Dynamische Einspritz-Messtechnik

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1 SIMULATION SOLUTIONS TEST SYSTEM SOLUTIONS TESTING EQUIPMENT Belastungsmaschinen und Aktuatoren Fahrzeugprüfstände Prüfstandsmechanik und Bedienraum Medienkonditionierung Verbrauchsmesstechnik Einspritzprüfung Verbrennungsmesstechnik Abgasanalyse und Fahrzeugmesstechnik SIMULATION TOOLS TESTING TOOLS Dynamische Einspritz-Messtechnik LÖSUNGSANSATZ Mit der Einführung der Diesel-CR- und DGI-Technologie haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten auch die Anforderungen an die Durchflussmessung für die Motorenentwicklung verändert. Sowohl in Forschung und Entwicklung als auch in der Produktion wurde die kontinuierliche Kraftstoff-Verbrauchsmessung durch die zyklusbezogene Einspritzmengenmessung und die Analyse des entsprechenden Ratenverlaufes ergänzt. Aktuell erleben wir angetrieben durch die Ziele der Verbrauchs- und Emissionssenkung einen erneuten Innovationsschub im Bereich der Verbrennungsentwicklung mit gravierenden Auswirkungen auf die Einspritztechnologie und deren Messtechnik. Als Vorreiter von Anwendungen der Common Railund GDI-Technologien steht AVL mit der dafür entwickelten Shot-to-Shot Messtechnik heute auch an der Spitze des Marktes für dynamische Einspritz-Messsysteme. Verkürzung von Entwicklungszeiten: zyklussynchrone Korrelation von Einspritzmengen und Zeitverhalten mit den relevanten System- oder Motorparametern Verringerung der Messzeiten: Hohe Messgenauigkeit reduziert die Messdauer am Prüfstand oder in der Produktionslinie. Absicherung von Entwicklungsschritten: präzise Analyse z. B. von Kleinstmengen und Mehrfacheinspritzungen als Bestandteil der Indizierdatenerfassung Robustes Entwicklungswerkzeug: Effizienz durch universelle Verwendbarkeit und hohe Langzeitstabilität der Kalibrierung AUFGABENSTELLUNG Sinkende Grenzwerte der Abgasemissionen und die Forderungen nach immer geringerem Kraftstoffverbrauch sind heutzutage die maßgeblichen Triebfedern bei der Weiterentwicklung der Motorentechnik. Dabei spielen die Strategie und die präzise Steuerung der Kraftstoffverbrennung eine zentrale Rolle. Dies wiederum erfordert mit unterschiedlichen Schwerpunkten die genaue Analyse des Einspritz ratenverlaufes bezogen auf den Motorzyklus: Entwicklung und Produktion leistungsfähiger Injektoren und Einspritzsysteme bedürfen der genauen Analyse des Öffnungsund Schließverhaltens. Die Injektorprüfung in der Produktion verlangt eine hohe Präzision und Langzeit-Reproduzierbarkeit der Einspritzmengenmessung. Verbrennungsstrategien mit Schichtbeladung und Mehrfach-Einspritzsequenzen spielen bei der Entwicklung von GDI-Ottomotoren heute eine große Rolle. Höchste Messauflösung der gerin gen Separationszeiten bei teilweise geringen Einspritzmengen stellen hier extreme Anforderungen an die Messtechnik. Die exakte Optimierung von Leistung, Verbrauch und Abgasemissionen an Dieselmotoren ist durch den Einsatz unterschiedlicher Komponenten zur Abgasnachbehandlung eine extrem komplexe Aufgabe geworden. Die präzise Mengenmessung von Mehrfach- Einspritzungen bis hinunter zu kleinsten Teileinspritzungen muss unter realen Betriebsbedingungen über das gesamte Motorkennfeld erfolgen. In all diesen Beispielen findet die Shot-to-Shot Messtechnik Anwendung und trägt mit ihren herausragenden Eigenschaften dazu bei, den Produkten und Dienstleistungen unserer Kunden Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. CUSTOMER SERVICES / 146

2 DIE KOMPETENZ UND ERFAHRUNG DER AVL HILFT KUNDEN, BEIM RASANTEN FORTSCHRITT DER INJEKTOREN TECHNOLOGIE SCHRITT HALTEN ZU KÖNNEN UND HIGHTECH VON HEUTE ALS ALLTAGSTECHNIK VON MORGEN ZU BEHERRSCHEN. REFERENZEN Verbrennungsentwicklung am Einzylinder STS leistet einen wichtigen Beitrag zur Korrelation charakteristischer Verbrennungs- und Injektorparameter unter Realbedingungen. Die Forschungsbereiche der namhaftesten deutschen Automobilhersteller und Zulieferer zählen zu unseren Kunden. Produktionsprüfung von Injektoren Aktuelle Herausforderungen der 100 %-Prüfung von Einspritzmengen sind Messzeitverringerung, kleinste Einspritzmengen und die dazu erforderliche Messgenauigkeit. STS dient dem Marktführer für SCR-Systeme als einziges zulässiges Produktionsmessmittel. Motorkalibrierung Die Vorbedatung des Motorsteuergerätes mit Kennfelddaten auf dem mit STS ausgerüsteten System-Prüfstand verringert den Kalibrieraufwand am Vollmotor erheblich. Bei AVL sichert STS bereits seit Jahren als Standardwerkzeug Termintreue und Wirtschaftlichkeit der Entwicklungsprojekte. Installed Base Mehr als drei Jahrzehnte Kompetenz in der Durchfluss-Sensorik. Mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Injektorprüfung. Mehr als drei Jahre erfolgreiche Anwendungen von STS-Messsystemen in einer Vielzahl kundenspezifischer Applikationen mit unterschiedlichsten Anforderungen. / 147

3 SIMULATION SOLUTIONS TEST SYSTEM SOLUTIONS TESTING EQUIPMENT EINSPRITZMENGENMESSUNG OTTO AVL STS PLU 131 Gasoline Belastungsmaschinen und Aktuatoren Fahrzeugprüfstände Prüfstandsmechanik und Bedienraum Medienkonditionierung Verbrauchsmesstechnik Einspritzprüfung Verbrennungsmesstechnik Abgasanalyse und Fahrzeugmesstechnik Forschung und Entwicklung sind zwei Anwendungsschwerpunkte im Bereich Ottomotoren für das AVL Shot-to-Shot PLU 131 Durchflussmesssystem. Die Schussmengenmessung und die Details des zeitlichen Ratenverlaufes bei der Kraftstoffeinspritzung liefern dabei wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung des Brennverhaltens. Darüber hinaus ist auch für Benzininjektoren die Schussmengenmessung in der Fertigungsprüfung immer weiter verbreitet. Das duale PLU-Messprinzip ermöglicht STS durch die Kombination eines rotatorischen und eines translatorischen Verdrängerzählers eine sehr flexible hydraulische Konfiguration des Messaufbaus. Dabei können STS-Messsysteme sowohl auf der Hochdruckseite des Injektors (Upstream) als auch im Niederdruck (Downstream) verwendet werden. Injector Open Time [µs] TI1 TI2 Injection Quantity [mm 3 /str] Q1 Q ,6 4,8 4,0 3,2 2,4 1,6 0,8 0,0 Double-Injection TI-Variation (70 µs 500 µs) 1 Current [V] Measurement #13579 Time [µs] 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Seperation Time [ms] TO1_2 Gasoline Upstream Analyse von Mehrfacheinspritzungen, der Einspritzmenge und Injektoröffnungszeit eines Doppeleinspritzprofils bei variabler Separationszeit (TI = µs) SIMULATION TOOLS TESTING TOOLS Diese Vielseitigkeit eröffnet die zusätzlichen Möglichkeiten einer dynamischen Einspritzmengenmessung am befeuerten Einzylindermotor und an der Spraykammer, welche das AVL Shot-to-Shot PLU 131 Durchflussmesssystem zum unverzichtbaren Messwerkzeug machen bei der Charakterisierung von Injektoren und der Entwicklung von Spritzbild und Brennverhalten. Am Beispiel des Schichtladungsverfahrens mit seinen Kaskaden auf einanderfolgender Einspritzungen wird die Bedeutung dieser Messwerte besonders deutlich. Aber auch in der Produktion von Injektoren für den Homogenbetrieb findet STS inzwischen Anwendung bei der 100 %-Serienprüfung. Flexibilität: Verwendung auf der Hochdruckseite des Injektors (Upstream) sowie im Niederdruck (Downstream) möglich Vielseitigkeit: große Messbereiche für Durchfluss und Einspritzmengen verbunden mit hoher Messgenauigkeit bis hin zu Kleinstmengen Verkürzte Entwicklungszeiten: schnelle Charakterisierung von Prototypen durch Schussmessung am befeuerten Motor oder an der Spraykammer Relevante Ergebnisse: keine Beeinflussung des Einspritzsys tems durch das Messgerät (Δp = 0) CUSTOMER SERVICES / 148

4 EINSPRITZMENGENMESSUNG DIESEL AVL STS PLU 131 Diesel Für Dieselanwendungen wird das AVL Shot-to-Shot PLU 131 Durchflussmesssystem in Forschung, Entwicklung und Produktion von Injektoren, Einspritzsystemen und den entsprechenden Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die Verknüpfung mit der AVL Indiziertechnikfamilie IndiAdvanced bietet komfortable Möglichkeiten zur Ratenverlaufsanalyse als Bestandteil der Indizierdatenerfassung. Insbesondere Timinganalyse und Kleinstmengenmessung sind für die Mehrfacheinspritzungen bei der Dieselverbrennung enorm wichtige Messgrößen. In Dieselapplikationen wird das System in Downstream-Konfigu ration auf der Niederdruckseite des Injektors bei bis zu 200 bar Gegendruck eingesetzt. Das duale PLU-Messprinzip ist die Kombi nation eines rotatorischen und eines transatorischen Verdränger zählers. Es ermöglicht mit STS gleichzeitig sowohl die hochpräzise Bestimmung von Einspritzmengen als auch die hoch aufgelöste Aufzeichnung von Ratenverläufen. Diesel-CR-Injektoren werden auf Komponentenprüfständen hinsichtlich Ratenverlauf, Einspritzmengen sowie Öffnungs-und Schließzeiten charakterisiert. Komplette Einspritzsysteme werden bei der Motoren - entwicklung am voll instrumentierten Mehrzylinder-Systemprüfstand vorkalibriert, um später wertvolle Entwicklungszeit und Kosten am Motorprüfstand einzusparen. Einhaltung der Emissionsgrenzwerte durch zuverlässige Charakterisierung der relevanten Parameter zur Steuerung der Mehrfacheinspritzungen Verringerung der Entwicklungszeiten am Motorprüfstand für die Kalibrierung von Einspritzsystemen durch Vorbedatung des Kennfeldes am Systemprüfstand Injection Rate Cursor [mm 3 /ms] Injector Current [A] Average Injection Rate for 5x Multiple Injection Time [ms] Q_kd [l/hr]: 1.31 Wirtschaftlichkeit der Produktionsprüfung durch kurze Messzeiten und robuste Messsysteme Hohe Relevanz durch große Betriebsbereiche für Druck und Temperatur. Diese erlauben die unter den Realbedingungen unterschiedlicher Lasten und Drehzahlen. Piston Displacement [mm] 0,2 0,1 0,0-0,1 Diesel-Downstream Analyse von Mehrfach Einspritzungen, Einspritzratenmessung einer typischen CR-Diesel- Mehrfach-Einspritzung mit Pilot-, Haupt- und Nach Einspritzungen. Stromprofil des Piezo-Injektors, Kolbenauslenkung und der Cursor zur Einspritzmengenbestimmung sind darunter dargestellt. Auch renommierten Lkw-Herstellern dient STS beispielsweise zur Optimierung ihrer Pumpe-Düse-Einspritzsysteme am Lkw-Voll motor. In der 100 %-Prüfung der Injektor-Serienproduktion wiederum erfüllt STS die extremen Anforderungen einer robusten, schnellen Schussmengenmessung mit hoher Genauigkeit. / 149

5 SIMULATION SOLUTIONS TEST SYSTEM SOLUTIONS TESTING EQUIPMENT Belastungsmaschinen und Aktuatoren Fahrzeugprüfstände Prüfstandsmechanik und Bedienraum Medienkonditionierung Verbrauchsmesstechnik Einspritzprüfung Verbrennungsmesstechnik Abgasanalyse und Fahrzeugmesstechnik SIMULATION TOOLS TESTING TOOLS CUSTOMER SERVICES EINSPRITZMENGENMESSUNG HARNSTOFF AVL STS PLU 131 Urea Die Entwicklung und Produktion von SCR-Einspritzsystemen erfordern die präzise Schussmengenmessung der Harnstoff-Eindosierung in das Abgassystem. Die Charakterisierung und Überprüfung von Kennlinien und Funktionalität erfolgen dabei sowohl für Injektoren als auch für komplette Einspritzsysteme vorteilhaft unter realistischen Betriebsbedingungen. Ähnlich wie für die Kraftstoff-Niederdruckeinspritzung kann eine präzise Verbrauchsmessung am ungestörten SCR-System nur auf der Zulaufseite (Upstream) des Injektors erfolgen. Gravierender Unterschied zum Kraftstoff sind dabei die extrem geringen Harnstoff-Verbrauchsmengen, welche nur etwa fünf Prozent des Dieselverbrauchs betragen. Das AVL Shot-to-Shot PLU 131 ist bei dieser extremen Anforderung das einzige Durchflussmesssystem, welches gleichzeitig den Ansprüchen an die Messgenauigkeit genügt. Ermöglicht wird dies durch das duale PLU-Messprinzip mit zwei sich ergänzenden Sensoren für Dynamik und Einspritzmengen. / 150 Injection Quantity [mm 3 /str] Urea Injection Quantity Measurement 4,64 4,56 4,48 4,40 4,32 4,24 4,16 4,08 4,00 3,92 3,84 Mean Std Dev CoV% Cycle # Komponentenprüfstände für die SCR-Systementwicklung erfüllen für die Kleinstmengenmessung der Harnstoff-Injektoren extreme Anforderungen an Stabilität der Druck- und Temperaturbedingungen sowie an die Präzision der Durchflussmessung. Nur dadurch kann sichergestellt werden, die wirklichen Injektoreigenschaften ohne störende Fehlerquellen zu charakterisieren. Die hohe Mess genauigkeit bei extrem kleinen Durchflussmengen bis zu 0,01 l/h ist auch der Grund dafür, dass AVL Shotto-Shot PLU 131 Urea seit 2006 einzig zugelassenes Messmittel in der Produktion des Weltmarktführers für SCR- Systeme ist. Aber auch in der Produktion Engine Rail Inj Qty Speed pressure Q1_cal [rpm] [bar] [mm 3 /str] ,52 4,51 4,50 4,49 4,48 4,47 Inj Qty Q_kd [mg/s] Rail Pressure [bar] Harnstoff-Upstream- Einspritzmengenmessung Einspritzmengenstatistik über 30 Injektionen bei der Prüfung von Injektorkennlinien bis zu extrem geringen Durchflussmengen von 10 g/h von Injektoren für den Homogenbetrieb findet STS inzwischen Anwendung bei der 100 %- Serienprüfung. Relevante Ergebnisse: Verwendung auf der Hochdruckseite des Upstreams zur Schussmengenmessung an Niederdruck-Injektoren Entwicklungssicherheit: hohe Messgenauigkeit über einen weiten Messbereich bei minimaler Systembeeinflussung Produktionsqualität: schnelle und präzise en über den gesamten Bereich der Betriebsparameter bei der 100 %-Prüfung von Injektoren

6 DURCHFLUSSMESSUNG FÜR DIE KOMPONENTENPRÜFUNG AVL PLU 131F, PLU 131S, PLU 131U Die AVL Produktfamilie PLU 131 bietet ein extrem breites Spektrum an Präzisions-Durchflussmessgeräten für sämtliche Anwendungen im Bereich von Verbrennungsmotoren. Neben den Standardvarianten für alle Arten von Kraftstoffen und Prüfmedien stehen auch Versionen für Wasser bzw. Harnstofflösung zur Auswahl. Spezielle Gerätetypen erlauben Mediendrücke bis zu 200 bar und Medientemperaturen bis zu 150 ºC. Die verschiedenen Messbereiche reichen von der Kleinstmengenmessung bei 0,05 l/h bis zu großen Durchflüssen von 300 l/h. Die Messgenauigkeit beträgt jeweils 0,1 % des Messwerts über den gesamten Messbereich des einzelnen Gerätetyps von bis zu 1:500. Das duale PLU-Messprinzip ist die Kombination eines rotatorischen und eines transatorischen Verdrängerzählers. Der servogeregelte Zahnradzähler ermittelt über die Drehung das Durchflussvolumen. Der dynamische Kolbensensor steuert die Motordrehzahl und verhindert eine Druckdifferenz ( p = 0) zwischen Einlass und Auslass. Dadurch kann keine interne Leckage im Sensor auftreten und das Messgerät erzeugt über seinen gesamten Messbereich keinerlei Druckdifferenz im zu messenden hydraulischen System. Haupteinsatzgebiet des PLU 131 sind Prüfstände und Produktionslinien für Komponenten der Kraftstoffversorgung im Automobilbereich. Das PLU-Messprinzip ist für pulsierende Durchflüsse geeignet und wird in direkter hydraulischer Adaption für die Prüfung von Pumpen, Injektoren und Steuerventilen sowohl im Zulauf (Upstream) als auch im Rücklauf (Downstream) eingesetzt. AVL PLU 131 Sensoren erhöhen die Messgenauigkeit und verkürzen die Messzeit bei der kontinuierlichen Durchflussmessung. Verkürzung der Messzeiten durch höhere Messgenauigkeit der Durchflussmessung Hohe Flexibilität durch breite Medienkompatibilität und extrem große Messbereiche Zuverlässige Ergebnisse durch Upstream-Betrieb (Zulaufseite) ohne Systembeeinflussung durch das Messgerät ( p = 0) Geringe Betriebskosten durch herausragende Robustheit und Langzeitstabilität von Kalibrierwerten / 151

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