-
Die
Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung eines
Ventils einer Brennkraftmaschine, welches zwischen einer Ventilschließstellung
und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Öffnung einer
Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben und zu versperren,
mit einer Nockenwelle mit mindestens einem Nocken und mindestens
einem Nockenfolgeelement zur Auslenkung des Ventils, wobei das mindestens
eine Nockenfolgeelement im Rahmen einer kinematischen Zwangssteuerung
bei umlaufender Nockenwelle den Hub des mindestens einen Nockens
auf das Ventil übertragen
kann.
-
Eine
derartige Ventilbetätigungseinrichtung ist
auch Gegenstand der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 31 214 A1 . Um den
Hub des Ventils einstellen zu können,
ist eine Flüssigkeit
im Kraftübertragungsweg
zwischen dem Ventil und dem dazugehörigen Nockenfolgeelement angeordnet,
welche durch Erzeugung eines Magnet- oder Elektrofeldes aus einem
flüssigen
in einen festen Zustand überführbar ist,
beispielsweise eine magneto-rheologische Flüssigkeit.
-
Um
den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine
Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen
zur Betätigung
der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben
der Verbrennungsgase über
die Auslaßöffnungen
und das Füllen
des Brennraums mit Frischgemisch bzw. Frischluft über die
Einlaßöffnungen
des Zylinders, d. h. der Brennkammer. Zur Steuerung des Ladungswechsels
werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane
verwendet, die während
des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung
ausführen
und auf diese Weise die Einlaßöffnungen
bzw. Auslaßöffnungen
freigeben und verschließen.
-
Die
für die
Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungseinrichtung einschließlich der Ventile
selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe
des Ventiltriebes die Einlaß-
bzw. Auslaßöffnungen
der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei
eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte
angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering
zu halten und eine möglichst
gute Füllung
des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges,
Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der
Technik werden Brennkammern daher auch häufig und zunehmend mit zwei
oder mehr Einlaß-
bzw. Auslaßöffnungen ausgestattet.
-
In
der Regel werden zur Betätigung
eines Ventils einerseits Ventilfedermittel vorgesehen, um das Ventil
in Richtung Ventilschließstellung
vorzuspannen, und andererseits eine Ventilbetätigungseinrichtung eingesetzt,
um das Ventil entgegen der Vorspannkraft der Ventilfedermittel auszulenken,
d. h. zu öffnen.
-
Eine
Ventilbetätigungseinrichtung
umfaßt eine
Nockenwelle, auf der mindestens ein Nocken, in der Regel aber eine
Vielzahl von Nocken angeordnet ist. Grundsätzlich wird zwischen einer
untenliegenden Nockenwelle und einer obenliegenden Nockenwelle unterschieden.
Dabei wird Bezug genommen auf die Trennebene zwischen Zylinderkopf
und Zylinderblock. Liegt die Nockenwelle oberhalb dieser Trennebene
handelt es sich um eine obenliegende Nockenwelle, andernfalls um
eine untenliegende Nockenwelle.
-
Neben
der Nockenwelle umfaßt
eine Ventilbetätigungseinrichtung
als weiteres Element mindestens ein sogenanntes Nockenfolgeelement,
welches im Rahmen einer kinematischen Zwangssteuerung bei umlaufender
Nockenwelle das Ventil auslenkt. Jedes Element, welches der Nockenbewegung
direkt oder indirekt folgt und im Kraftfluß zwischen Nocken und Ventil
angeordnet ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Nockenfolgeelement
bezeichnet.
-
Nach
dem Stand der Technik kann als Nockenfolgeelement ein Schwinghebel,
ein Kipphebel oder ein Stößel eingesetzt
werden. Bei Einsatz eines Schwing- oder Kipphebels kann zusätzlich ein
Stößel zum
Einsatz kommen, wobei der Stößel grundsätzlich am
freien Ende, d. h. an dem dem Ventilteller gegenüberliegenden Ende, des Ventilschafts
angeordnet ist.
-
Folglich
umfaßt
eine Ventilbetätigungseinrichtung
mindestens ein Nockenfolgeelement, wobei Varianten, welche einen
Hebel einsetzen, als zweites Nockenfolgeelement einen Stößel aufweisen
können.
Es können
weitere Nockenfolgeelemente vorgesehen werden, beispielsweise eine
Stoßstange
bei untenliegender Nockenwelle. Die Nockenfolgeelemente können zudem
mehrteilig aufgebaut sein, wie für
einen Kipphebel in der
EP
312 216 B1 beschrieben.
-
Aus
dem Stand der Technik sind auch Ventilbetätigungseinrichtungen bekannt,
welche ein künstliches
Muskelelement einsetzen, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft
der Ventilfedermittel auszulenken, d. h. zu öffnen. Die
EP 1 411 211 B1 offenbart eine
derartige Ventilbetätigungseinrichtung.
-
Bei
der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den
Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen
angestrebt, um zukünftige Grenzwerte
für Schadstoffemissionen
einzuhalten. Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere
bei Ottomotoren, die aufgrund der Lastregelung mittels Quantitätsregelung
den schlechteren Wirkungsgrad aufweisen.
-
Diese
Art der Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt
vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe wird
ein Druckverlust in der angesaugten Luft generiert. Bei konstantem
Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten
Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität, eingestellt werden.
-
Um
die Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur
Laststeuerung entwickelt.
-
Ein
Lösungsansatz
zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht
in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu
konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile
als auch die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs- und Schließzeit des
Ventils, bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare
Mechanik des Ventiltriebes als unveränderliche Größen vorgegeben sind,
können
diese den Verbrennungsprozeß und
damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels
variabler Ventiltriebe mehr oder weniger variiert werden. Bei Einsatz
einer voll variablen Ventilsteuerung können der Hub und die Steuerzeiten
beliebig gewählt
werden und zwar vorzugsweise für
jedes Ventil.
-
Spürbare Kraftstoffeinsparungen
können aber
auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden. Ein
solcher Ventiltrieb ist beispielsweise der VALVETRONIC Ventiltrieb
von BMW, wie er in der Motortechnischen Zeitung, Jahrgang 2001,
Heft 6, Seite 18 beschrieben wird.
-
Bei
diesem Ventiltrieb können
die Schließzeit des
Einlaßventils
und der Einlaßventilhub
variiert werden. Hierdurch ist eine drosselfreie und damit verlustfreie
Laststeuerung möglich.
-
Die
während
des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dabei nicht
wie bei konventionellen Ottomotoren mittels einer im Ansaugtrakt
angeordneten Drosselklappe gesteuert, d. h. bemessen, sondern über den
Einlaßventilhub
und die Öffnungsdauer
des Einlaßventils.
-
Teilweise
variable Ventiltriebe können
auch mittels sogenannter Nockenwellenversteller realisiert werden.
Dabei wird die Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle durch Verdrehen
der Nockenwelle verändert,
wodurch Einfluß genommen
wird auf die Steuerzeiten der Ventile.
-
Die
Verwendung eines variablen Ventiltriebs ist nicht nur im Hinblick
auf die bereits beschriebene Entdrosselung der Brennkraftmaschine
und eine damit verbundene Verbrauchsoptimierung der Brennkraftmaschine
vorteilhaft, sondern auch im Hinblick auf die Problematik, die sich
aus einer starren Steuerzeit einerseits und einer variablen Drehzahl
andererseits ergibt, so dass bei konventionellen Ventiltrieben ein
Kompromiß gefunden
werden muß,
der dem gesamten Drehzahlbereich Rechnung trägt.
-
So
beeinflußt
die Steuerzeit, zu der das Einlaßventil schließt, die
Füllung
des Brennraums und damit die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine.
Bei niedrigen Drehzahlen ist es vorteilhaft, das Einlaßventil
früh zu
schließen,
d. h. eine kurze Öffnungsdauer
zu realisieren, was jedoch bei hohen Drehzahlen, insbesondere bei
der Nenndrehzahl, zu ungewollten Füllungsverlusten führt. Daher
wird bei hohen Drehzahlen bevorzugt, das Einlaßventil spät zu schließen, d. h. eine längere Öffnungsdauer
zu realisieren, um in diesem Drehzahlbereich eine gute Füllung des
Brennraums sicherzustellen. Ein spätes Schließen des Einlaßventils
führt aber
durch teilweises Ausschieben der frisch angesaugten Zylinderladung
zu Füllungsverlusten
bei niedrigen Drehzahlen. Eine feste Steuerzeit bildet daher immer
einen Kompromiß zwischen
den beiden oben beschriebenen, kollidierenden Szenarien. Vorzugsweise
ist die Steuerzeit, zu der das Einlaßventil schließt, variabel
steuerbar, was mittels eines variablen Ventiltriebs realisiert werden
kann. Bei niedrigen Drehzahlen könnte dann
das Einlaßventil
früh, bei
hohen Drehzahlen spät
geschlossen werden.
-
Ein
weiterer Anwendungsfall für
eine variable Ventilsteuerung ist die Variation der sogenannten Ventilüberschneidung,
d. h. des Kurbelwinkelbereichs, in dem das Auslaßventil bei geöffnetem
Einlaßventil
noch nicht geschlossen ist. Im Bereich der Ventilüberschneidung
kann es zu Spülverlusten
kommen, wobei ein Teil des angesaugten Gemisches bzw. der angesaugten
Frischluft durch den Brennraum strömt, ohne an der Verbrennung
teilzunehmen. Dies führt
einerseits zu schlechteren Wirkungsgraden, aber andererseits zu
einer größeren Zylinderfrischladung
und damit zu einer höheren
Leistung. Bei niedrigen Drehzahlen wird eine kleinere und bei höheren Drehzahlen
eine größere Ventilüberschneidung
angestrebt. Eine variable Ventilsteuerung ermöglicht eine Variation der Ventilüberschneidung
in Abhängigkeit
von der Drehzahl.
-
Vor
dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Ventilbetätigungseinrichtung
zur Betätigung
eines Ventils gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine Variation der Steuerzeiten
des Ventils ermöglicht.
-
Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung eines
Ventils einer Brennkraftmaschine, welches zwischen einer Ventilschließstellung
und einer Ventiloffenstellung bewegbar ist, um eine Öffnung einer
Brennkammer der Brennkraftmaschine freizugeben und zu versperren,
mit einer Nockenwelle mit mindestens einem Nocken und mindestens
einem Nockenfolgeelement zur Auslenkung des Ventils, wobei das mindestens
eine Nockenfolgeelement im Rahmen einer kinematischen Zwangssteuerung
bei umlaufender Nockenwelle den Hub des mindestens einen Nockens
auf das Ventil übertragen
kann, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Nockenfolgeelement
einen schaltbaren künstlichen
Muskel aufweist, wobei die kinematische Zwangssteuerung durch Schalten
des künstlichen
Muskels derart beeinflußbar
ist, dass der Hub des mindestens einen Nockens vollständig, teilweise
oder nicht auf das Ventil übertragen
wird.
-
Künstliche
Muskeln sind Aktuatoren, welche in ihren Eigenschaften der natürlichen
Muskulatur ähneln
bzw. nachgebildet sind. Charakteristisch für künstliche Muskeln ist insbesondere
eine im Volumen stattfindende Krafterzeugung aufgrund atomarer oder
molekularer Wechselwirkungen. Häufig
bestehen künstliche
Muskeln – ähnlich wie
natürliche Muskeln – aus einem
gestaltveränderlichen,
weichen Material.
-
Die
Krafterzeugung in bekannten künstlichen Muskeln
kann auf elektrostatischen Anziehungskräften, auf dem piezoelektrischen
Effekt, auf einer Ultraschallerzeugung, auf einem Formgedächtnis von
Materialien, auf einem Ionenaustausch, auf einer Streckung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
auf einer Kontraktion und/oder auf der Einlagerung von Wasserstoff
in Metallhydride beruhen.
-
Je
nach Wirkungsprinzip können
künstliche Muskeln
aus Polymeren, insbesondere Polymer-Gelen, aus ferroelektrischen
Substanzen, aus Silizium, aus Legierungen mit einem Formgedächtnis oder dergleichen
hergestellt sein. Eine detaillierte Beschreibung verschiedener Arten
künstlicher
Muskeln ist z. B. in der
EP
0 924 033 A2 , der
US 2002/0026794 A1 , der
US 6 109 852 A und ähnlicher Patentliteratur
zu finden. Darüber
hinaus sind Beispiele künstlicher
Muskeln in Publikationen von Forschungsinstituten beschrieben (z.
B. Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
in Stuttgart; Abteilung für
künstliche
Intelligenz des MIT, Massachusetts, USA).
-
Erfindungsgemäß verfügt die Ventilbetätigungseinrichtung über mindestens
ein Nockenfolgeelement, wobei wiederum mindestens ein Nockenfolgeelement
der Ventilbetätigungseinrichtung über mindestens
einen künstlichen
Muskel verfügt.
Bei Aktivierung bzw. Deaktivierung des künstlichen Muskels, d. h. durch
Schalten, verändert
der Muskel seine geometrische Gestalt und/oder seine Eigenschaften.
-
Durch
die Verwendung eines künstlichen Muskels
bzw. durch Schalten dieses künstlichen Muskels
kann die kinematische Zwangssteuerung zwischen umlaufender Nockenwelle
und Nockenfolgeelement bzw. Ventil beeinflußt werden. Damit ist die Auslenkung
des Ventils steuerbar, d. h. der Hub des Ventils, aber auch die
Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs-
und Schließzeit
des Ventils, sind veränderbar.
-
Im
Vergleich zu den herkömmlichen
komplexen Betätigungseinrichtungen
zur Realisierung variabler Steuerzeiten, wie sie aus dem Stand der
Technik bekannt sind, ist die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung wesentlich
leichter, kostengünstiger,
kleiner, d. h. weniger voluminös,
und einfacher im Aufbau und in der Betätigung, wobei eine Aktivierung
schon mittels eines elektrischen Signals möglich ist, wie weiter oben
bereits erwähnt
wurde.
-
Das
Material, aus dem künstliche
Muskeln ausgebildet sind, ist von einem geringeren spezifischen
Gewicht als herkömmliche
Werkstoffe zur Herstellung von Nockenfolgeelementen, so dass das
unter Verwendung eines künstlichen
Muskels ausgebildete Nockenfolgeelement leichter ist als ein herkömmliches
Nockenfolgeelement. Dies vermindert die Masse des Ventiltriebes
weiter, was als vorteilhaft anzusehen ist, da man ständig bemüht ist,
die Massenkräfte
im Ventiltrieb zu reduzieren. Insbesondere Ventiltriebe, bei denen
Magnete zur variablen Steuerung der Ventile verwendet werden, weisen
ein sehr hohes Gewicht auf. Zudem sind künstliche Muskeln weniger temperaturempfindlich
als herkömmliche
Aktuatoren, beispielsweise Magnete.
-
Die
Anzahl der Bauteile wird durch den Einsatz eines künstlichen
Muskels ebenfalls reduziert. So weist die erfindungsgemäße Ventilbetätigungseinrichtung
beispielsweise im Vergleich zu der in der
EP 312 216 B1 beschriebenen
Vorrichtung wesentlich weniger Bauteile auf, was nicht nur die Herstellungskosten
senkt, sondern das Eigengewicht weiter reduziert und zu einem verhältnismäßig kleinen
Bauvolumen führt,
was ein möglichst
effektives Packaging unterstützt.
Letzteres ist besonders vorteilhaft, wenn berücksichtigt wird, dass der am
Zylinderkopf zur Verfügung
stehende Bauraum begrenzt ist.
-
Durch
die Verwendung eines künstlichen Muskels
zur Ausbildung des mindestens einen Nockenfolgeelementes wird somit
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Ventilbetätigungseinrichtung
zur Betätigung
eines Ventils bereitzustellen, die eine Variation der Steuerzeiten des
Ventils ermöglicht.
-
Die
Ventilbetätigungseinrichtung
kann zwei oder mehrere Nockenfolgeelemente aufweisen, von denen
jedes einen künstlichen
Muskel aufweisen kann, aber nur ein Nockenfolgeelement einen künstlichen
Muskel aufweisen muß.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche Muskel
das mindestens eine Nockenfolgeelement mit ausbildet. Das heißt, der
künstliche
Muskel bildet einen Teil des Nockenfolgeelementes und ist in das Nockenfolgeelement
integriert.
-
Ein
erfindungsgemäß ausgebildetes
Nockenfolgeelement ergibt sich ausgehend von einem herkömmlichen
Nockenfolgeelement dann in der Regel dadurch, dass ein Teil des
herkömmlichen
Nockenfolgeelements durch den künstlichen
Muskel ersetzt wird.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche Muskel
und das mindestens eine Nockenfolgeelement ein monolithisches Bauteil
bilden, d. h. einstückig
ausgebildet sind.
-
Der
künstliche
Muskel und das mindestens eine Nockenfolgeelement sind vorliegend
unlösbar miteinander
verbunden.
-
Vorteilhaft
sind aber auch Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche
Muskel und das mindestens eine Nockenfolgeelement stoffschlüssig und/oder
formschlüssig und/oder
kraftschlüssig
miteinander verbunden sind. Dabei ist das Nockenfolgeelement modular
aufgebaut, d. h., der künstliche
Muskel ist eines von mindestens zwei Bauteilen. Eine stoffschlüssige Verbindung
kann durch Schweißen
oder Kleben ausgebildet werden.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung
werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche Muskel
zweistufig schaltbar ist. Gemäß dieser
Ausführungsform
kann der künstliche
Muskel zwei Zustände
annehmen.
-
Beispielsweise
kann ein künstlicher
Muskel, der unter Verwendung eines Formgedächtniswerkstoffes ausgebildet
wurde, durch Schalten, d. h. durch Aktivieren bzw. Deaktivieren,
seine geometrische Gestalt ändern.
Der Muskel nimmt in den beiden Schaltungszuständen unterschiedliche äußere Gestalten
an. Ein Nockenfolgeelement, das einen derartigen Muskel aufweist, ändert folglich
beim Schalten auch seine äußere Gestalt.
-
Ein
künstlicher
Muskel, dessen physikalische Eigenschaften sich durch ein Schalten
verändern,
ist ein weiteres Beispiel und kann ebenfalls zur Ausbildung einer
Ventilbetätigungseinrichtung
gemäß der in
Rede stehenden Ausführungsform
verwendet werden. Ein derartiger Muskel weist gegebenenfalls in
beiden Schaltungszuständen
dieselbe äußere Gestalt
auf, aber beispielsweise eine unterschiedliche Festigkeit. So kann
der Muskel in einem ersten Zustand fest, d. h. starr, sein und sich
zur Weiterleitung von Kräften
eignen, in einem anderen Zustand hingegen elastisch und nachgiebig
sein und daher nicht fähig,
Kräfte
und Auslenkungen aufzunehmen bzw. weiterzuleiten. Im letztgenannten Schaltungszustand
wird ein entsprechendes Nockenfolgeelement bei umlaufender Nockenwelle
lediglich deformiert und kann entweder keine Kräfte oder aber nur eine verminderte
Betätigungskraft
weiterleiten.
-
Durch
geeignete Anordnung des zweistufig schaltbaren künstlichen Muskels kann die
kinematische Zwangssteuerung durch Schalten des künstlichen
Muskels beeinflußt
und die Auslenkung des Ventils gesteuert werden.
-
Insbesondere
kann der künstliche
Muskel als so genanntes Lost-Motion-Element dienen, durch dessen
Aktivierung bzw. Deaktivierung die kinematische Zwangssteuerung
des Ventils durch die Nockenwelle vollständig aufgehoben wird.
-
Letzteres
gilt aber auch bei Verwendung mehrstufig bzw. stufenlos schaltbarer
Muskeln, zu deren Ausbildung ebenfalls und beispielsweise Formgedächtniswerkstoffe
verwendet werden können,
aber auch Werkstoffe deren Eigenschaften, insbesondere deren Festigkeit,
sich in mehreren Stufen bzw. stufenlos verändern lassen bzw. läßt.
-
Vorteilhaft
sind daher auch Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche
Muskel stufenlos schaltbar ist. Diese Ausführungsform gestattet eine stufenlose
Variation der Steuerzeiten und/oder des Ventilhubs und damit die Ausbildung
eines voll variablen Ventiltriebs.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen das mindestens eine Nockenfolgeelement ein Stößel ist.
-
Bei
Verwendung eines Stößels wird
dieser Stößel auf
das der Brennkammer abgewandte Ende des Ventils aufgesetzt, so dass
der Stößel an der
oszillierenden Hubbewegung des Ventils teilnimmt, wenn im Rahmen
der Ventilbetätigung
der Stößel betätigt, d.
h. ausgelenkt, wird. Dabei kann sich entweder der Nocken selbst
mit seiner Nockenmantelfläche
im Bereich der Nockennase entlang einer Berührungslinie mit dem Stößel in Eingriff
befinden oder aber ein vom Nocken ausgelenkter Hebel.
-
Eine
geringe Anzahl an Komponenten erhöht die Steifigkeit des Ventiltriebs,
weshalb Ausführungsformen
vorteilhaft sind, bei denen der mindestens eine Nocken der Nockenwelle
in einer Kontaktzone direkt mit dem als Nockenfolgeelement dienenden Stößel zusammenwirkt,
also neben dem Stößel kein weiteres
Nockenfolgeelement vorgesehen ist.
-
Befindet
sich gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
der Nocken mit dem Stößel im Eingriff,
gleitet der Nocken mit seiner Nockenmantelfläche entlang einer Berührungslinie
auf der Oberfläche des
Stößels im
Bereich der sogenannten Stößelkrone
ab. Dabei hat die Drehbewegung des Nockens eine Hubbewegung des
Stößels zur
Folge. Um das Abgleiten zu erleichtern und den Verschleiß beider Bauteile
zu minimieren, wird die Kontaktzone zwischen Nocken und Stößel, d.
h. die Stößelkrone,
häufig
mit Schmieröl
versorgt.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der Stößel in der Kontaktzone
mit dem Nocken einen künstlichen
Muskel aufweist. Dabei sind unterschiedliche Ausführungsformen
des Stößels realisierbar,
die sich im Wesentlichen hinsichtlich der Art des verwendeten künstlichen
Muskels unterscheiden.
-
So
kann in der Stößelkrone
des Stößels ein unter
Verwendung eines Formgedächtniswerkstoffes ausgebildeter
künstlicher
Muskel angeordnet sein. Die Stößelkrone
weist dann in einem Schaltungszustand des Muskels die äußere Gestalt
eines herkömmlichen
Stößels auf,
so dass der Stößel und
mit diesem das Ventil bei umlaufender Nockenwelle und eingreifendem
Nocken betätigt
und ausgelenkt werden.
-
Dahingegen
ist die äußere Gestalt
des künstlichen
Muskels und damit des Stößels in
einem anderen Schaltungszustand der Art, dass das kinematische Zusammenwirken
von Nocken und Stößel und somit
die Steuerzeiten, die Öffnungsdauer
und/oder der Hub des Ventils verändert
sind. Gegebenenfalls berührt – in einem
bestimmten Schaltungszustand – der
Nocken den Stößel bei
umlaufender Nockenwelle nicht mehr, wenn nämlich der Stößel als
Lost-Motion-Element dient.
-
Die
Ventilerhebungskurve ändert
sich vorliegend aufgrund einer aktiven Veränderung der äußeren Gestalt
eines an der Ventilbetätigung
beteiligten Nockenfolgeelements, welches vorliegend ein Stößel ist.
Es können
zweistufig, mehrstufig oder stufenlos schaltbare künstliche
Muskeln zum Einsatz kommen.
-
Gemäß einer
alternativen Ausführungsform kann
der Stößel im Bereich
der Stößelkrone
mit einem künstlichen
Muskel versehen werden, dessen physikalische Eigenschaften sich
durch ein Schalten verändern.
-
Bei
Verwendung eines derartigen Muskels zur Ausbildung der Stößelkrone
weist der Stößel beispielsweise
in einem bestimmten Schaltungszustand eine ausreichende Festigkeit
auf, um Kräfte
aufzunehmen und Auslenkungen an das Ventil weiterzuleiten.
-
Durch
Schalten ändert
sich dann die Festigkeit des Muskels, so dass der Stößel im Bereich
der Stößelkrone
in diesem Schaltungszustand beispielsweise nicht mehr starr, sondern
nachgiebig ist. Greift der Nocken bei umlaufender Nockenwelle in
die Stößelkrone
zwecks Auslenkung ein, gibt der Muskel, d. h. die Stößelkrone,
lediglich dem Nocken nach, so dass weder der Stößel noch das Ventil translatorisch verschoben
werden bzw. diese Verschiebung gedämpft, d. h. nur vermindert,
stattfindet. Dabei können
wieder zweistufig, mehrstufig oder stufenlos schaltbare künstliche
Muskeln zum Einsatz kommen.
-
Bei
Verwendung eines Muskels der zuvor beschriebenen Art, dessen Festigkeit
sich durch Schalten verändert,
sind Ausführungsformen
vorteilhaft, bei denen der Muskel membranähnlich ausgeführt wird
und diese Membran im Bereich der Stößelkrone vergleichbar mit dem
Fell einer Trommel ausgespannt wird.
-
Während also
bei Verwendung von Formgedächtniswerkstoffen
die äußere Gestalt
des Muskels bzw. Nockenfolgeelementes infolge Schalten aktiv verändert wird,
wird vorliegend die Gestaltänderung des
künstlichen
Muskels passiv und erst bei Eingreifen des Nockens hervorgerufen.
-
Die
vorstehenden Ausführungen
hinsichtlich des Stößels, denen
im Rahmen der Beschreibung eine direkte Betätigung des Stößels durch
einen Nocken der Nockenwelle zugrunde liegt, gelten in analoger
Weise auch für
Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen neben dem Stößel ein
weiteres Nockenfolgeelement vorgesehen ist und der Stößel nicht
direkt vom Nocken, sondern unter Zwischenschaltung dieses Nockenfolgeelementes indirekt
vom Nocken betätigt
wird; beispielsweise mittels eines Hebels. Das weitere Nockenfolgeelement kann
ebenfalls einen künstlichen
Muskel aufweisen oder auch nicht.
-
Die
Lage der Nockenwelle bzw. der Ventile, insbesondere die Einbausituation
für den
Ventiltrieb im Zylinderkopf, kann den Einsatz weiterer bzw. anderer
Nockenfolgeelemente erforderlich machen.
-
Vorteilhaft
sind daher unter Umständen
Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen das mindestens eine Nockenfolgeelement ein Hebel ist,
wobei der Hebel ein Schwinghebel oder ein Kipphebel sein kann. Der
Hebel kann dabei direkt das Ventil oder aber einen am Ende des Ventilschafts angeordneten
Stößel mitsamt
Ventil auslenken.
-
Ein
Schwinghebel wird durch den Eingriff des Nockens um einen festen
Drehpunkt – d.
h. in der Regel um eines seiner beiden Enden – verschwenkt, wodurch das
Ventil ausgelenkt wird. Das Ventil und der Nocken liegen auf gegenüberliegenden
Seiten des Hebels. Bei einem Kipphebel, der um einen mittig angeordneten
Drehpunkt schwenkbar ist, greift der Nocken an dem einen Ende des
Kipphebels ein, wobei das Ventil am gegenüberliegenden Ende des Hebels
angeordnet ist. Der Nocken und das Ventil liegen dabei auf derselben
Seite des Kipphebels.
-
Ist
neben dem Hebel ein weiteres Nockendfolgeelement vorgesehen, kann
der Hebel und/oder das weitere Nockenfolgeelement einen künstlichen Muskel
aufweisen.
-
Ist
das mindestens eine Nockenfolgeelement, welches einen künstlichen
Muskel aufweist, ein Hebel, sind Ausführungsformen der Ventilbetätigungseinrichtung
vorteilhaft, bei denen der künstliche
Muskel an dem dem Ventil zugewandten Ende des Hebels vorgesehen
ist.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche Muskel
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
umfaßt.
Derartige künstliche
Muskelelemente zeichnen sich durch ihre hohe Hitzebeständigkeit
von bis zu 1000°C
aus, weshalb sie sich in außerordentlicher
Weise für
die Verwendung bei einer Brennkraftmaschine, die hohen thermischem
Belastungen ausgesetzt ist, eignen. Ferner können derartige Muskelelemente
durch elektrische Energie gesteuert werden (vgl. Science vom 21.05.1999),
was in einfacher Weise durch die Bordbatterie erfolgen kann. Bei
Aktivierung expandieren Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
-
Kohlenstoff-Nanoröhrchen können in
papierähnlichen
Mehrschichtstrukturen gebündelt
werden und erlauben eine erhebliche Krümmung der gesamten Muskelstruktur.
Sie zeichnen sich ferner durch ein geringes Verhältnis von Expansion zu Kontraktion
aus, was als vorteilhaft anzusehen ist.
-
Bei
Verwendung eines Stößels als
Nockenfolgeelement sind unter anderem Ausführungsformen der Ventilbetätigungseinrichtung
vorteilhaft, bei denen in der Stößelkrone
ein künstlicher
Muskel angeordnet ist, der Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfaßt, wobei der Muskel im deaktivierten
Zustand vorzugsweise die Gestalt eines Plättchens aufweist.
-
Das
Plättchen
kann mehrschichtig aufgebaut sein, wobei eine Schicht die Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfaßt. Bei
Aktivierung des Muskels expandieren die Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
wodurch sich das Plättchen
mehr oder weniger stark biegt, wenn die übrigen Schichten dieser Expansion
nicht folgen können
oder dem Plättchen
kein Raum für
die Expansion zur Verfügung
gestellt wird.
-
Vorteilhaft
sind auch Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche
Muskel mindestens ein Polymergel umfaßt. Künstliche Muskeln auf der Basis
von Polymer-Hydrogelen können
durch elektrische Signale gesteuert werden und kontrahieren bei
Aktivierung (vgl. Low, L. W.; Madou, M. J. ”Microactuators towards microvalves
for controlled drug delivery”,
Sensors and Actuators B: Chemical, 67 (1–2) (2000) pp. 149–160).
-
Grundsätzlich können aber
auch künstliche Muskeln
zum Einsatz kommen, die sowohl eine aktive – d. h. eine sich bei der Aktivierung
einstellende – Kontraktion
als auch eine aktive Expansion erlauben.
-
Vorteilhaft
sind auch – wie
bereits oben erwähnt – Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche
Muskel mindestens einen Formgedächtniswerkstoff
umfaßt.
-
Formgedächtniswerkstoffe
besitzen die Fähigkeit
ihre äußere Gestalt
in Abhängigkeit
von der Temperatur, von der magnetischen Feldstärke oder von dem hydraulischen
Druck, dem sie ausgesetzt sind, oder dergleichen zu ändern. Unter
die Formgedächtniswerkstoffe
werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sämtliche Werkstoffe subsumiert,
die über
ein Formgedächtnis
vertilgen, insbesondere die Formgedächtnislegierungen wie NiTi
(Nitinol), Fe-Pt, Cu-Al-Ni, Fe-Pd, Fe-Ni, Cu-Zn-Al, CuAlMn, aber auch Keramiken mit
Formgedächtnis,
wie beispielsweise Ce-TZP-Keramik.
-
Ist
der Transformationsprozeß umkehrbar, so
handelt es sich bei dem Formgedächtniswerkstoff um
einen sogenannten Zwei-Weg-Formgedächtniswerkstoff, andernfalls
um einen Ein-Weg-Formgedächtniswerkstoff.
Darüber
hinaus gibt es Werkstoffe, die über
mehr als zwei Strukturen verfügen,
die sie bei einer Aktivierung annehmen können, und damit mehrstufig
schaltbar sind.
-
Die
Ausbildung eines erfindungsgemäßen Nockenfolgeelementes
erfordert mindestens einen Zwei-Weg-Formgedächtniswerkstoff, so dass der Transformationsprozeß rückgängig gemacht
werden kann.
-
Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Ventilbetätigungseinrichtung,
bei denen der künstliche Muskel
elektrisch steuerbar ist. Elektrisch gesteuerte künstliche
Muskelelemente haben den Vorteil, dass diese mit der üblichen
Steuerungstechnik einer Brennkraftmaschine kompatibel sind.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der 1 näher beschrieben.
Hierbei zeigt:
-
1 schematisch
und im Querschnitt eine erste Ausführungsform der Ventilbetätigungseinrichtung.
-
1 zeigt
schematisch einen Ventiltrieb 10 unter Verwendung einer
ersten Ausführungsform
der Ventilbetätigungseinrichtung 1.
-
Der
Ventiltrieb 10 umfaßt
einen auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken 2, einen
als Nockenfolgeelement 6 dienenden Stößel 7 und ein Ventil 4.
-
Der
Stößel 7 ist
an dem der Brennkammer abgewandten Ende des Ventils 4 aufgesetzt
und wird von einem Träger 11,
der das Ende des Ventilschafts 5 bildet, gehalten, so dass
der Stößel 7 an
der oszillierenden Hubbewegung des Ventils 4 teilnimmt, wenn
in Rahmen der Ventilbetätigung
der Stößel 7 vom
Nocken 2 betätigt,
d. h. ausgelenkt, wird.
-
Der
Stößel 7 ist
im Bereich der Stößelkrone 8 mit
einem künstlichen
Muskel 9 ausgestattet, wobei die in 1 dargestellte
Ausführung
einen Muskel 9 aufweist, dessen Festigkeit sich durch ein
Schalten verändert.
-
Der
künstliche
Muskel 9 ist membranähnlich ausgebildet
und im Bereich der Stößelkrone 8 aufgespannt,
wobei die Membran und die Stößelkrone 8 mittels
einer Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Vorliegend ist
der Stößel 7 also
modular aufgebaut und der künstliche
Muskel 9 bildet einen Teil des Stößels 7, d. h., der
Muskel 9 ist in den Stößel 7 – mittels
stoffschlüssiger
Verbindung – integriert.
-
Die
Ventilbetätigungseinrichtung 1 dient
zur Betätigung
des Ventils 4, um eine Öffnung
einer Brennkammer freizugeben bzw. zu versperren. Im Rahmen einer
kinematischen Zwangssteuerung lenkt der Stößel 7 bei umlaufender
Nockenwelle bzw. umlaufendem Nocken 2 das Ventil 4 aus – einen
entsprechenden Schaltungszustand des künstlichen Muskels 9 vorausgesetzt.
Dabei befindet sich der Nocken 2 mit seiner Nockenmantelfläche im Bereich
der Nockennase 3 entlang einer Berührungslinie mit dem Stößel 7 in
Eingriff.
-
In
einem ersten Schaltungszustand weist der Muskel 9 und damit
der Stößel 7 eine
ausreichende Festigkeit auf, um Kräfte aufzunehmen und bei Mitnahme
des Ventils 4 vom Nocken 2 ausgelenkt zu werden.
-
Durch
Schalten ändert
sich die Festigkeit des Muskels 9, wobei der Stößel 7 im
Bereich der Stößelkrone 8 nicht
mehr starr, sondern nachgiebig ist, wie in 1 dargestellt.
Greift der Nocken 2 bei umlaufender Nockenwelle in die
Stößelkrone 8 ein,
gibt der Muskel 9, d. h. die Stößelkrone 8, lediglich
dem Nocken 2 nach, so dass weder der Stößel 7 noch das Ventil 4 translatorisch
verschoben werden.
-
Vorliegend
wird die Gestaltänderung
des künstlichen
Muskels 9 nicht aktiv durch Schalten bewirkt, sondern passiv
durch Eingreifen des Nockens 2 hervorgerufen.
-
Durch
Schalten des künstlichen
Muskels 9 kann somit die kinematische Zwangssteuerung zwischen
Nocken 2 und Stößel 7 bzw.
Ventil 4 beeinflußt und
die Auslenkung des Ventils 4 gesteuert werden.
-
- 1
- Ventilbetätigungseinrichtung
- 2
- Nocken
- 3
- Nockennase
- 4
- Ventil
- 5
- Ventilschaft
- 6
- Nockenfolgeelement
- 7
- Stößel
- 8
- Stößelkrone
- 9
- künstlicher
Muskel
- 10
- Ventiltrieb
- 11
- Träger