WO2009156219A1 - Entkopplungselement für eine brennstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Entkopplungselement für eine brennstoffeinspritzvorrichtung Download PDF

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WO2009156219A1
WO2009156219A1 PCT/EP2009/055141 EP2009055141W WO2009156219A1 WO 2009156219 A1 WO2009156219 A1 WO 2009156219A1 EP 2009055141 W EP2009055141 W EP 2009055141W WO 2009156219 A1 WO2009156219 A1 WO 2009156219A1
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decoupling element
fuel injection
receiving bore
injection valve
boundary surface
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PCT/EP2009/055141
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French (fr)
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Michael Fischer
Friedrich Moser
Markus Friedrich
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M2200/80—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly
    • F02M2200/8053—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly involving mechanical deformation of the apparatus or parts thereof

Definitions

  • the invention relates to a decoupling element for a fuel injection device according to the preamble of the main claim.
  • FIG 1 an example of a known from the prior art fuel injection device is shown in which a flat intermediate element is provided on a built-in bore in a cylinder head of an internal combustion engine fuel injector.
  • 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 sub-ring having a circular cross-section which is frusto-conical in a region in which both the fuel injection valve and the wall of the receiving bore in the cylinder head are frustoconical run, arranged and serves as a compensation element for storage and support of the fuel injection valve.
  • intermediate elements for fuel injectors u.a. also known from DE 100 27 662 A1, DE 100 38 763 A1 and EP 1 223 337 A1. These intermediate elements are characterized by the fact that they are all constructed in several parts or multi-layered and z.T. Should take over sealing and damping functions.
  • the known from DE 100 27 662 Al 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 multilayer compensating element is known, which is composed of two rigid rings and a 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-layer intermediate element is also known from EP 1 223 337 A1, wherein this intermediate element is composed of several 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.
  • US 6,009,856 A also proposes to surround the fuel injector with a sleeve and to fill the resulting gap with an elastic, noise-damping mass. This type of noise reduction is very complex, easy to install and expensive.
  • the decoupling 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 design improved noise reduction is achieved by insulation.
  • the decoupling element has a non-linear, progressive spring characteristic, resulting in several positive and advantageous aspects when installing the decoupling element in a fuel injection device with injectors for direct fuel injection.
  • the low stiffness of the decoupling element at the idling point allows effective decoupling of the fuel injector from the cylinder head and thereby significantly reduced in noise-critical idling operation introduced into the cylinder head body scarf performance and thus the radiated from the cylinder head noise.
  • the high stiffness at nominal system pressure provides low overall fuel injector movement during vehicle operation thereby assuring the durability of the gaskets which serve as a combustion chamber gasket and seal against the fuel rail and a stable spray point of the fuel spray in the combustion chamber. which is crucial for the stability of some firing processes.
  • the spring characteristic of the decoupling element according to the invention by adjusting the geometric parameters (rolling radii Ri and R 2 , Aufstands sacrificer in the undeformed state Di and D 2 , component height Hi) can be designed specifically progressive.
  • the decoupling element is characterized by a low height, making it similar to a plate spring can be used even in a small space.
  • the decoupling element also has a high fatigue strength even at high temperatures. As a rotationally symmetrical component, both the design calculation and the production are easily possible for the decoupling element.
  • the same decoupling element can also be installed so that the upper boundary surface of
  • Decoupling element in the undeformed state in a large diameter region with a contact diameter Di rests against the valve housing of the fuel injection valve, while the lower boundary surface of the decoupling element contacts the receiving bore in a small diameter region with a contact diameter D 2 .
  • Figure 1 is a partially illustrated fuel injector in a known embodiment with a disc-shaped intermediate element
  • Figure 2 is a mechanical equivalent circuit diagram of the support of
  • Fuel injection valve in the cylinder head in direct fuel injection which is a common spring mass
  • FIG. 3 shows the transmission behavior of a spring mass shown in FIG.
  • Damper system with a gain at low frequencies in the range of the resonant frequency f R and an isolation range above the decoupling frequency f E ,
  • Figure 4 is a non-linear, progressive spring characteristic for the realization of different stiffness as a function of the operating point, with low stiffness S NVH in idle mode and a high
  • Figure 5 is a partial cross-section through a first embodiment of a decoupling element according to the invention
  • Figure 6 is a partial cross section through a second embodiment of a decoupling element or its invention over
  • Figure 5 reversed installation position and Figure 7 shows a third embodiment of an inventive
  • the fuel injection valve 1 is part of the fuel injection device.
  • the fuel injection valve 1 which is designed in the form of a direct-injection injector for injecting fuel directly into a combustion chamber 25 of the internal combustion engine, is installed in a receiving bore 20 of a cylinder head 9.
  • 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.
  • the fuel injection valve 1 has at its upstream end 3 a
  • 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 a punching and 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 to achieve over the known insectsieri treatmentsen in a simple manner improved noise reduction, especially in noise-critical idling operation, by a targeted interpretation and geometry of the intermediate element 24.
  • the authoritative source of noise 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), the lead 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 injection valve 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 Figure 2.
  • 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).
  • Isolation as much of the audible frequency spectrum includes. This can be achieved via a lower rigidity c of the intermediate element 24. 2. Increase the damping properties (e.g., friction) of the intermediate element
  • 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 encompasses, 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 hand, the design of an intermediate element 24 which is capable of reproducing the characteristic of the spring characteristic defined in this way and of a Choice of simple geometric parameters can be adapted to the specific boundary conditions of the injection system.
  • Decoupling element 240 is called, in addition to the small space by a restriction of the permissible maximum movement of the fuel injection valve 1 during engine operation difficult.
  • the following quasi-static load conditions typically occur in the vehicle: 1. the static hold-down force F NH applied after assembly by a hold-down device 10,
  • the functional requirements for the spring characteristic of the decoupling element 240 are:
  • a non-linear spring characteristic with a progressive profile for the decoupling element 240 is proposed according to the invention, as sketched in FIG.
  • 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 decoupling element 240 is inventively similar to a plate spring formed due to the special geometric Design of their cross-sectional geometry generates a significantly progressive spring characteristic.
  • it differs significantly from conventional disc springs, which basically initially have only a linear or degressive characteristic curve.
  • a progressive course is achieved only when they are almost completely loaded on "block".
  • FIGS. 5 and 6 show two embodiments of decoupling elements 240, which are distinguished by a lenticular cross-sectional geometry and, due to their specific geometry, the desired progressive one Cause spring characteristic.
  • the progressivity of the decoupling element 240 can be easily designed by adapting a few geometric parameters, as indicated in FIG. 5.
  • the lenticular cross-sectional geometry of the decoupling element 240 is selected such that an upper boundary surface 30 has a convex curvature with a first radius Ri and an opposing lower boundary surface 31 has a convex curvature with a second radius R 2 .
  • radially inward and outward decoupling element 240 is limited in each case, for example, by vertical end faces 32, 33, which thus define the inner diameter D 3 and the outer diameter D 4 of the decoupling element 240 in the undeformed state.
  • the end faces 32, 33 are not functionally relevant and can therefore also deviate from a vertical course.
  • the decoupling element 240 has a component height Hi.
  • the upper boundary surface 30 of the decoupling element 240 with the first radius Ri is in the built undeformed state in the fuel injector in a small diameter portion Di on the shoulder 21 of the valve housing 22 of the fuel injection valve 1, while the lower boundary surface 31 of the decoupling element 240 with the second radius R 2 in the installed state, the shoulder 23 of the receiving bore 20 in the cylinder head 9 in a diameter-large area D 2 touched.
  • Di and D 2 are also referred to as Aufstands mismesser in the undeformed state.
  • the non-linear, progressive spring characteristic of the decoupling element 240 is realized by a shortening of the lever arm, which is defined by the radial distance of the upper and lower contact point at Di and D 2 , with increasing load of the decoupling element 240.
  • a smaller lever arm causes a higher rigidity of the decoupling element 240.
  • the Hebelarmverkürzung is achieved by the unrolling of the decoupling element 240 with its two convex boundary surfaces 30, 31 on the respective contact partners, ie cylinder head 9 and valve housing 22.
  • progressive spring characteristic can also be adapted very specifically to the respective application by means of more complex rolling geometries by providing different radii on the upper limiting surface 30 and / or on the lower limiting surface 31, so that transitions between different rolling radii are produced.
  • a Hebelarmverkürzung by the unwinding of the decoupling element 240 in the loaded state with a comparable noise-reducing effect is also possible if the decoupling element 240 is installed in the reverse position in the fuel injection device.
  • the upper boundary surface 30 of the decoupling element 240 with the first radius Ri in the built undeformed state in the fuel injector in a large diameter portion Di on the shoulder 21 of the valve housing 22 of the fuel injection valve 1 while the lower boundary surface 31 of the decoupling element 240 with the second radius R 2 in the installed state, the shoulder 23 of the receiving bore 20 in the cylinder head 9 in a small diameter portion D 2 touches.
  • Inner diameter D 3 and the outer Aufstandrete close to the outer diameter D 4 and the inner radial distance between the Aufstandriosen at Di and D 2 (lever arm length) is greater than the respective outer radial distances from the Aufstandsriosen at Di and D 2 to the inner diameter D. 3 or outer diameter D 4 -
  • Hebelarmverkürzung can also be realized with non-parallel bearing surfaces (paragraph 21, shoulder 23), if, for example, the fuel injection valve 1 and / or the receiving bore 20 in the cylinder head 9 in the region of the decoupling element 240 to be introduced frusto-conical walls.
  • a two-part solution is useful, as shown in FIG.
  • a support element 35 may be provided, which towards the decoupling element 240 towards a paragraph 21 'similar to the paragraph 21st of the fuel injection valve 1, while the fuel injector 1 inwardly, the support member 35 has a curved contact surface 36 to which the fuel injection valve 1 can be supported, for example, with a frusto-conical valve housing 22.
  • the rigidity of the additional support element 35 must also be taken into account.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Entkopplungselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zeichnet sich besonders dadurch aus, dass eine geräuscharme Konstruktion realisiert ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung umfasst wenigstens ein Brennstoffeinspritzventil (1) und eine Aufnahmebohrung (20) in einem Zylinderkopf (9) für das Brennstoffeinspritzventil (1) sowie das Entkopplungselement (240) zwischen einem Ventilgehäuse (22) des Brennstoffeinspritzventils (1) und einer Wandung der Aufnahmebohrung (20). Das Entkopplungselement (240) weist als linsenförmiges Federelement eine nicht-lineare, progressive Federkennlinie auf, wodurch eine niedrige Steifigkeit des Entkopplungselements (240) im Leerlaufbetrieb und eine hohe Steifigkeit des Entkopplungselements (240) bei nominalem Systemdruck vorliegt. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung eignet sich besonders zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung
Titel
Entkopplungselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Entkopplungselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
In der Figur 1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoff einspritzvorrichtung 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 Al 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 Al, DE 100 38 763 Al und EP 1 223 337 Al 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 Al 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 Al 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 Al 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. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Entkopplungselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass in sehr einfacher Bauweise eine verbesserte Geräuschminderung durch Isolation erreicht wird. Erfindungsgemäß besitzt das Entkopplungselement eine nicht-lineare, progressive Federkennlinie, durch die sich beim Einbau des Entkopplungselements in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung mit Injektoren für eine Kraftstoffdirekteinspritzung mehrere positive und vorteilhafte Aspekte ergeben. Die niedrige Steifigkeit des Entkopplungselements im Leerlaufpunkt ermöglicht eine effektive Entkopplung des Brennstoffeinspritzventils vom Zylinderkopf und verringert dadurch im geräuschkritischen Leerlaufbetrieb deutlich die in den Zylinderkopf eingeleitete Körperschalleistung und damit das vom Zylinderkopf abgestrahlte Geräusch. Die hohe Steifigkeit bei nominalem Systemdruck sorgt für eine während des Fahrzeugbetriebs insgesamt niedrige Bewegung des Brennstoffeinspritzventils und sichert dadurch zum einem die Haltbarkeit der Dichtringe, die als Brennraumdichtung und als Abdichtung gegenüber dem Fuel Rail dienen, und zum anderen einen stabilen Abspritzpunkt des Kraftstoffsprays im Brennraum, was für die Stabilität einiger Brennverfahren entscheidend ist.
In vorteilhafter Weise kann die Federkennlinie des erfindungsgemäßen Entkopplungselements durch Anpassung der geometrischen Parameter (Abrollradien Ri und R2, Aufstandsdurchmesser im unverformten Zustand Di und D2, Bauteilhöhe Hi) gezielt progressiv ausgelegt werden. Das Entkopplungselement zeichnet sich durch eine geringe Bauhöhe aus, wodurch es auch bei kleinem Bauraum ähnlich einer Tellerfeder einsetzbar ist. Das Entkopplungselement besitzt zudem eine große Dauerfestigkeit auch bei hohen Temperaturen. Als rotationssymmetrisches Bauteil sind für das Entkopplungselement sowohl die Auslegungsberechnung als auch die Fertigung einfach möglich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, das Entkopplungselement in zwei Einbaulagen verwenden zu können. Einerseits ist der Einbau des Entkopplungselements derart möglich, dass die obere Begrenzungsfläche des Entkopplungselements im unverformten Zustand in einem durchmesserkleinen Bereich mit einem
Aufstandsdurchmesser Di an dem Ventilgehäuse des Brennstoffeinspritzventils anliegt, während die untere Begrenzungsfläche des Entkopplungselements die Aufnahmebohrung in einem durchmessergroßen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser D2 berührt. Andererseits kann dasselbe Entkopplungselement auch so verbaut werden, dass die obere Begrenzungsfläche des
Entkopplungselements im unverformten Zustand in einem durchmessergroßen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser Di an dem Ventilgehäuse des Brennstoffeinspritzventils anliegt, während die untere Begrenzungsfläche des Entkopplungselements die Aufnahmebohrung in einem durchmesserkleinen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser D2 berührt.
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 eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements, Figur 6 einen teilweisen Querschnitt durch eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements bzw. dessen gegenüber
Figur 5 umgekehrter Einbaulage und Figur 7 eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäßen
Entkopplungselements in einer zweiteiligen Lösung zusammen mit einem Abstützelement.
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 (nicht gezeigt) oder einer unteren Stirnseite 21 eines Abstützelements 19 (Figur 1) und einer z.B. rechtwinklig zur Längserstreckung der Aufnahmebohrung 20 verlaufenden Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 ist ein flaches Zwischenelement 24 eingelegt, das in Form einer Unterlegscheibe ausgeführt ist. Mit Hilfe eines solchen Zwischenelements 24 bzw. zusammen mit einem steifen Abstützelement 19, das z.B. zum Brennstoffeinspritzventil 1 hin nach innen eine gewölbte Berührungsfläche besitzt, 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 bügeiförmiges 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 Geräuschminderung, 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).
Ausgehend von diesem sich aus dem Feder- Masse- Dämpfer-System ergebenden
Übertragungsverhalten ergeben sich zur Geräuschminderung mehrere Möglichkeiten:
1. Verschiebung der Eigenfrequenz zu kleineren Frequenzen, so dass der
Isolationsbereich einen möglichst großen Teil des hörbaren Frequenzspektrums umfasst. Dies kann über eine niedrigere Steifigkeit c des Zwischenelementes 24 erreicht werden. 2. Erhöhung der Dämpfungseigenschaften (z.B. Reibung) des Zwischenelementes
24, um eine Abschwächung der Verstärkung bei niedrigen Frequenzen zu erreichen.
Mit höheren Dämpfungseigenschaften verringert sich jedoch ebenso die
Isolationswirkung in den höheren Frequenzbereichen.
3. Eine Kombination der beiden vorgenannten Möglichkeiten.
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 Zwischenelements 24, das im Folgenden als
Entkopplungselement 240 bezeichnet wird, 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. die nach der Montage durch einen Niederhalter 10 aufgebrachte statische Niederhaltekraft FNH,
2. die bei Leerlauf-Betriebsdruck vorliegende Kraft FL und
3. die bei nominalen Systemdruck vorliegende Kraft FSys.
Die funktionellen Anforderungen an die Federkennlinie des Entkopplungselements 240 sind:
- eine möglichst geringe Steifigkeit (SNVH) im Leerlaufbetrieb zur Geräuschminderung durch Isolation,
- die Einhaltung einer maximal zulässigen Bewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 Δxi;i beim Motorstart,
- die Einhaltung einer maximal zulässigen Bewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 Δxi;2 im Fahrzeugbetrieb zwischen Leerlauf- Betriebsdruck und nominalen Systemdruck.
Die Einschränkung der Bewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 in den beiden letzten Punkten ist notwendig, um die Funktion des Dichtrings 2 und der O- Ring- Dichtung mit dem Dichtring 5 über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs zu ermöglichen. Kritisch ist hierbei insbesondere die Einschränkung der Bewegung des Brennstoffeinspritzventils 1 zwischen Leerlauf- und Systemdruck, da hier aufgrund der relativ großen Kraftdifferenz eine hohe Steifigkeit des Entkopplungselementes 240 benötigt wird.
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 Entkopplungselement 240 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 Kraftstoff direkteinspritzung (geringer Bauraum, große Kräfte, geringe Gesamtbewegung des Brennstoffeinspritzventils 1) auf einfache und kostengünstige Weise umsetzen zu können, ist das Entkopplungselement 240 erfindungsgemäß ähnlich einer Tellerfeder ausgebildet, die auf Grund der besonderen geometrischen Auslegung ihrer Querschnittsgeometrie eine deutlich progressive Federkennlinie erzeugt. Damit unterscheidet es 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 den Figuren 5 und 6 sind zwei Ausführungsbeispiele von Entkopplungselementen 240 gezeigt, die sich durch eine linsenförmige Querschnittsgeometrie auszeichnen und aufgrund ihrer spezifischen Geometrie die gewünschte progressive Federkennlinie hervorrufen. Die Progressivität des Entkopplungselements 240 kann über eine Anpassung weniger geometrischer Parameter, wie sie in Figur 5 mit angegeben sind, auf einfache Weise ausgelegt werden. Die linsenförmige Querschnittsgeometrie des Entkopplungselements 240 ist dabei derart gewählt, dass eine obere Begrenzungsfläche 30 eine konvexe Wölbung mit einem ersten Radius Ri und eine gegenüberliegende untere Begrenzungsfläche 31 eine konvexe Wölbung mit einem zweiten Radius R2 aufweisen. Nach radial innen und außen ist das Entkopplungselement 240 jeweils z.B. von senkrechten Stirnflächen 32, 33 begrenzt, die damit den Innendurchmesser D3 und den Außendurchmesser D4 des Entkopplungselements 240 im unverformten Zustand festlegen. Die Stirnflächen 32, 33 sind nicht funktionsrelevant und können insofern auch von einem senkrechten Verlauf abweichen. Im unverformten Zustand weist das Entkopplungselement 240 eine Bauteilhöhe Hi auf.
Die obere Begrenzungsfläche 30 des Entkopplungselements 240 mit dem ersten Radius Ri liegt im eingebauten unverformten Zustand in der Brennstoffeinspritzvorrichtung in einem durchmesserkleinen Bereich Di an dem Absatz 21 des Ventilgehäuses 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 an, während die untere Begrenzungsfläche 31 des Entkopplungselements 240 mit dem zweiten Radius R2 im eingebauten Zustand die Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 im Zylinderkopf 9 in einem durchmessergroßen Bereich D2 berührt. Di und D2 werden auch als Aufstandsdurchmesser im unverformten Zustand bezeichnet.
Die nicht-lineare, progressive Federkennlinie des Entkopplungselements 240 wird über eine Verkürzung des Hebelarms, der durch den radialen Abstand des oberen und unteren Aufstandpunkts bei Di und D2 definiert ist, bei zunehmender Belastung des Entkopplungselements 240 realisiert. Ein kleinerer Hebelarm bewirkt dabei eine höhere Steifigkeit des Entkopplungselements 240. Die Hebelarmverkürzung wird durch das Abrollen des Entkopplungselements 240 mit seinen beiden konvexen Begrenzungsflächen 30, 31 auf den jeweiligen Kontaktpartnern, also Zylinderkopf 9 und Ventilgehäuse 22 erreicht. Die beiden Begrenzungsflächen 30, 31 sind im in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils mit einem konstanten Radius Ri bzw. R2 versehen, wobei sowohl Ri = R2 als auch Ri /= R2 gelten kann. Die nicht-lineare, progressive Federkennlinie kann jedoch auch durch komplexere Abrollgeometrien sehr spezifisch an die jeweilige Applikation angepasst werden, indem unterschiedliche Radien an der oberen Begrenzungsfläche 30 und/oder an der unteren Begrenzungsfläche 31 vorgesehen sind, so dass Übergänge zwischen verschiedenen Abrollradien entstehen.
Eine Hebelarmverkürzung durch das Abrollen des Entkopplungselements 240 im belasteten Zustand mit vergleichbarem geräuschreduzierendem Effekt ist auch dann möglich, wenn das Entkopplungselement 240 in umgekehrter Lage in die Brennstoffeinspritzvorrichtung eingebaut wird. Wie in Figur 6 angedeutet, liegt in diesem Falle die obere Begrenzungsfläche 30 des Entkopplungselements 240 mit dem ersten Radius Ri im eingebauten unverformten Zustand in der Brennstoffeinspritzvorrichtung in einem durchmessergroßen Bereich Di an dem Absatz 21 des Ventilgehäuses 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 an, während die untere Begrenzungsfläche 31 des Entkopplungselements 240 mit dem zweiten Radius R2 im eingebauten Zustand die Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 im Zylinderkopf 9 in einem durchmesserkleinen Bereich D2 berührt.
Für beide in Figuren 5 und 6 dargestellten Fälle gilt, dass im unverformten Zustand des Entkopplungselements 240 der innere Aufstandpunkt nahe dem
Innendurchmesser D3 und der äußere Aufstandpunkt nahe dem Außendurchmesser D4 liegen und der innere radiale Abstand zwischen den Aufstandpunkten bei Di und D2 (Hebelarmlänge) größer ist als die jeweiligen äußeren radialen Abstände von den Aufstandpunkten bei Di bzw. D2 bis zum Innendurchmesser D3 bzw. Außendurchmesser D4-
Der Effekt der Hebelarmverkürzung kann auch bei nicht parallelen Auflageflächen (Absatz 21, Schulter 23) realisiert werden, wenn z.B. das Brennstoffeinspritzventil 1 und/oder die Aufnahmebohrung 20 im Zylinderkopf 9 in dem Bereich des einzubringenden Entkopplungselements 240 kegelstumpfförmige Wandungen aufweisen. Für eine solche Einbausituation ist z.B. eine zweiteilige Lösung sinnvoll, wie sie in Figur 7 dargestellt ist. So kann z.B. ein Abstützelement 35 vorgesehen sein, das zum Entkopplungselement 240 hin einen Absatz 21' ähnlich dem Absatz 21 des Brennstoffeinspritzventils 1 aufweist, während zum Brennstoffeinspritzventil 1 hin nach innen das Abstützelement 35 eine gewölbte Berührungsfläche 36 besitzt, an der sich das Brennstoffeinspritzventil 1 z.B. mit einem kegelstumpfförmig verlaufenden Ventilgehäuse 22 abstützen kann. Bei der Auslegung der Geometrieparameter des linsenförmigen Entkopplungselements 240 muss dann jedoch die Steifigkeit des zusätzlichen Abstützelements 35 auch mit berücksichtigt werden.

Claims

Ansprüche
1. Entkopplungselement für eine 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
Entkopplungselement (240) zwischen einem Ventilgehäuse (22) des
Brennstoffeinspritzventils (1) und einer Wandung der Aufnahmebohrung (20) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) eine nicht-lineare, progressive Federkennlinie aufweist, wodurch eine niedrige Steifigkeit des Entkopplungselements (240) im
Leerlaufbetrieb und eine hohe Steifigkeit des Entkopplungselements (240) bei nominalem Systemdruck vorliegt.
2. Entkopplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) scheibenförmig und im Querschnitt linsenförmig ausgebildet ist.
3. Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das Brennstoffeinspritzventil (1) sowie die Wandung der Aufnahmebohrung (20) berührenden Begrenzungsflächen (30, 31) des Entkopplungselements (240) konvex gewölbt ausgebildet sind.
4. Entkopplungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzungsfläche (30) einen ersten Radius (Ri) und die gegenüberliegende untere Begrenzungsfläche (31) einen zweiten Radius (R2) haben, wobei entweder Ri gleich R2 oder Ri ungleich R2 sind.
5. Entkopplungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzungsfläche (30) und/oder die untere Begrenzungsfläche (31) komplexe Abrollgeometrien aufweisen, die sich durch verschiedene Abrollradien an ein und derselben Begrenzungsfläche (30, 31) auszeichnen.
6. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) nach radial innen und außen jeweils von Stirnflächen (32, 33) begrenzt ist, die damit den Innendurchmesser (D3) und den Außendurchmesser (D4) des Entkopplungselements (240) im unverformten Zustand festlegen.
7. Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzungsfläche (30) des Entkopplungselements (240) im unverformten Zustand in einem durchmesserkleinen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser (Di) an dem Ventilgehäuse (22) des
Brennstoffeinspritzventils (1) anliegt, während die untere Begrenzungsfläche (31) des Entkopplungselements (240) die Aufnahmebohrung (20) in einem durchmessergroßen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser (D2) berührt.
8. Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzungsfläche (30) des Entkopplungselements (240) im unverformten Zustand in einem durchmessergroßen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser (Di) an dem Ventilgehäuse (22) des Brennstoffeinspritzventils (1) anliegt, während die untere Begrenzungsfläche (31) des Entkopplungselements (240) die Aufnahmebohrung (20) in einem durchmesserkleinen Bereich mit einem Aufstandsdurchmesser (D2) berührt.
9. Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere radiale Abstand zwischen den Aufstandpunkten bei Di und D2 größer ist als die jeweiligen äußeren radialen Abstände von den Aufstandpunkten bei Di bzw. D2 bis zum Innendurchmesser (D3) bzw. Außendurchmesser (D4) des Entkopplungselements (240).
10. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) mit seiner nicht-linearen, progressiven Federkennlinie derart ausgelegt ist, dass bei zunehmender Belastung des Entkopplungselements (240) eine Verkürzung des Hebelarms, der durch den radialen Abstand eines oberen und unteren Aufstandpunkts definiert ist, eintritt.
11. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) wenigstens mit einer seiner Begrenzungsflächen (30, 31) an einem Abstützelement (35) anliegt.
12. Entkopplungselement 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 das Entkopplungselement (240) teilweise aufliegt.
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