EP1650411A1 - Nockenwellenversteller und Verfahren zur Veränderung der Nockenwellenphase mittels einem künstlichen Muskel - Google Patents

Nockenwellenversteller und Verfahren zur Veränderung der Nockenwellenphase mittels einem künstlichen Muskel Download PDF

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EP1650411A1
EP1650411A1 EP04105143A EP04105143A EP1650411A1 EP 1650411 A1 EP1650411 A1 EP 1650411A1 EP 04105143 A EP04105143 A EP 04105143A EP 04105143 A EP04105143 A EP 04105143A EP 1650411 A1 EP1650411 A1 EP 1650411A1
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EP
European Patent Office
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camshaft
artificial muscle
adjuster
housing element
camshaft adjuster
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04105143A
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English (en)
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Michael Georg Figura
Torsten Dr. Kluge
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Filing date
Publication date
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    • F01L2001/34483—Phaser return springs
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    • F01L2301/00—Using particular materials

Definitions

  • the invention relates to a camshaft adjuster for rotating a camshaft d. H. to change the position of the camshaft relative to the crankshaft for the purpose of adjusting the timing of an internal combustion engine with an outer housing element and with an inner, at least partially disposed in the housing element adjuster shaft element, said housing member by means of a drive with the crankshaft of the internal combustion engine and the Verstellwellenelement with the camshaft of Internal combustion engine is connected and the housing element and the adjuster shaft element are rotated against each other.
  • the invention relates to a method for changing the position of the camshaft relative to the crankshaft in order to adjust the timing of the valves of an internal combustion engine using such a camshaft adjuster.
  • Camshaft adjuster of the above type are required to make a camshaft adjustment, with the control times of the control elements of a valve train of an internal combustion engine can be influenced.
  • the position of the camshaft relative to the crankshaft is changed by turning the camshaft.
  • the variation of the timing is a solution to reduce fuel consumption.
  • the problem is the fuel consumption and thus the efficiency, especially in gasoline engines.
  • the reason for this lies in the basic working method of the gasoline engine.
  • the gasoline engine works with a homogeneous fuel-air mixture, which - if there is no direct injection - is prepared by external mixture formation by fuel is introduced into the intake air in the intake system.
  • the desired power is adjusted by changing the filling of the combustion chamber, so that the operating method of the gasoline engine - unlike the diesel engine - is based on a quantity control.
  • This load control is usually carried out by means of a throttle valve provided in the intake tract.
  • a throttle valve provided in the intake tract.
  • the pressure of the intake air behind the throttle valve can be reduced more or less.
  • the air mass i. E. the quantity will be set.
  • the quantity control by means of throttle valve has thermodynamic disadvantages due to the pressure reduction and the associated throttle losses.
  • variable valvetrain In contrast to conventional valve trains, where both the stroke of the valves and the timing, d. H. the opening and closing times of the intake and exhaust valves, due to the non-flexible, since non-adjustable mechanism of the valve train are given as immutable variables, these parameters can be varied more or less by means of variable valve trains influencing the combustion process and thus the fuel consumption.
  • the ideal solution would be a fully variable valve control, which allows for specially tuned values for the stroke and the timing for any operating point of the gasoline engine.
  • Noticeable fuel savings can also be achieved with only partially variable valve trains, in which, for example, the closing time of the intake valve is adjustable.
  • a variation of the closing time of the intake valve can be achieved by means of a camshaft adjuster of the type mentioned above, due to the unchangeable cam contour a shift in the control time "inlet closes” (ES) always at the same time an equal size Shift of the control time "inlet opens” (EO) entails and vice versa.
  • ES control time "inlet closes”
  • EO Shift of the control time "inlet opens”
  • camshaft adjuster for realizing variable timing is advantageous not only with regard to the above-described Entdrosselung the internal combustion engine and associated consumption optimization of the internal combustion engine, but also in view of the problem resulting from a rigid control time on the one hand and a variable speed because there is always a compromise to be found, which takes into account the entire speed range.
  • the control time, to which the intake valve closes affects the filling of the combustion chamber and thus the torque characteristic of the internal combustion engine.
  • a late closing of the intake valve results in partial loss of filling at low speeds due to partial expulsion of the freshly aspirated cylinder charge.
  • a fixed control time is therefore always a compromise between the two colliding scenarios described above. It is ideal if the control time to which the intake valve closes, is variably controllable, which can be realized by means of a camshaft adjuster. At low speeds then the inlet valve could be closed early, at high speeds late, including the camshaft needs to be rotated by means of camshaft adjuster only relative to the crankshaft in a suitable manner.
  • valve overlap ie the reduction or enlargement of the crank angle window in which the exhaust valve is not yet closed when the inlet valve is open.
  • flushing losses can occur, with part of the aspirated mixture flowing through the combustion chamber without combustion participate.
  • a camshaft adjuster allows a variation of the valve overlap as a function of the rotational speed.
  • camshaft adjuster with which the camshaft is rotated relative to the crankshaft by a certain angle, thus offers numerous possibilities to influence the timing of the valves and thus influence the combustion process, with the timing shifted to early or late.
  • camshaft adjusters or adjusting devices are actuated or controlled hydraulically, mechanically or electrically.
  • a hydraulic control one or more pressure chambers are selectively applied or relieved with hydraulic oil.
  • Such an adjusting device 100 is described in the German patent application DE 198 50 947 A1 and is shown in FIG.
  • a belt pulley 110 is connected in a rotationally fixed manner to a housing cover 112 and a first intermediate element 114.
  • the intermediate element 114 has radially inwardly a toothing 116, which meshes with a counter-toothing 120 arranged on an axially displaceably mounted piston device 118.
  • the piston device 118 has a second toothing 122, which engages in a second counter toothing 126 arranged on a second intermediate element 124. At least one pair of gears 116, 120 and 122, 126 is helically toothed.
  • the second intermediate element 124 is non-rotatably connected to the camshaft 128, so that upon axial displacement of the piston device 118, the camshaft 128 is rotated relative to the belt wheel 110 and thus relative to the crankshaft.
  • DE 198 50 947 A1 discloses a camshaft adjuster of the generic type, i. a camshaft adjuster according to the preamble of claim 1.
  • two adjustment chambers 132, 134 are provided, wherein the piston device 118 separates the two adjustment chambers 132, 134 from one another. These chambers 132,134 are acted upon for axial displacement with pressurized oil via the lines 136, 138 d. H. controlled.
  • Such a camshaft adjuster is not only very complex and expensive, but also has a relatively high space requirement.
  • a high space requirement is the fundamental goal of the designers, in the engine compartment of the motor vehicle as effective as possible d. H. To realize dense packaging of the entire drive unit, contrary.
  • the adjuster has a high weight.
  • a disadvantage of the adjusting device described in DE 198 50 947 A1, moreover, is the hydraulic control or actuation in which pressure chambers are subjected to targeted pressure chambers, for which purpose a pressurized oil supply must be provided.
  • an adjustment of the camshaft under all operating conditions must be able to be realized with a sufficient accuracy and a high adjustment speed.
  • this can not always be guaranteed under operating conditions which are distinguished by high oil temperatures or low engine loads, because in these operating points the pressure in the oil circuit of the internal combustion engine and thus in the pressure oil supply of the adjusting device drops and may be too low to reach high adjustment speeds and sufficient To achieve adjustment accuracies.
  • camshaft is a dynamically loaded component by the interaction of their cams with the valve trains of the internal combustion engine.
  • the camshaft is loaded via their cams with an additional torque when these cams on a ram Accumulate valve gear and compress provided in the valve train return springs. This torque counteracts the actual camshaft rotation.
  • the energy stored in the return springs is returned to the cams during the expansion phase of the springs.
  • the cams are loaded with a torque that supports the actual camshaft rotation, d. H. the camshaft and the torque exerted on it by the valvetrain are rectified in the closing phase of the valve.
  • the equipped with a hydraulic adjusting camshaft is supported indirectly via the oil in the adjusting device, which is why the force exerted by the valve train on the camshaft, dynamic torque leads to pressure fluctuations of the hydraulic oil in the adjustment and the leads.
  • Another object of the present invention is to provide a method of changing the position of the camshaft relative to the crankshaft using such a phaser.
  • a camshaft adjuster for rotating a camshaft d. H. to change the position of the camshaft relative to the crankshaft for the purpose of adjusting the timing of an internal combustion engine with an outer housing element and with an inner, at least partially disposed in the housing element adjuster shaft element, said housing member by means of a drive with the crankshaft of the internal combustion engine and the Verstellwellenelement with the camshaft of Combustion engine is connected and the housing element and the adjuster shaft element are rotated against each other, and which is characterized in that the camshaft adjuster comprises at least one artificial muscle which changes its geometric shape by activation in such a way that a rotation of the Verstellwellenelements relative to the housing element and thus a change in the Camshaft position relative to the crankshaft is realized.
  • Artificial muscles are actuators whose properties are similar or similar to those of the natural musculature. Characteristic of artificial muscles is in particular a volume occurring force generation due to atomic or molecular interactions. Often, artificial muscles - like natural muscles - are made of a soft, shape-changing material.
  • the power generation in known artificial muscles can be, for. On electrostatic attractive forces, on the piezoelectric effect, on an ultrasonic generation, on a shape memory of materials, on one Ion exchange, based on an extension of carbon nanotubes and / or on the incorporation of hydrogen into metal hydrides.
  • artificial muscles can be made of polymers, in particular polymer gels, of ferroelectric substances, of silicon, of alloys with a shape memory or the like.
  • polymers in particular polymer gels, of ferroelectric substances, of silicon, of alloys with a shape memory or the like.
  • a detailed description of various types of artificial muscles is known, for example, from: In EP 0 924 033 A2, US 2002/0026794 A1, US Pat. No. 6,109,852 and similar patent literature.
  • examples of artificial muscles are described in publications of the relevant research institutes (eg Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart, Department of Artificial Intelligence of MIT, Massachusetts, USA).
  • At least one artificial muscle By using at least one artificial muscle, a complex mechanical or hydraulic adjusting device or actuator, as is known from the prior art, by the camshaft adjuster according to the invention, which is much lighter, smaller and simpler in construction and in the operation, replaced become.
  • An artificial muscle that has the ability to change its geometric shape as a result of activation already forms an adjusting device on its own.
  • An artificial muscle is inherently intrinsic to an adjustment device. To change the position of the camshaft, the artificial muscle only has to be activated, wherein an activation is already possible by means of an electrical signal, as will be explained in more detail below.
  • the proposed camshaft adjuster has at least one artificial muscle.
  • the housing element and the adjuster shaft element are coupled by means of this at least one artificial muscle in such a way that upon activation of the artificial muscle not only the muscle changes its geometric shape, but a rotation of the Verstellwellenelements is realized with respect to the housing element.
  • the change in the position of the camshaft relative to the crankshaft is caused by the change in the geometric shape of the artificial muscle.
  • the material of which the artificial muscles are formed is of a lower specific gravity than conventional materials for the production of camshaft adjusters, so that the inventive camshaft adjuster formed using an artificial muscle is lighter than a conventional adjusting device. This reduces the masses of the camshaft or valve train and the dynamic mass forces caused by the rotation of the adjusting elements.
  • the adjuster according to the invention compared to the adjusting device described in DE 198 50 947 A1 has significantly fewer components, which not only reduces the production costs, but further reduces the dead weight and leads to a relatively small component volume, whereby the most effective packaging is supported ,
  • the first object underlying the invention is thus achieved, namely to provide a camshaft adjuster, with which the known disadvantages of the prior art are overcome, and is in particular less expensive, a smaller space requirement and a lower dead weight than conventional adjusting devices.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which a drive wheel is provided on the housing element are advantageous.
  • the housing member is rotated by the crankshaft by means of this drive wheel and a drive means engaged with the drive wheel.
  • the adjuster shaft element is entrained by the housing element, with which it is coupled via the artificial muscle, and thereby sets the camshaft in rotation.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the drive wheel is a belt pulley and the housing element is connected to the crankshaft by means of a belt are advantageous.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the drive wheel is a sprocket and the housing element is connected to the crankshaft by means of a chain are also advantageous.
  • belt drives or chain drives are preferably used, which in addition to a plurality of gears also have a belt or a chain as a drive means. These drives make it possible to combine the drive of several ancillary units in a belt or chain drive.
  • the belt drive or chain drive is to transmit a large torque from the crankshaft to the camshaft with minimum energy loss and with the least possible maintenance by retightening.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the adjuster shaft element is connected to the housing element by means of the at least one artificial muscle are advantageous in that a rotation of the adjuster shaft element relative to the housing element can be realized by activation of the artificial muscle.
  • the artificial muscle forms an independent component, which connects the Verstellwellenelement with the housing element and rotated against each other when it changes due to its activation - in the context of a transformation process - the outer shape.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the adjuster shaft element has a cantilever projecting radially outwards, to which the at least one artificial muscle is articulated by one end, are advantageous is, wherein the other end of the at least one artificial muscle is articulated on the housing element.
  • the outwardly projecting boom is a lever that brings several advantages with it.
  • the lever ratio ensures that already relatively small forces generated in the artificial muscle are sufficient to produce the torque required for the rotation of the camshaft.
  • the cantilever that the artificial muscle can be arranged further apart from the axis of rotation, which is advantageous since the point of articulation during the activation or deactivation of the artificial muscle describes a circular path around the axis of rotation and with increasing radius the movement of the artificial muscle Anlenkvers increasingly resembles a translational movement or comes closer.
  • the boom also supports the use of artificial muscles that expand or contract upon activation or deactivation, or otherwise change their outer shape substantially along a straight line.
  • the boom also ensures a favorable force into the muscle and the interconnected by the muscle components. This preferred embodiment will be explained in more detail below in connection with the description of the figures.
  • camshaft adjuster in which the housing element has an inwardly open recess in which the at least one artificial muscle is articulated to the other end are advantageous.
  • the recess allows one hand, relatively large lever ratios and long boom with a comparatively small component volume, since the length of the boom can be increased without the diameter of the housing element needs to be increased. On the other hand, it allows an advantageous attachment or articulation of the other end of the at least one artificial muscle, which can be clamped or arranged between the arm and the side wall of the recess.
  • camshaft adjuster in which two artificial muscles are provided, which are articulated on opposite sides of the cantilever with one end and are articulated in each case with the other end in the recess.
  • This embodiment uses two artificial muscles, which reinforce each other and with which consequently greater Verstell mean or moments can be generated.
  • the muscle pair can then be a muscle that expands when activated, and a muscle that contracts when activated so that upon activation of both muscles, one muscle pulls on the cantilever while the other muscle pushes the cantilever away.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle expands upon activation and in this way brings about a rotation of the adjuster shaft element relative to the housing element are advantageous.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle contracts when activated and in this way brings about a rotation of the adjuster shaft element relative to the housing element are also advantageous.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle changes its external shape when activated and in this way brings about a rotation of the adjuster shaft element relative to the housing element are also advantageous.
  • a camshaft adjuster can be carried out using shape memory materials that change when activated, for example, from a straight-line shape into a curved or kinked shape or vice versa and thereby lead to a rotation of the camshaft relative to the crankshaft.
  • shape memory materials also offer the advantage that they are multi-level changeable ie not just between two outer shapes can be transformed but assume more than two different configurations.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle comprises carbon nanotubes are advantageous.
  • Such artificial muscle elements are characterized by their high heat resistance up to 1000 ° C, which is why they are extremely suitable for use in an internal combustion engine which is exposed to high thermal loads.
  • muscle elements can be controlled by electrical energy (see Science of 21.05.1999), which can be done in a simple manner by the on-board battery. Upon activation, carbon nanotubes expand.
  • Carbon nanotubes can be bundled in paper-like multi-layer structures and allow significant curvature of the entire muscle structure. They are also characterized by a low ratio of expansion to contraction, which is considered to be advantageous.
  • embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle comprises at least one polymer gel are also advantageous. Artificial muscles based on polymer hydrogels can be controlled by electrical signals and contract upon activation (see Low, LW; Madou, MJ “Microactuators Towards Microvalves for Controlled Drug Delivery", Sensors and Actuators B: Chemical, 67 (1). 2) (2000) pp. 149-160).
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle comprises at least one shape memory material are also advantageous.
  • Shape memory materials per se - so-called shape memory materials or shape memory alloys - have been known for more than fifty years. You own the ability to change their external shape depending on the temperature, the magnetic field strength or the hydraulic pressure to which they are subjected or the like.
  • the shape memory materials include all materials which have a shape memory, in particular the shape memory alloys such as NiTi (nitinol), Fe-Pt, Cu-Al-Ni, Fe-Pd, Fe-Ni, Cu-Zn. Al, CuAlMn, but also ceramics with shape memory, such as Ce-TZP ceramic.
  • a paper clip formed from an elongate wire may change shape such that the paperclip, placed in a pot of hot water, returns to its original shape with increasing temperature and upon reaching a so-called transition temperature T '.
  • T ' transition temperature
  • H. takes the form of an elongated wire. It changes its external shape or, in other words, its structural configuration.
  • the shape memory material is a so-called two-way shape memory material, otherwise a one-way shape memory material.
  • the above-described transition of the paper clip into an elongated wire could be reversed, with proper selection of a two-way shape memory material.
  • the temperature is lowered, whereby the wire transforms into a paperclip when the temperature drops below a transition temperature T.
  • the activation by temperature change is to be understood only as an example In the present case - a camshaft adjuster made using shape memory materials - electrical activation is more likely suitable as a thermal activation.
  • camshaft adjuster requires at least a two-way shape memory material, so that the transformation process can be reversed and the camshaft adjuster is switchable at least between two positions; the Camshaft can thus be rotated relative to the crankshaft and this rotation is reversed again in the reverse direction.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle is electrically controllable are advantageous.
  • the mechanical energy generated by the muscle element can originate from the electrical energy of the signal.
  • Electrically controlled artificial muscle elements have the advantage that they are compatible with the usual control technology of an internal combustion engine.
  • Embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle is stepwise controllable, in particular two-stage, are advantageous.
  • Such a configuration of the camshaft adjuster facilitates the control, especially when the artificial muscle is functioning according to an on-off circuit d. H. only from a deactivated state - rest position - to an activated state - working position - changes and vice versa.
  • Complex maps need not be generated and provided in this embodiment, as is required for example in continuously controllable artificial muscle elements or camshaft adjusters.
  • embodiments of the camshaft adjuster in which the at least one artificial muscle can be steplessly controlled are also advantageous under other aspects. This allows an optimized adjustment of the timing at the respective operating point of the internal combustion engine, whereby the potential of the camshaft adjuster can be fully utilized, which is only partially possible with a stepwise adjustment.
  • the second sub-task on which the invention is based is achieved by a method for changing the position of the camshaft relative to the crankshaft of an internal combustion engine, wherein the valve timing is adjusted by using a camshaft adjuster with an outer housing element and an inner adjuster shaft element arranged at least partially in the housing element the internal combustion engine are adjusted, wherein the housing element by means of a drive with the Crankshaft of the internal combustion engine and the Verstellwellenelement is connected to the camshaft of the internal combustion engine and housing element and Verstellwellenelement are rotated against each other, and which is characterized in that the camshaft adjuster is provided with at least one artificial muscle and twisted by an activation of the artificial muscle, the Verstellwellenelements against the housing element is and thus a change in the camshaft position relative to the crankshaft is realized.
  • Embodiments of the method are advantageous in which the control times of the intake valves of the internal combustion engine are retarded by activation of the at least one artificial muscle.
  • valve overlap can be reduced at low speeds. Because a shift in the timing of the intake valves in the proposed manner leads to a later opening of the intake valves and thus to a reduction of the crank angle window in which the exhaust valve is not closed when the inlet valve is open.
  • the filling time of the combustion chamber and thus the torque characteristic of the internal combustion engine can be influenced with the control time at which the inlet valve is closed.
  • the intake valves are therefore preferably closed late at high speeds. Preferably, this process is continuous.
  • valve overlap can be increased at high speeds. Moving the timing of the intake valves early leads to earlier opening of the intake valves and thus to an increase in the crank angle window in which the exhaust valve is not yet closed when the intake valve is open. Although this leads to poorer efficiencies at high speeds as a result of flushing losses, but also to a better filling of the combustion chamber with fresh mixture and thus to a higher performance.
  • the closing time of the intake valves is used for load control. At low load, less fresh mixture is needed, which is why the inlet valves are preferably closed earlier with decreasing load. This also contributes to a Entdrosslung the internal combustion engine.
  • FIG. 1 has already been explained in connection with the description of the prior art.
  • Figures 2a, 2b and 2c show a first embodiment of the camshaft adjuster 1 in cross section.
  • FIG 2a shows schematically in cross section a first embodiment of the camshaft adjuster 1 in the deactivated state.
  • the camshaft adjuster 1 has an outer housing element 2 and an inner adjuster shaft element 3, which is arranged at least partially in the housing element 2.
  • a drive wheel 4 in the form of a pulley 4 is provided, with which the housing element 2 is connected by means of a belt to the crankshaft of the internal combustion engine and with which the housing element 2 is rotated.
  • the adjuster shaft member 3 is rotatably connected to the camshaft of the internal combustion engine (not shown).
  • the housing element 2 and the adjuster shaft element 3 are rotatable relative to one another, wherein these two components 2, 3 are coupled by means of an artificial muscle 11a.
  • the artificial muscle 11a forms an independent component, which connects the adjuster shaft element 3 to the housing element 2 and is rotated relative to one another as a result its activation - in the context of a transformation process - changes the outer shape, as seen in Figures 2b and 2c.
  • the adjuster shaft element 3 has a radially outwardly projecting arm 6, to which the artificial muscle 11a is articulated with one end 9a, wherein the other end 10 of the artificial muscle 11a is hinged to the side wall 8 of an inwardly open recess 7 of the housing element 2 ,
  • the outwardly protruding boom 6 is a lever with which due to the leverage already small, generated in the artificial muscle 11a forces sufficient to produce the required torque for the rotation of the adjuster shaft 3 and the camshaft.
  • the boom 6 allows the artificial muscle 11a to be positioned farther apart from the rotation axis 5, which is advantageous since the articulation point 9a describes a circular path about the rotation axis 5 when the artificial muscle 11a is activated or deactivated, and becomes larger in radius the movement of the articulation point 9a increasingly resembles or comes closer to a translatory movement.
  • the boom 6 also supports the use of artificial muscles 11a, which upon activation or deactivation expand or contract or otherwise change their outer shape substantially along an imaginary line. Finally, the boom 6 also ensures a favorable introduction of force into the artificial muscle 11a.
  • the recess 7 allows relatively large leverage or long boom 6 at a comparatively small component volume, since the length of the boom 6 is increased without the diameter of the housing element 2 must be increased.
  • the recess 7 allows an advantageous attachment or articulation of the other end 10a of the artificial muscle 11a, which is arranged between the arm 6 and the side wall 8 of the recess 7.
  • the camshaft adjuster 1 is equipped with an artificial muscle 11a, which changes its geometric shape by activation.
  • the camshaft adjuster 1 is under Use of carbon nanotubes has been formed. Carbon nanotubes expand upon activation, as shown in FIGS. 2b and 2c, and can be controlled electrically, which makes them suitable for use in engine construction since they can be easily supplied with electrical energy via the on-board battery.
  • FIGS. 2 b and 2 c show the camshaft adjuster 1 schematically in cross section and in an activated state, wherein the artificial muscle 11 a is expanded in comparison to the snapshot illustrated in FIG. 2 a.
  • the carbon nanotubes are activated and expanded along an imaginary line, whereby the housing element 2 and the Verstellwellenelement 3 are rotated against each other. Thereby, the timing of the valves of the internal combustion engine can be changed, i. be moved to early or late because with the adjuster shaft 3 and the camshaft is rotated relative to the crankshaft.
  • FIG. 2c would then represent the deactivated state, while FIGS. 2a and 2b show an activated and contracted state of the artificial muscle 11a, ie exactly the reverse of the embodiment of an expanding on activation artificial muscle 11a.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c show a second embodiment of the camshaft adjuster 1 in cross section. Only the differences from the first embodiment will be discussed, for which reason reference is otherwise made to FIGS. 2a, 2b and 2c. The same reference numerals have been used for the same components.
  • a second artificial muscle 11 b is provided which is articulated with one end 9 b with respect to the first artificial muscle 11 a on the opposite side of the arm 6 and hinged to the other end 10b in the recess 7.
  • a muscle 11a may then be used which comprises, for example, carbon nanotubes and expands upon activation, and a muscle 11b, for example having a polymer gel and contracting on activation, so that upon activation of both muscles 11a, 11b, a muscle 11b is attached the boom 6 pulls while the other muscle 11a pushes the boom 6, as shown in Figures 3b and 3c.
  • FIG. 3a then shows the camshaft adjuster 1 with deactivated muscles 11a, 11b.
  • two similar artificial muscles 11a, 11b may be used, which are controlled separately.
  • the first muscle 11a is activated while the second muscle 11b remains deactivated and vice versa, which leads to the positions of the camshaft adjuster 1 shown in FIGS. 3a and 3c.
  • the central position shown in Figure 3b could then be achieved by half activating both muscles 11a, 11b, which can be achieved with multi-stage or continuously variable artificial muscles 11a, 11b.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c show a third embodiment of the camshaft adjuster 1 in cross section. Only the differences from the first embodiment will be discussed, for which reason reference is otherwise made to FIGS. 2a, 2b and 2c. The same reference numerals have been used for the same components.
  • an artificial muscle 11 a is provided that has been formed using shape memory materials.
  • the artificial muscle 11a In the deactivated state, the artificial muscle 11a has an angled shape and thus a small length (FIG. 4a), ie the distance between the two articulation points 9a, 10a is low. On the other hand, the artificial muscle 11a stretches upon activation, so that the artificial muscle 11a assumes an increasingly oblong shape in the activated state, as shown in FIGS. 4b and 4c.
  • a two-way shape memory material was used so that the transformation process of the muscle 11a is reversible and valve timing can be retarded early and retarded.
  • the artificial muscle 11a can be shortened and lengthened, ie, it can be changed as desired between the different structural configurations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (1) - zum Verdrehen einer Nockenwelle d. h. zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zwecks Verstellung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine - mit einem außenliegenden Gehäuseelement (2) und mit einem innenliegenden, zumindest teilweise in dem Gehäuseelement (2) angeordnetem Verstellerwellenelement (3), wobei das Gehäuseelement (2) mittels eines Antriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und das Verstellerwellenelement (3) mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und Gehäuseelement (2) und Verstellerwellenelement (3) gegeneinander verdrehbar sind.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Veränderung der Steuerzeiten der Ventile einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines derartigen Nockenwellenverstellers (1).
Es soll ein Nockenwellenversteller (1) bereitgestellt werden, mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und der insbesondere kostengünstiger ist, einen geringeren Raumbedarf und ein niedrigeres Eigengewicht aufweist als herkömmliche Verstellvorrichtungen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Nockenwellenverstellers (1) der gattungsbildenden Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er mindestens einen künstlichen Muskel (11a,11b) umfaßt, der durch Aktivierung seine geometrische Gestalt in der Art verändert, daß eine Verdrehung des Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) und somit eine Veränderung der Nockenwellenlage gegenüber der Kurbelwelle realisierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zum Verdrehen einer Nockenwelle d. h. zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zwecks Verstellung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit einem außenliegenden Gehäuseelement und mit einem innenliegenden, zumindest teilweise in dem Gehäuseelement angeordnetem Verstellerwellenelement, wobei das Gehäuseelement mittels eines Antriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und das Verstellerwellenelement mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und Gehäuseelement und Verstellerwellenelement gegeneinander verdrehbar sind.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zwecks Verstellung der Steuerzeiten der Ventile einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines derartigen Nockenwellenverstellers.
  • Nockenwellenversteller der oben genannten Art sind erforderlich, um eine Nockenwellenverstellung vornehmen zu können, mit der auf die Steuerzeiten der Steuerorgane eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine Einfluß genommen werden kann. Dabei wird die Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle durch Verdrehen der Nockenwelle verändert. Die Variation der Steuerzeiten ist ein Lösungsansatz zur Verminderung des Kraftstoffverbrauches.
  • Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
  • Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Der Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch, das - sofern keine Direkteinspritzung vorliegt - durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so daß dem Arbeitsverfahren des Ottomotors - anders als beim Dieselmotor - eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
  • Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aufgrund der Druckabsenkung und der damit verbundenen Drosselverluste thermodynamische Nachteile.
  • Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung nach dem Stand der Technik 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 Schließzeiten der Einlaß- und Auslaßventile, 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 stark variiert werden. Die ideale Lösung wäre eine voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten zuläßt.
  • Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden, bei denen beispielsweise die Schließzeit des Einlaßventils verstellbar ist. Eine Variation der Schließzeit des Einlaßventils kann dabei mittels eines Nockenwellenverstellers der oben genannten Art erzielt werden, wobei aufgrund der unveränderbaren Nockenkontur eine Verschiebung der Steuerzeit "Einlaß schließt" (ES) immer auch gleichzeitig eine gleichgroße Verschiebung der Steuerzeit "Einlaß öffnet" (EO) zur Folge hat und umgekehrt. Des weiteren muß berücksichtigt werden, daß prinzipbedingt immer sämtliche Nocken einer Nockenwelle verdreht werden.
  • Die Verwendung eines Nockenwellenverstellers zur Realisierung variabler Steuerzeiten 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, da hier immer 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, was jedoch bei hohen Drehzahlen, insbesondere bei der Nenndrehzahl, zu ungewollten Füllungsverlusten führt. Daher wird bei hohen Drehzahlen bevorzugt, das Einlaßventil spät zu schließen, 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. Ideal ist es, wenn die Steuerzeit, zu der das Einlaßventil schließt, variabel steuerbar ist, was mittels eines Nockenwellenverstellers realisiert werden kann. Bei niedrigen Drehzahlen könnte dann das Einlaßventil früh, bei hohen Drehzahlen spät geschlossen werden, wozu die Nockenwelle mittels Nockenwellenversteller nur gegenüber der Kurbelwelle in geeigneter Weise verdreht zu werden braucht.
  • Ein weiterer Anwendungsfall für einen Nockenwellenversteller zur Realisierung einer variablen Ventilsteuerung ist die Variation der sogenannten Ventilüberschneidung d. h. die Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Kurbelwinkelfensters, in dem das Auslaßventil bei geöffnetem Einlaßventil noch nicht geschlossen ist. Im Bereich dieser Ventilüberschneidung kann es zu Spülverlusten kommen, wobei ein Teil des angesaugten Gemisches durch den Brennraum strömt ohne an der Verbrennung teilzunehmen. Dies führt einerseits zu schlechteren Wirkungsgraden, aber andererseits zu einer größeren Zylinderfüllung und damit zu einer höheren Leistung. Bei niedrigen Drehzahlen wird eine kleinere und bei größeren Drehzahlen eine größere Ventilüberschneidung angestrebt. Ein Nockenwellenversteller ermöglicht eine Variation der Ventilüberschneidung in Abhängigkeit von der Drehzahl.
  • Die Verwendung eines Nockenwellenverstellers, mit welchem die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um einen gewissen Winkel verdreht wird, bietet somit zahlreiche Möglichkeiten, Einfluß auf die Steuerzeiten der Ventile und damit Einfluß auf den Verbrennungsprozeß zu nehmen, wobei die Steuerzeiten nach früh oder spät verschoben werden.
  • Derartige Nockenwellenversteller bzw. Verstellvorrichtungen werden hydraulisch, mechanisch oder elektrisch betätigt bzw. gesteuert. Bei einer hydraulischen Steuerung werden eine oder mehrere Druckkammern mit Hydrauliköl gezielt beaufschlagt oder aber entlastet.
  • Eine derartige Verstellvorrichtung 100 wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 50 947 A1 beschrieben und ist in Figur 1 wiedergegeben.
  • Wie Figur 1 zu entnehmen ist, ist ein Riemenrad 110 mit einem Gehäusedeckel 112 sowie einem ersten Zwischenelement 114 drehfest verbunden. Das Zwischenelement 114 weist radial innenliegend eine Verzahnung 116 auf, die eine an einer axial verschieblich gelagerten Kolbeneinrichtung 118 angeordnete Gegenverzahnung 120 kämmt. Die Kolbeneinrichtung 118 weist eine zweite Verzahnung 122 auf, die in eine an einem zweiten Zwischenelement 124 angeordnete zweite Gegenverzahnung 126 eingreift. Wenigstens ein Zahnradpaar 116, 120 bzw. 122, 126 ist schrägverzahnt. Das zweite Zwischenelement 124 steht drehfest mit der Nockenwelle 128 in Verbindung, so daß bei einer axialen Verschiebung der Kolbeneinrichtung 118 eine Verdrehung der Nockenwelle 128 gegenüber dem Riemenrad 110 und damit gegenüber der Kurbelwelle erfolgt.
  • Damit offenbart die DE 198 50 947 A1 einen Nockenwellenversteller der gattungsbildenden Art d.h. einen Nockenwellenversteller gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Zur Verschiebung der Kolbeneinrichtung 118 sind zwei Verstellkammern 132,134 vorgesehen, wobei die Kolbeneinrichtung 118 die beiden Verstellkammern 132,134 voneinander trennt. Diese Kammern 132,134 werden zur axialen Verschiebung mit Drucköl über die Leitungen 136, 138 beaufschlagt d. h. gesteuert.
  • Ein derartiger Nockenwellenversteller ist nicht nur sehr komplex und kostenintensiv, sondern weist auch einen verhältnismäßig hohen Raumbedarf auf. Ein hoher Raumbedarf steht aber dem grundsätzlichen Ziel der Konstrukteure, im Motorraum des Kraftfahrzeuges ein möglichst effektives d. h. dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit zu realisieren, entgegen. Zudem weist der Versteller ein hohes Eigengewicht auf.
  • Nachteilig an der in der DE 198 50 947 A1 beschriebenen Verstellvorrichtung ist zudem die hydraulische Steuerung bzw. Betätigung, bei der gezielt Druckkammern mit Drucköl beaufschlagt werden, wozu eine Druckölversorgung vorgesehen werden muß.
  • Grundsätzlich muß eine Verstellung der Nockenwelle unter allen auftretenden Betriebsbedingungen mit einer hinreichenden Genauigkeit und einer hohen Verstellgeschwindigkeit realisiert werden können. Dies kann aber unter Betriebsbedingungen, die sich durch hohe Öltemperaturen oder niedrige Motorlasten auszeichnen, nicht immer gewährleistet werden, weil in diesen Betriebspunkten der Druck im Ölkreislauf der Brennkraftmaschine und damit in der Druckölversorgung der Verstellvorrichtung sinkt und gegebenenfalls zu niedrig ist, um hohe Verstellgeschwindigkeiten und ausreichende Verstellgenauigkeiten zu erzielen.
  • Begründet ist dies insbesondere durch den Umstand, daß die Nockenwelle durch das Zusammenwirken ihrer Nocken mit den Ventiltrieben der Brennkraftmaschine ein dynamisch belastetes Bauteil ist. So wird die Nockenwelle über ihre Nocken mit einem zusätzlichen Drehmoment belastet, wenn diese Nocken auf Stößel eines Ventiltriebes auflaufen und im Ventiltrieb vorgesehene Rückstellfedern komprimieren. Dieses Drehmoment wirkt der eigentlichen Nockenwellendrehung entgegen.
  • Hingegen wird nach Erreichen des maximalen Ventilhubes die in den Rückstellfedern gespeicherte Energie während der Expansionsphase der Federn wieder an die Nocken abgegeben. Dabei werden die Nocken mit einem Drehmoment belastet, das die eigentliche Nockenwellendrehung unterstützt, d. h. die Nockenwelle und das auf sie vom Ventiltrieb ausgeübte Drehmoment sind in der Schließphase des Ventils gleichgerichtet.
  • Die mit einer hydraulischen Verstellvorrichtung ausgestattete Nockenwelle stützt sich mittelbar über das in der Verstellvorrichtung befindliche Öl ab, weshalb das vom Ventiltrieb auf die Nockenwelle ausgeübte, dynamische Drehmoment zu Druckschwankungen des Hydrauliköls in der Verstellvorrichtung und den Zuleitungen führt.
  • Diese Druckschwankungen wiederum beeinflussen die Verstellgeschwindigkeit und die Verstellgenauigkeit, insbesondere unter Betriebsbedingungen mit niedriger Motorlast oder hoher Öltemperatur, bei denen der Öldruck im System prinzipbedingt ein niedriges Niveau hat, was die Sensibilität gegenüber Druckschwankungen erhöht. So wird bei einem auflaufenden Nocken durch das vom Ventiltrieb auf den Nocken ausgeübte Drehmoment der Öldruck im System erhöht und das Öl im denkbar ungünstigsten Szenario sogar in die Druckölversorgung zurückgedrückt. Um dies zu verhindern, wird nach dem Stand der Technik vorgeschlagen, in der Druckölzuführung ein Ventil vorzusehen.
  • Die am Beispiel eines hydraulischen Nockenwellenverstellers gemachten Ausführungen sollen zeigen, daß ein Nockenwellenversteller und die für seine Betätigung vorzusehende Steuerung grundsätzlich sehr komplexe und kostenintensive Bauteile sind. Die angesprochenen technischen Anforderungen gelten auch für andere - mechanisch oder elektrisch betätigte - Verstellvorrichtungen. Insbesondere wird eine große Verstellgeschwindigkeit und eine hohe Verstellgenauigkeit angestrebt, wobei der Nockenwellenversteller möglichst kostengünstig, klein und leicht sein sollte.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Nockenwellenversteller der gattungsbildenden Art bereitzustellen, mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und der insbesondere kostengünstiger ist, einen geringeren Raumbedarf und ein niedrigeres Eigengewicht aufweist als herkömmliche Verstellvorrichtungen.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle unter Verwendung eines derartigen Nockenwellenverstellers aufzuzeigen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Nockenwellenversteller zum Verdrehen einer Nockenwelle d. h. zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zwecks Verstellung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit einem außenliegenden Gehäuseelement und mit einem innenliegenden, zumindest teilweise in dem Gehäuseelement angeordnetem Verstellerwellenelement, wobei das Gehäuseelement mittels eines Antriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und das Verstellerwellenelement mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und Gehäuseelement und Verstellerwellenelement gegeneinander verdrehbar sind, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Nockenwellenversteller mindestens einen künstlichen Muskel umfaßt, der durch Aktivierung seine geometrische Gestalt in der Art verändert, daß eine Verdrehung des Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement und somit eine Veränderung der Nockenwellenlage gegenüber der Kurbelwelle realisierbar ist.
  • 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 z. B. auf elektrostatischen Anziehungskräften, auf dem piezoelektrischen Effekt, auf einer Ultraschallerzeugung, auf einem Formgedächtnis von Materialien, auf einem Ionenaustausch, auf einer Streckung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen 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 und ähnlicher Patentliteratur zu finden. Darüber hinaus sind Beispiele künstlicher Muskeln in Publikationen der einschlägigen Forschungsinstitute beschrieben (z. B. Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart; Abteilung für künstliche Intelligenz des MIT, Massachusetts, USA).
  • Durch die Verwendung mindestens eines künstlichen Muskels kann eine komplexe mechanische bzw. hydraulische Verstellvorrichtung bzw. Betätigungsvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, durch den erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller, der wesentlich leichter, kleiner und einfacher im Aufbau und in der Betätigung ist, ersetzt werden. Ein künstlicher Muskel, der über die Fähigkeit verfügt, seine geometrische Gestalt infolge Aktivierung zu ändern, bildet für sich alleine genommen bereits eine Verstellvorrichtung. Einem künstlichen Muskel ist eine Verstellvorrichtung gewissermaßen immanent. Zur Veränderung der Lage der Nockenwelle muß der künstliche Muskel lediglich aktiviert werden, wobei eine Aktivierung schon mittels eines elektrischen Signals möglich ist, wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird.
  • Erfindungsgemäß verfügt der vorgeschlagene Nockenwellenversteller über mindestens einen künstlichen Muskel. Dabei sind das Gehäuseelement und das Verstellerwellenelement mittels dieses mindestens einen künstlichen Muskels in der Art gekoppelt, daß bei Aktivierung des künstlichen Muskels nicht nur der Muskel seine geometrische Gestalt verändert, sondern eine Verdrehung des Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement realisiert wird.
  • Die Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle wird durch die Veränderung der geometrischen Gestalt des künstlichen Muskels hervorgerufen bzw. erzielt.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile entfallen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers. Das Material, aus dem die künstlichen Muskeln ausgebildet sind, ist von einem geringeren spezifischen Gewicht als herkömmliche Werkstoffe zur Herstellung von Nockenwellenverstellern, so daß der unter Verwendung eines künstlichen Muskels ausgebildete erfindungsgemäße Nockenwellenversteller leichter ist als eine herkömmliche Verstellvorrichtung. Dies reduziert die Massen des Nockenwellen- bzw. Ventiltriebes und die durch die Verdrehung der Verstellerelemente verursachten dynamischen Massenkräfte.
  • Die Anzahl der Bauteile kann durch den Einsatz künstlicher Muskeln ebenfalls reduziert werden. So weist der erfindungsgemäße Versteller im Vergleich zu der in der DE 198 50 947 A1 beschriebenen Verstellvorrichtung wesentlich weniger Bauteile auf, was nicht nur die Herstellungskosten senkt, sondern das Eigengewicht weiter reduziert und zu einem verhältnismäßig kleinen Bauteilvolumen führt, wodurch ein möglichst effektives Packaging unterstützt wird.
  • Durch die Verwendung eines künstlichen Muskels zur Ausbildung der Nockenwellenverstellers wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich einen Nockenwellenversteller bereitzustellen, mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, und der insbesondere kostengünstiger ist, einen geringeren Raumbedarf und ein niedrigeres Eigengewicht aufweist als herkömmliche Verstellvorrichtungen.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen an dem Gehäuseelement ein Antriebsrad vorgesehen ist. Das Gehäuseelement wird mittels dieses Antriebsrades und eines mit dem Antriebsrad in Eingriff befindlichen Antriebsmittels von der Kurbelwelle in Drehung versetzt. Das Verstellerwellenelement wird wiederum vom Gehäuseelement, mit dem es über den künstlichen Muskel gekoppelt ist, mitgenommen und versetzt dadurch die Nockenwelle in Drehung.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen das Antriebsrad ein Riemenrad ist und das Gehäuseelement mittels eines Riemens mit der Kurbelwelle verbunden ist.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen das Antriebsrad ein Kettenrad ist und das Gehäuseelement mittels einer Kette mit der Kurbelwelle verbunden ist.
  • Für den Antrieb der Nockenwelle werden vorzugsweise Riemenantriebe oder Kettenantriebe verwendet, die neben einer Vielzahl von Zahnrädern auch einen Riemen oder eine Kette als Antriebsmittel aufweisen. Diese Antriebe gestatten es, den Antrieb mehrerer Nebenaggregate in einem Riemen- bzw. Kettenantrieb zusammenzufassen. Der Riemenantrieb bzw. Kettenantrieb soll dabei unter möglichst geringen Energieverlusten und mit möglichst wenig Wartungsaufwand durch Nachspannen ein großes Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen das Verstellerwellenelement mit dem Gehäuseelement mittels des mindestens einen künstlichen Muskels in der Art verbunden ist, daß durch Aktivierung des künstlichen Muskels eine Verdrehung des Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement realisierbar ist. Bei dieser Ausführungsform bildet der künstliche Muskel ein eigenständiges Bauteil, das das Verstellerwellenelement mit dem Gehäuseelement verbindet und gegeneinander verdreht, wenn es infolge seiner Aktivierung - im Rahmen eines Transformationsprozesses - die äußere Gestalt verändert.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen das Verstellerwellenelement einen radial nach außen hervorstehenden Ausleger aufweist, an den der mindestens eine künstliche Muskel mit einem Ende angelenkt ist, wobei das andere Ende des mindestens einen künstlichen Muskels am Gehäuseelement angelenkt ist.
  • Der nach außen hervorstehende Ausleger stellt einen Hebel dar, der gleich mehrere Vorteile mit sich bringt. Zum einen sorgt das Hebelverhältnis dafür, daß bereits verhältnismäßig kleine, im künstlichen Muskel generierte Kräfte ausreichen, um das für die Verdrehung der Nockenwelle erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Zum anderen wird mit dem Ausleger erreicht, daß der künstliche Muskel weiter beabstandet zur Drehachse angeordnet werden kann, was vorteilhaft ist, da der Anlenkpunkt bei der Aktivierung bzw. Deaktivierung des künstlichen Muskels eine Kreisbahn um die Drehachse beschreibt und mit größer werdendem Radius die Bewegung des Anlenkpunktes zunehmend einer translatorischen Bewegung ähnelt bzw. näher kommt. Der Ausleger unterstützt zudem die Verwendung von künstlichen Muskeln, die bei Aktivierung bzw. Deaktivierung expandieren oder kontrahieren bzw. ihre äußere Gestalt in anderer Weise im wesentlichen entlang einer Geraden ändern. Schließlich sorgt der Ausleger auch für eine günstige Krafteinleitung in den Muskel und die durch den Muskel miteinander verbundenen Bauteile. Diese bevorzugte Ausführungsform
    wird weiter unten noch in Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung näher erläutert.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen das Gehäuseelement eine nach innen offene Ausnehmung aufweist, in die der mindestens eine künstliche Muskel mit dem anderen Ende angelenkt ist.
  • Die Ausnehmung gestattet einerseits verhältnismäßig große Hebelverhältnisse bzw. lange Ausleger bei einem vergleichsweise geringen Bauteilvolumen, da die Länge des Auslegers erhöht werden kann, ohne daß der Durchmesser des Gehäuseelementes vergrößert zu werden braucht. Andererseits ermöglicht sie eine vorteilhafte Befestigung bzw. Anlenkung des anderen Endes des mindestens einen künstlichen Muskels, der zwischen Ausleger und Seitenwandung der Ausnehmung aufgespannt bzw. angeordnet werden kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen zwei künstliche Muskeln vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten des Auslegers mit einem Ende angelenkt sind und jeweils mit dem anderen Ende in der Ausnehmung angelenkt sind. Diese Ausführungsform verwendet zwei künstliche Muskeln, die sich gegenseitig verstärken und mit denen folglich größere Verstellkräfte bzw. -momente generiert werden können. Als Muskelpaar kann dann ein Muskel eingesetzt werden, der bei Aktivierung expandiert, und ein Muskel, der bei Aktivierung kontrahiert, so daß bei der Aktivierung beider Muskeln ein Muskel an dem Ausleger zieht, während der andere Muskel den Ausleger wegdrückt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel bei Aktivierung expandiert und auf diese Weise eine Verdrehung des Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement herbeiführt.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel bei Aktivierung kontrahiert und auf diese Weise eine Verdrehung des Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement herbeiführt.
  • Vorteilhaft sind zudem Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel bei Aktivierung seine äußere Form ändert und auf diese Weise eine Verdrehung des Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement herbeiführt.
  • Die drei zuletzt genannten Ausführungsformen werden noch näher im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung erläutert.
  • Die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers kann unter Verwendung von Formgedächtniswerkstoffen erfolgen, die bei Aktivierung beispielsweise von einer geradlinigen Form in eine gekrümmte oder geknickte Form wechseln oder umgekehrt und dadurch zu einer Verdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle führen. Einige Formgedächtniswerkstoffe bieten zudem den Vorteil, daß sie mehrstufig veränderbar sind d. h. nicht nur zwischen zwei äußeren Gestalten transformiert werden können, sondern mehr als zwei unterschiedliche Konfigurationen annehmen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfaßt. Derartige künstliche Muskelelemente zeichnen sich durch ihre hohe Hitzebeständigkeit bis zu 1000°C aus, weshalb sie sich in außerordentlicher Weise für die Verwendung in 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.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine 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 Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel mindestens einen Formgedächtniswerkstoff umfaßt.
  • Formgedächtniswerkstoffe an sich - sogenannte shape memory materials oder shape memory alloys - sind seit mehr als fünfzig Jahren bekannt. Sie 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 verfügen, 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.
  • Beispielsweise kann eine aus einem länglichen Draht geformte Büroklammer ihre Gestalt in der Art ändern, daß die Büroklammer - in einen Topf mit heißem Wasser gelegt - mit steigender Temperatur und bei Erreichen einer sogenannten Übergangstemperatur T' in ihre ursprüngliche Form übergeht d. h. die Gestalt eines länglichen Drahtes annimmt. Sie ändert dabei ihre äußere Gestalt oder - mit anderen Worten gesagt - ihre strukturelle Konfiguration.
  • Ist dieser 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.
  • Folglich könnte der oben beschriebene Übergang der Büroklammer zu einem länglichen Draht bei geeigneter Auswahl eines Zwei-Weg-Formgedächtniswerkstoffes rückgängig gemacht werden. Hierzu wird die Temperatur abgesenkt, wobei der Draht sich bei Unterschreiten einer Übergangstemperatur T" zu einer Büroklammer umformt. Die Aktivierung durch Temperaturveränderung soll nur als Beispiel verstanden werden. Für den vorliegenden Fall - eines unter Verwendung von Formgedächtniswerkstoffe hergestellten Nockenwellenverstellers - ist eine elektrische Aktivierung eher geeignet als eine thermische Aktivierung.
  • Die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers erfordert mindestens einen Zwei-Weg-Formgedächtniswerkstoff, so daß der Transformationsprozeß rückgängig gemacht werden kann und der Nockenwellenversteller zumindest zwischen zwei Positionen schaltbar ist; die Nockenwelle also gegenüber der Kurbelwelle verdreht werden kann und diese Verdrehung auch wieder in umgekehrter Richtung rückgängig zu machen ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel elektrisch steuerbar ist. Insbesondere kann dabei die vom Muskelelement erzeugte mechanische Energie aus der elektrischen Energie des Signals stammen. Elektrisch gesteuerte künstliche Muskelelemente haben den Vorteil, daß diese mit der üblichen Steuerungstechnik einer Brennkraftmaschine kompatibel sind.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel stufenweise steuerbar ist, insbesondere zweistufig schaltbar ist. Eine derartige Ausbildung des Nockenwellenverstellers erleichtert die Steuerung, insbesondere wenn der künstliche Muskel gemäß einer Ein-Aus-Schaltung funktioniert d. h. lediglich von einem deaktivierten Zustand - Ruheposition - in einen aktivierten Zustand - Arbeitsposition - wechselt und umgekehrt. Komplexe Kennfelder müssen bei dieser Ausführungsform nicht generiert und bereitgestellt werden, wie dies beispielsweise bei stufenlos steuerbaren künstlichen Muskelelementen bzw. Nockenwellenverstellern erforderlich ist.
  • Vorteilhaft sind aber unter anderen Gesichtpunkten auch Ausführungsformen des Nockenwellenverstellers, bei denen der mindestens eine künstliche Muskel stufenlos steuerbar ist. Dies erlaubt eine optimierte Anpassung der Steuerzeiten an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, wodurch das Potential des Nockenwellenverstellers voll ausgeschöpft werden kann, was bei einem stufenweisen Einstellen nur bedingt möglich ist.
  • Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird durch ein Verfahren zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gelöst, bei dem unter Verwendung eines Nockenwellenverstellers mit einem außenliegenden Gehäuseelement und mit einem innenliegenden, zumindest teilweise in dem Gehäuseelement angeordnetem Verstellerwellenelement die Steuerzeiten der Ventile der Brennkraftmaschine verstellt werden, wobei das Gehäuseelement mittels eines Antriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und das Verstellerwellenelement mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und Gehäuseelement und Verstellerwellenelement gegeneinander verdrehbar sind, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Nockenwellenversteller mit mindestens einem künstlichen Muskel versehen wird und durch eine Aktivierung des künstlichen Muskels das Verstellerwellenelements gegenüber dem Gehäuseelement verdreht wird und somit eine Veränderung der Nockenwellenlage gegenüber der Kurbelwelle realisiert wird.
  • Das bereits für den erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen durch eine Aktivierung des mindestens einen künstlichen Muskels die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine nach spät verstellt werden.
  • Damit läßt sich beispielsweise die Ventilüberschneidung bei niedrigen Drehzahlen verkleinern. Denn ein Verschieben der Steuerzeiten der Einlaßventile in der vorgeschlagenen Weise führt zu einem späteren Öffnen der Einlaßventile und damit zu einer Verkleinerung des Kurbelwinkelfensters, in dem das Auslaßventil bei geöffnetem Einlaßventil noch nicht geschlossen ist.
  • Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt wurde, läßt sich mit der Steuerzeit, zu der das Einlaßventil geschlossen wird, auch die Füllung des Brennraums und damit die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine beeinflussen. Insbesondere bei hohen Drehzahlen ist es vorteilhaft, die Schließzeit der Einlaßventile nach spät zu verschieben und dadurch für eine gute Zylinderfüllung zu sorgen.
  • Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit zunehmender Drehzahl zunehmend nach spät verstellt werden.
  • Ein zu frühes Schließen der Einlaßventile führt bei hohen Drehzahlen, insbesondere bei der Nenndrehzahl, zu ungewollten Füllungsverlusten. Um in diesem Drehzahlbereich eine gute Füllung des Brennraums sicherzustellen, werden daher bei hohen Drehzahlen die Einlaßventile vorzugsweise spät geschlossen. Vorzugsweise erfolgt dieser Vorgang kontinuierlich.
  • Vorteilhaft sind dabei auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit zunehmender Last zunehmend nach spät verstellt werden.
  • Über die Steuerzeit "Einlaß schließt" läßt sich - wie erwähnt - die Zylinderfüllung und damit auch die Last steuern. Die Veränderung der Schließzeit der Einlaßventile ist dabei eine Möglichkeit, auf thermodynamisch vorteilhafte Weise eine Quantitätsregelung zu realisieren und gleichzeitig für eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine zu sorgen.
  • Vorteilhaft sind aus den genannten Gründen auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen durch eine Aktivierung des mindestens einen künstlichen Muskels die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine nach früh verstellt werden.
  • Damit läßt sich die Ventilüberschneidung bei hohen Drehzahlen vergrößern. Ein Verschieben der Steuerzeiten der Einlaßventile nach früh führt zu einem früheren Öffnen der Einlaßventile und damit zu einer Vergrößerung des Kurbelwinkelfensters, in dem das Auslaßventil bei geöffnetem Einlaßventil noch nicht geschlossen ist. Dies führt bei hohen Drehzahlen zwar zu schlechteren Wirkungsgraden infolge der Spülverluste, aber auch zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Frischgemisch und damit zu einer höheren Leistung.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit abnehmender Drehzahl zunehmend nach früh verstellt werden.
  • Bei niedrigen Drehzahlen ist es vorteilhaft, das Einlaßventil früh zu schließen, um ein Ausschieben der frisch angesaugten Zylinderladung zu verhindern und Füllungsverluste bei niedrigen Drehzahlen zu vermeiden.
  • Vorteilhaft sind dabei auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit abnehmender Last zunehmend nach früh verstellt werden.
  • Bei dieser Verfahrensvariante wird die Schließzeit der Einlaßventile zur Laststeuerung verwendet. Bei geringer Last wird weniger Frischgemisch benötigt, weshalb die Einlaßventile vorzugsweise mit abnehmender Last zunehmend früher geschlossen werden. Auch dies trägt zu einer Entdroßlung der Brennkraftmaschine bei.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 4c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    einen Nockenwellenversteller nach dem Stand der Technik im Querschnitt,
    Fig. 2a
    eine erste Momentaufnahme einer ersten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers im Querschnitt,
    Fig. 2b
    eine zweite Momentaufnahme der in Figur 2a dargestellten ersten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers,
    Fig. 2c
    eine dritte Momentaufnahme der in Figur 2a dargestellten ersten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers,
    Fig. 3a
    eine erste Momentaufnahme einer zweiten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers im Querschnitt,
    Fig. 3b
    eine zweite Momentaufnahme der in Figur 3a dargestellten zweiten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers,
    Fig. 3c
    eine dritte Momentaufnahme der in Figur 3a dargestellten zweiten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers,
    Fig. 4a
    eine erste Momentaufnahme einer dritten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers im Querschnitt,
    Fig. 4b
    eine zweite Momentaufnahme der in Figur 4a dargestellten dritten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers, und
    Fig. 4c
    eine dritte Momentaufnahme der in Figur 4a dargestellten dritten Ausführungsform des Nockenwellenverstellers.
  • Figur 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erläutert.
  • Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen eine erste Ausführungsform des Nockenwellenverstellers 1 im Querschnitt.
  • Figur 2a zeigt schematisch im Querschnitt eine erste Ausführungsform des Nockenwellenverstellers 1 im deaktivierten Zustand. Der Nockenwellenversteller 1 verfügt über ein außenliegendes Gehäuseelement 2 und ein innenliegendes Verstellerwellenelement 3, das zumindest teilweise in dem Gehäuseelement 2 angeordnet ist. An dem Gehäuseelement 2 ist ein Antriebsrad 4 in Gestalt eines Riemenrades 4 vorgesehen, mit dem das Gehäuseelement 2 mittels eines Riemens mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und mit dem das Gehäuseelement 2 in Drehung versetzt wird. Das Verstellerwellenelement 3 ist drehfest mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden (nicht dargestellt).
  • Das Gehäuseelement 2 und das Verstellerwellenelement 3 sind gegeneinander verdrehbar, wobei diese beiden Bauteile 2,3 mittels eines künstlichen Muskels 11a gekoppelt sind. Bei der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform bildet der künstliche Muskel 11a ein eigenständiges Bauteil, das das Verstellerwellenelement 3 mit dem Gehäuseelement 2 verbindet und gegeneinander verdreht, wenn es infolge seiner Aktivierung - im Rahmen eines Transformationsprozesses - die äußere Gestalt verändert, wie in den Figuren 2b und 2c zu sehen.
  • Das Verstellerwellenelement 3 weist einen radial nach außen hervorstehenden Ausleger 6 auf, an den der künstliche Muskel 11a mit einem Ende 9a angelenkt ist, wobei das andere Ende 10 des künstlichen Muskels 11a an der Seitenwandung 8 einer nach innen offenen Ausnehmung 7 des Gehäuseelementes 2 angelenkt ist.
  • Der nach außen hervorstehende Ausleger 6 stellt einen Hebel dar, mit dem aufgrund der Hebelwirkung bereits kleine, im künstlichen Muskel 11a generierte Kräfte ausreichen, um das für die Verdrehung des Verstellerwellenelementes 3 bzw. der Nockenwelle erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Zudem gestattet der Ausleger 6, daß der künstliche Muskel 11a weiter beabstandet zur Drehachse 5 angeordnet werden kann, was vorteilhaft ist, da der Anlenkpunkt 9a bei der Aktivierung bzw. Deaktivierung des künstlichen Muskels 11a eine Kreisbahn um die Drehachse 5 beschreibt und mit größer werdendem Radius die Bewegung des Anlenkpunktes 9a zunehmend einer translatorischen Bewegung ähnelt bzw. näher kommt.
  • Der Ausleger 6 unterstützt zudem die Verwendung von künstlichen Muskeln 11a, die bei Aktivierung bzw. Deaktivierung expandieren oder kontrahieren bzw. ihre äußere Gestalt in anderer Weise im wesentlichen entlang einer gedachten Geraden ändern. Schließlich sorgt der Ausleger 6 auch für eine günstige Krafteinleitung in den künstlichen Muskel 11a.
  • Die Ausnehmung 7 gestattet verhältnismäßig große Hebelverhältnisse bzw. lange Ausleger 6 bei einem vergleichsweise geringen Bauteilvolumen, da die Länge des Auslegers 6 erhöht wird, ohne daß der Durchmesser des Gehäuseelementes 2 vergrößert werden muß. Zudem ermöglicht die Ausnehmung 7 eine vorteilhafte Befestigung bzw. Anlenkung des anderen Endes 10a des künstlichen Muskels 11a, der zwischen Ausleger 6 und Seitenwandung 8 der Ausnehmung 7 angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß ist der Nockenwellenversteller 1 mit einem künstlichen Muskel 11a ausgestattet, der durch Aktivierung seine geometrische Gestalt verändert. Bei der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform ist der Nockenwellenversteller 1 unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgebildet worden. Kohlenstoff-Nanoröhrchen expandieren bei ihrer Aktivierung, wie in den Figur 2b und 2c zu sehen ist, und können elektrisch gesteuert werden, weshalb sie sich für die Verwendung im Motorenbau eignen, da sie leicht über die Bordbatterie mit elektrischer Energie versorgt werden können.
  • Die Figuren 2b und 2c zeigen den Nockenwellenversteller 1 schematisch im Querschnitt und in einem aktivierten Zustand, wobei der künstliche Muskel 11a im Vergleich zu der in Figur 2a dargestellten Momentaufnahme expandiert ist. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind aktiviert und entlang einer gedachten Linie expandiert, wodurch das Gehäuseelement 2 und das Verstellerwellenelement 3 gegeneinander verdreht werden. Dadurch können die Steuerzeiten der Ventile der Brennkraftmaschine verändert d.h. nach früh oder spät verschoben werden, da mit dem Verstellerwellenelement 3 auch die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht wird.
  • Ähnliche Effekte erzielt man mit künstlichen Muskeln 11a, die bei einer Aktivierung kontrahieren, beispielsweise mit Polymergel. Die Figur 2c würde dann den deaktivierten Zustand darstellen, während die Figuren 2a und 2b einen aktivierten und kontrahierten Zustand des künstlichen Muskels 11a zeigen, also genau umgekehrt wie bei der oben ausführlich beschriebenen Ausführungsform eines bei Aktivierung expandierenden künstlichen Muskels 11a.
  • Die Figuren 3a, 3b und 3c zeigen eine zweite Ausführungsform des Nockenwellenverstellers 1 im Querschnitt. Es sollen nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im übrigen bezug genommen wird auf die Figuren 2a, 2b und 2c. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist bei dem in den Figuren 3a, 3b und 3c dargestellten Nockenwellenversteller 1 ein zweiter künstlicher Muskel 11 b vorgesehen, der in Bezug auf den ersten künstlichen Muskel 11a auf der gegenüberliegenden Seite des Auslegers 6 mit einem Ende 9b angelenkt ist und mit dem anderen Ende 10b in der Ausnehmung 7 angelenkt ist.
  • Durch eine geeignete Auswahl zweier künstlicher Muskeln 11a,11b oder durch eine gezielte aufeinander abgestimmte Steuerung der beiden Muskeln 11a,11b kann erreicht werden, daß sich die Muskeln gegenseitig verstärken und größere Verstellkräfte bzw. -momente generiert werden können.
  • Als Muskelpaar kann dann ein Muskel 11a eingesetzt werden, der beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfaßt und bei Aktivierung expandiert, und ein Muskel 11b, der beispielsweise ein Polymergel aufweist und bei Aktivierung kontrahiert, so daß bei der Aktivierung beider Muskeln 11a,11b ein Muskel 11b an dem Ausleger 6 zieht, während der andere Muskel 11a den Ausleger 6 wegdrückt, wie dies in den Figuren 3b und 3c dargestellt ist. Figur 3a zeigt dann den Nockenwellenversteller 1 mit deaktivierten Muskeln 11a,11b.
  • Alternativ können auch zwei gleichartige künstliche Muskeln 11a,11b verwendet werden, die getrennt angesteuert werden. Der erste Muskel 11a wird aktiviert, während der zweite Muskel 11 b deaktiviert bleibt und umgekehrt, was zu den Stellungen des Nockenwellenverstellers 1 führt, die in den Figuren 3a und 3c dargestellt sind. Die in Figur 3b dargestellte mittige Position könnte dann dadurch erreicht werden, daß beide Muskeln 11a,11b halb aktiviert werden, was sich mit mehrstufig oder stufenlos verstellbaren künstlichen Muskeln 11a,11 b erreichen läßt.
  • Die Figuren 4a, 4b und 4c zeigen eine dritte Ausführungsform des Nockenwellenverstellers 1 im Querschnitt. Es sollen nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im übrigen bezug genommen wird auf die Figuren 2a, 2b und 2c. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist bei dem in den Figuren 4a, 4b und 4c dargestellten Nockenwellenversteller 1 ein künstlicher Muskel 11a vorgesehen, der unter Verwendung von Formgedächtniswerkstoffen ausgebildet wurde.
  • Im deaktivierten Zustand hat der künstliche Muskel 11a eine angewinkelte Gestalt und damit eine kleine Länge (Figur 4a) d. h. der Abstand der beiden Anlenkpunkte 9a,10a ist gering. Hingegen streckt sich der künstliche Muskel 11a bei einer Aktivierung, weshalb der künstliche Muskel 11a im aktivierten Zustand, wie in den Figuren 4b und 4c dargestellt, eine zunehmend längliche Form annimmt.
  • Verwendet wurde ein Zwei-Weg-Formgedächtniswerkstoff, so daß der Transformationsprozeß des Muskels 11a umkehrbar ist und die Steuerzeiten der Ventile nach früh und wieder nach spät verstellt werden können. Der künstliche Muskel 11a kann verkürzt und verlängert werden d. h. beliebig zwischen den unterschiedlichen strukturellen Konfiguration wechseln.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Nockenwellenversteller
    2
    Gehäuseelement
    3
    Verstellerwellenelement
    4
    Antriebsrad, Riemenrad
    5
    Drehachse
    6
    Ausleger
    7
    Ausnehmung
    8
    Seitenwandung
    9a
    ein Ende des künstlichen Muskels, Anlenkpunkt
    9b
    ein Ende des künstlichen Muskels, Anlenkpunkt
    10a
    anderes Ende des künstlichen Muskels, Anlenkpunkt
    10b
    anderes Ende des künstlichen Muskels, Anlenkpunkt
    11a
    künstlicher Muskel
    11b
    künstlicher Muskel
    Stand der Technik:
    • 100
    Verstellvorrichtung
    110
    Riemenrad
    112
    Gehäusedeckel
    114
    erstes Zwischenelement
    116
    Verzahnung
    118
    Kolbeneinrichtung
    120
    erste Gegenverzahnung
    122
    zweite Verzahnung
    124
    zweites Zwischenelement
    126
    zweite Gegenverzahnung
    128
    Nockenwelle
    132
    Verstellkammer
    134
    Verstellkammer
    136
    Leitung
    138
    Leitung

Claims (25)

  1. Nockenwellenversteller (1) - zum Verdrehen einer Nockenwelle d.h. zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zwecks Verstellung der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine - mit einem außenliegenden Gehäuseelement (2) und mit einem innenliegenden, zumindest teilweise in dem Gehäuseelement (2) angeordnetem Verstellerwellenelement (3), wobei das Gehäuseelement (2) mittels eines Antriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und das Verstellerwellenelement (3) mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und Gehäuseelement (2) und Verstellerwellenelement (3) gegeneinander verdrehbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Nockenwellenversteller (1) mindestens einen künstlichen Muskel (11a) umfaßt, der durch Aktivierung seine geometrische Gestalt in der Art verändert, daß eine Verdrehung des Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) und somit eine Veränderung der Nockenwellenlage gegenüber der Kurbelwelle realisierbar ist.
  2. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    an dem Gehäuseelement (2) ein Antriebsrad (4) vorgesehen ist.
  3. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Antriebsrad (4) ein Riemenrad (4) ist und das Gehäuseelement (2) mittels eines Riemens mit der Kurbelwelle verbunden ist.
  4. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Antriebsrad (4) ein Kettenrad ist und das Gehäuseelement (2) mittels einer Kette mit der Kurbelwelle verbunden ist.
  5. Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verstellerwellenelement (3) mit dem Gehäuseelement (2) mittels des mindestens einen künstlichen Muskels (11a,11b) in der Art verbunden ist, daß durch Aktivierung des künstlichen Muskels (11a,11b) eine Verdrehung des Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) realisierbar ist.
  6. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verstellerwellenelement (3) einen radial nach außen hervorstehenden Ausleger (6) aufweist, an den der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) mit einem Ende (9a,9b) angelenkt ist, wobei das andere Ende (10a,10b) des mindestens einen künstlichen Muskels (11a,11b) am Gehäuseelement (2) angelenkt ist.
  7. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Gehäuseelement (2) eine nach innen offene Ausnehmung (7) aufweist, in die der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) mit dem anderen Ende (10a,10b) angelenkt ist.
  8. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zwei künstliche Muskeln (11a,11b) vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten des Auslegers (6) mit einem Ende (9a,9b) angelenkt sind und jeweils mit dem anderen Ende (10a,10b) in der Ausnehmung (7) angelenkt sind.
  9. Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) bei Aktivierung expandiert und auf diese Weise eine Verdrehung des Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) herbeiführt.
  10. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11 a,11 b) bei Aktivierung kontrahiert und auf diese Weise eine Verdrehung des Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) herbeiführt.
  11. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) bei Aktivierung seine äußere Form ändert und auf diese Weise eine Verdrehung des Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) herbeiführt.
  12. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfaßt.
  13. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) mindestens ein Polymergel umfaßt.
  14. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) mindestens einen Formgedächtniswerkstoff umfaßt.
  15. Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) elektrisch steuerbar ist.
  16. Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) stufenweise steuerbar ist.
  17. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) zweistufig schaltbar ist.
  18. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der mindestens eine künstliche Muskel (11a,11b) stufenlos steuerbar ist.
  19. Verfahren zur Veränderung der Lage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, bei dem unter Verwendung eines Nockenwellenverstellers (1) mit einem außenliegenden Gehäuseelement (2) und mit einem innenliegenden, zumindest teilweise in dem Gehäuseelement (2) angeordnetem Verstellerwellenelement (3) die Steuerzeiten der Ventile der Brennkraftmaschine verstellt werden, wobei das Gehäuseelement (2) mittels eines Antriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und das Verstellerwellenelement (3) mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist und Gehäuseelement (2) und Verstellerwellenelement (3) gegeneinander verdrehbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Nockenwellenversteller (1) mit mindestens einem künstlichen Muskel (11a,11b) versehen wird und durch eine Aktivierung des künstlichen Muskels (11a,11b) das Verstellerwellenelements (3) gegenüber dem Gehäuseelement (2) verdreht wird und somit eine Veränderung der Nockenwellenlage gegenüber der Kurbelwelle realisiert wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    durch eine Aktivierung des mindestens einen künstlichen Muskels (11a,11b) die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine nach spät verstellt werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit zunehmender Drehzahl zunehmend nach spät verstellt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit zunehmender Last zunehmend nach spät verstellt werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    durch eine Aktivierung des mindestens einen künstlichen Muskels (11a,11b) die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine nach früh verstellt werden.
  24. Verfahren nach Anspruch 23,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit abnehmender Drehzahl zunehmend nach früh verstellt werden.
  25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steuerzeiten der Einlaßventile der Brennkraftmaschine mit abnehmender Last zunehmend nach früh verstellt werden.
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