ELSINGER, Andrej (Haldenstrasse 21, Ditzingen, 71254, DE)
SCHOEFER, Frank-Holger (Moenchshaldestr. 3, Murrhardt, 71540, DE)
HEIMGAERTNER, Corren (Kefico Corporation, 435-716 Gunpo-Si, DE)
KLEINDL, Michael (In Der Aue 8, Schwieberdingen, 71701, DE)
FISCHER, Michael (Wielandstr. 24, Niefern-Oeschelbronn, 75223, DE)
ELSINGER, Andrej (Haldenstrasse 21, Ditzingen, 71254, DE)
SCHOEFER, Frank-Holger (Moenchshaldestr. 3, Murrhardt, 71540, DE)
HEIMGAERTNER, Corren (Kefico Corporation, 435-716 Gunpo-Si, DE)
KLEINDL, Michael (In Der Aue 8, Schwieberdingen, 71701, DE)
| 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 die Federsteifigkeit des Entkopplungselements (240) derart niedrig ist und das Entkopplungselement (240) so zwischen dem Ventilgehäuse (22) des Brennstoffeinspritzventils (1) und der Wandung der Aufnahmebohrung (20) platziert ist, dass die Entkoppelresonanz fR im Frequenzbereich unter 2,5 kHz liegt. 2. Entkopplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Entkopplungselementes (240) im Bereich von 20 - 40 kN/mm liegt. 3. Entkopplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) einen radial äußeren Auflagebereich (30) und einen radial inneren Auflagebereich (31) besitzt, mit denen das Entkopplungselement (240) radial außen ringförmig auf eine Schulter (23) der Aufnahmebohrung (20) auflegbar ist und radial innen das Brennstoffeinspritzventil (1) Untergriffen ist. 4. Entkopplungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auflagebereiche (30, 31) des Entkopplungselements (240) derart weit voneinander beabstandet gewählt sind, dass ein maximal möglicher Hebelarm entsteht. 5. Entkopplungselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Auflagebereich (31) entweder ringförmig umläuft, durch radial verlaufende Schlitze (37) oder andere die Steifigkeit reduzierende Öffnungen unterbrochen ist oder durch mehrere voneinander beabstandete Auflagestellen (31a, 31b, 31c) gebildet ist. 6. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) ringscheibenförmig und insgesamt napf- bzw. tellerförmig ausgebildet ist. 7. Entkopplungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Entkopplungselements (240) eine S-förmige Kontur mit zwei Radien (Rl, R2) zu einem äußeren und einem inneren Auflagebereich (30, 31) hin hat. 8. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke des scheibenförmigen Entkopplungselements (240) entweder konstant ist oder zugunsten einer optimierten Steifigkeitscharakteristik über seine radiale Erstreckung variiert. 9. Entkopplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) bei einem Einsatz in einem Wechseldrucksystem mit einer nicht-linearen progressiven Federkennlinie ausgelegt ist. 10. Entkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (240) bei einem Einsatz in einem Konstantdrucksystem mit einer nicht-linearen degressiven Federkennlinie ausgelegt ist. 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 das Entkopplungselement (240) mit seinem radial äußeren Auflagebereich (30) teilweise aufliegt und das Brennstoffeinspritzventil (1) wiederum mit einer senkrecht zur Ventillängsachse verlaufenden Außenkontur des Ventilgehäuses (22) an dem radial inneren Auflagebereich (31) des Entkopplungselements (240) anliegt. |
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.
Dämpfungselemente in Scheibenform für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Injektor zur Einspritzung von Dieselkraftstoff in einem Common-Rail-System sind auch bereits aus der DE 10 2005 057 313 Al bekannt. Die Dämpfungsscheiben sollen zwischen dem Einspritzventil und der Wandung der Aufnahmebohrung im Zylinderkopf derart eingebracht sein, dass auch bei hohen Anpresskräften eine Dämpfung von Körperschall ermöglicht ist, so dass die Geräuschemissionen reduziert werden. Das ringförmige Dämpfungselement liegt mit einer Ringfläche an der Stützfläche des Zylinderkopfes an und mit einer umlaufenden Wulst an der konischen Stützfläche des Injektors an. Diese Gesamtanordnung hat jedoch den Nachteil, dass die Auflagepunkte des Dämpfungselements am Zylinderkopf und am Injektor in radialer Richtung gesehen recht nahe beieinander liegen und das
Dämpfungselement aufgrund seiner Einbausituation recht steif ausgeführt ist. Dies hat zur Folge, dass bei dieser Anordnung immer noch deutlich hörbare Geräuschemissionen vorliegen.
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 Entkopplung bzw. Isolation erreicht wird. Erfindungsgemäß ist die Federsteifigkeit des Entkopplungselements derart niedrig gewählt und ist das Entkopplungselement so zwischen dem Ventilgehäuse des Brennstoffeinspritzventils und der Wandung der Aufnahmebohrung platziert, dass die Entkoppelresonanz f R im Frequenzbereich unter 2,5 kHz liegt. Auf diese Weise ergeben sich beim Einbau des
Entkopplungselements in einer Brennstoff einspritzvorrichtung mit Injektoren für eine Kraftstoffdirekteinspritzung, insbesondere mit piezoaktorbetriebenen Injektoren mehrere positive und vorteilhafte Aspekte. Die niedrige Steifigkeit des Entkopplungselements ermöglicht eine effektive Entkopplung des Brennstoffeinspritzventils vom Zylinderkopf und verringert dadurch im geräuschkritischen Betrieb deutlich die in den Zylinderkopf eingeleitete Körperschallleistung und damit das vom Zylinderkopf abgestrahlte Geräusch. 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 so auszubilden, dass die beiden Auflagebereiche des Entkopplungselements im radial äußeren und radial inneren Randbereich derart weitestmöglich voneinander beabstandet gewählt sind, dass ein maximal möglicher Hebelarm entsteht.
Dazu ist es von Vorteil, dass die Aufnahmebohrung für das Brennstoffeinspritzventil in einem Zylinderkopf ausgebildet ist und die Aufnahmebohrung eine Schulter besitzt, die senkrecht zur Erstreckung der Aufnahmebohrung verläuft und auf der das Entkopplungselement mit seinem radial äußeren Auflagebereich teilweise aufliegt und das Brennstoffeinspritzventil wiederum mit einer senkrecht zur Ventillängsachse verlaufenden Außenkontur des Ventilgehäuses an dem radial inneren Auflagebereich des Entkopplungselements anliegt.
In vorteilhafter Weise ist das Entkopplungselement ringscheibenförmig und insgesamt napf- bzw. tellerförmig ausgebildet. Der Querschnitt des Entkopplungselements hat dabei eine S-förmige Kontur mit zwei Radien zu den Auflagebereichen hin. Der Einbau kann beiden Ausrichtungen des Entkopplungselements erfolgen, also napfförmig mit dem Boden nach unten oder invers napfförmig mit dem Boden nach oben.
Je nach Einsatz in einem Wechseldrucksystem oder in einem Konstantdrucksystem ist das Entkopplungselement in besonders vorteilhafter Weise mit einer nicht-linearen progressiven Federkennlinie oder mit einer nicht-linearen degressiven Federkennlinie ausgelegt.
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 f R und einem Isolationsbereich oberhalb der Entkoppelfrequenz f E ,
Figur 4 eine teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Entkopplungselement,
Figur 5 einen Querschnitt durch eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements gemäß Figur 4, Figur 6 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements in einer zweiteiligen Lösung,
Figur 7 eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäßen
Entkopplungselements in einer Draufsicht, Figur 8 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Entkopplungselement entlang der Linie VIII-VIII in Figur 7,
Figur 9 eine vierte Ausführung eines erfindungsgemäßen
Entkopplungselements in einer Draufsicht,
Figur 10 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Entkopplungselement entlang der Linie X-X in Figur 9,
Figur 11 eine teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem fünften erfindungsgemäßen Entkopplungselement,
Figur 12 eine teilweise dargestellte Brennstoff einspritzvorrichtung mit einem sechsten erfindungsgemäßen Entkopplungselement, Figur 13 eine nicht-lineare, progressive Federkennlinie für ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement, das in einem Wechseldrucksystem zum Einsatz kommen kann und Figur 14 eine nicht-lineare, degressive Federkennlinie für ein erfindungsgemäßes Entkopplungselement, das in einem Konstantdrucksystem zum Einsatz kommen kann.
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 Zwischenelemente- und Dämpfungsscheibenlösungen auf einfache Art und Weise eine verbesserte Geräuschminderung, vor allen Dingen im geräuschkritischen Leerlaufbetrieb aber auch in Konstantdrucksystemen bei Systemdruck, 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 f R (Entkoppelresonanz) und einen Isolationsbereich oberhalb der Entkoppelfrequenz f E 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. Die Erfindung umfasst dabei zum einen die Definition und Auslegung einer geeigneten Federkennlinie unter Berücksichtigung der typischen Anforderungen und Randbedingungen bei der Kraftstoffdirekteinspritzung 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. Zu den Federkennlinien wird anhand der Figuren 13 und 14 Bezug genommen.
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.
Im Betrieb von Brennstoffeinspritzventilen zur Kraftstoffeinspritzung in
Verbrennungsmotoren entstehen an der Schnittstelle zur Einbauumgebung dieser Einspritzventile prinzipbedingt Wechselkräfte über einen breiten Frequenzbereich. Diese Wechselkräfte regen die Umgebung zu Schwingungen an, die wiederum als Geräusch abgestrahlt und wahrgenommen werden können. Zur Vermeidung dieser oftmals als störend wahrgenommenen Geräusche werden heute
Dämpfungselemente zur Schwingungsdämpfung (Energiedissipation) beschrieben (siehe Abschnitt „Stand der Technik") und auch eingesetzt. Diese Dämpfungselemente sind dabei darüber hinaus häufig aus verschiedenen Materialen und Einzelteilen zusammengesetzt.
Dämpfungselemente der bekannten Art zielen jedoch auf eine Reduktion des Krafteintrags durch breitbandige Energiedissipation z.B. durch Mikroschlupf oder Materialdämpfung im Inneren des Dämpfungselementes. Der Kraftschluss zwischen dem Brennstoffeinspritzventil und der Umgebung kann dabei aber nur begrenzt reduziert werden. Dämpfungsmechanismen sind proportional der Verschiebung bzw. Geschwindigkeit über dem Dämpfungselement, für deren Entstehung eine Kraft vorhanden sein muss, die damit über das Dämpfungselement in die Struktur eingeleitet wird.
Mithilfe eines erfindungsgemäßen Entkopplungselementes 240 kann dagegen über einen großen Frequenzbereich oberhalb der Entkoppelresonanz f R der Kraftfluss vom Brennstoffeinspritzventil 1 weitgehend unterbunden werden. Die Entkoppelresonanz f R kann dabei in einen Frequenzbereich verschoben werden, in der die resonante Verstärkung durch andere Motorgeräuschanteile weitgehend maskiert wird (Figur 3).
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Entkopplungselement 240 dadurch aus, dass es zur Reduzierung des Kraftflusses zwischen dem Brennstoffeinspritzventil 1 und seiner Einbauumgebung mit dem Ziel der Reduktion unerwünschter Geräuschanregung in der umgebenden Struktur dient. Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Entkopplungselemente 240 sind die jeweils vorteilhafte Ausprägung der Federcharakteristik bei der Geometriegestaltung und Materialwahl des Entkopplungselementes 240 einbezogen, d.h. progressives Verhalten bei Konstantdrucksystemen und degressives Verhalten bei Wechseldrucksystemen.
Das Entkopplungselement 240 in seiner Ausbildung und Einbausituation zielt dabei also primär auf den Effekt der Schwingungsentkopplung und nicht den der
Schwingungsdämpfung. Das Entkopplungselement 240 wird hinsichtlich seiner Steifigkeitseigenschaften ausgelegt und nicht wie bei bekannten Dämpfungsscheiben hinsichtlich des Dämpfungsverhaltens. Dämpfung, z.B. in Form von Kunststoff- oder Elastomerschichten, kann jedoch ergänzend zur Beherrschung der Entkoppelresonanz f R eingesetzt werden.
In der Figur 4 ist eine teilweise dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Entkopplungselement 240 gezeigt, während in Figur 5 ein Querschnitt durch eine erste Ausführung des Entkopplungselements 240 gemäß Figur 4 gezeigt ist. Bei dieser Ausführung der Brennstoffeinspritzvorrichtung handelt es sich um ein System für die Benzindirekteinspritzung mit Brennstoffeinspritzventilen 1, die mit Piezoaktoren betrieben und z.B. in einem Konstantdrucksystem eingesetzt werden. Das Entkopplungselement 240 ist in vorteilhafter Weise als metallische Lochscheibe ausgeführt, die insofern ringförmig verläuft. Ein metallischer Werkstoff bietet sich auch insofern an, dass dieser mit kostengünstigen Fertigungsverfahren (z.B. Drehen, Tiefziehen) bearbeitbar ist, um die gewünschten Geometrien des Entkopplungselementes 240 maßhaltig herstellen zu können. Die Federsteifigkeit des Entkopplungselementes 240 ist im Verhältnis zur Masse des Brennstoffeinspritzventils 1, die bei ca. 250g liegt, niedrig gewählt (20 - 40 kN/mm). Damit können bei der Benzindirekteinspritzung dieses Typs auftretende störende Geräusche, die typischerweise in einem Frequenzbereich von 2,5 - 14 kHz liegen, gezielt breitbandig entkoppelt werden. Die Entkoppelresonanz f R liegt dabei im Frequenzbereich unter 2,5 kHz, wo sie von Verbrennungs- und Motorgeräuschen maskiert und nicht störend wahrgenommen wird.
Die geringe Federsteifigkeit des Entkopplungselementes 240 wird durch mehrere gezielte Maßnahmen erreicht. Das Entkopplungselement 240 besitzt im eingebauten Zustand zwei Auflagebereiche 30, 31, einen radial äußeren Auflagebereich 30 und einen radial inneren Auflagebereich 31. Mit dem äußeren Auflagebereich 30 liegt das Entkopplungselement 240 ringförmig auf der z.B. senkrecht zur Ventillängsachse verlaufenden Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 im Zylinderkopf 9 auf. Mit dem inneren Auflagebereich 31 untergreift das Entkopplungselement 240 das Brennstoffeinspritzventil 1 ringförmig in einem Bereich, in dem das Ventilgehäuse 22 z.B. auch eine zur Ventillängsachse senkrecht verlaufende Außenkontur besitzt, so dass das Brennstoffeinspritzventil 1 an dem inneren Randbereich des Entkopplungselements 240 anliegt. Die Anordnung der beiden Auflagebereiche 30, 31 des Entkopplungselements 240 ist so gewählt, dass der maximal mögliche Hebelarm entsteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Auflagebereiche 30, 31 insofern in die jeweils weitestmöglichen Randbereiche am Außendurchmesser und am Innendurchmesser des Entkopplungselements 240 gelegt.
Der Querschnitt des Entkopplungselements 240 hat eine S-förmige Kontur mit zwei großen Radien Rl, R2 zum äußeren und inneren Auflagebereich 30, 31 hin, deren gemeinsamer Schenkel tangential ineinander übergeht. Insgesamt weist das Entkopplungselement 240 damit eine napf- bzw. tellerförmige Gestalt auf. Mit dieser Ausgestaltung wird der in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 typischerweise nur geringe Bauraum ebenfalls zugunsten eines möglichst langen Hebelarmes optimal genutzt. Die beiden Radien Rl, R2 dieser Kontur sind in ihrer Größe und ihrem Verhältnis zueinander so gewählt, dass eine möglichst günstige Spannungsverteilung im Material entsteht und die vorgegebene Steifigkeitscharakteristik optimal erfüllt wird. Im vorliegenden Fall sind dies z.B. ein oberer Radius Rl von 2 mm und ein unterer Radius R2 von 2,5 mm.
Mit der napfförmigen Ausgestaltung des Entkopplungselements 240 ist es ermöglicht, für die Festigkeit des Entkopplungselements 240 ausreichende Materialstärken verwenden zu können, und dies bei einer zugleich geringen Gesamt- Federsteif igkeit des Entkopplungselements 240. Bei einem metallischen Werkstoff kann dabei eine Materialstärke in der Größenordnung von 0,5 mm geeignet sein. Die Dicke des Materials kann aber auch an einem Entkopplungselement 240 zugunsten einer optimierten Steifigkeitscharakteristik über seine radiale Erstreckung variiert werden.
In der Figur 6 ist ein Querschnitt durch eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 240 in einer zweiteiligen Lösung gezeigt. Auch dieses Entkopplungselement 240 weist wiederum eine napfförmige Gestalt auf. Diese Ausführungsvariante berücksichtigt Montageanforderungen, bei denen es zu einer verstärkten Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 kommen kann. Das Entkopplungselement 240 wird deshalb in zwei ineinander liegende Teilelemente 34, 35 aufgeteilt. Während das radial äußere und damit obere Teilelement 34 den radial äußeren Auflagebereich 30 aufweist und mit dem Radius Rl nach außen gebogen verläuft, ist das radial innere und damit untere Teilelement 35 mit dem radial inneren Auflagebereich 31 versehen und mit dem Radius R2 nach innen eingebogen. Das innere Teilelement 35 ist in das äußere Teilelement 34 eingelegt. Gemeinsam lassen die Teilelemente 34, 35 des Entkopplungselements 240 eine leichte Verschiebung zur Kompensation einer Schiefstellung zu, folgen aber in ihrem Gesamtverhalten dem gewünschten Auslegungsziel.
Eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 240 ist in einer Draufsicht in Figur 7 dargestellt. Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Entkopplungselement 240 entlang der Linie VIII-VIII in Figur 7. Diese Ausführungsvariante des Entkopplungselements 240 zeichnet sich dadurch aus, dass der radial innere Auflagebereich 31 gegenüber den vorher beschriebenen Lösungen verändert ist. Anstelle eines ringförmig umlaufenden Auflagebereichs 31 am Entkopplungselement 240 sind mehrere voneinander beabstandete Auflagestellen 31a, 31b, 31c vorgesehen, die bei einer Anzahl von drei Auflagestellen 31a, 31b, 31c z.B. in einem Abstand von 120° verteilt angeordnet sind. Auch eine solche Ausführungsvariante berücksichtigt die Möglichkeit einer Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 durch die an dem
Entkopplungselement 240 ausgeformten kugelförmigen Auflagestellen 31a, 31b, 31c, innerhalb derer sich das Brennstoffeinspritzventil 1 ausrichten kann.
Eine vierte Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 240 ist in einer Draufsicht in Figur 9 dargestellt. Figur 10 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Entkopplungselement 240 entlang der Linie X-X in Figur 9. Diese weitere Ausführungsvariante fängt eine mögliche Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine lokale Schwächung des inneren Auflagebereichs 31 auf. Diese lokale Schwächung des radial inneren Auflagebereichs 31 wird z.B. durch radial verlaufende Schlitze 37 erzielt, die vom Innendurchmesser des Entkopplungselements 240 ausgehen und z.B. bis zum inneren Radius R2 verlaufen. Typischerweise können diese Schlitze 37 oder auch andere die Steifigkeit reduzierende Öffnungen in einer Anzahl von drei bis zwanzig vorgesehen sein.
In den Figuren 11 und 12 sind zwei weitere Brennstoffeinspritzvorrichtungen teilweise dargestellt, die mit einem fünften bzw. sechsten erfindungsgemäßen Entkopplungselement 240 versehen sind. Das in der Figur 11 gezeigte Entkopplungselement 240 unterscheidet sich insbesondere von dem in den Figuren 4 und 5 gezeigten Entkopplungselement 240 durch seine inverse Auswölbung nach oben. Das Entkopplungselement 240 ist wiederum napf- bzw. tellerförmig ausgestaltet, jedoch in einer umgekehrten Lage eingebaut, d.h. der radial äußere Auflagebereich 30 an der Schulter 23 des Zylinderkopfes 9 liegt tiefer als der radial innere Auflagebereich 31 am Ventilgehäuse 22 des Brennstoffeinspritzventils 1.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 12 zeigt an, dass das Entkopplungselement 240 auch in der Form einer ebenen Scheibe ausgeführt sein kann. Für beide in den Figuren 11 und 12 gezeigten Ausführungsvarianten von Entkopplungselementen 240 gelten jedoch die zuvor ausführlich beschriebenen Anforderungen an die Federsteifigkeit und den erforderlichen Abstand der Auflagebereiche 30, 31 voneinander. Entsprechend der gewünschten Steifigkeitscharakteristik kann auch hier die Materialstärke über die radiale Ausdehnung des Entkopplungselements 240 variieren.
Anhand der Diagramme der Figuren 13 und 14 soll nochmals verdeutlicht werden, wie durch eine gezielte Nichtlinearität der Entkoppelsteifigkeit des Entkopplungselements 240 eine vorteilhafte Entkopplung von Brennstoffeinspritzventilen 1 in Kraftstoffsystemen erreicht werden kann. In einigen Systemen wird der Kraftstoff druck konstant hoch gehalten (Konstantdrucksystem), in anderen Systemen wird der Systemdruck last- oder drehzahlabhängig variiert (Wechseldrucksysteme) - typischerweise erfolgt bei letzteren bei Leerlauf eine Absenkung des Kraftstoffdrucks.
Der Kraftstoff druck wirkt als statische hydraulische Kraft auf das Brennstoffeinspritzventil und beansprucht das Entkopplungselement 240 mit einer konstanten Vorlast und damit Verschiebung. Im linearen Fall ist diese der Kraft proportional. Im Hinblick auf Dichtheit und Verschleiß der Injektoranschlüsse an Kraftstoffsystem und Zylinderkopf gibt es maximale Grenzen für den zulässigen Federweg. Deshalb wird hier erfindungsgemäß ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Kraft und Federweg für das Entkopplungselement 240 gewählt.
Im Falle des Wechseldrucksystems (Figur 13) bewirkt eine progressive Federsteifigkeit eine geringe Steifigkeit bei niederem Systemdruck, d.h. Leerlauf oder niedriger Last, und damit nach dem Entkopplungsprinzip einen weiten Bereich der Geräuschentkopplung. Typischerweise sind Geräuschauffälligkeiten vor allem in diesen Betriebsbereichen zu finden. Bei höherer Last und damit höherem Druck versteift das Entkopplungselement 240 und begrenzt damit den Weg. Andere Motorgeräuschanteile verdecken in diesen Betriebsbereichen dann das schlechter entkoppelte injektorinduzierte Geräusch. Im Falle eines Konstantdrucksystems (Figur 14) liegt ein konstant hoher Druck am Entkopplungselement 240 an. Hier ist es vorteilhaft, dass der Federweg beim Druckaufbau (z.B. bei jedem Motorstart) begrenzt ist durch eine hohe Federsteifigkeit; im Betrieb ist jedoch wieder eine geringe Steifigkeit für einen breiten Entkopplungsbereich wirksam. Diese Charakteristik wird durch eine degressive Federkennlinie erreicht.
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