Beschreibung Titel
Mehrteiliges Isolationselement, insbesondere für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 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 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.
Außerdem sind aus den DE 10 2006 009 094 AI und DE 10 2008 048 173 AI bereits Ent- kopplungs- 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 be- kannten 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 Isolations- funktion.
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 SN VH 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 Schief- Stellung 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 Brennstoff- einspritzventils 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 radial- kraftfrei 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 ver- läuft, 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 geräusch- kritischen Leerlaufbetrieb, durch eine gezielte Auslegung und Geometrie des Zwischenele-
ments 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 Übertra- gungsverhalten 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. die nach der Montage durch einen Niederhalter 10 aufgebrachte statische Niederhaltekraft
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 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 Brennstoffein- spritzventils 1 zwischen Leerlauf- und Systemdruck.
Um die nicht-lineare Federkennlinie bei typischen Randbedingungen der Kraftstoff direktein- spritzung (geringer Bauraum, große Kräfte, geringe Gesamtbewegung des Brennstoffeinspritzventils 1) auf optimale Weise umsetzen zu können, ist das Isolationselement 30 erfin- dungsgemäß 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 Funktionsein- heit 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 Innensei- te 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 ideali- siert 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 Steifig- keit 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 Bie-
gebeanspruchung der Einzelbauteile des mehrteiligen Isolationselements 30 wird insgesamt herabgesetzt.
Mit dem erfindungsgemäßen mehrteiligen Isolationselement 30 wird eine hervorragende Re- duzierung 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 Isola- tions- 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.