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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Durchströmungseigenschaften eines von einem Gas durchströmbaren Ventils, und ein entsprechendes Verfahren.
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Gas-durchströmbare Ventile finden in vielen technischen Vorrichtungen Verwendung, z. B. bei mit Erdgas betriebenen Motoren. In der Entwicklung von Erdgasmotoren, auch CNG-Motoren genannt (Englisch compressed natural gas, CNG), spielt eine Optimierung des Brennverfahrens mittels numerischer Strömungsmechanik (Englisch computational fluid dynamics, CFD) eine große Rolle. Als Eingangsinformation für die Berechnung mittels CFD ist eine genaue Kenntnis der Einspritzrate notwendig. Neben der Menge des eingespritzten Gases ist auch der zeitliche Verlauf des Einspritzvorgangs von Interesse, da diese Information eine genaue Beurteilung eines Ventils ermöglicht. Neben der Simulation können entsprechende Größen auch für die Bewertung unterschiedlicher Einspritzventile oder für die Überprüfung bereits genutzter Ventile von Interesse sein. Es existieren mehrere Messverfahren zur Bestimmung der Einspritzrate für flüssige Medien. So kann z. B. eine Veränderung eines Kolbenhubs durch verdrängtes Volumen gemessen und daraus auf den Volumenstrom geschlossen werden. Weitere Verfahren ermitteln die Einspritzrate mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit (
DE 10 2005 056 153 ,
DE 10 2008 040 628 ). Eine andere Möglichkeit basiert auf einer geschlossenen, mit Flüssigkeit gefüllten Kammer, in die die Flüssigkeit eingespritzt wird. Dabei wird der Druck in der Kammer gemessen und zur Bestimmung der Einspritzrate verwendet (
WO02/070996 ). Der Einsatz dieser Verfahren ist aufgrund der auftretenden Druckschwankungen problematisch, da Druckschwingungen in den Messsystemen auftreten und das Messsignal verfälschen. Weiterhin ist nicht immer eine kontinuierliche Messung mehrerer Einspritzungen möglich.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der Einspritzungen von gasförmigen Medien vermessen werden können. Es besteht weiterhin die Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
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Die erste Aufgabe wird durch eine Messkammer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst, die zweite durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12. Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus dem Nebenanspruch, den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Messkammer zum Messen von Parametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils mit einem Innenraum, welcher vorteilhafter Weise zylindrisch ausgebildet ist, mit einer Aufnahmeeinrichtung für das Ventil, einer Haltereinrichtung für das Ventil, mindestens einer Bohrung zur Aufnahme eines Drucksensors, mindestens einer Bohrung zur Aufnahme eines Temperatursensors, und mindestens einer Dämpfungshülse, die im Innenraum der Messkammer angeordnet ist und die den Innenraum der Messkammer in radialer Richtung in einen inneren und einen äußeren Bereich teilt.
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Die Begriffe „von einem Gas durchströmbaren Ventils“ und „Gas-durchströmbares Ventil“ betreffen die gleiche Einrichtung, deren Parameter in dieser Erfindung gemessen werden, und werden synonym verwendet. Wird in dieser Beschreibung und den Ansprüchen nur das Wort „Ventil“ statt einer spezifischen Bezeichnung verwendet, ist damit ebenfalls ein Gas-durchströmbares Ventil gemeint.
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In der erfindungsgemäßen Messkammer ist damit ein abgeschlossener Raum gebildet, in den Gas eingespritzt werden kann. Die Einspritzung soll dabei in den inneren Bereich erfolgen, der durch die Dämpfungshülse gebildet wird. Die Dämpfungshülse weist vorteilhafterweise eine Wandung mit lochartigen Durchbrechungen auf, durch die der innere Bereich und der äußere Bereich des Innenraums miteinander verbunden sind. Die Dämpfungshülse ist dabei vorgesehen, nach einer Einspritzung Druckschwingungen zum äußeren durch die Dämpfungshülse gebildeten Bereich hin zu reduzieren und damit einen dem gemittelten Kammerdruck äquivalenten Druck im äußeren Bereich zu ermöglichen, um genauere Messergebnisse zu erhalten. Weither werden die Messungen störende Verwirbelungen des Gases im Innenraum der Messkammer durch die Dämpfungshülse abgeschwächt oder ganz vermieden. Das Gas-durchströmbare Ventil ist beispielsweise eine Einspritzeinrichtung, und bevorzugt ein Ventil zum Einbringen bzw. Einspritzen von Erdgas in den Brennraum von Verbrennungskraftmaschinen.
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Vorzugsweise ist in der Messkammer zusätzlich ein Zugang für ein Wegmesssystem vorhanden. Die Messkammer erlaubt damit vorteilhaft neben Druck- und Temperaturmessungen das Erfassen der Bewegungen des Ventils, besonders der Höhe des Ventilhubs und der Dauer der damit verbundenen Bewegung, bei der Einspritzung. Auf dieser Basis lässt sich vorteilhaft neben der Menge des eingebrachten Gases auch der zeitliche Verlauf der Einspritzung verfolgen und damit die Einspritzrate in Korrelation mit dem Ventilhub ermitteln.
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Vorteilhafterweise ist in der Messkammer zusätzlich eine Bohrung für ein Pneumatikventil vorhanden. Über das darin anzuordnende Pneumatikventil kann die Messkammer zwischen oder während der einzelnen Einspritzvorgänge entlüftet werden. Dadurch werden kontinuierliche Messungen über mehrere Einspritzvorgänge ermöglicht.
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Vorzugsweise besteht die Dämpfungshülse aus einer eine Anzahl von lochartigen Durchbrechungen aufweisenden Schicht. Die lochartige Durchbrechungen bewirken eine fluide Verbindung zwischen dem durch die Hülse gebildeten inneren und äußeren Bereich des Innenraums der Messkammer.
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Weiterhin ist es möglich, dass mindestens zwei unterschiedliche Durchmesser aufweisende Dämpfungshülsen im Innenraum der Messkammer angeordnet sind. Vorzugsweise sind in diesem Fall die Dämpfungshülsen zentrisch zueinander angeordnet.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Messen von Durchströmungsparametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils, umfassend eine Messkammer mit mindestens einer Dämpfungshülse, einen Drucksensor, einen Temperatursensor, ein Pneumatikventil und ein Wegmesssystem. Die Messkammer weist die oben für die Messkammer aufgezählten Merkmale auf.
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Das Pneumatikventil dient wie oben erwähnt zur Entlüftung der Messkammer zwischen einzelnen Einspritzvorgängen. Bevorzugt ist das Pneumatikventil mit einer verstellbaren Drossel verbunden, mit der der abgeführte Volumenstrom variiert werden kann. Vorzugsweise ist das Pneumatikventil weiterhin mit einem Durchflusssensor verbunden, über den der abgeführte Massenstrom erfasst und zur kontinuierlichen Kalibrierung der Messkammer herangezogen werden kann.
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Die Messkammer erlaubt die Verwendung nichtberührender und berührender Wegmesssysteme. Vorzugsweise ist das Wegmesssystem ein nichtberührendes Messsystem, und dabei bevorzugt ein optisches Messsystem, beispielsweise ein Laservibrometer. Das Wegmesssystem erlaubt vorteilhaft das Erfassen der Bewegung des Gas-durchströmbaren Ventils, d. h. im Wesentlichen den Ventilhub. Diese Erfassung ist vorteilhaft, da bei konventionellen Messverfahren prinzipbedingt keine Störkörper in den Strömungskanal eingebracht werden dürfen, an denen Reflexionen auftreten könnten. Bei der Verwendung eines optischen Messsystems ist in der Messkammer vorzugsweise an der Stirnseite der Messkammer, gegenüber der Aufnahmeeinrichtung für das Gas-durchströmbare Ventil ein transparenter Körper im Innenraum der Messkammer angeordnet. Der transparente Körper kann bis kurz vor das Gas-durchströmbare Ventil in die Messkammer eingebracht werden. Vorteilhaft wird dadurch ein nicht durch Gasströmungen gestörter optischer Zugang bis zum Gas-durchströmbaren Ventil ermöglicht. Alternativ kann ein Wegmesssystem im Boden des Innenraums der Messkammer angeordnet sein.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Parametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils, umfassend die Schritte
- – Bereitstellen einer Messkammer mit einer den Innenraum der Messkammer in radialer Richtung in einen inneren und einen äußeren Bereich teilenden Dämpfungshülse,
- – Anordnen eines von einem Gas durchströmbaren Ventils, eines Drucksensors, eines Temperatursensors und eines Pneumatikventils in bzw. an der Messkammer,
- – Füllen der Messkammer mit einem Füllgas,
- – Einspritzen eines Messgases durch das von einem Gas durchströmbaren Ventils in den inneren Bereich der Messkammer,
- – Messen von Druck- und Temperaturänderungen im äußeren Bereich der Messkammer,
- – Berechnen der eingespritzten Gasmenge aus den ermittelten Druck- und Temperaturänderungen.
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Das Volumen des Innenraums der Messkammer bleibt relativ konstant. Dadurch wird bei einer Einspritzung von Messgas in den Innenraum der Druck im Innenraum erhöht. Aus der durch die Drucksensoren erfassten Änderung des Drucks kann mit Hilfe der Zustandsgleichung für ideale oder reale Gase die der eingespritzten Gasmenge entsprechende Volumenänderung berechnet werden. Die Erfassung der Temperaturänderung bei einer Einspritzung durch die Temperatursensoren fließt in die Zustandsgleichung des Gases ein, wodurch sich die Genauigkeit der Bestimmung des eingespritzten Volumens erhöht.
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Neben der direkten Messung der Temperatur ist ebenfalls die Bestimmung der Temperatur mittels der thermodynamischen Zustandsgleichungen unter Berücksichtigung der gemessenen Druckerhöhung möglich.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Füllgas und als Messgas vorzugsweise das gleiche Gas verwendet. Mit anderen Worten wird die Kammer mit demselben Gas gefüllt, dass zum Einspritzen verwendet wird.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise zusätzlich die Bewegung des Gas-durchströmbaren Ventils gemessen. Dies kann durch ein zusätzliches Wegmesssystem geschehen, das in der Messkammer angeordnet wird. Bevorzugt wird dabei zum Messen der Bewegung ein optisches Wegmesssystem verwendet.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zwischen einzelnen Einspritzvorgängen ein Massenstrom aus der Messkammer über das Pneumatikventil abgeführt wird. Vorteilhafterweise wird dabei der abgeführte Massenstrom über ein mit dem Pneumatikventil verbundenen Durchflusssensor erfasst.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messkammer.
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2 eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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3 die Messkammer gemäß 1 in seitlicher Perspektive.
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4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die in der Darstellung von 1 gezeigte Messkammer 1 zum Messen von Parametern eines von einem Gas durchströmbaren Ventils weist einen zylindrisch ausgebildeten Innenraum 2 auf. Der Innenraum 2 ist räumlich mit einer Aufnahmeeinrichtung für ein Gas-durchströmbares Ventil 3 verbunden. Das Gas-durchströmbare Ventil (nicht gezeigt) ist dabei bevorzugt eine Einspritzeinrichtung, und besonders bevorzugt ein CNG-Ventil zum Einbringen von verdichtetem Erdgas in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Weiterhin ist an der Messkammer eine Haltereinrichtung für das Gas-durchströmbare Ventil 4 angeordnet, die zum Arretieren des Gas-durchströmbaren Ventils während eines Messvorgangs dient. Eine Bohrung 5 dient zur Aufnahme eines Drucksensors, der zum Messen von durch eine Einspritzung ausgelösten Druckschwankungen ausgebildet ist. Eine Bohrung 6 dient zur Aufnahme eines Temperatursensors, der Temperaturänderungen im Zuge einer Einspritzung erfasst und misst. Ein wesentlicher Bestandteil der Messkammer 1 ist eine Dämpfungshülse 7, die innerhalb der Messkammer 1 angeordnet ist und die den Innenraum der Messkammer 2 in radialer Richtung in einen inneren und einen äußeren Bereich teilt. Der Innenraum 2 ist vorzugsweise in der Form eines geraden Kreiszylinders gestaltet; er kann aber auch eine andere zweckmäßige Form aufweisen. Die Messkammer 1 weist weiterhin einen Zugang für ein Wegmesssystem 8 auf, der z.B. ebenfalls eine Bohrung sein kann. Weiterhin weist die Messkammer 1 eine Bohrung für den Anschluss eines Pneumatikventils 9 auf (gezeigt in 2).
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Ein Gesamteindruck der Messkammer 1 ergibt sich aus der perspektivischen Darstellung von 3. Die Dimensionen der Messkammer bestimmen sich nach ihrer Stabilität; sie muss z. B. ein Ventil und diverse Messeinrichtungen wie Druckmesser und Temperaturmesser aufnehmen können und dabei stabil bleiben. Die Messkammer ist praktischerweise aus einem oder mehreren Metallen bzw. einer Metalllegierung gefertigt, kann aber auch aus einem anderen Material bestehen, das die Anforderungen der Stabilität erfüllt.
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Die Wandung der Dämpfungshülse 7 weist mehrere lochartige Durchbrechungen 10 auf, die z. B. durch Bohrungen gebildet werden. Durch diese Löcher 10 sind der innere Bereich und der äußere Bereich des Innenraums 2 miteinander verbunden, d. h. es kann ein Gas oder auch eine Flüssigkeit von einem Bereich in den anderen strömen. Die Wandung der Dämpfungshülse kann bevorzugt aus einer, aber auch aus mehreren Schichten bestehen. Wie in 2 dargestellt, kann in der Messkammer 1 eine zweite, optionale, Dämpfungshülse 28 angeordnet sein, die einen zur ersten Dämpfungshülse 7 unterschiedlichen Durchmesser hat und zu dieser zentrisch angeordnet ist. Die Messkammer 1 kann auch noch weitere Dämpfungshülsen aufweisen. Ist mehr als eine Dämpfungshülse vorhanden, kann der oder die Zwischenräume zwischen den Dämpfungshülsen optional mit einem zusätzlich dämpfenden Material 29 ausgefüllt sein.
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Zusammen mit dem Gas-durchströmbaren Ventil und den Messeinrichtungen bildet die Messkammer 1 entsprechend der Darstellung von 2 ein System 20. Das System 20 besteht aus der Messkammer 1, einem Druckmesser (nicht gezeigt), einen Temperaturmesser (nicht gezeigt), und einem optischen Wegmesssystem 21 für die Messung des Ventilhubs, oder mit anderen Worten der Bewegung des Ventiltellers. Das optische Wegmesssystem 21 ist ein Laservibrometer 21. Ein Zugang für das Laservibrometer 21 ist gegenüber dem Ventil vorgesehen. Dabei führt der Strahlengang 22 vom Laservibrometer 21 durch den optischen Durchgang 23 bis zum Ventilteller des Ventils (nicht gezeigt), das in Aufnahmeeinrichtung 3 angeordnet ist. Über den Zugang 8 kann für einen nicht durch Gasströmungen gestörten optischen Durchgang 23 bis zum Ventil ein transparenter Körper bis kurz vor das Ventil in den Innenraum der Messkammer 2 eingebracht werden. Alternativ können über den Zugang 8 auch andere Messsysteme, u.a. auch berührende, zur Messung der Ventilbewegung in die Messkammer 1 eingebracht werden.
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An der Bohrung 9 ist in der Darstellung von 2 ein Pneumatikventil 24 angeschlossen. Über das Pneumatikventil 24 kann die Messkammer 1 zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen entlüftet werden. Dadurch werden kontinuierliche Messungen über mehrere Einspritzvorgänge ermöglicht. Zur Variation des abgeführten Massenstroms an Gas ist eine verstellbare Drossel 26 angeordnet. Der abgeführte Massenstrom kann mit konventionellen Durchflusssensoren 27 erfasst werden und zur kontinuierlichen Kalibrierung der Messkammer 1 herangezogen werden. Um den Gradienten des Massenstroms über den Durchflusssensor 27 zu reduzieren, ist ein Ausgleichsvolumen 25 hinter dem Pneumatikventil 24 angeordnet.
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Für das Erfassen von Parametern eines Gas-durchströmbaren Ventils wird in einer Ausführungsform gemäß der Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in 4 in einem ersten Schritt S1 eine Messkammer 1 mit einer den Innenraum der Messkammer 1 in radialer Richtung in einen inneren und einen äußeren Bereich teilenden Dämpfungshülse bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S2 werden ein von einem Gas durchströmbares Ventil, ein Drucksensor, ein Temperatursensor und ein Pneumatikventil 24 in der Messkammer 1 angeordnet. In Schritt S3 wird die Messkammer mit einem Füllgas gefüllt. Dabei ist das Füllgas bevorzugt das gleiche Gas wie das zum Einspritzen verwendete. In Schritt S4 wird ein Messgas durch das von einem Gas durchströmbaren Ventil in den durch die Dämpfungshülse 7 gebildeten inneren Bereich der Messkammer 1 eingespritzt. Da die Messkammer 1 geschlossen ist, verändert sich nicht das Volumen des Innenraums der Messkammer 2, sondern der Druck des Gases im Innenraum 2, indem er erhöht wird. Durch die Dämpfungshülse 7 werden Druckspitzen im Innenraum 2 gedämpft, sodass sich im durch die Dämpfungshülse 7 gebildeten äußeren Bereich ein Druck einstellt, der dem mittleren Kammerdruck entspricht, und durch den ebenfalls im äußeren Bereich angeordneten Drucksensoren erfasst werden kann. Die Temperatur in Innenraum 2 erhöht sich zum einen durch Umwandlung der kinetischen Energie des eingespritzten Gases in Wärme und zum anderen durch eine Temperaturerhöhung im Innenraum 2 auf Grund der Druckerhöhung. In Schritt S5 wird die Druckänderung im äußeren Bereich der Messkammer bei konstantem Volumen des Innenraums 2 erfasst. Aufgrund der kurzen Einspritzdauer kann die Temperaturänderung während des Einspritzvorgangs nur schwerlich gemessen werden. Daher wird vorteilhafter Weise die Temperaturänderung während des Einspritzvorganges über die Polytropenbeziehung aus dem gemessenen Drucksignal modelliert und mit der gemessenen Temperatur vor und nach dem Einspritzvorgang abgeglichen. Der Polytropenexponent n wird aus der kontinuierlich durchgeführten Massenstrommessung sowie der Temperaturmessung ermittelt. In Schritt S6 wird aus dem gemessenen Druckverlauf und dem modellierten oder gemessenen Temperaturverlauf anhand der Beschreibungsgleichungen für ein ideales oder reales Gas die in der Kammer befindliche Gasmasse zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Einspritzung bestimmt. Die zeitliche Änderung der in der Messkammer eingeschlossenen Gasmasse erlaubt die Bestimmung des Massenstroms und damit der Einspritzrate.
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Wird während einer Messung oder Einspritzung Gas zum Beispiel über Anschluss 9 aus der Messkammer entnommen, so muss und kann dieses bei der Massenstromberechnung berücksichtigt werden.
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Mit einem Laservibrometer 21 als Wegmesssystem wird der Ventilhub gemessen. Neben diesem nichtberührenden, optischen Wegmesssystem sind auch andere, auch berührende, Wegmesssysteme zur Messung des Ventilhubs verwendbar, die z. B. im Boden der Messkammer angeordnet werden. Das Laservibrometer 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der durch den optischen Durchgang 23 gegenüber dem Ventil in die Messkammer 2 geführt wird und den Ventilteller des Ventils erreicht. Aus der Höhe des Ventilhubs und der Dauer der damit verbundenen Bewegung bei der Einspritzung wird neben der Menge und des Verlaufs des eingebrachten Gases auch ein zusätzlicher zeitlicher Verlauf des Ventilhubs erfasst, welcher eine Vergleichsgröße zur Einspritzrate darstellt. Durch Abführung eines Massenstroms aus dem Innenraum der Messkammer 2 über das Pneumatikventil 24 sind kontinuierliche Messungen über mehrere Einspritzvorgänge möglich.
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Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messkammer
- 2
- Innenraum der Messkammer
- 3
- Aufnahmeeinrichtung für ein Gas-durchströmbares Ventil
- 4
- Haltereinrichtung für ein Gas-durchströmbares Ventil
- 5
- Bohrung für einen Drucksensor
- 6
- Bohrung für einen Temperatursensor
- 7
- Dämpfungshülse
- 8
- möglicher Zugang für Wegmesssystem
- 9
- Anschluss für ein Pneumatikventil
- 10
- lochartige Durchbrechungen
- 20
- System
- 21
- Laservibrometer
- 22
- Laserstrahlengang
- 23
- optischer Durchgang
- 24
- Pneumatikventil
- 25
- Ausgleichsvolumen
- 26
- verstellbare Drossel
- 27
- Durchflusssensor
- 28
- optionale Dämpfungshülse
- 29
- optionales Dämpfungsmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056153 [0002]
- DE 102008040628 [0002]
- WO 02/070996 [0002]