Titel

Entkopplungselement für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Entkopplungselement für eine

Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Grundsätzlich ist es seit langem bekannt, Brennstoffeinspritzvorrichtungen vorzusehen, 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 ein Festkörpergelenk gestaltet ist und damit 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.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen

Brennstoffeinspritzvorrichtung möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, einen oder mehrere horizontale oder vertikale

Mikroschlitze vorzusehen, die der gezielten Auslegung der Federkennlinie dienen.

Bei einem mehrteiligen Entkopplungselement ist es von Vorteil, eine Distanzscheibe als separates Bauteil vorzusehen, das dann den Stützsockel bildet, wobei die

Distanzscheibe noch von einem weiteren Bauteil, einer gestuften Ringscheibe, als Teil des Stützsockels Untergriffen wird. Die Distanzscheibe dient der Einstellung des Steifigkeitsanstiegs des Entkopplungselements, da über deren Dicke (Höhe) und radiale Erstreckung der Stützsockel in seiner Größe eingestellt wird und über die Dicke (Höhe) zugleich auch die Größe des zwischen dem ersten oberen Bauteil und der Distanzscheibe gebildeten Ringspaltes.

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 mit einem als

Festkörpergelenk ausgebildeten Entkopplungselement,

Figur 2 den Ausschnitt II der Figur 1 in einer vergrößerten Darstellung mit

einem um 360° umlaufenden Anlagekragen eines erfindungsgemäßen einteiligen Entkopplungselements,

Figur 3 eine alternative Ausführung eines Entkopplungselements mit drei

Anlagekragenabschnitten,

Figur 4 einen Querschnitt durch das Entkopplungselement entlang der Linie IV-

IV in Figur 3,

Figur 5 einen Querschnitt durch das Entkopplungselement entlang der Linie V-

V in Figur 3,

Figur 6 eine zweite alternative Ausführung eines Entkopplungselements im

Querschnitt analog zur Darstellung gemäß Figur 4,

Figur 7 eine dritte alternative Ausführung eines Entkopplungselements im

Querschnitt analog zur Darstellung gemäß Figur 4,

Figur 8 eine vierte alternative Ausführung eines Entkopplungselements im

Querschnitt analog zur Darstellung gemäß Figur 4,

Figur 9 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen

Entkopplungselements in einer mehrteiligen Lösung und Figur 10 eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen

Entkopplungselements in einer mehrteiligen Lösung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Zum Verständnis der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur 1 eine

Einbausituation des erfindungsgemäßen Entkopplungselements 24 in 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 das erfindungsgemäße Entkopplungselement 24 als Festkörpergelenk eingelegt. 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, auf einfache Art und Weise eine verbesserte

Geräuschdämpfung, vor allen Dingen im geräuschkritischen Leerlaufbetrieb, durch eine gezielte Auslegung und Geometrie des Entkopplungselements 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 Entkopplungselement 24 in der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9 als ein gewöhnliches Feder-Masse-Dämpfer-System abgebildet werden. Die Masse des Zylinderkopfs 9 kann dabei gegenüber der Masse 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 und einen

Isolationsbereich oberhalb der Entkoppelfrequenz f _E aus.

Ziel der Erfindung ist die Auslegung eines Entkopplungselementes 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 Entkopplungselementes 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.

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 Entkopplungselement 24 erfindungsgemäß als Festkörpergelenk ausgebildet, das einen Anlagekragen 28 mit einer sphärisch bzw. ballig ausgeführten Ventilanlagefläche 29 besitzt, der sich aus einem flachen

Ringbereich 30 empor erstreckt, wobei der flache Ringbereich 30 wiederum auf einem eine geringere Breite aufweisenden Stützsockel 31 fußt. Der flache

Ringbereich 30 des Entkopplungselements 24 kann sich optional zusätzlich noch auf einem Ring geringen Querschnittsdurchmessers, z.B. einem an einer Ventilschulter aufliegenden Sprengring 32 mit seiner Innenkante abstützen.

Figur 2 zeigt den Ausschnitt II der Figur 1 rund um das Entkopplungselement 24 in einer vergrößerten Darstellung mit einem um 360° umlaufenden Anlagekragen 28 des erfindungsgemäßen einteiligen Entkopplungselements 24. Das

Entkopplungselement 24 besitzt hier beispielsweise einen Außendurchmesser, der dem des Ventilgehäuses 22 oberhalb des Entkopplungselements 24 entspricht. An seinem Außendurchmesser besitzt das Entkopplungselement 24 eine zylindrische Mantelfläche. Zur Innenseite hin weist das Entkopplungselement 24 seine

erfindungsgemäße Struktur auf. Anhand der nachfolgenden Figuren wird diese erfindungsgemäße Ausgestaltung noch näher erläutert.

In der Figur 3 ist eine alternative Ausführung eines Entkopplungselements 24 dargestellt, bei dem anstelle des umlaufenden Anlagekragens 28 drei über den Umfang gleich verteilte Anlagekragenabschnitte 28' ausgebildet sind. Diese

Anlagekragenabschnitte 28' besitzen dabei nur eine Umfangserstreckung, die ca. 15° bis 45° entspricht. Neben der gezeigten Lösung mit drei Anlagekragenabschnitten 28' sind auch solche mit vier, fünf, sechs oder mehr Anlagekragenabschnitten 28' denkbar.

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch das Entkopplungselement 24 entlang der Linie IV-IV in Figur 3, während Figur 5 einen Querschnitt durch das Entkopplungselement 24 entlang der Linie V-V in Figur 3 zeigt. Der Querschnitt durch das

Entkopplungselement 24 gemäß Figur 4 ist ebenso auf eine Ausgestaltung mit einem vollständig umlaufenden Anlagekragen 28 übertragbar. Aus der Figur 4 wird deutlich, dass z.B. im Bereich der Anlagekragenabschnitte 28' jeweils horizontale

Mikroschlitze 33 eingebracht sein können, die der gezielten Auslegung der

Federkennlinie dienen. Analog kann bei einem vollständig umlaufenden

Anlagekragen 28 ein umlaufender Mikroschlitz 33 vorgesehen sein, aber auch mehrere umfänglich verteilte Mikroschlitze 33. In Figur 4 sind die Konturen und Maßverhältnisse des erfindungsgemäßen Entkopplungselements 24 sehr

anschaulich zu entnehmen, wobei betont werden soll, dass die Größe des

Mikroschlitzes 33 nicht maßstabsgetreu gezeigt, sondern deutlich übertrieben kenntlich gemacht ist. Der Anlagekragen 28 bzw. die Anlagekragenabschnitte 28' sind mit einer sphärisch bzw. ballig ausgeführten Ventilanlagefläche 29 versehen, die im eingebauten Zustand des Entkopplungselements 24 mit einer konisch

verlaufenden Ventilgehäusefläche 21 korrespondiert, so dass es hier idealisiert gesehen lediglich zu einer Linienberührung der korrespondierenden Bauteilpartner 1, 24 kommt, die bei einer Ausführung mit mehreren kurzen Anlagekragenabschnitten 28' sogar weiter deutlich minimiert ist. Der Anlagekragen 28 erstreckt sich aus dem flachen Ringbereich 30 empor, der am weitesten nach innen steht und insofern an seiner Innenseite 34 den geringsten Innendurchmesser D, hat. Der flache

Ringbereich 30 geht wiederum aus dem eine geringere Breite aufweisenden

Stützsockel 31 hervor, wobei die Innenseite 26 des Stützsockels 31 konisch verläuft, wodurch der Innendurchmesser D _s des Stützsockels 31 über seine Höhe

veränderlich ist und seinen größten Innendurchmesser D _s an der Unterkante des Entkopplungselements 24 hat, wo der Stützsockel 31 also die geringste Materialdicke aufweist. Zum Verständnis der Erfindung, aber in keinster Weise darauf einschränkend, sind im Folgenden Maßangaben aufgeführt, die ein erfindungsgemäßes

Entkopplungselement 24 vorzugsweise besitzen kann:

- größter Innendurchmesser D _s an der Unterkante des Stützsockels 31 ca. 17 mm,

- Innendurchmesser D, des flachen Ringbereichs 30 ca. 14 mm,

- Innendurchmesser D _a des Anlagekragens 28 am Übergang zum Ringbereich 30 ca. 18 mm,

- Außendurchmesser D ₀ des Entkopplungselements 24 ca. 21 mm,

- Höhe b des Anlagekragens 28 ca. 1,25 mm,

- Höhe t eines Mikroschlitzes 33 ca. 0,03 - 0,06 mm,

- Mindestabstand a vom Ende des Mikroschlitzes 33 zur Ventilanlagefläche 29 im Anlagekragen 28 ca. 0,3 - 0,5 mm.

Das Einbringen der Mikroschlitze 33 in den Anlagekragen 28 kann beispielsweise mittels Drahterodieren, Laserbohren, Laserschneiden erfolgen. Das

Entkopplungselement 24 selbst kann mittels MIM-Technik (Metal Injection Moulding) oder klassisch als Drehteil inkl. Verformen/Biegen hergestellt werden.

Figur 6 zeigt eine zweite alternative Ausführung eines Entkopplungselements 24 im Querschnitt analog zur Darstellung gemäß Figur 4, bei der z.B. in drei Ebenen unterschiedlich lange horizontale Mikroschlitze 33 eingebracht sind, wobei z.B. der längste Mikroschlitz 33 im Stützsockel 31 vorgesehen ist.

Figur 7 zeigt eine dritte alternative Ausführung eines Entkopplungselements 24 im Querschnitt analog zur Darstellung gemäß Figur 4, bei der ein vertikaler Mikroschlitz 33 eingebracht ist, der sich nahe dem Außendurchmesser D ₀ des

Entkopplungselements 24 von der Unterkante des Entkopplungselements 24 bis zur Höhe des Ringbereichs 30 erstreckt.

Figur 8 zeigt eine vierte alternative Ausführung eines Entkopplungselements 24 im Querschnitt analog zur Darstellung gemäß Figur 4, bei der mehrere vertikale

Mikroschlitze 33 eingebracht sind, die sich von der Unterkante des

Entkopplungselements 24 bis in den Bereich des Anlagekragens 28, 28' hinein erstrecken und dabei unterschiedlich breit und lang ausgeführt sind. Die vertikalen Mikroschlitze 33 haben z.B. Breiten bis zu 0,3 mm.

Auch eine andere als in den Ausführungsbeispielen der Figuren 6, 7 und 8 gezeigte Strukturierung der Mikroschlitze 33 ist zweifellos denkbar.

In der Figur 9 ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen

Entkopplungselements 24 dargestellt, das im vorliegenden Fall mehrteilig ausgeführt ist. Dabei bildet ein erstes Bauteil 35 den Anlagekragen 28, 28' sowie einen ersten Anteil des flachen Ringbereichs 30, während ein zweites als Distanzscheibe ausgebildetes Bauteil 36 den Stützsockel 31 und ein drittes Bauteil 37 als gestufte Ringscheibe einen zweiten Anteil des flachen Ringbereichs 30 sowie die

Distanzscheibe 36 untergreifend auch einen Teil des Stützsockels 31 bildet. Die gestufte Ringscheibe 37 besitzt einen mittleren konischen Bereich 38, mit dem die Dicke der Distanzscheibe 36 überbrückt werden kann und der in seiner

Konturgebung der konischen Innenseite 26 des Stützsockels 31 gemäß Figuren 4 und 5 nachempfunden ist. Die Distanzscheibe 36 dient der Einstellung des

Steifigkeitsanstiegs des Entkopplungselements 24, da über deren Dicke (Höhe) und radiale Erstreckung der Stützsockel 31 in seiner Größe eingestellt wird und über die Dicke (Höhe) zugleich auch die Größe des zwischen dem ersten Bauteil 35 und der Distanzscheibe 36 gebildeten Ringspaltes 39.

Die einzelnen Bauteile 35, 36, 37, die zusammen das Entkopplungselement 24 ergeben, sind z.B. mittels Schweißpunkten oder -nähten miteinander fest und verliersicher verbunden.

Figur 10 zeigt nochmals eine Einbausituation mit einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements 24 in einer mehrteiligen Lösung, die vier Bauteile 35, 36, 37, 40 umfasst. Das Entkopplungselement 24 unterscheidet sich insbesondere von dem gemäß Figur 9 beschriebenen Entkopplungselement 24 dadurch, dass der Anlagekragen 28, 28' als Ringkragen für sich kompakt ausgebildet ist und der flache Ringbereich 30 durch eine dünne Scheibe 40 gebildet wird, die sich bis zum Außendurchmesser des Entkopplungselements 24 erstreckt und insofern den Anlagekragen 28, 28' untergreift. Außerdem verdeutlicht Figur 10, dass das Entkopplungselement 24 nicht zwangsläufig bündig mit dem Ventilgehäuse 22 radial außen abschließen muss, sondern, wie hier beispielhaft gezeigt, je nach

Einsatzerfordernissen auch überstehen kann. Nicht gezeigt, aber mit umfasst ist eine zurückversetzte Variante.

Die einzelnen Bauteile 35, 36, 37, 40, die zusammen das Entkopplungselement 24 ergeben, sind z.B. mittels Schweißpunkten oder -nähten miteinander fest und verliersicher verbunden.