EP2839142B1 - Mehrteiliges isolationselement, insbesondere für eine brennstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Mehrteiliges isolationselement, insbesondere für eine brennstoffeinspritzvorrichtung Download PDF

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EP2839142B1
EP2839142B1 EP13712533.2A EP13712533A EP2839142B1 EP 2839142 B1 EP2839142 B1 EP 2839142B1 EP 13712533 A EP13712533 A EP 13712533A EP 2839142 B1 EP2839142 B1 EP 2839142B1
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EP
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fuel injection
ring
insulation
insulation element
outer ring
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Martin Kochanowski
Jason Kramer
Martin Scheffel
Thomas Froehner
Markus Friedrich
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M2200/9053—Metals

Definitions

  • the invention relates to a multi-part insulating element, in particular for a fuel injection device according to the preamble of the main claim.
  • FIG. 1 By way of example, a fuel injector known from the prior art is shown in which a flat intermediate element is provided on a fuel injection valve installed in a receiving bore of a cylinder head of an internal combustion engine.
  • such intermediate elements are stored as support elements in the form of a washer on a shoulder of the receiving bore of the cylinder head.
  • manufacturing and assembly tolerances are compensated and ensured a lateral force-free storage even with slight misalignment of the fuel injector.
  • the fuel injector is particularly suitable for use in fuel injection systems of mixture-compression spark-ignition internal combustion engines.
  • the intermediate element is a lower ring having a circular cross section which is disposed in a region in which both the fuel injection valve and the wall of the receiving bore in the cylinder head are frustoconical and serves as a compensating element for supporting and supporting the fuel injection valve.
  • Complicated and in the production significantly more expensive intermediate elements for fuel injection devices include the DE 100 27 662 A1 .
  • These intermediate elements are characterized by the fact that they are all constructed in several parts or multi-layered and should partially take over sealing and damping functions. That from the DE 100 27 662 A1 known intermediate element comprises a base and carrier body, in which a sealing means is used, which is penetrated by a nozzle body of the fuel injection valve.
  • a multi-layer compensating element is known, which is composed of two rigid rings and sandwiched therebetween elastic intermediate ring. This compensating element allows both a tilting of the fuel injection valve to the axis of the receiving bore over a relatively large angular range as well as a radial displacement of the fuel injection valve from the central axis of the receiving bore.
  • a likewise multi-layered intermediate element is also from the EP 1 223 337 A1 known, this intermediate element is composed of a plurality of washers, which consist of a damping material.
  • the damping material made of metal, rubber or PTFE is chosen and designed so that a noise attenuation of the vibrations generated by the operation of the fuel injection valve and noise is made possible.
  • the intermediate element must, however, include four to six layers to achieve a desired damping effect.
  • Entkopplungs- or damping elements for fuel injection devices which are characterized in that they are made of several parts, wherein an inner metal cushion is encapsulated as a wire mesh, knitted or knitted fabric in outer rings.
  • An inner ring of the decoupling or damping element always comes to rest on the fuel injection valve, while an outer ring of the decoupling or damping element rests against a shoulder of a receiving bore of the cylinder head.
  • Outer and inner ring are each simple, rectangular in cross-section sheet metal rings with L-profile.
  • the insulation element according to the invention for a fuel injection device with the characterizing features of claim 1 has the advantage that in a very simple construction, an improved noise attenuation is achieved.
  • the insulation element has a non-linear, progressive spring characteristic, resulting in several positive and advantageous aspects when installing the insulation element in a fuel injection device with injectors for direct fuel injection.
  • the insulation element according to the invention has the advantage that the support of the outer ring on the insulating ring reduces the deflection of the outer ring compared to the known solutions and leads to a greater rigidity of the outer ring.
  • a high rigidity of the outer ring in turn allows a design of the spring characteristic alone on the insulation ring of a wire mesh with significantly lower rigidity.
  • the combination of these two components makes it possible to ideally produce the desired progressive spring characteristic (low rigidity at low operating pressures / loads, high rigidity at high system pressures).
  • the stresses on possibly set for securing welds between outer ring and insulation ring or between inner ring and insulation ring can be reduced.
  • the bending stress of the individual components of the multi-part insulation element is reduced overall.
  • the multi-part isolation element With the multi-part isolation element according to the invention, an excellent reduction of the injector-induced noise during fuel injection is achieved by reducing the power transmission from the fuel injection valve to the cylinder head in the relevant frequency range.
  • the elastic insulation element has both insulation and damping properties. A precise positioning of the fuel injection valve with respect to the cylinder head with very small tolerances and low load on the valve seals (to the combustion chamber or to the fuel rail) is possible.
  • the isolation element allows repeatable elastic deformation of the isolation element over the entire injector life without plastic deformation occurring.
  • the isolation system allows for maximization of the isolation function when restricting the injector movement.
  • the spring characteristic of the insulation element according to the invention can be specifically designed to be progressively progressive by adapting the geometric parameters, in particular of the insulation ring.
  • FIG. 1 a valve in the form of an injection valve 1 for fuel injection systems of mixture-compression spark-ignited internal combustion engines in a side view.
  • the fuel injection valve 1 is part of the fuel injection device.
  • a sealing ring 2 in particular of Teflon®, ensures optimum sealing of the fuel injection valve 1 with respect to the wall of the receiving bore 20 of the cylinder head 9.
  • a flat intermediate element 24 is inserted, which is designed as a support element in the form of a washer.
  • the fuel injection valve 1 has at its inlet-side end 3 a plug connection to a fuel distributor line (fuel rail) 4, which is sealed by a sealing ring 5 between a connection piece 6 of the fuel distributor line 4, which is shown in section, and an inlet connection 7 of the fuel injection valve 1.
  • the fuel injection valve 1 is inserted into a receiving opening 12 of the connection piece 6 of the fuel distribution line 4.
  • the connecting piece 6 is in this case e.g. in one piece from the actual fuel distributor line 4 and has upstream of the receiving opening 12 a smaller diameter flow opening 15 through which the flow of the fuel injection valve 1 takes place.
  • the fuel injection valve 1 has an electrical connection plug 8 for the electrical contacting for actuating the fuel injection valve 1.
  • a holding-down device 10 is provided between the fuel injection valve 1 and the connecting piece 6.
  • the hold-down 10 is designed as a bow-shaped component, e.g. as punching-bending part.
  • the hold-down device 10 has a part-ring-shaped base element 11, from which a hold-down bar 13 extends, which abuts against a downstream end face 14 of the connecting piece 6 on the fuel distributor line 4 in the installed state.
  • the object of the invention is compared to the known Bacettiticiansen in a simple manner improved noise attenuation, especially in noise-critical idling operation, by a targeted interpretation and geometry of the intermediate element 24 to reach.
  • the relevant noise source of the fuel injection valve 1 in the direct high-pressure injection are introduced during the valve operation in the cylinder head 9 forces (structure-borne sound), which lead to a structural excitation of the cylinder head 9 and are emitted from this as airborne sound.
  • a minimization of the introduced into the cylinder head 9 forces should be sought. In addition to reducing the forces caused by the injection, this can be achieved by influencing the transmission behavior between the fuel injection valve 1 and the cylinder head 9.
  • the bearing of the fuel injector 1 can be mapped on the passive intermediate member 24 in the receiving bore 20 of the cylinder head 9 as a conventional spring-mass-damper system, as shown in FIG FIG. 2 is shown.
  • the mass M of the cylinder head 9 can be assumed to be infinite compared to the mass m of the fuel injection valve 1 in the first approximation.
  • the transmission behavior of such a system is characterized by a gain at low frequencies in the range of the resonant frequency f R and an isolation range above the decoupling frequency f E (see FIG. 3 ).
  • the aim of the invention is the design of an intermediate element 24 under the priority use of the elastic isolation (decoupling) for noise reduction, especially in idling mode of the vehicle.
  • the invention comprises on the one hand the definition and design of a suitable spring characteristic taking into account the typical requirements and boundary conditions in direct fuel injection with variable operating pressure and on the other the design of an intermediate element 24 which is able to map the characteristic of the spring characteristic defined in this way and over a choice of simple geometric parameters can be adapted to the specific boundary conditions of the injection system.
  • a non-linear spring characteristic with a progressive profile for the insulating element 30 is proposed, as described in US Pat FIG. 4 outlined.
  • the characteristic of this spring characteristic allows a noise decoupling with the aid of a low spring stiffness (S NVH ) in idling mode and allows the rapid increase in stiffness compliance with the maximum movement of the fuel injection valve 1 between idle and system pressure.
  • the insulation element 30 In order to implement the non-linear spring characteristic under typical boundary conditions of the direct fuel injection (small space, high forces, low total movement of the fuel injection valve 1) in an optimal manner, the insulation element 30 according to the invention consists of several parts of an outer ring 31, an inner ring 32 and an insulating ring 33 constructed , wherein the insulating ring 33 enclosed by the inner ring 32 and outer ring 31 encircles encircles.
  • conventional disc springs which basically initially have only a linear or degressive characteristic curve. In conventional disc springs, a progressive course is achieved only when they are almost completely loaded on "block".
  • FIG. 5 is a partial cross section through an inventive multi-part isolation element 30, which is used in a fuel injection device shown.
  • the multipart insulation element 30 has two functional units.
  • the first functional unit is formed by the insulating ring 33.
  • the insulating ring 33 is an annular wire mesh, knitted or knitted fabric, which fulfills two functions according to the invention.
  • the primary function as previously described in detail, is to achieve the best possible isolation (decoupling) at the fuel injector via a low stiffness progressive spring characteristic under low load conditions (eg, idle, noise critical operating ranges) and high rigidity at nominal system pressure.
  • the isolation ring 33 As a secondary function of the isolation ring 33 is a damping, the is not synonymous with the isolation, since there are different physical action mechanisms, desired, which is realized via an internal friction of the wire mesh of the insulating ring 33 during the injection in micro-movements of the fuel injection valve 1.
  • the wire mesh, knitted or knitted fabric of the insulation ring 33 has, for example, a largely square cross-section.
  • the second functional unit is formed by the outer ring 31 and the inner ring 32, which together form an annular chamber for the insulating ring 33 and encapsulate it in this respect.
  • the inner ring 32 is thin-walled, e.g. formed as a sheet metal part and has on an inner side 35 an annular disk-shaped surface and on its underside 36 a cylinder head side support surface.
  • the two sides 35, 36 are largely perpendicular to each other.
  • the inner side 35 may have elastic elements 37 distributed around the circumference, e.g. executed feather pliers and ensure that the insulation element 30 is secured captive on the fuel injector 1.
  • the outer ring 31 has a greater material thickness than the inner ring 32.
  • the outer ring 31 On an outer side 38, the outer ring 31 has an annular disc-shaped surface, while on its thicker and more stable shaped upper side 39 an injector-side support surface is provided, which is spherical or spherical, convex bulging. With this support surface of the upper side 39, the insulating element 30 is located at a e.g. conically extending shoulder of the valve housing 22, so that it idealized only comes to a line contact of the corresponding component partners 1, 30.
  • FIG. 6 shows a partial cross section through an inventive insulation element 30 in a mounting situation on a fuel injection valve 1 in the region of in FIG. 1 shown disc-shaped intermediate element 24.
  • the insulation element 30 of the invention has the advantage that the support of the outer ring 31 on the insulating ring 33 reduces the deflection of the outer ring 31 compared to the known solutions and leads to a greater rigidity of the outer ring 31.
  • a high rigidity of the outer ring 31 in turn allows a design of the spring characteristic solely on the insulating ring 33 of the wire mesh with significantly lower rigidity.
  • the multi-part isolation element 30 With the multi-part isolation element 30 according to the invention, an excellent reduction of the injector-caused noise during fuel injection is achieved by reducing the power transmission from the fuel injection valve 1 to the cylinder head 9 in the relevant frequency range.
  • the elastic insulation element 30 has both insulation and damping properties. A precise positioning of the fuel injection valve 1 with respect to the cylinder head 9 with very small tolerances and low load on the valve seals (to the combustion chamber 25 and to the fuel rail 4 out) is possible.
  • the isolation member 30 allows for repeatable elastic deformation of the isolation member 30 over the entire injector life without plastic deformation occurring.
  • the isolation system allows for maximization of the isolation function when restricting the injector movement.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem mehrteiligen Isolationselement, insbesondere für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • In der Figur 1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung gezeigt, bei der an einem in einer Aufnahmebohrung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine eingebauten Brennstoffeinspritzventil ein flaches Zwischenelement vorgesehen ist. In bekannter Weise werden solche Zwischenelemente als Abstützelemente in Form einer Unterlegscheibe auf einer Schulter der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes abgelegt. Mit Hilfe solcher Zwischenelemente werden Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen und eine querkraftfreie Lagerung auch bei leichter Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils sichergestellt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
  • Eine andere Art eines einfachen Zwischenelements für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ist bereits aus der DE 101 08 466 A1 bekannt. Bei dem Zwischenelement handelt es ich um einen Unterlegring mit einem kreisförmigen Querschnitt, der in einem Bereich, in dem sowohl das Brennstoffeinspritzventil als auch die Wandung der Aufnahmebohrung im Zylinderkopf kegelstumpfförmig verlaufen, angeordnet ist und als Ausgleichselement zur Lagerung und Stützung des Brennstoffeinspritzventils dient.
  • Kompliziertere und in der Herstellung deutlich aufwändigere Zwischenelemente für Brennstoffeinspritzvorrichtungen sind u.a. auch aus den DE 100 27 662 A1 ,
    DE 100 38 763 A1 und EP 1 223 337 A1 bekannt. Diese Zwischenelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie allesamt mehrteilig bzw. mehrlagig aufgebaut sind und z.T. Dicht- und Dämpfungsfunktionen übernehmen sollen. Das aus der
    DE 100 27 662 A1 bekannte Zwischenelement umfasst einen Grund- und Trägerkörper, in dem ein Dichtmittel eingesetzt ist, das von einem Düsenkörper des Brennstoffeinspritzventils durchgriffen wird. Aus der DE 100 38 763 A1 ist ein mehrlagiges Ausgleichselement bekannt, das sich aus zwei starren Ringen und einem sandwichartig dazwischen angeordneten elastischen Zwischenring zusammensetzt. Dieses Ausgleichselement ermöglicht sowohl ein Verkippen des Brennstoffeinspritzventils zur Achse der Aufnahmebohrung über einen relativ großen Winkelbereich als auch ein radiales Verschieben des Brennstoffeinspritzventils aus der Mittelachse der Aufnahmebohrung.
  • Ein ebenfalls mehrlagiges Zwischenelement ist auch aus der EP 1 223 337 A1 bekannt, wobei dieses Zwischenelement aus mehreren Unterlegscheiben zusammengesetzt ist, die aus einem Dämpfungsmaterial bestehen. Das Dämpfungsmaterial aus Metall, Gummi oder PTFE ist dabei so gewählt und ausgelegt, dass eine Geräuschdämpfung der durch den Betrieb des Brennstoffeinspritzventils erzeugten Vibrationen und Geräusche ermöglicht wird. Das Zwischenelement muss dazu jedoch vier bis sechs Lagen umfassen, um einen gewünschten Dämpfungseffekt zu erzielen.
  • Zur Reduzierung von Geräuschemissionen schlägt die US 6,009,856 A zudem vor, das Brennstoffeinspritzventil mit einer Hülse zu umgeben und den entstehenden Zwischenraum mit einer elastischen, geräuschdämpfenden Masse auszufüllen. Diese Art der Geräuschdämpfung ist allerdings sehr aufwändig, montageunfreundlich und kostspielig.
  • Außerdem sind aus den DE 10 2006 009 094 A1 und DE 10 2008 048 173 A1 bereits Entkopplungs- bzw. Dämpfungselemente für Brennstoffeinspritzvorrichtungen bekannt, die sich dadurch auszeichnen, dass sie mehrteilig ausgeführt sind, wobei ein inneres Metallkissen als Drahtgeflecht, -gestrick oder -gewirk in Außenringen gekapselt vorliegt. Ein Innenring des Entkopplungs- bzw. Dämpfungselements kommt dabei immer zur Anlage an dem Brennstoffeinspritzventil, während ein Außenring des Entkopplungs- bzw. Dämpfungselements an einer Schulter einer Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes anliegt. Außen- und Innenring sind jeweils einfache, im Querschnitt rechtwinklige Blechringe mit L-Profil.
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Isolationselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass in sehr einfacher Bauweise eine verbesserte Geräuschdämpfung erreicht wird. Erfindungsgemäß besitzt das Isolationselement eine nicht-lineare, progressive Federkennlinie, durch die sich beim Einbau des Isolationselements in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung mit Injektoren für eine Kraftstoffdirekteinspritzung mehrere positive und vorteilhafte Aspekte ergeben.
  • Das erfindungsgemäße Isolationselement weist den Vorteil auf, dass die Abstützung des Außenrings auf dem Isolationsring die Durchbiegung des Außenrings gegenüber den bekannten Lösungen reduziert und zu einer größeren Steifigkeit des Außenrings führt. Eine große Steifigkeit des Außenrings ermöglicht wiederum eine Auslegung der Federkennlinie alleinig über den Isolationsring aus einem Drahtgeflecht mit deutlich geringerer Steifigkeit. In der Kombination dieser beiden Bauteile kann so ideal die gewünschte progressive Federkennlinie erzeugt werden (niedrige Steifigkeit bei niedrigen Betriebsdrücken/Lasten, hohe Steifigkeit bei hohen Systemdrücken). Zudem können die Spannungen auf möglicherweise zur Sicherung gesetzte Schweißnähte zwischen Außenring und Isolationsring bzw. zwischen Innenring und Isolationsring reduziert werden. Die Biegebeanspruchung der Einzelbauteile des mehrteiligen Isolationselements wird insgesamt herabgesetzt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen mehrteiligen Isolationselement wird eine hervorragende Reduzierung des injektorverursachten Geräuschs während der Kraftstoffeinspritzung durch Verminderung der Kraftübertragung vom Brennstoffeinspritzventil zum Zylinderkopf im relevanten Frequenzbereich erzielt. Das elastische Isolationselement besitzt sowohl Isolations- als auch Dämpfungseigenschaften. Eine genaue Positionierung des Brennstoffeinspritzventils bezüglich des Zylinderkopfes mit sehr geringen Toleranzen und geringer Belastung der Ventildichtungen (zum Brennraum bzw. zum Fuel Rail hin) ist ermöglicht. Das Isolationselement erlaubt eine wiederholbare elastische Verformung des Isolationselements über die gesamte Injektorlebensdauer, ohne dass plastische Deformationen vollzogen werden. Das Isolationssystem ermöglicht bei Einschränkung der Injektorbewegung eine Maximierung der Isolationsfunktion.
  • In vorteilhafter Weise kann die Federkennlinie des erfindungsgemäßen Isolationselements durch Anpassung der geometrischen Parameter insbesondere des Isolationsrings gezielt progressiv ausgelegt werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Isolationselements möglich.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1
    eine teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung in einer bekannten Ausführung mit einem scheibenförmigen Zwischenelement,
    Figur 2
    ein mechanisches Ersatzschaltbild der Abstützung des Brennstoffeinspritzventils im Zylinderkopf bei der Kraftstoffdirekteinspritzung, das ein gewöhnliches Feder-Masse-Dämpfer-System wiedergibt,
    Figur 3
    das Übertragungsverhalten eines in Figur 2 gezeigten Feder-Masse-Dämpfer-Systems mit einer Verstärkung bei niedrigen Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz fR und einem Isolationsbereich oberhalb der Entkoppelfrequenz fE,
    Figur 4
    eine nicht-lineare, progressive Federkennlinie zur Realisierung unterschiedlicher Steifigkeiten in Abhängigkeit des Arbeitspunktes, mit einer geringen Steifigkeit SNVH im Leerlaufbetrieb und einer hohen Steifigkeit bei nominalem Systemdruck FSys,
    Figur 5
    einen teilweisen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Isolationselement, das in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung einsetzbar ist, und
    Figur 6
    einen teilweisen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Isolationselement in einer Einbausituation an einem Brennstoffeinspritzventil im Bereich des in Figur 1 gezeigten scheibenförmigen Zwischenelements.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Zum Verständnis der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur 1 eine bekannte Ausführungsform einer Brennstoffeinspritzvorrichtung näher beschrieben. In der Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in der Form eines Einspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen in einer Seitenansicht dargestellt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung. Mit einem stromabwärtigen Ende ist das Brennstoffeinspritzventil 1, das in Form eines direkt einspritzenden Einspritzventils zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum 25 der Brennkraftmaschine ausgeführt ist, in eine Aufnahmebohrung 20 eines Zylinderkopfes 9 eingebaut. Ein Dichtring 2, insbesondere aus Teflon ®, sorgt für eine optimale Abdichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 gegenüber der Wandung der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9.
  • Zwischen einem Absatz 21 eines Ventilgehäuses 22 und einer z.B. rechtwinklig zur Längserstreckung der Aufnahmebohrung 20 verlaufenden Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 ist ein flaches Zwischenelement 24 eingelegt, das als Abstützelement in Form einer Unterlegscheibe ausgeführt ist. Mit Hilfe eines solchen Zwischenelements 24 werden Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen und eine querkraftfreie Lagerung auch bei leichter Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 sichergestellt.
  • Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist an seinem zulaufseitigen Ende 3 eine Steckverbindung zu einer Brennstoffverteilerleitung (Fuel Rail) 4 auf, die durch einen Dichtring 5 zwischen einem Anschlussstutzen 6 der Brennstoffverteilerleitung 4, der im Schnitt dargestellt ist, und einem Zulaufstutzen 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 abgedichtet ist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in eine Aufnahmeöffnung 12 des Anschlussstutzens 6 der Brennstoffverteilerleitung 4 eingeschoben. Der Anschlussstutzen 6 geht dabei z.B. einteilig aus der eigentlichen Brennstoffverteilerleitung 4 hervor und besitzt stromaufwärts der Aufnahmeöffnung 12 eine durchmesserkleinere Strömungsöffnung 15, über die die Anströmung des Brennstoffeinspritzventils 1 erfolgt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 verfügt über einen elektrischen Anschlussstecker 8 für die elektrische Kontaktierung zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 1.
  • Um das Brennstoffeinspritzventil 1 und die Brennstoffverteilerleitung 4 weitgehend radialkraftfrei voneinander zu beabstanden und das Brennstoffeinspritzventil 1 sicher in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes niederzuhalten, ist ein Niederhalter 10 zwischen dem Brennstoffeinspritzventil 1 und dem Anschlussstutzen 6 vorgesehen. Der Niederhalter 10 ist als bügelförmiges Bauteil ausgeführt, z.B. als Stanz-Biege-Teil. Der Niederhalter 10 weist ein teilringförmiges Grundelement 11 auf, von dem aus abgebogen ein Niederhaltebügel 13 verläuft, der an einer stromabwärtigen Endfläche 14 des Anschlussstutzens 6 an der Brennstoffverteilerleitung 4 im eingebauten Zustand anliegt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber den bekannten Zwischenelementelösungen auf einfache Art und Weise eine verbesserte Geräuschdämpfung, vor allen Dingen im geräuschkritischen Leerlaufbetrieb, durch eine gezielte Auslegung und Geometrie des Zwischenelements 24 zu erreichen. Die maßgebliche Geräuschquelle des Brennstoffeinspritzventils 1 bei der direkten Hochdruckeinspritzung sind die während des Ventilbetriebs in den Zylinderkopf 9 eingeleiteten Kräfte (Körperschall), die zu einer strukturellen Anregung des Zylinderkopfs 9 führen und von diesem als Luftschall abgestrahlt werden. Um eine Geräuschverbesserung zu erreichen, ist daher eine Minimierung der in den Zylinderkopf 9 eingeleiteten Kräfte anzustreben. Neben der Verringerung der durch die Einspritzung verursachten Kräfte kann dies durch eine Beeinflussung des Übertragungsverhaltens zwischen dem Brennstoffeinspritzventil 1 und dem Zylinderkopf 9 erreicht werden.
  • Im mechanischen Sinne kann die Lagerung des Brennstoffeinspritzventils 1 auf dem passiven Zwischenelement 24 in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 als ein gewöhnliches Feder-Masse-Dämpfer-System abgebildet werden, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Die Masse M des Zylinderkopfs 9 kann dabei gegenüber der Masse m des Brennstoffeinspritzventils 1 in erster Näherung als unendlich groß angenommen werden. Das Übertragungsverhalten eines solchen Systems zeichnet sich durch eine Verstärkung bei niedrigen Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz fR und einen Isolationsbereich oberhalb der Entkoppelfrequenz fE aus (siehe Figur 3).
  • Ziel der Erfindung ist die Auslegung eines Zwischenelementes 24 unter der vorrangigen Verwendung der elastischen Isolation (Entkopplung) zur Geräuschminderung, insbesondere im Leerlaufbetrieb des Fahrzeuges. Die Erfindung umfasst dabei zum einen die Definition und Auslegung einer geeigneten Federkennlinie unter Berücksichtigung der typischen Anforderungen und Randbedingungen bei der Kraftstoffdirekteinspritzung mit variablem Betriebsdruck und zum anderen die Auslegung eines Zwischenelementes 24, welches in der Lage ist, die Charakteristik der so definierten Federkennlinie abzubilden und über eine Wahl einfacher geometrischer Parameter an die spezifischen Randbedingungen des Einspritzsystems angepasst werden kann.
  • Die Entkopplung des Brennstoffeinspritzventils 1 vom Zylinderkopf 9 mit Hilfe einer geringen Federsteifigkeit c des erfindungsgemäßen mehrteiligen Isolationselements 30 wird neben dem geringen Bauraum durch eine Einschränkung der zulässigen Maximalbewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 während des Motorbetriebs erschwert. Wie Figur 4 zu entnehmen ist, treten im Fahrzeug typischerweise folgende quasi-statische Lastzustände auf:
    1. 1. die nach der Montage durch einen Niederhalter 10 aufgebrachte statische Niederhaltekraft FNH,
    2. 2. die bei Leerlauf-Betriebsdruck vorliegende Kraft FL und
    3. 3. die bei nominalen Systemdruck vorliegende Kraft FSys.
  • Gewöhnliche Abstützelemente als Zwischenelemente 24 besitzen in dem angesprochenen Kraftbereich eine lineare Federkennlinie. Dies hat zur Folge, dass sich die Steifigkeit des Zwischenelementes 24 im angestrebten Entkoppelpunkt bei Leerlaufbetrieb an der oben definierten, maximal zulässigen Bewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 orientieren muss und für eine wirkungsvolle Entkopplung zu groß ist. Da die nominalen Betriebsdrücke in Zukunft vermutlich weiter ansteigen werden, wird sich dieses Problem weiter verstärken.
  • Um diesen Konflikt zu lösen, wird erfindungsgemäß eine nicht-lineare Federkennlinie mit einem progressiven Verlauf für das Isolationselement 30 vorgeschlagen, wie sie in Figur 4 skizziert ist. Die Charakteristik dieser Federkennlinie ermöglicht eine Geräuschentkopplung mit Hilfe einer geringen Federsteifigkeit (SNVH) im Leerlaufbetrieb und ermöglicht durch die schnell ansteigende Steifigkeit die Einhaltung der maximalen Bewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 zwischen Leerlauf- und Systemdruck.
  • Um die nicht-lineare Federkennlinie bei typischen Randbedingungen der Kraftstoffdirekteinspritzung (geringer Bauraum, große Kräfte, geringe Gesamtbewegung des Brennstoffeinspritzventils 1) auf optimale Weise umsetzen zu können, ist das Isolationselement 30 erfindungsgemäß mehrteilig aus einem Außenring 31, einem Innenring 32 und einem Isolationsring 33 aufgebaut, wobei der Isolationsring 33 vom Innenring 32 und Außenring 31 umgeben gekapselt umläuft. Damit unterscheidet er sich deutlich von herkömmlichen Tellerfedern, die grundsätzlich zunächst nur einen linearen oder degressiven Kennlinienverlauf aufweisen. Bei herkömmlichen Tellerfedern wird ein progressiver Verlauf erst erreicht, wenn sie nahezu komplett auf "Block" belastet werden.
  • In der Figur 5 ist ein teilweiser Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Isolationselement 30, das in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung einsetzbar ist, dargestellt. Das mehrteilige Isolationselement 30 weist zwei Funktionseinheiten auf. Die erste Funktionseinheit wird von dem Isolationsring 33 gebildet. Bei dem Isolationsring 33 handelt es sich um ein ringförmiges Drahtgeflecht, -gestrick oder -gewirk, das für sich erfindungsgemäß zwei Funktionen erfüllt. Die Primärfunktion besteht darin, wie zuvor schon ausführlich beschrieben, über eine progressive Federkennlinie mit niedriger Steifigkeit unter niedrigen Lastbedingungen (z.B. Leerlauf, geräuschkritische Betriebsbereiche) und großer Steifigkeit bei Nenn-Systemdruck eine bestmögliche Isolation (Entkopplung) an der Brennstoffeinspritzvorrichtung zu erzielen. Als eine Sekundärfunktion des Isolationsrings 33 ist eine Dämpfung, die nicht mit der Isolation gleichzusetzen ist, da unterschiedliche physikalische Wirkmechanismen vorliegen, erwünscht, die über eine innere Reibung des Drahtgeflechts des Isolationsrings 33 während der Einspritzung bei Mikrobewegungen des Brennstoffeinspritzventils 1 realisiert wird. Das Drahtgeflecht, -gestrick oder -gewirk des Isolationsrings 33 weist z.B. einen weitgehend quadratischen Querschnitt auf.
  • Die zweite Funktionseinheit wird durch den Außenring 31 und den Innenring 32 gebildet, die zusammen eine Ringkammer für den Isolationsring 33 bilden und diesen insofern kapseln. Der Innenring 32 ist dünnwandig, z.B. als Blechteil ausgebildet und besitzt an einer Innenseite 35 eine ringscheibenförmige Fläche sowie an seiner Unterseite 36 eine zylinderkopfseitige Abstützfläche. Die beiden Seiten 35, 36 verlaufen weitgehend senkrecht zueinander stehend. Die Innenseite 35 kann elastische Elemente 37 über den Umfang verteilt aufweisen, die z.B. federspangenartig ausgeführt sind und dafür sorgen, dass das Isolationselement 30 verliersicher am Brennstoffeinspritzventil 1 befestigt ist. Der Außenring 31 weist eine größere Materialdicke auf als der Innenring 32. An einer Außenseite 38 besitzt der Außenring 31 eine ringscheibenförmige Fläche, während an seiner dicker und stabiler ausgeformten Oberseite 39 eine injektorseitige Abstützfläche vorgesehen ist, die ballig bzw. sphärisch, konvex ausgewölbt verläuft. Mit dieser Abstützfläche der Oberseite 39 liegt das Isolationselement 30 an einer z.B. konisch verlaufenden Schulter des Ventilgehäuses 22 an, so dass es hier idealisiert gesehen lediglich zu einer Linienberührung der korrespondierenden Bauteilpartner 1, 30 kommt.
  • Figur 6 zeigt einen teilweisen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Isolationselement 30 in einer Einbausituation an einem Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich des in Figur 1 gezeigten scheibenförmigen Zwischenelements 24. Wie in der Figur 6 mit dem gebogenen Pfeil übertrieben und mit dem gestrichelten Ausweichen/Verbiegen des Außenrings 31 nicht maßstäblich angedeutet ist, weist das erfindungsgemäße Isolationselement 30 den Vorteil auf, dass die Abstützung des Außenrings 31 auf dem Isolationsring 33 die Durchbiegung des Außenrings 31 gegenüber den bekannten Lösungen reduziert und zu einer größeren Steifigkeit des Außenrings 31 führt. Eine große Steifigkeit des Außenrings 31 ermöglicht wiederum eine Auslegung der Federkennlinie alleinig über den Isolationsring 33 aus dem Drahtgeflecht mit deutlich geringerer Steifigkeit. In der Kombination dieser beiden Bauteile 31, 33 kann so ideal die gewünschte progressive Federkennlinie erzeugt werden. Zudem können die Spannungen auf möglicherweise zur Sicherung gesetzte Schweißnähte 40 zwischen Außenring 31 und Isolationsring 33 bzw. zwischen Innenring 32 und Isolationsring 33 reduziert werden. Insofern sind deshalb geringere Anforderungen an die Schweißnähte 40 zu stellen. Die Biegebeanspruchung der Einzelbauteile des mehrteiligen Isolationselements 30 wird insgesamt herabgesetzt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen mehrteiligen Isolationselement 30 wird eine hervorragende Reduzierung des injektorverursachten Geräuschs während der Kraftstoffeinspritzung durch Verminderung der Kraftübertragung vom Brennstoffeinspritzventil 1 zum Zylinderkopf 9 im relevanten Frequenzbereich erzielt. Das elastische Isolationselement 30 besitzt sowohl Isolations- als auch Dämpfungseigenschaften. Eine genaue Positionierung des Brennstoffeinspritzventils 1 bezüglich des Zylinderkopfes 9 mit sehr geringen Toleranzen und geringer Belastung der Ventildichtungen (zum Brennraum 25 bzw. zum Fuel Rail 4 hin) ist ermöglicht. Das Isolationselement 30 erlaubt eine wiederholbare elastische Verformung des Isolationselements 30 über die gesamte Injektorlebensdauer, ohne dass plastische Deformationen vollzogen werden. Das Isolationssystem ermöglicht bei Einschränkung der Injektorbewegung eine Maximierung der Isolationsfunktion.

Claims (8)

  1. Mehrteiliges Isolationselement einer Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung wenigstens ein Brennstoffeinspritzventil (1) und eine Aufnahmebohrung (20) für das Brennstoffeinspritzventil (1) umfasst, und das Isolationselement (30) zwischen einem Ventilgehäuse (22) des Brennstoffeinspritzventils (1) und einer Wandung der Aufnahmebohrung (20) eingebracht ist, wobei das Isolationselement (30) einen inneren Isolationsring (33) umfasst, der zwischen einem Außenring (31) und einem Innenring (32) gekapselt vorliegt, wobei
    der Außenring (31) zum Brennstoffeinspritzventil (1) gerichtet ist und der Innenring (32) zur Wandung der Aufnahmebohrung (20) gerichtet ist und es im eingebauten Zustand des Isolationselements (30) zur entsprechenden Anlage dieser Bauteile (31/1; 32/9) kommt, wobei der Außenring (31) an einer Außenseite (38), die den inneren Isolationsring (33) radial umgibt, eine ringscheibenförmige Fläche und an einer Oberseite (39) eine injektorseitige Abstützfläche besitzt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innenring (32) dünnwandig als Blechteil ausgebildet ist und der Außenring (31) eine größere Materialdicke aufweist als der Innenring (32) und die Oberseite (39) des Außenrings (31) dicker und stabiler ausgeformt ist als die ringscheibenförmige Außenseite (38) des Außenrings (31) und die injektorseitige Abstützfläche der Oberseite (39) ballig bzw. sphärisch, konvex ausgewölbt verläuft, so dass durch diese Abstützung des Außenrings (31) auf dem Isolationsring (33) die Durchbiegung des Außenrings (31) reduziert ist und eine größere Steifigkeit des Außenrings (31) erzielt ist.
  2. Isolationselement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Isolationsring (33) ein ringförmiges Drahtgeflecht, -gestrick oder -gewirk ist.
  3. Isolationselement nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innenring (32) dünnwandig ausgebildet ist und an einer Innenseite (35) eine ringscheibenförmige Fläche sowie an einer Unterseite (36) eine flache Abstützfläche besitzt.
  4. Isolationselement nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenseite (35) des Innenrings (32) elastische Elemente (37) aufweist.
  5. Isolationselement nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die elastischen Elemente (37) federspangenartig ausgeführt sind.
  6. Isolationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens eine zur Sicherung gesetzte Schweißnaht (40) zwischen Außenring (31) und Isolationsring (33) und/oder zwischen Innenring (32) und Isolationsring (33) vorgesehen ist.
  7. Isolationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Aufnahmebohrung (20) für das Brennstoffeinspritzventil (1) in einem Zylinderkopf (9) ausgebildet ist und die Aufnahmebohrung (20) eine Schulter (23) besitzt, die senkrecht zur Erstreckung der Aufnahmebohrung (20) verläuft und auf der der Innenring (32) aufliegt.
  8. Isolationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass das Ventilgehäuse (22) des Brennstoffeinspritzventils (1) in einem Anlagebereich des Isolationselements (30) mit einer konischen Außenkontur versehen ist, an der sich der Außenring (31) abstützt.
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