei bevorzugt zur Direkteinspritzung im Magerbetrieb dienen, bei
dem ein in der Summe zu mageres und somit nicht zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch
eingespritzt wird, das jedoch lokal an der Zündkerze ausreichend fett und
zündfähig ist.
Bei dem Kraftstoff kann es sich insbesondere um Benzinkraftstoff
handeln.
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Aufgrund
der Relevanz der Strahlbilder der Einspritzkegel für die Motoreneigenschaften
ist eine Strahlbildprüfung
wünschenswert,
bei der das Strahlbild erfasst wird.
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Es
ist bekannt, zur Strahlbildprüfung
die sogenannte Lichtschnitttechnik oder Lichtblatttechnik zu verwenden.
Bei diesem bekannten Verfahren wird mittels einer Lichtschnittoptik
ein breiter, ebener, insbesondere fächerförmiger Lichtschnitt mit geringer Dicke
erzeugt, der von dem zu vermessenden Fluidstrahl durchlaufen wird.
Dabei wird ein Abbild des Fluidstrahls beim Durchlaufen des Lichtschnittes
mittels einer 2D-Kamera aufgenommen. Dieses optische Messverfahren
ist jedoch insbesondere im Hinblick auf die Apparatekosten vergleichsweise
aufwändig.
Eine fotografische Vorrichtung, die zur Untersuchung eines Kraftstoff-Sprühstrahles
ein schmales, sich auffächerndes
Lichtbündel
erzeugt, ist beispielsweise aus der
DE 199 47 342 A1 bekannt.
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Zur
Strahlbildprüfung
ist es ferner bekannt, den Fluidstrahl über einen längeren Zeitraum, beispielsweise
zehn Minuten, zu erzeugen und die abgegebene Fluidmenge in Sektoren
einer angeströmten
Ebene mengenmäßig zu erfassen.
Eine derartige Messung ist jedoch vergleichsweise zeitintensiv und vorwiegend
zur Bestimmung eines statischen Strahlbildes geeignet.
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Aus
der
DE 197 27 484
A1 ist ein Verfahren zum Vermessen eines aus einer Sprühdüse austretenden
Sprühstrahls
bekannt, bei dem die Schwächung
eines Lichtbündels
beim Hindurchtreten durch den Sprühstrahl erfasst wird. Eine
Weiterbildung des Verfahren, bei dem der Sprühstrahl an unterschiedlichen
Stellen von mehreren, parallelen Lichtbündeln beleuchtet wird, geht
aus der
DE 198 28
592 A1 hervor.
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Die
DE 198 47 258 A1 lehrt
ein Verfahren zur Zustandserfassung von Beschichtungsmitteln beim elektrostatischen
Beschichten von Gegenständen, bei
dem der Auftrag aus einem verdüste
Sprühteilchen
enthaltenden Sprühnebel
vorgenommen wird. Dabei ist vorgesehen, die im Sprühnebel enthaltenen Sprühteilchen
mit einer Laserlichtquelle zu beaufschlagen, zur Reflexion anzuregen
und als als Reflexionsspur sichtbar zu machen, welche opto-elektronisch überwacht
und digital aufgezeichnet wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen
eines Strahlbildes zur Verfügung
zu stellen, mit denen das Strahlbild besonders schnell, einfach
und kostengünstig bestimmt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind
in den jeweils abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Erfassen eines Strahlbildes ist unter anderem vorgesehen, dass
ein Punktlichtstrahl erzeugt wird, welcher den Fluidstrahl durchläuft, und
dass der Punktlichtstrahl in dem Fluidstrahl verschoben wird, wobei
mittels eines Sensors Intensität
der Streuungen und Reflexionen des Punktlichtstrahls beim Durchlaufen
des Fluidstrahls aufgenommen wird.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein Messvolumen des Fluidstrahls
mit einem dünnen,
im Wesentlichen punktförmigen
Lichtstrahl zu durchleuchten und dabei insbesondere Intensitätsänderungen
des Lichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls mittels dem Sensor
zu erfassen. Um hierbei einen zweidimensionalen Schnitt, insbesondere
Radialschnitt, oder eine mehrdimensionale Abbildung des Fluidstrahls
zu erhalten, werden mittels des Sensors eine Vielzahl von Intensitäten aufgenommen, bei
denen der Lichtstrahl jeweils um einen definierten Abstand verschoben
oder versetzt wird. Durch wiederholtes Verschieben des Lichtstrahles
kann bevorzugt der gesamte Fluidstrahl im Schnitt erfasst werden.
Das wiederholte Verschieben des Punktlichtstrahls im Fluidstrahl
und das wiederholte Aufnehmen seiner Intensität kann dabei als Scannen des Einspritzstrahles
bezeichnet werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Punktlichtstrahl
gearbeitet wird, ist keine komplexe Lichtschnittoptik zum Erzeugen
eines Lichtschnittes notwendig. Verglichen mit dem bekannten Lichtschnittverfahren
können
somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Apparatekosten erheblich reduziert werden. Darüber hinaus
erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren
eine besonders einfache Messung auch nicht statischer Strahlbilder.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann grundsätzlich
zum Vermessen eines Strahls eines beliebigen Fluides dienen. Unter
einem Fluid wird dabei jedes strömungsfähige Kontinuum
verstanden. Insbesondere kann es sich bei dem Fluid um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch,
bevorzugt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, handeln. Es kann sich bei
dem Fluid aber beispielsweise auch um einen Rauch handeln. Besonders
bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren
zum Erfassen des Strahlbildes eines Einspritzstrahls, der auch als
Einspritzkegel bezeichnet werden und insbesondere von einem Einspritzventil
oder Injektoren erzeugt werden kann, verwendet. Unter dem Begriff
Strahlbild kann dabei bevorzugt eine Massenstromverteilung, eine
Volumenstromverteilung und/oder eine Dichteverteilung im Fluidstrahl,
insbesondere über
eine Ebene, verstanden werden.
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Unter
einem Punktlichtstrahl kann erfindungsgemäß ein solcher Lichtstrahl verstanden
werden, bei dem der Strahldurchmesser mindestens um den Faktor 10
kleiner als der Durchmesser des zu vermessenden Strahlbildes ist.
Bevorzugt beträgt
der Strahldurchmesser weniger als 1 mm, insbesondere weniger als
0,1 mm. Im Gegensatz zu einem ebenen Lichtschnitt kann sich ein
erfindungsgemäßer Punktlichtstrahl
insbesondere dadurch auszeichnen, dass sein Strahlquerschnitt im
Wesentlichen kreisförmig ist.
Der Punktlichtstrahl besteht bevorzugt aus sichtbarem Licht. Aber
auch Infrarot- und/oder Ultraviolettlicht können vorgesehen sein.
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Zum
erfindungsgemäßen Verschieben
des Punktlichtstrahls ist es grundsätzlich möglich, eine Lichtquelle für den Punktlichtstrahl
selbst zu verschieben. Alternativ oder zusätzlich können auch eine optische Umlenkeinrichtung,
beispielsweise ein Spiegel, verschiebbar vorgesehen sein, wobei
die Lichtquelle dann stationär
angeordnet werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auch geeignet zur Bestimmung des Strahlbildes sogenannter Multi-Jet-Düsen, bei
denen ein einziges Einspritzventil mehrere Einspritzkegel abgibt.
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Erfindungsgemäß können das
Verschieben des Punktlichtstrahls sowie das Aufnehmen seiner Intensität durch
den Sensor jeweils kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.
Sofern die Intensität
durch den Sensor kontinuierlich aufgenommen wird, kann es vorteilhaft
sein, lediglich einen Teil der gewonnenen Aufnahmen zur Auswertung
heranzuziehen. Ein Verschiebeweg des Punktlichtstrahls wird geeigneterweise
mittels eines Wegaufnehmers bestimmt.
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Vorgesehen
ist es nach der Erfindung, dass aus der aufgenommenen Intensität, insbesondere mittels
einer Datenverarbeitungsanlage, ein zwei- und/oder dreidimensionales
Schnittbild des Fluidstrahls erzeugt wird. Hierzu kann bevorzugt
Bildbearbeitungssoftware verwendet werden. Geeigneterweise wird
zum Erzeugen des Schnittbildes die aufgenommene Intensität in Abhängigkeit
von einem Verschiebeweg des Punktlichtstrahles in dem Fluidstrahl verwendet,
wobei bei einer gleichförmigen
Verschiebung des Punktlichtstrahls an Stelle des Verschiebewegs
auch eine Verschiebezeit verwendet werden kann.
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Grundsätzlich wäre es möglich, dass
mittels des Sensors die Absorption des Punktlichtstrahls beim Durchgang
durch den Fluidstrahl bestimmt wird. In diesem Fall wird mittels
des Sensors geeigneterweise die Intensität im Lichtstrahl nach Durchgang
durch den Fluidstrahl bestimmt, wofür der Sensor geeigneterweise
im Punktlichtstrahl angeordnet wird. Zur Bestimmung eines zweidimensionalen Strahlbildes
kann dabei insbesondere vorgesehen sein, den Punktlichtstrahl in
zwei Dimensionen zu verschieben. Insbesondere kann der Punktlichtstrahl um
ein Rotationszentrum im Fluidstrahl, bevorzugt in dessen Zentrum,
gedreht werden.
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Nach
der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass mittels des Sensors Intensität, nämlich Streuintensität, entlang
des Punktlichtstrahls beim Durchlaufen des Fluidstrahls aufgenommen
wird. Unter Streuintensität
wird dabei die Intensität
von solchem Licht verstanden, das beim Durchgang durch den Einspritzstrahl
aus seiner ursprünglichen
Richtung im Punktlichtstrahl abgelenkt wird. Eine solche Ablenkung
kann neben einer Streuung auch beispielsweise in einer Beugung oder
einer Reflexion begründet sein.
Bevorzugterweise wird die Intensität entlang des Punktlichtstrahls
ortsaufgelöst
aufgenommen, wobei unterschiedlichen Orten unterschiedliche Pixel zugeordnet
werden können.
Eine einzelne Aufnahme gibt damit unmittelbar eine einzelne Zeile
eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Strahlbildes wieder.
Eine Vielzahl solcher Zeilen, die durch Verschiebung des Punktlichtstrahls
gewonnen werden können,
können
dann zu einem zweidimensionalen Schnitt des Einspritzstrahles zusammengesetzt
werden. Zur Erzeugung eines zweidimensionalen Schnitts ist gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
lediglich eine eindimensionale, d. h. lineare Bewegung des Punktlichtstrahls,
bevorzugt in einer Richtung senkrecht zum Punktlichtstrahl, erforderlich,
was das erfindungsgemäße Verfahren
weiter vereinfacht. Durch Bewegung des Punktlichtstrahls in zwei
bevorzugt senkrechten Raumrichtungen kann ein dreidimensionales
Strahlbild erhalten werden.
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Die
Streuintensität
kann ein Maß für eine Fluiddichte
im Fluidstrahl darstellen. Insbesondere kann bei einem Kraftstoff-Luft-Strahl
aus einer hohen Streuintensität
auf eine hohe Kraftstoffdichte und/oder auf eine hohe Anzahl von
Kraftstofftröpfchen
geschlossen werden. Die Streuintensität kann geeigneterweise in Form
eines Grauwertes wiedergegeben werden.
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Besonders
einfach zu interpretierende Aufnahmen des Punktlichtstrahls können erfindungsgemäß dadurch
erhalten werden, dass der Punktlichtstrahl den Fluidstrahl in einer
Strahlebene durchläuft, die
in etwa senkrecht zu einer Längsachse
des Fluidstrahls und/oder zu einer Ventillängsachse des Einspritzventils
angeordnet ist. In diesem Fall kann das Strahlbild einen Querschnitt
durch den Fluidstrahl darstellen.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
dass der Punktlichtstrahl im Fluidstrahl in einer Verschiebeebene
verschoben wird, die insbesondere mit der Strahlebene zusammenfällt. In
diesem Fall kann durch eine rein lineare Verschiebung des Punktlichtstrahls
ein zweidimensionales Strahlbild gewonnen werden. Zum Erzeugen eines
dreidimensionalen Strahlbildes kann der Punktlichtstrahl nach der
Verschiebung in der Verschiebeebene in eine weitere, parallel zur
Verschiebeebene angeordnete zweite Verschiebeebene gebracht werden.
Grundsätzlich
ist es aber auch möglich,
den Punktlichtstrahl in einer beliebigen Bahn im Fluidstrahl zu
verschieben. Zum Erzeugen eines Längsschnittes des Fluidstrahls
kann die Verschiebeebene auch senkrecht zur Strahlebene angeordnet
werden.
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Ein
besonders gut aufgelöstes
Strahlbild kann erfindungsgemäß dadurch
erzielt werden, dass eine optische Achse des Sensors etwa senkrecht zum
Punktlichtstrahl angeordnet wird. Für eine besonders hohe Intensität im Sensor
schnei det dessen optische Achse geeigneterweise den Punktlichtstrahl.
Erfindungsgemäß kann der
Justageaufwand für
den Sensor dadurch verringert werden, dass die optische Achse des
Sensors in der Verschiebeebene angeordnet wird.
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Zur
Fokussierung des abzubildenden Punktlichtstrahles bei dessen Verschiebung
kann beispielsweise vor den Sensor eine Fokussieroptik angeordnet
werden, deren Brennweite geändert
wird. Eine besonders einfache und zuverlässige Verfahrensführung ergibt
sich jedoch dadurch, dass der Punktlichtstrahl in dem Fluidstrahl
unter Beibehaltung eines festen Abstandes zum Sensor verschoben
wird. In diesem Fall kann ein Nachfokussieren beim Verschieben des
Punktlichtstrahles grundsätzlich
entfallen. Eine gleichzeitige Verschiebung bei festem Abstand kann
insbesondere dadurch gewährleistet
werden, dass der Sensor und eine Lichtquelle für den Punktlichtstrahl beide
an einem gemeinsamen, starren Verschiebeschlitten oder einer Verschiebeplatte
befestigt sind. Der Punktlichtstrahl und der Sensor können aber
auch mittels getrennter Antriebe verschoben werden, die dann synchronisiert werden
können.
Durch eine gemeinsame Bewegung des Punktlichtstrahls und des Sensors
kann insbesondere die Brennweite der Fokussieroptik vor dem Sensor
beim Erfassen des Strahlbildes unverändert bleiben.
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Eine
zeitaufgelöste
Erfassung des Strahlbildes kann erfindungsgemäß dadurch realisiert werden,
dass die Aufnahme der Intensität
und/oder die Verschiebung des Punktlichtstrahls synchron mit der Erzeugung
des Fluidstrahles durchgeführt
wird. So kann beispielsweise die Aufnahme und/oder die Verschiebung
nach einer vorher bestimmten Zeitspanne nach Öffnung des Einspritzventils
durchgeführt
werden. Die Aufnahme und/oder die Verschiebung können aber auch mit anderen
Er eignissen bei der Erzeugung des Fluidstrahls, beispielsweise mit
einer Änderung
der Durchflussmenge, synchronisiert durchgeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Synchronisation
können
insbesondere eine Durchgangsfront des Fluidstrahls sowie nichtstatische
Fluidstrahlen strahlbildmäßig erfasst
werden. Zur erfindungsgemäßen Synchronisation
ist vorteilhafterweise eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen,
die mit dem Sensor und einer Steuereinrichtung für den Fluidstrahl, beispielsweise
einer Ventilsteuerung, in Verbindung steht.
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Grundsätzlich kann
bei der Erfindung die Intensität
des Punktlichtstrahles mittels des Sensors wellenlängenunabhängig aufgenommen
werden. Zur Durchführung
spektroskopischer Messungen kann jedoch eine wellenlängenabhängige oder
wellenlängenaufgelöste Intensitätsaufnahme
durch den Sensor vorteilhaft sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann insbesondere zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dienen, wodurch die in diesem Zusammenhang beschriebenen Vorteile
erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass eine Lichtquelle zum
Erzeugen eines Punktlichtstrahls, welcher den Fluidstrahl durchläuft, eine
Verschiebeeinrichtung zum Verschieben des Punktlichtstrahls in dem
Fluidstrahl und ein Sensor zum Aufnehmen von Intensität des Punktlichtstrahls
beim Durchlaufen des Fluidstrahls vorgesehen sind.
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Eine
besonders brauchbare Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung einen Verschiebeschlitten
aufweist, an dem der Sensor und die Lichtquelle befestigt sind.
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Hierdurch
wird ein gleichzeitiges Verschieben des Punktlichtstrahls mit dem
Sensor unter Beibehaltung eines festen Abstandes hierzwischen in besonders
einfacher und zuverlässiger
Weise ermöglicht.
Anstatt der Lichtquelle selbst kann aber auch eine optische Umlenkeinrichtung
für den
Punktlichtstrahl, beispielsweise ein Spiegel, an dem Verschiebeschlitten
befestigt sein.
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Vorzugsweise
werden Sensor und Punktlichtstrahl über geeignete Halterungen so
angeordnet, dass der Fluidstrahl in beliebigen Winkeln zur Strahlausbreitungsachse
geschnitten werden kann.
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Erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft ist es, dass der Sensor eine Kamera, insbesondere eine Zeilenkamera
aufweist. Eine solche Zeilenkamera ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn die Streuintensität
entlang des Punktlichtstrahls aufzunehmen ist, da es sich hierbei
um ein zeilenförmiges
Bild handelt. Grundsätzlich
kann aber auch eine zweidimensional aufnehmende Kamera verwendet
werden, wobei dann der optische Justieraufwand verringert sein kann.
Die Verwendung einer Zeilenkamera ist aber auch dahingehend von
Vorteil, dass mit derartigen Kameras häufig vergleichsweise hohe Bildwiederholfrequenzen
erzielbar sind. So können
derartige Zeilenkameras Bildwiederholfrequenzen von 10 kHz oder
mehr aufweisen. Hohe Bildwiederholfrequenzen sind insbesondere dann
von Vorteil, wenn zeitaufgelöste
Strahlbilderfassungen durchzuführen
sind und/oder das Strahlbild in einer Durchgangsphase des Fluidstrahls
erfasst werden soll. Bei einem dynamischen Injektor, der mit einer
Schaltfrequenz von 100 Hz betrieben wird, können bei einer Bildwiederholfrequenz
von 10 kHz beispielsweise während
einer Öffnungszeit
des Injektors von 5 ms 50 Aufnahmen des Punktlichtstrahls erfolgen.
Darüber hinaus weist
eine Zeilenkamera auch eine vergleichsweise hohe örtliche
Auflösung
auf. Eine zum Erfassen eines Strahlbildes eines Einspritzstrahles
von einem Einspritzventil besonders geeignete Auflösung beträgt 2048
Pixel über
eine Durchtrittslänge
des Punktlichtstrahls durch den Einspritzstrahl von 60 mm. Schließlich sind
Zeilenkameras auch vergleichsweise kostengünstig.
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Um
eine Dämpfung
der Streulichtintensität im
Fluidstrahl beim Verlauf zwischen dem Punktlichtstrahl und dem Sensor
zu kompensieren, kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, dass ein
Kompensationssensor vorgesehen ist, der insbesondere am Verschiebeschlitten
befestigt ist und dessen optische Achse bevorzugt mit der optischen
Achse des Sensors zusammenfällt.
Vorteilhafterweise ist der Kompensationssensor auf einer dem Sensor
abgewandten Seite des Fluidstrahles angeordnet. Wenn sich der Punktlichtstrahl
somit im Fluidstrahl nahe dem Kompensationssensor befindet, ist
die Streuintensität
am Sensor aufgrund der Dämpfung
im Fluidstrahl stark, am Kompensationssensor hingegen nur schwach
bedämpft.
Befindet sich der Punktlichtstrahl hingegen nahe dem Sensor im Fluidstrahl,
so ist die Streulichtintensität
am Sensor hoch und am Kompensationssensor niedrig. Durch entsprechende
Signalverarbeitung, insbesondere Mittelwertbildung, der Signale
vom Kompensationssensor und vom Sensor kann somit die Dämpfung des
Streulichts im Fluidstrahl kompensiert werden.
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Um
das Strahlbild des Einspritzstrahls bezüglich einer Steckerachse eines
Steckers am Einspritzventil besonders einfach bestimmen zu können, besteht
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung darin, dass eine Halteeinrichtung zum Halten des Einspritzventils
vorgesehen ist, die insbesondere eine Position des Steckers des
Einspritzventils bezüglich
dem Sensor und/oder dem Punktlichtstrahl festlegt. Alternativ kann
die Position des Steckers bezüglich
dem Sensor und/oder dem Punktlichtstrahl auch mit einer Positionsbestimmungseinrichtung
ermittelt werden.
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Besonders
einfach und kostengünstig
kann ein Punktlichtstrahl erfindungsgemäß dadurch erzeugt werden, dass
die Lichtquelle einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser,
aufweist.
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Aufgrund
der oben näher
beschriebenen Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses
zur Strahlbildprüfung
in der laufenden Fertigung von Einspritzventilen oder Injektoren
dienen, um alle gefertigten Ventile zu prüfen. Die Strahlbildprüfung kann
dabei Durchfluss- und/oder Dichtigkeitsprüfungen ergänzen oder ersetzen. Während es
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
grundsätzlich
möglich
ist, dreidimensionale Strahlbilder zu erfassen, kann es insbesondere
für eine
Gut-/Schlecht-Prüfung
bei der Produktion von Einspritzventilen ausreichend sein, ein zweidimensionales
Strahlbild zu erfassen. Das Prüfergebnis
kann zur Steuerung einer der automatischen Bearbeitungsstationen,
etwa einer nachfolgenden Justierstation, eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die schematisch
in den Zeichnungen dargestellt sind.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3a)
bis 3d) Draufsichten einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4a)
eine Untenansicht eines Einspritzventils, welches einen Fluidstrahl
erzeugt und
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4b)
eine Seitenansicht in Richtung A-A des Einspritzventils mit Fluidstrahl
aus 4a.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erfassen eines Strahlbildes ist in den 1 und 2 dargestellt.
Die Vorrichtung weist eine ebene Grundplatte 40 auf, an
der oberseitig eine kastenartige Messkammer 42 angebracht
ist. Oberseitig an der Messkammer 42 ist eine Halteeinrichtung 45 zur drehbaren
Halterung eines in den 1 und 2 nicht
erkennbaren Einspritzventils 5 vorgesehen. Durch das Einspritzventil 5 wird
in der Messkammer 42 ein als Einspritzstrahl ausgebildeter,
etwa konischer Fluidstrahl 10, bestehend aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch,
erzeugt. Bodenseitig ist in der Messkammer 42 eine trichterartige
Ablaufsammeleinrichtung 46 zum Abführen des Fluids, insbesondere
des Kraftstoffs, aus der Messkammer 42 vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist ferner eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 22 auf, die
einen als Laserstrahl ausgebildeten Punktlichtstrahl 20 erzeugt.
Dieser Punktlichtstrahl 20 tritt durch ein erstes Messfenster 43 der
Messkammer 42 in diese ein und durchdringt dort den Fluidstrahl 10.
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Die
dargestellte Vorrichtung weist ferner einen als Kamera ausgeführten Sensor 26 zur
Lichterkennung auf. Durch ein zweites Messfenster 44 an der
Messkammer 42 hindurch nimmt diese Kamera eine Streulichtverteilung
entlang des Punktlichtstrahls 20 beim Durchtritt durch
den Fluidstrahl 10 auf. Hierzu ist der Sensor 26 derart
angeordnet, dass die optische Achse 27 des Sensors 26 den
Punktlichtstrahl 20 im Inneren des Fluidstrahls 10 rechtwinklig
schneidet. Die optische Achse 27 steht dabei senkrecht
zu einer Bildebene oder einer Bildgeraden des Sensors 26 und
durchläuft
mittig eine Linsenoptik des Sensors 26.
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Der
Sensor 26 sowie die Lichtquelle 22 sind beide
an einem als L-förmige
Platte ausgebildeten Verschiebeschlitten 32 fest angeordnet.
Dieser Verschiebeschlitten 32 ist auf einer ersten Schiene 33 und
einer zweiten Schiene 34 parallel zur Oberfläche der
Grundplatte 40 verschiebbar. Aufgrund der festen Anordnung
der Lichtquelle 22 und des Sensors 26 am Verschiebeschlitten 32 werden
diese bei Verschiebung des Verschiebeschlittens 32 unter
Beibehaltung ihrer relativen Position zueinander mitverschoben.
Hierdurch wird der Punktlichtstrahl 20 in einer Verschiebeebene,
die parallel oder in einem beliebigen Winkel zur Oberfläche der
Grundplatte 40 verläuft,
unter Beibehaltung seiner relativen Position, insbesondere seines
Abstandes, zum Sensor 26 mit diesem verschoben. Zum Verschieben
des Verschiebeschlittens 32 gegenüber der Grundplatte 40 ist
an dieser ein Schrittmotor 37 angeordnet, der eine Antriebsspindel 38 innerhalb
der nach oben offenen, zweiten Schiene 34 antreibt.
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Zur
Justierung der jeweiligen Höhe
senkrecht zur Oberfläche
der Grundplatte 40 und senkrecht zur Verschiebeebene ist
der Sensor 26 über eine
Sensorjustiereinrichtung 28 und die Lichtquelle 22 über eine
Lichtquellenjustiereinrichtung 23 höhenverstellbar an dem Verschiebeschlitten 32 befestigt. Hierbei
weisen die Sensorjustiereinrichtung 28 und die Lichtquellenjustiereinrichtung 23 jeweils
eine Verstellspindel auf. Mittels der Justiereinrichtungen 23, 28 kann
zum einen die optische Achse 27 des Sensors 26 mit
dem Punktlichtstrahl 20 zum Schnitt gebracht werden. Andererseits
können
hiermit der Sensor 26 und die Lichtquelle 22 mit
dem Punktlichtstrahl 20 gleichermaßen verfahren werden. Dies
erlaubt die Erfassung von zweidimensionalen Fluidstrahlquerschnitten
auf unterschiedlicher Höhe
entlang einer Längsachse 11 des
konischen Fluidstrahls 10.
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Die
drehbare Halterung des Einspritzventils 5 mittels der Halteeinrichtung 45 erlaubt
es, das Strahlbild des Fluidstrahls 10 bei verschiedener
Orientierung des Fluidstrahls 10 aufzunehmen. Die Halteeinrichtung 45 weist
dabei eine nicht dargestellte Aufnahme für einen Stecker 6 des
Einspritzventils 5 auf. Diese ermöglicht es, die Position des
Steckers 6 in der Vorrichtung insbesondere bezüglich dem
Sensor 26 festzulegen oder zu bestimmen.
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Die 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zu der in 1 und 2 dargestellten
Vorrichtung gleichwirkende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Die
in 3 dargestellte Messvorrichtung weist
einen als Zeilenkamera ausgebildeten Sensor 26 sowie eine
Lichtquelle 22 zum Erzeugen eines Punktlichtstrahls 20 auf.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
dient die Vorrichtung zum Erfassen eines in etwa konischen Fluidstrahls 10,
der von einem Einspritzventil 5 mit einem Stecker 6 erzeugt wird.
Der Sensor 26 und die Lichtquelle 22 befinden sich fest
fixiert auf einem als U-förmige
Platte ausgebildeten Verschiebeschlitten 32. Der Verschiebeschlitten 32 ist
mit der Lichtquelle 22 und dem Sensor 26 in einer
Radialrichtung des Einspritzventils 5, das auch als Injektor
bezeichnet werden kann, in einer in der Zeichenebene liegenden Verschiebeebene
verschiebbar. Die Position des Einspritzventils 5 und somit
die des Fluidstrahls 10 bleibt während des gesamten Messvorgangs
zum Erfassen des Strahlbildes unverändert.
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Zur
Verschiebung ist der Verschiebeschlitten 32 auf in 3 nicht dargestellten Schienen gelagert. Zum
Erfassen des Strahlbildes wird der Verschiebeschlitten 32 mit
dem Sensor 26 und der Lichtquelle 22 mit Hilfe
eines in 3 nicht dargestellten Schrittmotors
derart bewegt, dass der Punktlichtstrahl 20 durch den als
Einspritzstrahl ausgebildeten Fluidstrahl 10 wandert. Der
Sensor 26 nimmt während
dieses Vorgangs in definierten Zeitabschnitten Aufnahmen von Reflexionen
und sonstigen Streuungen, die durch den Punktlichtstrahl 20 im
Fluidstrahl 10 erzeugt werden und die sich als eine Linie
darstellen. Werden diese einzelnen Aufnahmen zusammengesetzt, ergibt
sich ein zweidimensionaler Radialschnitt.
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In
dem in 3a) dargestellten Zustand befindet
sich die Vorrichtung in einer Startposition, in der sich der Punktlichtstrahl 20 außerhalb
des Fluidstrahls 10 befindet. Somit erfolgt keine Streuung
des Punktlichtstrahls 20 im Fluidstrahl 10 und
dieser ist für
den Sensor 26 im Wesentlichen unsichtbar.
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Bei
dem in 3b) dargestellten Zustand bewegen
sich der Verschiebeschlitten 32, der Sensor 26 und
die Lichtquelle 22 gemeinsam in Pfeilrichtung in den Fluidstrahl.
Der Punktlichtstrahl 20 durchleuchtet nun den Fluidstrahl 10.
Entlang des Punktlichtstrahls entstehende Reflexionen und Streuungen erzeugen
aus Sicht des Sensors 26 eine leuchtende Linie, die sich
aus den Reflexionen und Streuungen einzelner Tröpfchen im Fluidstrahl 10 ergibt.
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Aufgrund
der gemeinsamen Bewegung von Verschiebeschlitten 32, Lichtquelle 22 und
Sensor 26 können
diese auch als Einheit bezeichnet werden. Zum linearen Verschieben
kann diese Einheit auf Linearschienen gelagert sein.
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Bei
dem in 3c) gezeigten Zustand wandert
der Punktlichtstrahl 20 in Pfeilrichtung durch den Fluidstrahl 10.
Dabei nimmt der als Kamera ausgebildete Sensor 26 in gleichen
zeitlichen Abständen
Aufnahmen von den einzelnen leuchtenden Linien. Die Länge dieser
Linien entspricht dabei der Breite des Fluidstrahls 10 an
der jeweiligen Position des Punktlichtstrahls 20. Je mehr
Aufnahmen getätigt
werden, umso genauer ist die Auflösung des resultierenden Strahlbildes.
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Bei
dem in 3d) dargestellten Zustand befindet
sich die Messvorrichtung in einer Endposition. In dieser wird der
Fluidstrahl 10 vom Punktlichtstrahl 20 nicht mehr
erfasst. Somit entstehen auch keine Reflexionen oder Streuungen
mehr. Die Messung ist grundsätzlich
abgeschlossen, kann jedoch aus statistischen Gründen, insbesondere zur Mittelwertbildung,
nochmals wiederholt werden.
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Die 4a)
und b) zeigen ein Einspritzventil 5, aus dem ein konischer
Fluidstrahl 10 in Richtung seiner Längsachse 11 austritt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Fluidstrahl symmetrisch um seine Längsachse 11 herum
ausgebildet. Zum insbesondere elektrischen und/oder fluidmäßigen Anschluss
des Einspritzventils 5 weist dieses seitlich einen Stecker 6 mit
einer Steckerachse 16 auf.
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Der
Fluidstrahl 10 kann insbesondere durch drei Winkelangaben
charakterisiert werden. Dies ist zum ersten der Öffnungswinkel α des konischen
Fluidstrahls 10. Zum zweiten ist dies der Auslenkwinkel β, der auch
als bent-Winkel bezeichnet werden kann, zwischen der Längsachse 11 des
Fluidstrahls 10 und einer Ventillängsachse 7 des Einspritzventils 5.
Zum dritten ist dies der Spraywinkel γ zwischen der Längsachse 11 und
der Steckerachse 16. Diese drei Winkel können mittels
Strahlbildern bestimmt werden, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfasst werden.