DE102005032086A1

DE102005032086A1 - Schaltventilvorrichtung und Einspritzventil

Info

Publication number: DE102005032086A1
Application number: DE200510032086
Authority: DE
Inventors: Thomas Kraft
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-09
Also published as: DE102005032086B4

Abstract

Eine Schaltventilvorrichtung, die insbesondere in einem Einspritzventil eingesetzt ist, hat ein Schaltventil (10), das einen Ventilkörper mit einer Ausnehmung hat, das einen Schließkörper (46) hat. Der Schließkörper (46) ist axial beweglich in der Ausnehmung des Ventilkörpers angeordnet. Das Schaltventil (10) hat ferner eine Schaltventilfeder (54), die eine Kraft auf den Schließkörper (46) ausübt und so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den Schließkörper (46) ohne das Einwirken weiterer Kräfte in einer Schließstellung (ST_CL) festlegt. Die Schaltventilvorrichtung hat ferner einen Stellantrieb, mittels dessen der Schließkörper (46) aus der Schließstellung (ST_CL) herausbewegbar ist. Ein Dehnungsmesselement (56) ist vorgesehen, das so mit der Schaltventilfeder (54) gekoppelt ist, dass seine Dehnung abhängt von der durch die Schaltventilfeder (54) auf den Schließkörper (46) ausgeübten Kraft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltventilvorrichtung und ein Einspritzventil mit der Schaltventilvorrichtung. Ferner betrifft sie ein Verfahren zum Betreiben des Schaltventils und zum Betreiben des Einpritzventils.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Dieselbrennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator. Piezo-Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind so gegebenenfalls geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.

Eine besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse zugemessen werden soll. Ein präzises Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese Fälle sehr wichtig.

Aus der DE 100 24 662 ist ein Einspritzventil bekannt mit einer Steuerschaltung, die einen Aktor steuert, der mit einem Stellglied in Wirkverbindung steht, mit dem der Druck in einem Steuerraum beeinflussbar ist. Eine Düsennadel ist vorgesehen, die in Wirkverbindung mit dem Druck in dem Steuerraum steht. Die Düsennadel ist abhängig von dem Druck in dem Steuerraum in verschiedene Positionen bewegbar, in denen unterschiedliche Einspritzzustände des Einspritzventils einstellbar sind. Der Aktor wird als Sensor verwendet, mit dem ein Betriebszustand des Einspritzventils, insbesondere der Druck in dem Steuerraum erfasst wird. Die Steuerschaltung steuert den Aktor abhängig von dem Betriebszustand des Einspritzventils. Alternativ kann auch ein separater Drucksensor zur Erfassung des Drucks in dem Steuerraum vorgesehen sein, dessen Messsignal zur Steuerung des Drucks in dem Steuerraum verwendet wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es gemäß eines ersten Aspekts, eine Schaltvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Schaltvorrichtung zu schaffen, die einen präzisen Betrieb ermöglichen. Gemäß eines weiteren Aspekts ist die Aufgabe der Erfindung, ein Einspritzventil und ein Verfahren zum Betrieb des Einspritzventils zu schaffen, das beziehungsweise die einen präzisen Betrieb ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Schaltvorrichtung mit einem Schaltventil, das einen Ventilkörper mit einer Ausnehmung hat, das einen Schließkörper hat, der axial beweglich in der Ausnehmung des Ventil körpers angeordnet ist, und das eine Schaltventilfeder hat, die mechanisch gekoppelt ist mit dem Schließkörper. Die Schaltventilfeder übt eine Kraft auf den Schließkörper aus und ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie den Schließkörper ohne das Einwirken weiterer Kräfte in einer Schließstellung festlegt. Der Schaltvorrichtung ist ein Stellantrieb zugeordnet, mittels dessen der Schließkörper aus der Schließstellung heraus bewegbar ist. Ein Dehnungsmesselement ist vorgesehen, das so mit der Schaltventilfeder gekoppelt ist, dass seine Dehnung abhängt von der durch die Schaltventilfeder auf den Schließkörper ausgeübten Kraft. Die Schaltventilvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einfach hergestellt werden kann durch das Koppeln des Dehnungsmesselements mit der Schaltventilfeder. Ferner ermöglicht eine geeignete Auswertung des Messsignals des Dehnungsmesselements einen sehr präzisen Betrieb der Schaltvorrichtung und ermöglich so vorteilhaft beispielsweise eine Leerhubdetektion und das Ermitteln eines Hubs des Stellantriebs. Ferner ist vorteilhaft durch eine geeignete Signalverarbeitung des Messsignals des Dehnungsmesselementes ein Rückschluss der auf den Schließkörper wirkenden Kräfte präzise möglich, wie zum Beispiel Druckkräfte.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist das Dehnungsmesselement an der Schaltventilfeder angeordnet. So ist die Schaltventilvorrichtung besonders einfach herzustellen, insbesondere kann das Dehnungsmesselement vor der Montage der Schaltventilfeder in der Schaltventilvorrichtung an der Schaltventilfeder angeordnet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist das Dehnungsmesselement in einem Bereich maximaler Biegung der Schaltventilfeder angeordnet.

So ist eine besondere hohe Messempfindlichkeit des Dehnungsmesselements gewährleistet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltventilfeder als W-förmiges Federblech ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Schaltventilfeder sehr kompakt ausgebildet sein kann. Durch sie kann eine hohe Kraft bei einer geringen Bauhöhe aufgebracht werden und ist einfach montierbar.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Schließkörper eine Nut aufweist, in die Schaltventilfeder formschlüssig eingreift. So ist eine einfache Montage des Schaltventils und insbesondere der Schaltventilfeder möglich und gleichzeitig kann einfach eine sehr gute Kraftübertragung zwischen der Schaltventilfeder und dem Schließkörper gewährleistet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist das Dehnungsmesselement mit einer EMV-Abschirmung versehen. Auf diese Weise können Störeinflüsse, hervorgerufen durch elektrische oder magnetische Felder stark verringert werden. So kann bei dem Messsignal des Dehnungsmesselements ein hoher Signal-Rauschabstand gewährleistet werden, trotz möglicherweise erheblicher Störeinflüsse durch den Stellantrieb.

Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betrieb des Schaltventils gemäß des ersten Aspekts der Erfindung, bei dem die Stellung des Schließkörpers abhängig von dem Messsignal des Dehnungselements erfasst wird. Dies ermöglicht einfach einen elektrischen Spielausgleich zwischen dem Stellantrieb und dem Schließkörper. Darüber hinaus kann abhängig von der Stellung des Schließkörpers präzise die Drosselwirkung der Schaltventilvorrichtung bestimmt werden und somit ist einfach ein präzises Steuern der Schaltventilvorrichtung möglich.

Bezüglich des Verfahrens zum Betrieb des Schaltventils kann auch eine korrespondierende Vorrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist zum Durchführen des Verfahrens.

Gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung zeichnet sie sich aus durch ein Einspritzventil mit der Schaltventilvorrichtung gemäß des ersten Aspekts der Erfindung, mit einem Steuerraum, der über eine Zulaufdrossel mit einer Fluid-Hochdruckeinheit hydraulisch gekoppelt ist, der über das Schaltventil mit einer Niederdruckeinheit koppelbar ist, und mit einer Düsennadel, deren Position abhängig von dem Druck in dem Steuerraum einstellbar ist. In einer Schließposition der Düsennadel wird ein Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzdüse des Einspritzventils unterbunden. Dieser ist ansonsten freigegeben. Das Einspritzventil zeichnet sich dadurch aus, dass es sehr präzise betreibbar ist.

Gemäß eines vierten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betrieb des Einspritzventils gemäß des dritten Aspekts der Erfindung, bei dem der Druck in dem Steuerraum abhängig von dem Messsignal des Dehnungsmesselements ermittelt wird. So kann sehr präzise die Position der Düsennadel, insbesondere deren Schließposition und eine Offenposition ermittelt werden. Dies ermöglicht wiederum ein sehr präzises Steuern des Einspritzventils. Bezüglich des Verfahrens gemäß des vierten Aspekts der Erfindung kann auch eine korrespondierende Vorrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist zum Durchführen des Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Einspritzventil mit einer Steuervorrichtung,
2 einen vergrößerten Teilbereich des Einspritzventils gemäß der 1 im Bereich einer Schaltventilvorrichtung,
3 eine Einzeldarstellung einer Schaltventilfeder,
4 eine weitere Schnittdarstellung des Teilbereichs des Einspritzventils entsprechend der 2 in einem veränderten Schnittwinkel und
5A bis 5D Verläufe einer Stellung eines Schließkörpers, einer Position einer Düsennadel und eines Drucks in einem Steuerraum.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugzeichen gekennzeichnet.
Ein Einspritzventil (1) hat ein Injektorgehäuse 1 mit einer Ausnehmung, in die ein Stellantrieb eingesetzt ist, der beispielsweise als Piezo-Aktuator 4 ausgebildet ist, und der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhängig von seiner Schaltstellung ein Fluid, das in dieser Ausführungsform bevorzugt Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator 4 gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators 4 eingestellt. Das Schaltventil 10 umfasst eine Ventilplatte 12. Das Schaltventil 10 wird anhand der 2 bis 4 weiter unten noch näher erläutert.
Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen Düsenkörper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden eine Düsenbaugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 18 an dem Injektorgehäuse 1 befestigt ist.
Der Nadelführungskörper 14 hat eine Ausnehmung, die als Ausnehmung des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fortgesetzt ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Düsennadel 24 ist in dem Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Düsenfeder 26 spannt die Düsennadel 24 in eine Schließposition vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse 28 unterbindet.
An dem axialen Ende der Düsennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel 31 mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch gekoppelt ist. Eine Fluid-Hochdruckeinheit kann beispielsweise die Hochdruckbohrung 32 umfassen. Die Hochdruckbohrung 32 ist mit einem Hochdruckspeicher 42 hydraulisch gekoppelt, wenn das Einspritzventil in der Brennkraftmaschine montiert ist.
Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließposition, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruck speicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnfläche der Düsennadel 24 ein Druck in Schließrichtung der Düsennadel 24 ausgeübt, also in Richtung hin zu der Schließposition. Die Düsennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart beaufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 auch in ihrer Schließposition wirkt.
In ihrer Schließposition unterbindet die Düsennadel 24 einen Fluidfluss durch die mindestens eine Einspritzdüse 28. Die Einspritzdüse 28 kann beispielsweise in Form eines Einspritzlochs ausgebildet sein. Es können auch mehrere Einspritzdüsen 28 vorhanden sein. Bewegt sich die Düsennadel 24 ausgehend von ihrer Schließposition hinein in den Steuerraum 30, so gibt sie den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei, insbesondere in ihrer Offenposition, in der sie in Anlage mit dem Bereich der Wandung des Steuerraums 30 ist, der durch die Ventilplatte 12 gebildet wird.
Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offenposition oder in ihrer Schließposition befindet, hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird.
Befindet sich das Schaltventil 10 außerhalb seiner Schließstellung, insbesondere in seiner Offenstellung, so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel 31 sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel 24 in ihre Offenposition führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
Wird das Schaltventil von seiner Offenstellung zurück in seine Schließstellung gesteuert, während sich die Düsennadel 24 in ihrer Offenposition befindet, so ist der Steuerraum 30 dann hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8 und der Druck kann sehr schnell in dem Steuerraum 30 auf den Druck in der Hochdruckbohrung 32 ansteigen durch das über die Zulaufdrossel 31 zufließende Fluid. Dies führt zu einer Veränderung der hydraulischen Kräfte, die auf die Düsennadel 24 einwirken und zwar derart, dass sie sich zurückbewegt in ihre Schließposition. Wenn der Druck in dem Steuerraum wieder dem Druck in der Hockdruckbohrung 32 entspricht heben sich die auf die Düsennadel 24 wirkenden hydraulischen Kräfte im wesentlichen auf und die Nadelschließzeitgeschwindigkeit wird im wesentlichen beeinflusst durch die von der Düsenfeder 26 hervorgerufenen Kraft. Dies hat zur Folge, dass die Nadelschließgeschwindigkeit der Düsennadel 24 im wesentlichen unabhängig ist von dem aktuell herrschenden Kraftstoffdruck FUP in der Hochdruckbohrung 32.
Eine Steuervorrichtung 40 ist dem Einspritzventil zugeordnet. Die Steuervorrichtung 40 ist ausgebildet zum Erzeugen eines Stellsignals für den Stellantrieb des Einspritzventils, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel bevorzugt der Piezo-Aktuator 4 ist.
Das Stellsignal ist bevorzugt ein Stromsignal, das bevorzugt pulshöhenmoduliert ist. Ausgehend von einem Start eines Ladevorgangs wird bevorzugt eine vorgegebene Anzahl an Pulsen, so zum Beispiel zwanzig, mit einer vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode erzeugt bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Über die Höhe der jeweiligen Pulse wird die während des Ladevorgangs dem Piezo-Aktuator 4 zuzuführende elektrische Energie eingestellt. Die dem Piezo-Aktuator 4 während eines Ladevorgangs zuzuführende Energie wird abhängig von Betriebsparametern ermittelt. Die dem Piezo-Aktuator 4 zugeführte Energie beeinflusst dessen axialen Hub und somit auch einen Durchfluss durch das Schaltventil 10. Ein Entladevorgang wird durch entsprechendes Erzeugen von Entladeimpulsen durchgeführt, wobei elektrische Energie dem Piezo-Aktuator 4 entnommen wird und somit dessen axialer Hub verringert wird. Und zwar so, dass das Schaltventil 10 sich wieder in seine Schließstellung bewegt. Das Stellsignal kann jedoch auch ein anderes als das Stromsignal, wie beispielsweise ein Spannungssignal oder ein Energiesignal sein.
Die Steuervorrichtung 40 ist ausgebildet zum Erfassen eines Signals, das für die aktuelle Position der Düsennadel 24 charakteristisch ist. Das Signal kann beispielsweise ein Messsignal MS eines Dehnungsmesselements 56 sein, das in dem Schaltventil 10 angeordnet ist. Anhand von charakteristischen Messsignalpunkten kann so auf die Position der Düsennadel, insbesondere auf das Erreichen beziehungsweise Verlassen und das Erreichen beziehungsweise das Verlassen der Schließposition und der Offenposition geschlossen werden.
Eine Ansteuerzeitdauer T_CTRL beginnt mit einem Beginn des Steuerns der Düsennadel 24 aus ihrer Schließposition heraus, das heißt, mit dem Beginn des Ladevorgangs, und endet mit dem Beginn eines darauf folgenden Steuerns der Düsennadel 24 zu rück in ihre Schließposition, das heißt mit dem Beginn des Entladevorgangs.
Das Schaltventil 10 ist Teil einer Schaltventilvorrichtung, die neben dem Schaltventil auch den Stellantrieb und somit den Piezo-Aktuator 4 und den Übertrager 6 umfasst. Das Schaltventil hat einen Ventilkörper, der in der Ausgestaltung des Schaltventils gemäß der 4 beispielhaft als die Ventilplatte 12 ausgebildet ist. In der Ventilplatte 12 ist eine Ausnehmung ausgebildet, in der ein Schließkörper 46 axial beweglich angeordnet ist. In seiner Schließstellung ist der Schließkörper 46 dichtend in Anlage mit einem Sitzbereich 48 der Ventilplatte 12 und entkoppelt so den Steuerraum 30 hydraulisch von dem Leckageraum 8. Außerhalb seiner Schließstellung ST_CL ist der Steuerraum 30 hydraulisch gekoppelt mit dem Leckageraum 8. Der Schließkörper 46 hat eine Stirnfläche 50 des Schließkörpers 46, die dem Übertrager 6 zugewandt ist. Je nach dem axialen Hub des Übertragers 6 und somit des Piezo-Aktuators 4 ist die Stirnfläche 50 des Schließkörpers 46 mechanisch gekoppelt mit dem Piezo-Aktuator 4 und dem Übertrager 6 oder nicht. Derjenige Hub-Bereich des Piezo-Aktuators 4, in dem der Schließkörper 46 nicht mit seiner Stirnfläche 50 mit dem Übertrager 6 gekoppelt ist wird als Leerhub des Stellantriebs bezeichnet.
Der Schließkörper 46 weist ferner eine Nut 52 auf, die sich zumindest in Teilbereichen eines zylinderförmigen Bereichs erstreckt, der in den Leckageraum 8 hineinragt. Die Nut 52 dient zur Aufnahme einer Schaltventilfeder. In dem montierten Zustand der Schaltventilvorrichtung ist die Schaltventilfeder 54 in die Nut 52 eingebracht und ist so zumindest im Hinblick auf die axiale Richtung des Schließkörpers 46 formschlüssig mit diesem verbunden. Die Schaltventilfeder 54 ist bevorzugt als Federblech und zwar als W-förmiges Federblech ausgebil det. Anhand der 3 ist die Schaltventilfeder 54 vergrößert dargestellt. Die Schaltventilfeder weist bevorzugt eine entsprechende Ausnehmung auf, die so ausgebildet ist, dass sie in einer Ebene, die sich senkrecht zu der Achse des Schließkörpers 46 erstreckt in die Nut 52 eingeführt werden kann. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Montage der Schaltventilfeder 54 an dem Schließkörper 46 möglich. Im Falle der W-förmigen Ausbildung der Schaltventilfeder 54 können die Laschen der Schaltventilfeder 54 bei der Montage in vorgegebener Weise zusammen gedrückt werden. Dadurch reduziert sich die Höhe der W-förmigen Auswölbung und ermöglicht einfaches Einschieben in die Nut 52.
Die Schaltventilfeder ist so ausgebildet und zwar in Bezug auf die Ausbildung der Nut 52, dass sie im montierten Zustand ohne das Einwirken des Stellantriebs auf den Schließkörper 46 so vorgespannt ist, dass sie eine Kraft auf den Schließkörper 46 ausübt, die ohne das Einwirken weiterer Kräfte den Schließkörper 46 in seiner Schließstellung ST_CL festlegt. Die Schaltventilfeder 54 ist bevorzugt aus gehärtetem und vergütetem Federstahl ausgebildet.
Das Dehnungsmesselement 56 ist so mit der Schaltventilfeder 54 gekoppelt, dass seine Dehnung abhängt von der durch die Schaltventilfeder 54 auf den Schließkörper 46 ausgeübten Kraft. Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, ist das Dehnungsmesselement 56 (siehe 3) an der Schaltventilfeder 54 angeordnet. Eine besonders hohe Messempfindlichkeit des Dehnungsmesselements 56 ist gegeben, wenn es in einem Bereich maximaler Biegung der Schaltventilfeder 54 angeordnet ist. Dieser Bereich der maximalen Biegung kann beispielsweise durch Versuche ermittelt werden. Bevorzugt ist das Dehnungsmesselement 56 auf die Schaltventilfeder 54 aufgesputtert oder auch aufgedampft. Auf diese Weise kann das Dehnungsmess element 56 mit einem geringen Flächenbedarf ausgebildet sein, was bei einer gegebenenfalls sehr kompakten Bauform der Schaltventilvorrichtung von Vorteil ist.
Das Dehnungsmesselement 56 kann als auf beliebige Art ausgebildet sein, die dem Fachmann bekannt ist. Es kann so zum Beispiel als Metalldehnungsmessstreifen mit Drahtmessstreifen oder Folienmessstreifen ausgebildet sein. Es kann jedoch auch als sogenanntes Dünnfilm-DMS ausgebildet sein. In diesem Fall wird auf dem metallischen Federkörper bevorzugt im Vakuum zunächst eine anorganische Isolierschicht, dann eine dehnungsempfindliche Widerstandsschicht und schließlich eine niederohmige Leiterschicht zur Kontaktierung und zur Darstellung temperaturabhängiger Kompensationswiderstände aufgebracht. Nach der vollständigen Beschichtung kann dann eine Konturierung diskreter Widerstände durch Photoätzen erfolgen.
Ferner kann das Dehnungsmesselement 56 beispielsweise auch basierend auf dem piezoresistiven Effekt ausgebildet sein. Darüber hinaus ist bevorzugt das Dehnungsmesselement 56 mit einer EMV-Abschirmung versehen, die Störeinflüsse, hervorgerufen beispielsweise durch elektrische Felder, auf das Messsignal des Dehnungsmesselements 56 stark verringert. Das Messsignal MS des Dehnungsmesselements 56 ist charakteristisch für den Leerhub des Stellantriebs, für die Stellung ST des Schließkörpers 46 und auch für den Fluiddruck in dem Steuerraum 30.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass auch in der Schließstellung ST_CL das Messsignal MS des Dehnungsmesselements 56 repräsentativ ist für den Fluiddruck in dem Steuerraum 30. Dies ist auf die in dem Steuerraum herrschenden Fluiddrücke und im Betrieb auftretenden hohen Druckunterschiede zurückzuführen, durch die der Schließkörper 46 elastisch in die Ven tilplatte hineingedrückt wird, um zwar um mehrere μm. Dies führt zu geeignet auswertbaren Veränderungen des Messsignals MS des Dehnungsmesselements 56.
Anhand der 5A bis 5C sind zeitliche Verläufe der Stellung ST des Schaltventils 10, der Position POS der Düsennadel 24 und des Messsignals MS des Dehnungsmesselements 56 aufgetragen über die Zeit t.
Zu einem Zeitpunkt t_0 beginnt ein Ladevorgang des Piezo-Aktuators 4. Der Piezo-Aktuator 4 dehnt sich dann durch die zugeführte Ladung aus und erreicht spätestens zu einem Zeitpunkt t_1 eine Ausdehnung, in der der Leerhub überwunden ist und somit die Stirnfläche 50 des Schließkörpers 46 mit dem Übertrager 6 mechanisch gekoppelt ist. Das weitere Zuführen von elektrischer Energie zu dem Piezo-Aktuator 4 während des Ladevorgangs führt von dem Zeitpunkt t_1 bis zu einem Zeitpunkt t_2 zu einem Herausbewegen des Schließkörpers 46 aus seiner Schließstellung ST_CL hin zu seiner Offenstellung ST_OP. Zu einem Zeitpunkt t_5 wird dann der Entladevorgang gesteuert, was dazu führt, dass sich der Schließkörper 46 von seiner Offenstellung ST_OP hin zu seiner Schließstellung ST_CL zurück bewegt, die er zu einem Zeitpunkt t_6 erreicht.
Anhand der 5B ist ersichtlich, wie sich die Position POS der Düsennadel 24 abhängig von der Stellung des Schließkörpers 46 verändert. So ist zu einem Zeitpunkt t_3 der Druck in dem Steuerraum 30 so stark gesunken, dass die Düsennadel 24 beginnt, sich aus ihrer Schließposition CL heraus zu bewegen und dass sie zu einem Zeitpunkt t_4 ihre Offenposition erreicht. Entsprechend beginnt sich die Düsennadel 24 zu einem Zeitpunkt t_7 aus ihrer Offenposition OP zurück in ihre Schließposition CL zu bewegen, die sie zu einem Zeitpunkt t_8 erreicht.
In der 5C ist das korrespondierende Messsignal MS des Dehnungsmesselements 56 entsprechend über die Zeit t aufgetragen. Bis zu einem Zeitpunkt t_1 hat das Messsignal MS einen neutralen Wert, ab dem Zeitpunkt t_1 verändert sich das Messsignal. Somit kann durch geeignetes Erkennen des Beginnens des Veränderns des Messsignals im Zeitpunkt t_1 ein Rückschluss auf den aktuellen Leerhub des Stellantriebs gezogen werden. Dabei kann insbesondere die Erkenntnis genutzt werden, dass innerhalb des Leerhubes anhand der dem Piezo-Aktuator 4 zugeführten elektrischen Energie sehr präzise dessen Hub abgeschätzt werden kann. Der Leerhub kann jedoch auch anhand des Zeitpunktes t_8 ermittelt werden.
Anhand des Verlaufs des Messsignals MS ist es ersichtlich, dass das Messsignal MS jeweils an den Zeitpunkten oder zumindest korrelierend zu den Zeitpunkten t_2 bis t_8 charakteristische Verläufe aufweist, wie z.B. Knickpunkte, Wendepunkte, Minima oder Maxima. Dies ermöglicht somit durch geeignete Auswertung des Messsignals in der Steuervorrichtung 40 den jeweiligen Zeitpunkt zu ermitteln, an dem der Schließkörper seine Schließstellung ST_CL verlässt oder erreicht, an dem er seine Schließstellung ST_OP verlässt oder erreicht und/oder die Düsennadel ihre Schließposition CL verlässt oder erreicht und/oder ihre Offenposition OP verlässt oder erreicht. Auf Grund dieser Informationen kann somit ein sehr präzises Steuern, gegebenenfalls im Sinne einer Regelung, des Schaltventils 10 und/oder der Düsennadel 24 erfolgen. Ferner kann auch abhängig von dem Messsignal MS der Fluiddruck in dem Steuerraum 30 ermittelt werden.
Die Schaltventilfeder 54 kann selbstverständlich auch auf eine andere Art ausgebildet sein, so z.B. als Schraubenfeder.
Gegebenenfalls kann sie auch anders als über die Nut mit dem Schließkörper 46 auf geeignete Art und Weise gekoppelt sein.

Claims

Schaltventilvorrichtung mit einem Schaltventil (10), das einen Ventilkörper mit einer Ausnehmung hat, das einen Schließkörper (46) hat, der axial beweglich in der Ausnehmung des Ventilkörpers angeordnet ist, und das eine Schaltventilfeder (54) hat, die mechanisch gekoppelt ist mit dem Schließkörper (46), die eine Kraft auf den Schließkörper (46) ausübt und so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den Schließkörper (46) ohne das Einwirken weiterer Kräfte in einer Schließstellung (ST_CL) festlegt und mit einem Stellantrieb, mittels dessen der Schließkörper (46) aus der Schließstellung (ST_CL) heraus bewegbar ist und mit einem Dehnungsmesselement (56), das so mit der Schaltventilfeder (54) gekoppelt ist, dass seine Dehnung abhängt von der durch die Schaltventilfeder (54) auf den Schließkörper (46) ausgeübten Kraft.
Schaltventilvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Dehnungsmesselement (56) an der Schaltventilfeder (54) angeordnet ist.
Schaltventilvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Dehnungsmesselement (56) in einem Bereich maximaler Biegung der Schaltventilfeder (54) angeordnet ist.
Schaltventilvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Schaltventilfeder (54) als W-förmiges Federblech ausgebildet ist.
Schaltventilvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Schließkörper (46) eine Nut (52) aufweist, in die die Schaltventilfeder (54) formschlüssig eingreift.
Schaltventilvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Dehnungsmesselement (56) mit einer EMV-Abschirmung versehen ist.
Einspritzventil mit einer Schaltventilvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Steuerraum (30), der über eine Zulaufdrossel (31) mit einer Fluid-Hochdruckeinheit hydraulisch gekoppelt ist, der über das Schaltventil (10) mit einer Niederdruckeinheit koppelbar ist, und mit einer Düsennadel (24), deren Position abhängig von dem Druck in dem Steuerraum (30) einstellbar ist, wobei in einer Schließposition (CL) der Düsennadel (24) ein Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzdüse (28) des Einspritzventils unterbunden ist und dieser ansonsten freigegeben ist.
Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils nach Anspruch 7, bei dem der Druck in dem Steuerraum abhängig von dem Messsignal (MS) des Dehnungsmesselements (56) ermittelt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Stellung (ST) des Schließkörpers (46) abhängig von dem Messsignal (MS) des Dehnungsmesselements (56) erfasst wird.