WO2013091998A1 - Entkopplungselement für eine brennstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Entkopplungselement für eine brennstoffeinspritzvorrichtung Download PDF

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WO2013091998A1
WO2013091998A1 PCT/EP2012/072317 EP2012072317W WO2013091998A1 WO 2013091998 A1 WO2013091998 A1 WO 2013091998A1 EP 2012072317 W EP2012072317 W EP 2012072317W WO 2013091998 A1 WO2013091998 A1 WO 2013091998A1
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fuel injection
decoupling element
injection valve
spring ring
element according
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PCT/EP2012/072317
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Jens Pohlmann
Michael Fischer
Martin Buehner
Stefan Woerz
Thomas Gerschwitz
Andreas Glaser
Markus Friedrich
Martin Scheffel
Anh-Tuan Hoang
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
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    • F02M2200/26—Fuel-injection apparatus with elastically deformable elements other than coil springs
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/85—Mounting of fuel injection apparatus
    • F02M2200/858—Mounting of fuel injection apparatus sealing arrangements between injector and engine

Definitions

  • the invention is based on a decoupling element for a
  • Fuel injection device according to the preamble of the main claim.
  • Fuel injection device shown in which a flat intermediate element is provided on a built-in a receiving bore of a cylinder head of an internal combustion engine fuel injection valve.
  • 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.
  • Fuel injection valve ensured.
  • the fuel injector is particularly suitable for use in fuel injection systems of
  • Fuel injection device is already known from DE 101 08 466 AI.
  • 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.
  • the known from DE 100 27 662 AI intermediate element comprises a basic and
  • Carrier body in which a sealant is inserted which is penetrated by a nozzle body of the fuel injection valve.
  • a multilayer compensating element which consists 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.
  • the damping material is composed of a damping material.
  • Damping material made of metal, rubber or PTFE is chosen and designed so that a noise attenuation by the operation of the
  • 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 construction improved noise attenuation is achieved.
  • 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 idle point allows effective decoupling of the fuel injection valve from the cylinder head and thereby reduced in the
  • the high rigidity at nominal system pressure provides for a low total fuel injector movement during vehicle operation, thereby ensuring the durability of the seal rings
  • the spring ring are designed to be progressively targeted.
  • Decoupling is characterized by a low height, making it similar to a plate spring can be used even in a small space.
  • Decoupling element also has a high fatigue strength even at high temperatures.
  • the non-linear spring characteristic can be adapted by the geometry of the spring ring specifically to the respective application.
  • the stiffness can also be changed by changing the cone angle of the conical disk, whereby the
  • Fuel injection device possible.
  • Fuel injector rests in the cylinder head.
  • Figure 1 is a partially illustrated fuel injection device in a
  • Figure 2 is a mechanical equivalent circuit diagram of the support of
  • Direct fuel injection which represents a common spring mass damper system
  • FIG. 3 shows the transmission behavior of a spring-mass-damper system shown in FIG. 2 with a gain at low frequencies in the region 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 realization
  • FIG. 5 shows a cross section through an inventive decoupling element in a mounting situation on a fuel injection valve in the region of the disk-shaped intermediate element shown in FIG. 1 and
  • FIG Figures 6 to 9 are cross-sections through alternative embodiments of spring washers. Description of the embodiments
  • FIG. 1 is as an embodiment of a valve in the form of an injection valve 1 for fuel injection systems of mixture compaction spark-ignited
  • the fuel injection valve 1 is part of the fuel injection device. With a downstream end, the fuel injection valve 1, which is in the form of a direct-injection injector for injecting fuel directly into a combustion chamber 25 of the
  • Internal combustion engine is designed in a receiving bore 20 of a
  • Cylinder head 9 installed.
  • Receiving bore 20 is a flat intermediate element 24 is inserted, which as
  • Supporting element is designed in the form of a washer.
  • Fuel injection valve 1 ensured.
  • 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.
  • Connecting piece 6 goes in this case e.g. one piece from the actual
  • Fuel distribution line 4 and has upstream of the receiving opening 12 a smaller diameter flow opening 15, via 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 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 Bacettiariaen in a simple manner improved noise attenuation, especially in noise-critical idling operation, by a targeted design and geometry of the intermediate element 24.
  • the relevant 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), which lead to a structural excitation of the cylinder head 9 and from this as
  • Airborne sound are radiated.
  • a minimization of the introduced into the cylinder head 9 forces should be sought.
  • this can be done by influencing the transfer behavior between the
  • Fuel injection valve 1 and the cylinder head 9 can be achieved.
  • the bearing of the fuel injector 1 may 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 compared to the mass m of the fuel injection valve 1 in the first approximation as infinitely large be accepted.
  • the transmission behavior of such a system is characterized by a gain at low frequencies in the range of
  • Resonance frequency f R and an isolation region above the decoupling frequency f E (see Figure 3).
  • the aim of the invention is the design of an intermediate element 24 under the priority use of elastic isolation (decoupling) for
  • the invention comprises on the one hand the definition and design of a suitable spring characteristic, taking into account the typical requirements and
  • an intermediate element 24 which is able to map the characteristic of the spring characteristic defined in this way and can be adapted to the specific boundary conditions of the injection system via a choice of simple geometric parameters.
  • the decoupling of the fuel injection valve 1 from the cylinder head 9 by means of a low spring stiffness c of the decoupling system according to the invention, which is formed from a spring ring 30 and a conical disk 31, is made difficult in addition to the small space by restricting the maximum permissible movement of the fuel injection valve 1 during engine operation.
  • a low spring stiffness c of the decoupling system according to the invention which is formed from a spring ring 30 and a conical disk 31
  • Fuel injector 1 must orientate and for an effective decoupling is too big. As nominal operating pressures are likely to increase further in the future, this problem will continue to increase.
  • Fuel injection valve 1 between idle and system pressure.
  • the decoupling system according to the invention of a spring ring 30 and a conical disk 31 is constructed, in particular the spring ring 30 generates a significantly progressive spring characteristic due to its special geometric design.
  • the spring ring 30 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".
  • FIG. 5 shows a cross section through a decoupling system according to the invention in a mounting situation on a fuel injection valve 1 in the region of the disk-shaped intermediate element 24 shown in FIG
  • the progressiveness of the spring ring 30 can be easily designed by adjusting a few geometric parameters.
  • the contour of the spring ring 30 is characterized in that starting from an outer plane, vertical lateral surface is followed by a rounded, convex convex inner contour.
  • the spring ring 30 has a semicircular cross-section, in which the rounded boundary is directed inwards.
  • the cross-section of the spring ring 30 may also be formed in the direction of a triangle rather, in which case sections should be provided with radii, or be formed circular.
  • Decoupling system with a conical valve housing surface 21 Decoupling system with a conical valve housing surface 21.
  • the design of the spring ring 30 is chosen so that it is ideal only for a 3-point contact of the spring ring 30 on the valve body 22 of the
  • Fuel injection valve 1 comes.
  • the three contact points can be located at a circumferential distance of approximately 135 ° -90 ° -135 °, but also distributed equally.
  • a solid-state joint is integrated, which allows a tolerance compensation to avoid a geometric overdetermination.
  • the decoupling system is supplemented by the spring ring 30 through the
  • the conical disk 31 has a hexagonal cross-section, wherein the hexagonal cross section is not honeycombed uniformly, but is elongated, so seen in cross section two longer and four shorter boundary sides of the conical disk 31 are present, but in total circulate completely.
  • the spring ring 30 is supported with its at least partially rounded, convex convex inner contour on the side facing away from the valve housing surface 21 on one of the two longer boundary sides of the
  • Conical disk 31 from while the conical disk 31 rests with one of the four shorter boundary sides of the receiving bore 20.
  • the receiving bore 20 of the cylinder head 9 has in this case a shoulder 23 which is perpendicular to the total extent of the receiving bore 20.
  • the conical disk 31 is, as shown in Figure 5, used with its conical taper upwards, is also conceivable installation of a conical disk 31 with a conical taper downwards.
  • the conical disk 31 may also have, for example, a triangular or pentagonal shape in cross section.
  • spring rings 30 shown.
  • the spring ring 30 in its cross section for example, triangular with additional upper and lower flats (Figure 6), triangular with an outer convex curved
  • Decoupling system is realized by a shortening of the lever arm by reducing the free arc length with increasing load of the decoupling system.
  • a smaller lever arm causes a higher stiffness of the
  • the Hebelarmverkürzung is achieved by the nestling of the spring ring 30 on the respective two contact partners, so the valve housing 22 with its valve housing surface 21 and the conical disk 31.
  • the nonlinear spring characteristic can be adapted by the geometry of the spring ring 30 specifically to the respective application. If necessary, the rigidity can also be changed by changing the cone angle of the conical disk 31, with which the contact surface to the spring ring 30 can be changed.

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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 zwischen einem Ventilgehäuse (22) des Brennstoffeinspritzventils (1) und einer Wandung der Aufnahmebohrung (20). Das Entkopplungselement ist als ein Entkopplungssystem bestehend aus einem Federring (30) und einer Kegelscheibe (31) ausgebildet. 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
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 AI 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 AI,
DE 100 38 763 AI und EP 1 223 337 AI 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 AI 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 AI 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 AI 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 Geräuschdämpfung 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 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
insbesondere des Federrings 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. Die beiden Bauteile Federring und Kegelscheibe für das
Entkopplungselement sind fertigungstechnisch sehr einfach herstellbar.
Die nicht-lineare Federkennlinie kann durch die Geometrie des Federrings spezifisch an die jeweilige Applikation angepasst werden. Die Steifigkeit kann auch durch die Änderung des Kegelwinkels der Kegelscheibe verändert werden, womit die
Kontaktfläche zum Federring verändert werden kann. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzvorrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, die Kegelscheibe mit einem sechseckförmigen
Querschnitt zu versehen, und zwar in der Weise, dass zwei längere und vier kürzere Begrenzungsseiten der Kegelscheibe vorliegen. Einerseits kann sich so der
Federring an einer der beiden längeren Begrenzungsseiten der Kegelscheibe abstützen, während andererseits die Kegelscheibe mit einer der vier kürzeren Begrenzungsseiten an einer Schulter der Aufnahmebohrung für das
Brennstoffeinspritzventil im Zylinderkopf aufliegt.
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 Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement in einer Einbausituation an einem Brennstoffeinspritzventil im Bereich des in Figur 1 gezeigten scheibenförmigen Zwischenelements und Figuren 6 bis 9 Querschnitte durch alternative Ausführungen von Federringen. 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 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 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 Entkopplungssystems, das aus einem Federring 30 und einer Kegelscheibe 31 gebildet 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.
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 Entkopplungssystem 30, 31 (Figur 5) 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 einfache und kostengünstige Weise umsetzen zu können, ist das Entkopplungssystem erfindungsgemäß aus einem Federring 30 und einer Kegelscheibe 31 aufgebaut, wobei insbesondere der Federring 30 auf Grund seiner besonderen geometrischen Auslegung eine deutlich progressive Federkennlinie erzeugt. 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 Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Entkopplungssystem in einer Einbausituation an einem Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich des in Figur 1 gezeigten scheibenförmigen Zwischenelements 24 dargestellt, wobei das
Zwischenelement 24 durch die erfindungsgemäße Einheit aus Federring 30 und Kegelscheibe 31 ersetzt ist. Der bei dem Federring 30 zugrunde liegende
Mechanismus mit einer nicht-linearen, progressiven Federkennlinie wird am
Federring 30 durch eine gezielt ausgeprägte Ringform bewusst hervorgerufen. Die Progressivität des Federrings 30 kann über eine Anpassung weniger geometrischer Parameter auf einfache Weise ausgelegt werden. Die Kontur des Federrings 30 zeichnet sich dadurch aus, dass sich ausgehend von einer äußeren ebenen, senkrechten Mantelfläche eine gerundete, gewölbte konvexe Innenkontur anschließt. Insofern besitzt der Federring 30 einen halbkreisähnlichen Querschnitt, bei dem die gerundete Begrenzung nach innen hin gerichtet ist. Der Querschnitt des Federrings 30 kann auch eher in Richtung dreieckförmig ausgeformt sein, wobei auch hier Abschnitte mit Radien vorgesehen sein sollten, oder kreisförmig ausgebildet sein. Mit seiner auf der Innenseite angeformten Konturgebung mit wenigstens sphärischen Ringbereichen korrespondiert der Federring 30 im eingebauten Zustand des
Entkopplungssystems mit einer konisch verlaufenden Ventilgehäusefläche 21. Das Design des Federrings 30 ist dabei so gewählt, dass es in idealer Weise nur zu einer 3-Punkt-Anlage des Federrings 30 am Ventilgehäuse 22 des
Brennstoffeinspritzventils 1 kommt. Die drei Anlagepunkte können beispielhaft in einem umfänglichen Abstand von ca. 135° - 90° - 135° entfernt liegen, aber auch gleich verteilt sein. Im Design des Entkopplungssystems ist also in gewisser Weise ein Festkörpergelenk integriert, das einen Toleranzausgleich zur Vermeidung einer geometrischen Überbestimmung ermöglicht.
Ergänzt wird das Entkopplungssystem neben dem Federring 30 durch die
Kegelscheibe 31. Die Kegelscheibe 31 weist einen sechseckförmigen Querschnitt auf, wobei der sechseckige Querschnitt nicht wabenförmig gleichmäßig ausgebildet ist, sondern langgestreckt ist, so dass im Querschnitt gesehen zwei längere und vier kürzere Begrenzungsseiten der Kegelscheibe 31 vorliegen, die insgesamt aber vollständig umlaufen. Der Federring 30 stützt sich mit seiner zumindest teilweise gerundeten, gewölbten konvexen Innenkontur auf der der Ventilgehäusefläche 21 abgewandten Seite an einer der beiden längeren Begrenzungsseiten der
Kegelscheibe 31 ab, während die Kegelscheibe 31 mit einer der vier kürzeren Begrenzungsseiten an der Aufnahmebohrung 20 aufliegt. Die Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 besitzt in diesem Falle eine Schulter 23, die senkrecht zur Gesamt- Erstreckung der Aufnahmebohrung 20 verläuft. Die Kegelscheibe 31 ist, wie in Figur 5 gezeigt, mit ihrer konischen Verjüngung nach oben einsetzbar, denkbar ist auch ein Einbau einer Kegelscheibe 31 mit einer konischen Verjüngung nach unten. Anstelle des sechseckförmigen Querschnitts kann die Kegelscheibe 31 selbstverständlich auch z.B. eine dreieck- oder fünfeckförmige Gestalt im Querschnitt besitzen.
In den Figuren 6 bis 9 sind vier verschiedene Querschnitte durch alternative
Ausführungen von Federringen 30 dargestellt. So kann der Federring 30 in seinem Querschnitt beispielsweise dreieckförmig mit zusätzlichen oberen und unteren Abflachungen (Figur 6), dreieckförmig mit einer äußeren ballig gewölbten
Mantelfläche (Figur 7), dreieckförmig (Figur 8) oder viereckförmig in Form einer Raute (Figur 9) o.ä. ausgeformt sein. In Figur 9 ist zudem noch schematisch angedeutet, dass bei einer Auslegung des Federrings 30 mit weitgehend ebenen Begrenzungsflächen, die als Anlageflächen fungieren, das Ventilgehäuse 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 sowie die Kegelscheibe 31 an ihren korrespondierenden Außenkonturen ballig gewölbt bzw. abgerundet ausgestaltet sind, um wiederum die bereits oben beschriebenen geringflächigen Kontaktstellen zu erzeugen.
Die nicht-lineare, progressive Federkennlinie des erfindungsgemäßen
Entkopplungssystems wird über eine Verkürzung des Hebelarms durch Reduzierung der freien Bogenlänge bei zunehmender Belastung des Entkopplungssystems realisiert. Ein kleinerer Hebelarm bewirkt dabei eine höhere Steifigkeit des
Entkopplungssystems. Die Hebelarmverkürzung wird durch das Anschmiegen des Federrings 30 auf den jeweiligen beiden Kontaktpartnern, also dem Ventilgehäuse 22 mit seiner Ventilgehäusefläche 21 und der Kegelscheibe 31, erreicht. Die nichtlineare Federkennlinie kann durch die Geometrie des Federrings 30 spezifisch an die jeweilige Applikation angepasst werden. Die Steifigkeit kann ggf. auch durch die Änderung des Kegelwinkels der Kegelscheibe 31 verändert werden, womit die Kontaktfläche zum Federring 30 verändert werden kann.

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 zwischen einem Ventilgehäuse (22) des
Brennstoffeinspritzventils (1) und einer Wandung der Aufnahmebohrung (20) eingebracht ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Entkopplungselement ein Entkopplungssystem bestehend aus einem Federring (30) und einer Kegelscheibe (31) ist.
2. Entkopplungselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federring (30) zum Brennstoffeinspritzventil (1) hin und die Kegelscheibe (31) zur Aufnahmebohrung (20) hin einbaubar sind.
3. Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federring (30) ausgehend von einer äußeren ebenen, senkrechten Mantelfläche eine zumindest teilweise gerundete, gewölbte konvexe Innenkontur beschreibt.
4. Entkopplungselement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federring (30) einen kreis-, halbkreisähnlichen Querschnitt oder einen dreieckähnlichen Querschnitt mit Radien besitzt.
5. Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federring (30) einen dreieck- oder viereckähnlichen Querschnitt mit ebenen Anlageflächen besitzt.
6. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Federring (30) derart ausgeformt ist, dass es zu einer 3- Punkt- Anlage des Federrings (30) am Brennstoffeinspritzventil und/oder an der Kegelscheibe (31) kommt.
7. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kegelscheibe (31) einen sechseckförmigen Querschnitt aufweist.
8. Entkopplungselement nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kegelscheibe (31) im Querschnitt gesehen zwei längere und vier kürzere Begrenzungsseiten besitzt.
9. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kegelscheibe (31) mit ihrer konischen Verjüngung nach oben oder nach unten gerichtet einsetzbar ist.
10. Entkopplungselement nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Federring (30) mit seiner zumindest teilweise gerundeten, gewölbten konvexen Innenkontur an einer der beiden längeren Begrenzungsseiten der
Kegelscheibe (31) abstützt.
11. 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 die Kegelscheibe (31) aufliegt.
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