WO2009115360A1 - Verfahren zur prellunterdrückung eines durch einen piezoaktor geschalteten ventils - Google Patents

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WO2009115360A1
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discharge
valve
piezoelectric actuator
time
interruption
Prior art date
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PCT/EP2009/050849
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Violaine Chassagnoux
Stefan Schuerg
Wolfgang Stoecklein
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Priority to US12/735,902 priority patent/US8578896B2/en
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    • F02D2041/2037—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit for preventing bouncing of the valve needle

Definitions

  • the invention relates to a method for bounce suppression of a operated by a piezo actuator valve member during the closing phase in an internal combustion engine and a corresponding device for carrying out the method.
  • valves control the supply and removal of the combustion gases, the valve opening and closing times having a considerable influence on the power, the fuel consumption, on the low-emission
  • valves Combustion and on the running characteristics of the internal combustion engine at a given speed have.
  • These valves are usually designed as poppet valves, wherein in the closed state of the valve, a valve member is received with its valve plate in a valve seat accurately and sealingly. To open the valve, the valve plate is lifted from the valve seat and thereby opens an annular gap through which the combustion gases can flow. The poppet valve is driven via the valve spindle, which is part of the valve member.
  • modern motors use piezo actuators that open and close a valve at high speed. In particular, during the rapid closing of the poppet valve, the valve plate rebounds into the valve seat, wherein the sealing surfaces of the two elements abut each other. At higher
  • the invention provides methods for bounce suppression of a valve member operated by a piezo actuator during the closing phase in an internal combustion engine and a corresponding apparatus for carrying out the method.
  • the piezoelectric actuator is electronically controlled so that it initially absorbs the kinetic energy of the valve member shortly before the impact during the closing process, itself deformed, generates charge inside and thus increases its restoring force. Even before the piezoelectric actuator transitions into the elastic recoil phase, the charge built up inside the piezoactuator is dissipated, so that the valve member is ultimately damped by an inelastic impact upon impact and guided into the valve seat with less kinetic energy, where the valve disk is then undesirable Impingement remains.
  • the inventive method during the closing phase of the valve comprises the steps: partial unloading of the piezoelectric actuator, whereby the valve member is braked before reaching the valve seat, interrupting the discharge of the piezoelectric actuator, whereby the piezoelectric actuator is compressed by the valve member and builds up electrical charge, re-discharging the Piezoactors, wherein remaining in the piezoelectric actuator residual charge after partial discharge and charge built up during the charge interruption charge is at least partially removed.
  • the method according to the invention for bounce suppression of a valve member operated by a piezoactuator during the closing phase in an internal combustion engine thus includes an interruption of the discharging operation of the piezo actuator when closing the valve, the choice of the times of the start of the interruption and the end of the interruption being decisive for the optimum bounce suppression ,
  • each discharge process is interrupted in a controlled manner.
  • the valve member has a closing speed determined by the interruption period, and this speed and the mass of the valve member determine the kinetic energy of the valve member.
  • the valve member which is connected directly or indirectly indirectly with the piezoelectric actuator, braked by the elastic action of the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator When braking the piezoelectric actuator is deformed by the pulse of the valve member and thereby the piezoelectric crystal in the piezoelectric actuator builds up a charging voltage, which increases the restoring force of the piezocrystal.
  • the piezoactor acts as a plastic impact pad when interrupting the discharge, in which the kinetic energy is converted into deformation energy and dissipated.
  • FIG. 1.1 a diagram of the charging voltage curve of an undamped piezoelectric actuator over a valve cycle
  • FIG. 1.2 shows a diagram of the charging and discharging current of an undamped piezoelectric actuator over the same valve cycle
  • FIG. 1.3 shows a diagram of the valve lift of the undamped piezoelectric actuator over the same valve cycle
  • FIG. 2.1 shows a diagram of the charging voltage curve of a piezoactuator with the method according to the invention for impact suppression
  • Figure 2.2 is a diagram of the charging and discharging of a piezoelectric actuator via the
  • FIG. 2.3 shows a diagram of the valve stroke which is suppressed according to the invention
  • FIG. 3.1 through FIG. 3.6 show a diagram for clarifying the automatic setting of the discharge interruption times
  • Figure 4 is a block diagram of a simple device for loading and unloading a piezoelectric actuator according to the invention.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a control device as a further embodiment of the device according to FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a diagram of the time profile of the charging voltage U P of a piezoelectric actuator over a valve cycle Z along the time t.
  • charging current I P begins to flow in accordance with the diagram in FIG.
  • Charging current I P flows with a constant current from time a to time b.
  • this time interval from the piezoelectric actuator builds the charging voltage U P at time b in the diagram in Figure 1.1.
  • the valve member oscillates according to the diagram in Figure 1.3 still at the opening point at time b and shortly thereafter back and forth.
  • This mechanical oscillation is reflected in the charging voltage U P in the charging voltage diagram in FIG. 1.1.
  • the now open valve remains in the open position from time b to time c.
  • neither the valve lift h v , nor the charging voltage U P nor the charging and discharging current I P apart from the above-mentioned minor mechanical vibrations of the valve lift h v and the corresponding charging voltage U P changes .
  • the piezoelectric actuator by the negative current pulse I P which starts at time c ( Figure 1.2), discharged from time c to time d.
  • this time interval cd follows the valve lift h v of the negative edge in Figure 1.3 between the times c and d.
  • the valve member meets according to the diagram in Figure 1.3 to zero stroke height, equivalent to the impact of the valve disk in the valve seat, where it is then elastically pushed back against the restoring force of a valve spring or the piezoelectric actuator and repeatedly bounced and again thrown back elastically until this impact vibration is absorbed at time e in the diagram in FIG. 1.3.
  • This occurring after closing impact vibration is reflected in the course of the charging voltage U P of the piezoelectric actuator in the diagram in Figure 1.1.
  • To suppress this impact vibration between time d and e after the end of the discharge is the subject of the present invention.
  • the discharge process of the piezoelectric actuator begins by a first negative discharge current pulse according to the diagram in Figure 2.2 from time h to time i.
  • hi falls according to the diagram in Figure 2.1, the charging voltage Up of the piezoelectric actuator to about half to one third of the maximum charging voltage from.
  • the valve lift h v in Figure 2.3 also decreases to about half to one third of the maximum stroke.
  • the discharge current I P ( Figure 2.2) is interrupted.
  • the piezoelectric actuator is not further discharged and is from now on further deformed by the kinetic energy of the valve member.
  • the piezoelectric actuator Due to the deformation, ie the further compression by the braked valve member mass, the piezoelectric actuator builds charge and increases its charging voltage U P in the time interval ij ( Figure 2.1). This increase in the charging voltage U P increases the restoring force of the piezoelectric actuator, whereby the valve member is braked increasingly stronger.
  • the piezoelectric actuator thus absorbs the kinetic energy of the valve member. The energy consumption is limited by the capacity of the piezoelectric actuator, so the maximum possible charge buildup within the piezoelectric actuator. If this is sufficient to stop the valve member completely at this point, then at this point the mechanical stress and the charge of the piezoactuator would cause the piezoactuator to perform a return oscillation while reducing the mechanical stress and reducing the internal charge.
  • FIGS. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 and 3.6 show how a device for bounce suppression finds the right point in time of the interruption of the charging process and the correct time for the re-discharge of the piezoactuator.
  • FIG. 3.1 shows a diagram of four curves of the charging voltage U P of the piezoactuator, wherein curve 1 in FIG. 3.1 belongs to the discharge diagram in FIG. 3.2, curve 2 to discharge diagram in FIG. 3.3, curve 3 to discharge diagram in FIG. 3.4 and curve 4 to discharge diagram in FIG 3.5.
  • the valve lift corresponding to the curves is shown in the diagram in FIG. 3.6.
  • the first, not yet optimized unloading process starts at time I and the discharge pulse lasts according to FIG. 3.2 until time o.
  • the valve member builds up a high kinetic energy and upsets the largely discharged piezoelectric actuator up to the maximum compression and up to the maximum, from this level of mechanical stress of the piezoelectric actuator from possible charge build-up, corresponding to the structure of the charging voltage U P.
  • the renewed energy-absorbing charge build-up is too low to buffer the kinetic energy of the valve member. Therefore, it is necessary to shorten the first discharge pulse so that charge built up by the compression of the piezo actuator still possible at the end of the first discharge pulse is raised to a minimum level.
  • the discharge process starts again at time I, but is interrupted earlier than at time o, namely at time n.
  • the then occurring charge buildup in course 2 after time n is correspondingly greater than after time o in course 1, because the piezoelectric actuator still has sufficient capacity for charge buildup and mechanical compression.
  • the same conditions occur under the action of a time plateau of the charging voltage U P , as in the course of the charging chip
  • the discharge diagram is shown in FIG. 3.4
  • the curve of the charging voltage U P is shown in curve 3 in FIG. 3.1
  • the charging voltage U P increases starting at time m to the level at time o in FIG. 3.1. after at time o the discharge current has been interrupted.
  • This charge build-up represented by the increase of the charging voltage U P in curve 3, is now high enough to absorb the kinetic energy bound in the valve member, the amount of sufficient kinetic energy being predetermined and not derivable from the charging voltage curve itself.
  • the second discharge pulse is pushed so far forward at this point that immediately after the maximum build-up of the charging voltage at time o, course 4 in Figure 3.1 and discharge diagram 3.5, the re-discharge of the piezoelectric actuator begins and the charging voltage U P immediately lowers again to a minimum.
  • the curves of the valve lifts h v do not differ greatly from each other. However, the load picked up by the piezoactuator differs. During optimized discharge, the piezoactuator is loaded and relieved in the elastic range.
  • FIG. 4 shows a device 10 according to the invention for discharging a piezoelectric actuator P, which has a charge / discharge switch Si and a switch S 2 for interrupting the discharging process.
  • a piezoelectric actuator P which has a charge / discharge switch Si and a switch S 2 for interrupting the discharging process.
  • switch Si switch S 2 interrupts the discharge process to dampen the impact of the valve member.
  • a control device 20 which monitors the charging voltage of the piezoelectric actuator P is used to automatically set the times of the discharge current pulses in an embodiment of the device 10.
  • the control device 20 for controlling a piezoelectric actuator P for a valve member in an internal combustion engine has the following components: at least one variable timing element 21 for setting a time for interrupting the discharge of the piezoelectric actuator P, at least one variable timing element 22 for setting a time for renewed Discharge after interruption of the discharge of the piezoelectric actuator P, at least one device 25 for measuring the charge voltage of the piezoelectric actuator P, at least one device 24 for storing the measured data and at least one device 23 for automatic variation of the timing elements.
  • the control device 20 detects an increase in the charging voltage of the piezoelectric actuator P after interruption of the first discharge current and measures the level of the charging voltage increase. Only when the level of the charging voltage increase reaches or exceeds a predetermined value, the control electronics 20 regulates the time of the renewed discharge pulse, wherein the control device 20 detects a temporal plateau formation in this case and as long as the second discharge pulse in aufeina- consecutive valve cycles push forward in time until the temporal plateau formation of the charging voltage fails.
  • the control device 20 controls the times according to the following strategy: First, the setting of the time of the first interruption after partial discharge by the control device 20 that the interruption takes place so late that occurring after interruption compression of the piezoelectric actuator P is so low that the associated charge build-up falls below a predetermined value. This ensures that the control device 20 does not close the valve member at an early closing time. Then, adjusting the timing of the re-discharge by the control device 20, the re-discharge takes place so late that the charge built up by compression of the piezoelectric actuator P does not change over a predetermined time interval. As a result, a temporal plateau is detected, which is minimized in the subsequent control cycle.
  • the control device regulates the times again by subsequently adjusting the timing of the interruption after partial discharge until it is so far forward pushed so that the charge build-up reaches or exceeds a predetermined value. Only then is the adjustment of the time of re-discharge takes place until it has moved so far forward that the charge built up by compression of the piezoelectric actuator within a predetermined time interval changes by a predetermined amount, so that no temporal plateau formation is detected.
  • the control device 20 used for control advantageously has a device which detects the impact of the valve member, preferably via the monitoring of the charging voltage after discharge of the piezoelectric actuator P. If a bounce is detected, the control device 20 is activated to set the discharge times and no bouncing is detected, then the control device 20 is deactivated.
  • a microcontroller 23 may be used or also a control electronics, wherein the input of the control devices, the charging voltage and the output is a signal to trigger the discharge.

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Abstract

Die Erfindung betriff ein Verfahren zur Prellunterdrückung eines durch einen Piezoaktor betriebenen Ventilglieds während der Schließphase eines Ventils in einem Verbrennungsmotor aufweisend die folgenden Schritte teilweises Entladen des Piezoaktors, wodurch das Ventilglied noch vor Erreichen des Ventilsitzes gebremst wird, Unterbrechen der Entladung des Piezoaktors, wodurch der Piezoaktor durch das Ventilglied gestaucht wird und elektrische Ladung aufbaut, erneutes Entladen des Piezoaktors, wobei die Restladung nach teilweisem Entladen und während der Ladungsunterbrechung aufgebaute Ladung zumindest teilweise abgeführt wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Entladevorgang kurzzeitig zu unterbrechen, wodurch der Piezoaktor die kinetische Energie des Ventilgliedes aufnimmt und noch bevor ein elastischer Rückstoß eintritt, wird der Piezoaktor erneut entladen, um die vom Piezoaktor aufgenommene Energie abzuleiten.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Prellunterdrückung eines durch einen Piezoaktor geschalteten Ventils
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prellunterdrückung eines durch einen Piezoaktor betriebenen Ventilglieds während der Schließphase in einem Verbrennungsmotor und eine korrespondierende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
In Verbrennungsmotoren, insbesondere in Otto- und Dieselmotoren, steuern Ventile die Zu- und Abfuhr der Verbrennungsgase, wobei die Ventilöffnungs- und -schließzeiten einen er- heblichen Einfluss auf die Leistung, den Kraftstoffverbrauch, auf die schadstoffarme
Verbrennung und auf die Laufeigenschaften des Verbrennungsmotors bei vorgegebener Drehzahl haben. Diese Ventile sind üblicher Weise als Tellerventile ausgebildet, wobei im geschlossenen Zustand des Ventils ein Ventilglied mit seinem Ventilteller in einem Ventilsitz passgenau und abdichtend aufgenommen ist. Zum Öffnen des Ventils wird der Ventilteller vom Ventilsitz abgehoben und dabei öffnet sich ein Ringspalt, durch welchen die Verbrennungsgase strömen können. Angetrieben wird das Tellerventil über die Ventilspindel, die Teil des Ventilglieds ist. Um die Ventile zu öffnen und zu schließen, werden in modernen Motoren Piezoaktoren eingesetzt, die mit hoher Geschwindigkeit ein Ventil öffnen und wieder schließen. Insbesondere beim schnellen Schließen des Tellerventils prallt der Ventilteller in den Ventilsitz, wobei die Dichtflächen der beiden Elemente aufeinander stoßen. Bei höheren
Schließgeschwindigkeiten führt der Aufprall des Ventiltellers auf den Ventilsitz zu einem elastischen Stoß, wodurch das Tellerventil nicht schlagartig schließt, sondern nach dem ersten Schließen mehrfach geringfügig öffnet und erneut schließt. Dieses Aufprallen beeinträchtigt die Präzision des Schließvorganges und beeinflusst damit die oben erwähnten Eigenschaf- ten des Verbrennungsmotors in unerwünschter Weise. Des Weiteren führt das Aufprallen des Ventiltellers auf den Ventilsitz zu einem schnelleren Materialverschleiß. Insbesondere das Auslassventil eines Verbrennungsmotors ist besonders korrosiven Bedingungen ausge- setzt, weil die Dichtflächen am Ventilteller und am Ventilsitz den hohen Temperaturen und den korrosiven Wirkungen der heißen und abgebrannten Verbrennungsgase ausgesetzt sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt Verfahren zur Prellunterdrückung eines durch einen Piezoaktor betriebenen Ventilglieds während der Schließphase in einem Verbrennungsmotor und eine korrespondierende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung.
Erfindungsgemäß wird der Piezoaktor elektronisch so gesteuert, dass dieser während des Schließvorgangs zunächst die kinetische Energie des Ventilgliedes kurz vor dem Aufprall aufnimmt, sich dabei selbst verformt, Ladung im Innern erzeugt und damit seine Rückstellkraft erhöht. Noch bevor der Piezoaktor in die elastische Rückstoßphase übergeht, wird die im Innern des Piezoaktors aufgebaute Ladung abgeführt, so dass das Ventilglied letztlich durch einen unelastischen Stoß beim Aufprall gedämpft und mit geringerer kinetischer Energie in den Ventilsitz geführt wird, wo der Ventilteller dann ohne die unerwünscht Prallbewegung verbleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren während der Schließphase des Ventils umfasst die Schritte: teilweises Entladen des Piezoaktors, wodurch das Ventilglied noch vor Erreichen des Ventilsitzes gebremst wird, Unterbrechen der Entladung des Piezoaktors, wodurch der Piezoaktor durch das Ventilglied gestaucht wird und elektrische Ladung aufbaut, erneutes Entladen des Piezoaktors, wobei im Piezoaktor verbliebene Restladung nach teilweisem Entla- den und während der Ladungsunterbrechung aufgebaute Ladung zumindest teilweise abgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Prellunterdrückung eines durch einen Piezoaktor betriebenen Ventilglieds während der Schließphase in einem Verbrennungsmotor beinhaltet also eine Unterbrechung des Entladevorgangs des Piezoaktors beim Schließen des Ventils, wobei die Wahl der Zeitpunkte des Starts der Unterbrechung und des Endes der Unterbrechung maßgeblich für die optimale Prellunterdrückung sind.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es alternativ möglich, den Vorgang innerhalb eines Ventilschließzyklus ein- bis mehrfach zu wiederholen, wodurch das Ventilglied stotternd in den Ventilsitz zurückgeführt wird. Dabei wird jeder Entladungsvorgang kontrolliert unterbrochen. In den jeweiligen Unterbrechungszeiten weist das Ventilglied eine durch den Unterbrechungszeitraum bestimmte Schließgeschwindigkeit auf und diese Geschwindigkeit sowie die Masse des Ventilglieds bestimmen die kinetische Energie des Ventilgliedes. Ab dem Zeit- punkt der Unterbrechung wird das Ventilglied, das direkt oder Indirekt kraftschlüssig mit dem Piezoaktor verbunden ist, über die elastische Wirkung des Piezoaktors gebremst. Beim Bremsen wird der Piezoaktor durch den Impuls des Ventilgliedes verformt und dabei baut der Piezokristall im Piezoaktor eine Ladespannung auf, welche die Rückstellkraft des Piezokris- talls erhöht. Noch bevor der Piezokristall selbst in eine Rückschwingung gerät und damit selbst als Prallfläche statt des Ventilsitzes dient, wird die im Piezoaktor aufgebaute Ladung entladen. Der durch die kinetische Energie des Ventilgliedes mechanisch gespannte Piezoaktor verliert durch die Entladung seine Rückstellkraft, wodurch die elastische Rückschwingung nicht eintritt. Insofern wirkt der Piezoaktor beim Unterbrechen der Entladung wie ein plastisches Prallkissen, in welchem die kinetische Energie in Verformungsenergie umgewandelt und abgeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1.1 ein Diagramm des Ladespannungsverlaufes eines ungedämpften Piezoaktors über einen Ventilzyklus,
Figur 1.2 ein Diagramm des Lade- und Entladestroms eines ungedämpften Piezoaktors über denselben Ventilzyklus,
Figur 1.3 ein Diagramm des Ventilhubs des ungedämpften Piezoaktors über den- selben Ventilzyklus,
Figur 2.1 ein Diagramm des Ladespannungsverlaufes eines Piezoaktors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Prallunterdrückung,
Figur 2.2 ein Diagramm des Lade- und Entladestroms eines Piezoaktors über den
Ventilzyklus nach Figur 2.1, Figur 2.3 ein Diagramm des erfindungsgemäß prallunterdrückten Ventilhubes,
Figur 3.1 bi 3.6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der automatischen Einstellung der Ent- ladeunterbrechungszeiten, Figur 4 ein Blockschaltbild einer einfachen Vorrichtung zum Laden und erfindungsgemäßen Entladen eines Piezoaktors, und
Figur 5 ein Blockschaltbild einer Regelvorrichtung als weitere Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Figur 4.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In Figur 1 ist ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Ladespannung UP eines Piezoaktors über einen Ventilzyklus Z entlang der Zeit t dargestellt. Angefangen an Zeitpunkt a im Diagramm in Figur 1.3, an welchem der Piezoaktor nicht geladen ist und das Ventil schließt, der Ventilhub hv zum Zeitpunkt a also null beträgt, beginnt der Ladestrom IP gemäß dem Diagramm in Figur 1.2 zu fließen. Ladestrom IP fließt mit konstantem Strom von Zeitpunkt a bis Zeitpunkt b. Innerhalb dieses Zeitintervalls a-b baut der Piezoaktor die Ladespannung UP an Zeitpunkt b im Diagramm in Figur 1.1 auf. Durch die ungebremste Ausdehnung und durch die mit dem Piezoaktor kraftschlüssig verbundenen Massen, schwingt das Ventilglied gemäß Diagramm in Figur 1.3 noch um den Öffnungspunkt zum Zeitpunkt b und kurz danach hin- und her. Diese mechanische Schwingung spiegelt sich in der Ladespannung UP in dem Ladespannungsdiagramm in Figur 1.1 wider. Das nun geöffnete Ventil verharrt in der offenen Position von Zeitpunkt b bis Zeitpunkt c. Innerhalb dieses Zeitintervalls b-c ändert sich weder der Ventilhub hv, noch die Ladespannung UP noch der Lade- und Entladestrom IP, abgesehen von den eingangs erwähnten geringfügigen mechanischen Schwingungen des Ventilhubs hv und der dazu korrespondierenden Ladespannung UP. Bei Zeitpunkt c wird der Piezoaktor durch den negativen Stromimpuls IP , der an Zeitpunkt c (Figur 1.2) einsetzt, von Zeitpunkt c bis Zeitpunkt d entladen. Innerhalb dieses Zeitintervalls c-d folgt der Ventilhub hv der negativen Flanke in Figur 1.3 zwischen den Zeitpunkten c und d. Zum Zeitpunkt d trifft das Ventilglied gemäß Diagramm in Figur 1.3 auf Hubhöhe null, gleichbedeutend mit dem Aufprall des Ventiltellers in den Ventilsitz, wo es dann elastisch gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder oder des Piezoaktors zurückgestoßen wird und noch mehrfach aufprallt und wieder elastisch zurückgeworfen wird, bis diese Prallschwingung abgeebbt ist zum Zeitpunkt e im Diagramm in Figur 1.3. Diese nach dem Schließen stattfindende Prallschwingung spiegelt sich im Verlauf der Ladespannung UP des Piezoaktors im Diagramm in Figur 1.1 wider. Diese Prallschwingung zwischen Zeitpunkt d und e nach Ende des Entladevorgangs zu unterdrücken, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren 2.1, 2.2 und 2.3 ist der korrespondierende Verlauf der Ladespannung UP des Piezoaktors in Figur 2.1, der Verlauf des Entladestroms in Figur 2.2 und der Ventilhub hv über einen Ventilzyklus Z dargestellt, wobei die Entladung des Piezoaktors erfindungsgemäß unterbrochen wird. Die Unterbrechung ist dargestellt auf der rechten Seite des Diagramms in Figur 2.2. Der Ventilzyklus beginnt bei Zeitpunkt f wie in den Figuren 1.1, 1.2 und 1.3 zum Zeitpunkt a und verläuft über Zeitpunkt g bis zum Zeitpunkt h. Hier unterscheidet sich der Zyklusteil f-g-h in den Figuren 2.1, 2.2 und 2.3 nicht vom Zyklusteil a-b-c in den Figuren 1.1, 1.2 und 1.3. Beginnend bei Zeitpunkt h beginnt der Entladevorgang des Piezoaktors durch einen ersten negativen Entladestromimpuls gemäß Diagramm in Figur 2.2 von Zeitpunkt h bis Zeitpunkt i. Innerhalb dieses Zeitintervalls h-i fällt gemäß Diagramm in Figur 2.1 die Ladespannung Up des Piezoaktors auf ca. die Hälfte bis ein Drittel der maximalen Ladespan- nung ab. Korrespondierend dazu verringert sich der Ventilhub hv in Figur 2.3 auf ebenfalls etwa die Hälfte bis ein Drittel des Maximalhubs. An dieser Stelle, zum Zeitpunkt i, wird der Entladestrom IP (Figur 2.2) unterbrochen. In der Folge wird der Piezoaktor nicht weiter entladen und wird von nun an durch die kinetische Energie des Ventilglieds weiter verformt. Durch die Verformung, also die weitere Stauchung durch die gebremste Ventilgliedmasse, baut der Piezoaktor Ladung auf und erhöht seine Ladespannung UP im Zeitintervall i-j (Figur 2.1). Diese Erhöhung der Ladespannung UP erhöht die Rückstellkraft des Piezoaktors, wodurch das Ventilglied zunehmend stärker abgebremst wird. Der Piezoaktor nimmt also die kinetische Energie des Ventilglieds auf. Die Energieaufnahme ist begrenzt durch die Kapazität des Piezoaktors, also den maximal möglichen Ladungsaufbau innerhalb Piezoaktors. Reicht die- se aus, das Ventilglied zunächst ganz zu stoppen, so würde an diesem Punkt die mechanische Spannung und die Ladung des Piezoaktors dazu führten, dass der Piezoaktor eine Rückschwingung unter Abbau der mechanischen Spannung und unter Abbau der inneren Ladung durchführt. Aber an exakt diesem Punkt, zu Zeitpunkt j, wird die innere Ladung des Piezoaktors durch einem erneuten Entladestromimpuls (Figur 2.2) im Zeitintervall j-k abge- führt, so dass die Rückschwingung unterbunden wird. Zwischen Zeitpunkt j und k wird das Ventilglied durch Entladen des Piezoaktors erneut zur Verringerung des Ventilhubs gebracht. Je nach Intensität dieser erneuten Beschleunigung oder noch restlicher in dem Ventilglied gebundener kinetischer Energie führt diese erneute Entladung und der erneute Rückhub zu einem sanfteren Aufprall des Ventiltellers in den Sitz, ohne dass es dadurch zu einem ein- oder mehrfachen Rückprall kommt.
In den Figuren 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 und 3.6 ist dargestellt, wie eine Vorrichtung zur Prellunterdrückung den richtigen Zeitpunkt der Unterbrechung des Ladevorganges und den richtigen Zeitpunkt zur erneuten Entladung des Piezoaktors findet. Figur 3.1 zeigt hierzu eine Diagrammschar vierer Verläufe der Ladespannung UP des Piezoaktors, wobei Verlauf 1 in Figur 3.1 zum Entladediagramm in Figur 3.2 gehört, Verlauf 2 zu Entladediagramm in Figur 3.3, Verlauf 3 zu Entladediagramm in Figur 3.4 und Verlauf 4 zu Entladediagramm in Figur 3.5. Der zu den Verläufen korrespondierende Ventilhub ist im Diagramm in Figur 3.6 dargestellt.
Beginnend mit Verlauf 1 in Figur 3.1 startet der erste, noch nicht optimierte Entladevorgang an Zeitpunkt I und der Entladeimpuls dauert gemäß Figur 3.2 bis zum Zeitpunkt o. Durch diesen langen Entladeimpuls baut das Ventilglied eine hohe kinetische Energie auf und staucht den zum großen Teil entladenen Piezoaktor bis zur maximalen Stauchung und bis zum maximalen, von diesem Niveau der mechanischen Spannung des Piezoaktors aus möglichen Ladungsaufbau, korrespondierend zum Aufbau der Ladespannung UP. Der erneute energieaufnehmende Ladungsaufbau ist aber zu gering, um die kinetische Energie des Ventilgliedes abzupuffern. Daher ist es notwendig, den ersten Entladeimpuls zu verkürzen, damit durch die am Ende des ersten Entladeimpuls noch mögliche Stauchung des Piezoaktors aufgebaute Ladung auf ein Mindestniveau angehoben wird. In diesem, nicht optimierten Entladevorgang nach Verlauf 1 in Figur 3.1 beginnt erst zum Zeitpunkt r ein neuer Entladeim- puls, durch welchen das sich die vorher auf einem zeitlich stabilen Niveau befindliche Ladespannung Up abgebaut wird. Dieses Niveau im Zeitintervall p-r soll aber genau vermieden werden und wird daher von einer Regelelektronik detektiert und der erste Entladeimpuls wird darauf im nächsten Ventilzyklus verkürzt.
Beim nächsten Ventilzyklus beginnt der Entladevorgang erneut bei Zeitpunkt I, wird aber schon früher als zum Zeitpunkt o, nämlich an Zeitpunkt n unterbrochen. Der dann statt findende Ladungsaufbau in Verlauf 2 nach Zeitpunkt n ist entsprechend größer als nach Zeitpunkt o in Verlauf 1, weil der Piezoaktor noch genügende Kapazität zum Ladungsaufbau und zur mechanischen Stauchung aufweist. Danach stellen sich gleiche Verhältnisse unter BiI- düng eines zeitlichen Plateaus der Ladespannung UP ein, wie im Verlauf 1 der Ladespan¬
In einem noch späteren Ventilzyklus, das Entladediagramm ist in Figur 3.4 dargestellt, der Verlauf der Ladespannung UP ist in Verlauf 3 in Figur 3.1 dargestellt, steigt die Ladespan- nung UP beginnend an Zeitpunkt m bis zum Niveau in Zeitpunkt o in Figur 3.1, nachdem in Zeitpunkt o der Entladestrom unterbrochen wurde. Dieser Ladungsaufbau, repräsentiert durch Anstieg der Ladespannung UP in Verlauf 3 , ist nun hoch genug, um die im Ventilglied gebundene kinetische Energie aufzunehmen, wobei der Betrag der ausreichenden kinetischen Energie vorbestimmt ist und nicht aus dem Diagramm des Ladespannungsverlaufs selbst ableitbar ist. Um die Ausbildung des zeitlich gleich bleibenden Niveaus zu unterdrücken, wird an dieser Stelle der zweite Entladeimpuls so weit nach vorne geschoben, dass direkt im Anschluss an den maximalen Aufbau der Ladespannung an Zeitpunkt o, Verlauf 4 in Figur 3.1 und Entladediagramm 3.5, die erneute Entladung des Piezoaktors beginnt und die Ladespannung UP sofort wieder auf ein Minimum absenkt.
Während der Optimierungsphase unterscheiden sich die Verläufe der Ventilhübe hv nicht stark voneinander. Jedoch unterscheidet sich die vom Piezoaktor aufgenommene Last. Bei der optimierten Entladung wird der Piezoaktor im elastischen Bereich belastet und wieder entlastet.
In Figur 4 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Entladung eines Piezoaktors P dargestellt, der einen Lade-/ Entladeschalter Si und einen Schalter S2 zur Unterbrechung des Entladevorgangs aufweist. Während der Entladung des Piezoaktors P durch den Schalter Si unterbricht Schalter S2 den Entladevorgang um den Aufprall des Ventilgliedes zu dämpfen. Alternativ ist es statt der Verwendung von zwei Schaltern Si und S2 auch möglich, einen einzigen Schalter mit drei Zuständen zu verwenden, der in einem ersten Zustand den Piezoaktor P lädt, in einem zweiten Zustand hochohmig ist und in einem dritten Zustand den Piezoaktor P entlädt.
Wie in Figur 5 dargestellt, wird zur automatischen Einstellung der Zeiten des Entladestromimpulse in Ausgestaltung der Vorrichtung 10 eine Regelvorrichtung 20 verwendet, welche die Ladespannung des Piezoaktors P überwacht. Die Regelvorrichtung 20 zur Steuerung eines Piezoaktors P für ein Ventilglied in einem Verbrennungsmotor weist dazu folgende Kompo- nenten auf: mindestens ein variables Zeitglied 21 zur Einstellung eines Zeitpunktes zur Unterbrechung des Entladevorgangs des Piezoaktors P, mindestens ein variables Zeitglied 22 zur Einstellung eines Zeitpunktes zur erneuten Entladung nach Unterbrechung der Entladung des Piezoaktors P, mindestens eine Vorrichtung 25 zur Messung der Ladungsspannung des Piezoaktors P, mindestens eine Vorrichtung 24 zur Speicherung der Messdaten und mindes- tens eine Vorrichtung 23 zur automatischen Variation der Zeitglieder.
Zur Einstellung der Entladestromzeiten detektiert die Regelvorrichtung 20 ein Ansteigen der Ladespannung des Piezoaktors P nach Unterbrechung des ersten Entladestroms und misst die Höhe des Ladespannungsanstiegs. Erst wenn die Höhe des Ladespannungsanstiegs einen vorbestimmten Wert erreicht oder übersteigt, dann regelt die Regelelektronik 20 den Zeitpunkt des erneuten Entladeimpulses, wobei die Regelvorrichtung 20 in diesem Fall eine zeitliche Plateauausbildung detektiert und solange den zweiten Entladeimpuls in aufeina- nanderfolgenden Ventilzyklen zeitlich nach vorne schiebt, bis die zeitliche Plateauausbildung der Ladespannung ausbleibt. Um die beiden Zeitpunkte einzustellen, regelt die Regelvorrichtung 20 die Zeitpunkte nach folgender Strategie: Zunächst erfolgt das Einstellen des Zeitpunktes der ersten Unterbrechung nach teilweiser Entladung durch die Regelvorrichtung 20, dass die Unterbrechung so spät statt findet, dass die nach Unterbrechung auftretende Stauchung des Piezoaktors P so gering ist, dass der damit einhergehende Ladungsaufbau einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Regelvorrichtung 20 das Ventilglied nicht zu einem zu frühen Schließzeitpunkt schließt. Sodann beginnt das Einstellen des Zeitpunktes der erneuten Entladung durch die Regelvorrichtung 20, dass die erneute Entladung so spät stattfindet, dass sich die durch Stauchung aufgebaute Ladung des Piezoaktors P über einen vorgegebenen Zeitintervall nicht ändert. Hierdurch wird ein zeitliches Plateau detektiert, das im nachfolgenden Regelzyklus minimiert wird. Von diesem nicht optimalen Zustand regelt die Regelvorrichtung die Zeitpunkte erneut durch darauf folgendes Verstellen des Zeitpunkts der Unterbrechung nach teilweiser Entladung bis dieser zeitlich so weit nach vorne verschoben ist, dass der Ladungsaufbau einen vorgegeben Wert erreicht oder überschreitet. Erst darauf folgend findet das Verstellen des Zeitpunkts der erneuten Entladung statt, bis dieser so weit nach vorne verschoben ist, dass sich die durch Stauchung aufgebaute Ladung des Piezoaktors innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls um einen vorgegebenen Betrag ändert, so dass keine zeitliche Plateauausbildung detektiert wird.
Die zur Regelung eingesetzte Regelvorrichtung 20 weist in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung auf, die das Aufprallen des Ventilgliedes detektiert, vorzugsweise über die Überwachung der Ladespannung nach Entladung des Piezoaktors P. Wenn ein Aufprallen detektiert wird, wird die Regelvorrichtung 20 zur Einstellung der Entladezeitpunkte aktiviert und wenn kein Aufprallen mehr detektiert wird, dann wird die Regelvorrichtung 20 deaktiviert.
Zur Implementierung der Regelvorrichtung 20 kann ein Mikrocontroller 23 eingesetzt werden oder auch eine Regelelektronik, wobei der Eingang der Regelvorrichtungen die Ladespan- nung und der Ausgang ein Signal zur Auslösung des Entladevorgangs ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Prellunterdrückung eines durch einen Piezoaktor betriebenen Ventilglieds während der Schließphase eines Ventils in einem Verbrennungsmotor aufweisend die folgenden Schritte: - teilweises Entladen des Piezoaktors, wodurch das Ventilglied noch vor Erreichen des Ventilsitzes gebremst wird,
Unterbrechen der Entladung des Piezoaktors, wodurch der Piezoaktor durch das Ventilglied gestaucht wird und elektrische Ladung aufbaut, erneutes Entladen des Piezoaktors, wobei die Restladung nach teilweisem Entladen und während der Ladungsunterbrechung aufgebaute Ladung zumindest teilweise abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zyklus aus teilweisem Entladen, Unterbrechen der Entladung und erneutem Entladen mindestens einmal wiederholt wird und dadurch das Ventil beim Schließen stottert.
3. Verfahren nach einem er Ansprüche 1 oder 2, wobei der Zeitpunkt der Unterbrechung und/oder der Zeitpunkt der erneuten Entladung durch eine Regelvorrichtung variiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ladespannung des Piezoaktors durch die Regelvorrichtung überwacht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend die zusätzlichen Schritte ü- ber mehr als einen Ventilzyklus:
Einstellen des Zeitpunktes der Unterbrechung nach teilweiser Entladung durch die Regelvorrichtung, dass die Unterbrechung so spät statt findet, dass die nach Unterbrechung auftretende Stauchung des Piezoaktors so gering ist, dass der damit einhergehende Ladungsaufbau einen vorgegebenen Wert unterschreitet, - Einstellen des Zeitpunktes der erneuten Entladung durch die Regelvorrichtung, dass die erneute Entladung so spät stattfindet, dass sich die durch Stauchung aufgebaute Ladung des Piezoaktors über einen vorgegebenen Zeitintervall nicht ändert, darauf folgend Verstellen des Zeitpunkts der Unterbrechung nach teilweiser Entladung bis dieser zeitlich so weit nach vorne verschoben ist, das der Ladungsaufbau einen vorgegeben Wert erreicht oder überschreitet, und darauf folgend Verstellen des Zeitpunkts der erneuten Entladung bis dieser so weit nach vorne verschoben ist, das sich die durch Stauchung aufgebaute Ladung des Pie- zoaktors über innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls um einen vorgegebenen Betrag ändert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Zeitpunkte der Unterbrechung und erneuter Entladung für aufeinander folgende Zyklen beim Stottern nacheinander eingestellt werden.
7. Regelvorrichtung zur Steuerung eines Piezoaktors für ein Ventil in einem Verbrennungsmotor, aufweisend: - mindestens eine Vorrichtung zur Entladung des Piezoaktors, mindestens eine Vorrichtung zur Unterbrechung des Entladevorgangs des Piezoaktors innerhalb eines Entladezyklus.
8. Regelvorrichtung nach Anspruch 7 aufweisend: - mindestens ein variables Zeitglied zur Einstellung eines Zeitpunktes zur Unterbrechung des Entladevorgangs des Piezoaktors, mindestens ein variables Zeitglied zur Einstellung eines Zeitpunktes zur erneuten Entladung nach Unterbrechung der Entladung des Piezoaktors, mindestens eine Vorrichtung zur Messung der Ladungsspannung des Piezoaktors, - mindestens eine Vorrichtung zur Speicherung der Messdaten und mindestens eine Vorrichtung zur automatischen Variation der Zeitglieder, wobei die Vorrichtung zur automatischen Variation der Zeitglieder die Zeitpunkte zur Unterbrechung des Entladevorgangs und der erneuten Entladung nach Unterbrechung nach dem Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 variiert.
9. Regelvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Vorrichtung zur automatischen Variation der Zeitglieder eine Regelelektronik ist.
10. Regelvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Vorrichtung zur automa- tischen Variation der Zeitglieder ein Mikrocontroller ist.
11. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, welche eine Vorrichtung zur De- tektion des Ventilpralls aufweist, welche bei positiver Detektion des Ventilpralls die Vorrichtung zur automatischen Variation der Zeitglieder aktiviert und/oder bei negativer Detektion die Ventilpralls die Vorrichtung zur automatischen Variation der Zeitglieder deaktiviert..
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