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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Entkopplungselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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In der 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.
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Eine andere Art eines einfachen Zwischenelements für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ist bereits aus der
DE 101 08 466 A1 bekannt. Bei dem Zwischenelement handelt es ich um einen Unterlegring mit einem kreisförmigen Querschnitt, der in einem Bereich, in dem sowohl das Brennstoffeinspritzventil als auch die Wandung der Aufnahmebohrung im Zylinderkopf kegelstumpfförmig verlaufen, angeordnet ist und als Ausgleichselement zur Lagerung und Stützung des Brennstoffeinspritzventils dient.
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Kompliziertere und in der Herstellung deutlich aufwändigere Zwischenelemente für Brennstoffeinspritzvorrichtungen sind u.a. auch aus den
DE 100 27 662 A1 ,
DE 100 38 763 A1 und
EP 1 223 337 A1 bekannt. Diese Zwischenelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie allesamt mehrteilig bzw. mehrlagig aufgebaut sind und z.T. Dicht- und Dämpfungsfunktionen übernehmen sollen. Das aus der
DE 100 27 662 A1 bekannte Zwischenelement umfasst einen Grund- und Trägerkörper, in dem ein Dichtmittel eingesetzt ist, das von einem Düsenkörper des Brennstoffeinspritzventils durchgriffen wird. Aus der
DE 100 38 763 A1 ist ein mehrlagiges Ausgleichselement bekannt, das sich aus zwei starren Ringen und einem sandwichartig dazwischen angeordneten elastischen Zwischenring zusammensetzt. Dieses Ausgleichselement ermöglicht sowohl ein Verkippen des Brennstoffeinspritzventils zur Achse der Aufnahmebohrung über einen relativ großen Winkelbereich als auch ein radiales Verschieben des Brennstoffeinspritzventils aus der Mittelachse der Aufnahmebohrung.
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Ein ebenfalls mehrlagiges Zwischenelement ist auch aus der
EP 1 223 337 A1 bekannt, wobei dieses Zwischenelement aus mehreren Unterlegscheiben zusammengesetzt ist, die aus einem Dämpfungsmaterial bestehen. Das Dämpfungsmaterial aus Metall, Gummi oder PTFE ist dabei so gewählt und ausgelegt, dass eine Geräuschdämpfung der durch den Betrieb des Brennstoffeinspritzventils erzeugten Vibrationen und Geräusche ermöglicht wird. Das Zwischenelement muss dazu jedoch vier bis sechs Lagen umfassen, um einen gewünschten Dämpfungseffekt zu erzielen.
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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.
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzvorrichtung möglich.
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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.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung in einer bekannten Ausführung mit einem scheibenförmigen Zwischenelement,
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2 ein mechanisches Ersatzschaltbild der Abstützung des Brennstoffeinspritzventils im Zylinderkopf bei der Kraftstoffdirekteinspritzung, das ein gewöhnliches Feder-Masse-Dämpfer-System wiedergibt,
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3 das Übertragungsverhalten eines in 2 gezeigten Feder-Masse-Dämpfer-Systems mit einer Verstärkung bei niedrigen Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz fR und einem Isolationsbereich oberhalb der Entkoppelfrequenz fE,
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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,
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5 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement in einer Einbausituation an einem Brennstoffeinspritzventil im Bereich des in 1 gezeigten scheibenförmigen Zwischenelements und
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6 bis 9 Querschnitte durch alternative Ausführungen von Federringen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Zum Verständnis der Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 eine bekannte Ausführungsform einer Brennstoffeinspritzvorrichtung näher beschrieben. In der 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.
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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.
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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.
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Um das Brennstoffeinspritzventil 1 und die Brennstoffverteilerleitung 4 weitgehend radialkraftfrei voneinander zu beabstanden und das Brennstoffeinspritzventil 1 sicher in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes niederzuhalten, ist ein Niederhalter 10 zwischen dem Brennstoffeinspritzventil 1 und dem Anschlussstutzen 6 vorgesehen. Der Niederhalter 10 ist als bügelförmiges Bauteil ausgeführt, z.B. als Stanz-Biege-Teil. Der Niederhalter 10 weist ein teilringförmiges Grundelement 11 auf, von dem aus abgebogen ein Niederhaltebügel 13 verläuft, der an einer stromabwärtigen Endfläche 14 des Anschlussstutzens 6 an der Brennstoffverteilerleitung 4 im eingebauten Zustand anliegt.
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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.
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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 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 3).
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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.
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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 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.
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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.
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Um diesen Konflikt zu lösen, wird erfindungsgemäß eine nicht-lineare Federkennlinie mit einem progressiven Verlauf für das Entkopplungssystem 30, 31 (5) vorgeschlagen, wie sie in 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.
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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.
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In der 5 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Entkopplungssystem in einer Einbausituation an einem Brennstoffeinspritzventil 1 im Bereich des in 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.
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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 5 gezeigt, mit ihrer konischen Verjüngung nach oben einsetzbar, denkbar ist auch ein Einbau einer Kegelscheibe 31 mit einer konischen Verjüngung nach unten.
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Anstelle des sechseckförmigen Querschnitts kann die Kegelscheibe 31 selbstverständlich auch z.B. eine dreieck- oder fünfeckförmige Gestalt im Querschnitt besitzen.
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In den 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 (6), dreieckförmig mit einer äußeren ballig gewölbten Mantelfläche (7), dreieckförmig (8) oder viereckförmig in Form einer Raute (9) o.ä. ausgeformt sein. In 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.
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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 nicht-lineare 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10108466 A1 [0003]
- DE 10027662 A1 [0004, 0004]
- DE 10038763 A1 [0004, 0004]
- EP 1223337 A1 [0004, 0005]
- US 6009856 A [0006]