DE102008039533B4 - Ventilbetätigungseinrichtung zur variablen Steuerung eines Ventils - Google Patents

Ventilbetätigungseinrichtung zur variablen Steuerung eines Ventils Download PDF

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Ventilbetätigungseinrichtung (1) zur Betätigung eines Ventils (4) 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 (2) und mindestens einem Nockenfolgeelement (6) zur Auslenkung des Ventils (4), wobei das mindestens eine Nockenfolgeelement (6) im Rahmen einer kinematischen Zwangssteuerung bei umlaufender Nockenwelle den Hub des mindestens einen Nockens (2) auf das Ventil (4) übertragen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nockenfolgeelement (6) einen schaltbaren künstlichen Muskel (9) aufweist, wobei die kinematische Zwangssteuerung durch Schalten des künstlichen Muskels (9) derart beeinflußbar ist, dass der Hub des mindestens einen Nockens (2) vollständig, teilweise oder nicht auf das Ventil (4) übertragen wird.

Description

  • 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

Claims (9)

  1. Ventilbetätigungseinrichtung (1) zur Betätigung eines Ventils (4) 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 (2) und mindestens einem Nockenfolgeelement (6) zur Auslenkung des Ventils (4), wobei das mindestens eine Nockenfolgeelement (6) im Rahmen einer kinematischen Zwangssteuerung bei umlaufender Nockenwelle den Hub des mindestens einen Nockens (2) auf das Ventil (4) übertragen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nockenfolgeelement (6) einen schaltbaren künstlichen Muskel (9) aufweist, wobei die kinematische Zwangssteuerung durch Schalten des künstlichen Muskels (9) derart beeinflußbar ist, dass der Hub des mindestens einen Nockens (2) vollständig, teilweise oder nicht auf das Ventil (4) übertragen wird.
  2. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der künstliche Muskel (9) zweistufig schaltbar ist.
  3. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der künstliche Muskel (9) stufenlos schaltbar ist.
  4. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nockenfolgeelement (6) ein Stößel (7) ist.
  5. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nocken (2) der Nockenwelle in einer Kontaktzone direkt mit dem als Nockenfolgeelement (6) dienenden Stößel (7) zusammenwirkt.
  6. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (7) in der Kontaktzone einen künstlichen Muskel (9) aufweist.
  7. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nockenfolgeelement (6) ein Hebel ist.
  8. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der künstliche Muskel (9) Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfaßt.
  9. Ventilbetätigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der künstliche Muskel (9) mindestens ein Polymergel umfaßt.
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