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Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung für ein Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten
mit wenigstens einem Filterelement.
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Aus der Praxis sind Filtereinrichtungen
bei als Common-Rail-Injektoren
ausgebildeten Kraftstoffeinspritzventilen bekannt, die in einem
Hochdruckzulauf des Common-Rail-Injektors
angeordnet sind. Diese Filtereinrichtungen weisen ein als Spaltfilter ausgeführtes Filterelement
auf, welches in einen Druckrohrstutzen einer Hochdruckzuführung eingepreßt wird.
Ein wirksamer Filterspalt beträgt
in etwa 22 μm
bis 45 μm.
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Nachteilig dabei ist jedoch, daß Partikel,
welche ein Spaltmaß des
wirksamen Filterspaltes nur in einer Dimension unterschreiten, den
Filter passieren.
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Des weiteren ist von Nachteil, daß bei Druckpulsationen
in einer Hochdruckzuleitung, die den Common-Rail-Injektor mit einem
Hochdruckspeicher verbindet, auch Pulsationen des Spaltmaßes des wirksamen
Filterspaltes auftreten. Diese Pulsationen können dazu führen, daß Partikel, welche eigentlich aufgrund
ihrer Größe ohne
Druckpulsationen von dem Filter ausgefiltert werden, durch den Filter
flachgepreßt
werden und somit den Filter ebenfalls langsam passieren können.
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Weiters sind aus der Praxis Filter
bekannt, die mit Laserverfahren hergestellt sind und bei Druckpulsationen
eine geringere Aufweitung bzw. Vergrößerung ihres wirksamen Filterspaltes
aufweisen. Ein derartiger Filter, welcher auch in der WO 01/55587 A1
beschrieben ist, kann Löcher
mit einem Durchmesser von jeweils ca. 60 μm aufweisen.
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Nachteilig ist bei diesen Filtern
aber, daß die Lochdurchmesser
sowie Lochabstände
zwischen den einzelnen Öffnungen
des Filters zu groß sind,
um eine z. B. bei Common-Rail-Injektoren
erforderliche Filterleistung zu erzielen.
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Aus der
DE 44 35 163 A1 ist des
weiteren eine Düsenplatte
bekannt, die einen axialen Durchgang für ein Fluid, insbesondere für einen
Brennstoff aufweist, der sich in stromabwärtiger Richtung aufeinanderfolgend
aus einem Filter, einer Ringkammer und einem ununterbrochenen Ringspalt
zusam mensetzt. Der Filter ist in Strömungsrichtung des Brennstoffs
im oberen Abschnitt der Düsenplatte
angeordnet und weist eine feinporige Struktur mit geringen Wandstärken zwischen
den Poren des Filters auf. Die Poren können neben einem wabenförmigen Aufbau
mit drei-, vier-, fünf-
oder mehreckigen, kreisförmigen
oder elliptischen Querschnitten ausgeführt sein. In Abhängigkeit
von der Größe bzw. Öffnungsweite
des Ringspaltes beträgt
eine Öffnungsweite
einer einzelnen Pore des Filters beispielsweise 35 μm, während die
Wandstärke
bis zur nächsten
Pore beispielsweise 10 μm
betragen kann.
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Des weiteren ist aus der
DE 44 35 163 A1 ein Herstellverfahren
für eine
vorbeschriebene Düsenplatte
bekannt. Zur Herstellung der Düsenplatte
wird grundsätzlich
die an sich bekannte MIGA-Technik eingesetzt, die eine Mikrostrukturierung,
eine Galvanoformung und eine sich daran anschließende Abformung umfaßt.
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In einem ersten Verfahrensschritt
wird eine Urform als Negativform eines späteren unteren Abschnitts der
Düsenplatte
gefertigt, wobei hierzu ein thermoplastisch verformbarer Kunststoff
eingesetzt wird, der mittels eines Excimerlaser bearbeitet wird. Daran
anschließend
wird die Urform in einem Galvanikbad mit einer als Negativform ausgebildeten Schicht
versehen, welche nach dem Beschichtungsprozeß durch Fräsen oder Schleifen entlang
einer Schleiflinie bearbeitet wird, wodurch ein Prägestempel
zur Herstellung der Düsenplatte
entsteht.
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Der obere Abschnitt der Düsenplatte
wird auf Basis einer flachen PMMA-Platte mit einem an sich bekannten
LIGA-Verfahren hergestellt.
Dabei wird die PMMA-Platte mit einer Synchrotronstrahlung bestrahlt,
belichtet und anschließend
entwickelt. Die nicht mit der Synchrotronstrahlung behandelten Bereiche
der PMMA-Platte bilden schließlich
Oberflächenstrukturen,
die zur Herstellung des Filters benötigt werden.
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Anschließend wird ein Prägewerkzeug
zur Herstellung einer Galvanikmaske in die PMMA-Platte eingedrückt und
die Bodenflächen
der strukturierten PMMA-Platte mit einer Startmetallisierung versehen. Die
so ausgebildete PMMA-Platte wird wieder in ein Galvanikbad eingelegt,
wobei ein vorzugsweise isotropes Wachstum zur Ausbildung einer oberen Schicht
der Düsenplatte,
welche eine sogenannte Filterfolie darstellt, führt. Diese Filterfolie wird
auf ein Justierbauteil bzw. einen vorgefertigten Prägestempel
aufgesetzt, wodurch die Filterfolie während eines anschließenden Spritzgießprozesses
zur endgültigen
Herstellung der Düsenplatte
in Bezug auf die Ringkammer der Düsenplatte exakt positioniert
ist.
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Die vorbeschriebene Düsenplatte
und deren Filterbereich weisen jedoch den Nachteil auf, daß diese
sehr aufwendig ausgebildet sind und deren Herstellung nur mit großem fertigungstechnischen Aufwand
durchführbar
ist.
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Des weiteren ist von Nachteil, daß das Ausfiltern
von Partikeln aus dem dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführten Kraftstoff
im Bereich der Düsenplatte
zu Störungen
eines gewünschten
Strömungsprofiles
des Kraftstoffes stromab der Düsenplatte führt. Diese
Störungen
werden insbesondere durch strömungstechnisch
unzureichend ausgebildete Öffnungen
des Filterbereiches sowie durch von den ausgefilterten Partikeln
wenigstens teilweise bedeckten Öffnungen
verursacht. Die Fertigungsungenauigkeiten der Öffnungen sowie die zunehmende
Beladung des Filterelementes führen
zu einer Abweichung des realen freien Strömungsquerschnittes des Filterelementes
von einem erforderlichen freien Filterquerschnitt, wodurch unter
anderem Turbulenzen erzeugt werden.
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Derartige Turbulenzen und der verringerte freie
Strömungsquerschnitt
führen
im Bereich der Düsenplatte
eines Kraftstoffeinspritzventiles nachteilhafterweise zu derartigen
Druckverlusten in einem Kraftstoffeinspritzventil nahe eines Ausspritzbereiches,
daß Einspritzungen
nicht in der gewünschten präzisen Art
und Weise durchführbar
sind.
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Die Filtereinrichtung für ein Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 weist den Vorteil auf, daß mit ihr eine Filterwirkung
in einer Hochdruckzuleitung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik
bekannten Filtereinrichtungen vergrößert ist und das verwendete
Filterelement eine höhere
Beständigkeit
gegen Druckpulsationen in der Hochdruckzuleitung aufweist.
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Die verbesserte Filterleistung sowie
die höhere
Beständigkeit
gegenüber
Druckpulsationen ergibt sich aus dem atomaren Aufbau des Filterelementes
während
der Herstellung, weil damit ein Filterelemnt geschaffen wird, das
im Ver gleich zu Filterelementen, die mittels bekannter Verfahren
wie Laserbearbeitung hergestellt werden, geringere Lochdurchmesser
bei gleichzeitig geringeren Lochabständen aufweist.
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Dabei ermöglichen es die kleineren Lochdurchmesser,
daß mit
einer derartigen Filtereinrichtung Partikel mit Durchmessern ausgefiltert
werden, die mit aus der Praxis bekannten Filtern nicht erfaßbar sind.
Die Kombination der verringerten Lochabstände und der kleineren Lochabstände führen insgesamt
zu einer höheren
Festigkeit des Filterelementes, so daß Druckpulsationen eine reduzierte
Aufweitung der Lochdurchmesser zur Folge haben und Partikel, die
aufgrund ihres Durchmessers unter „normalen" Betriebszuständen ausgefiltert werden, bei Druckpulsationen
nicht durch die Filtereinrichtung gepreßt werden.
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Zusätzlich besteht aufgrund der
reduzierten Lochdurchmesser sowie der verringerten Lochabstände die
Möglichkeit,
das Filterelement und damit auch die Filtereinrichtung im Vergleich
zu bekannten Filtereinrichtungen mit geringeren baulichen Abmessungen
sowie eben bzw. flach herzustellen, wodurch das Filterelement problemlos
in einen Verbindungsbereich zwischen einer Hochdruckzuleitung und
einem Injektorkörper
des Ventils eingesetzt werden kann.
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Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise
die Möglichkeit,
eine bereits bestehende Serienproduktion mit geringfügigen konstruktiven Änderungen
derart umzugestalten, daß Ventile
mit der Filtereinrichtung nach der Erfindung bestückbar sind.
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Des weiteren ist der Einsatz einer
Filtereinrichtung nach der Erfindung im Bereich der Hochdruckzuleitung
hinsichtlich des Druckverlustes und des Strömungsprofiles wesentlich unproblematischer als
dies bei einem Einsatz im Bereich einer Düsenplatte der Fall ist, da
im Bereich der Hochdruckzuleitung Fertigungsungenauigkeiten sowie
höhere
Beladungen des Filterelementes beispielsweise durch höhere Zuführdrücke auf
einfache Art und Weise ausgeglichen werden können.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Weiterbildungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Filtereinrichtung nach der Erfindung schematisch vereinfacht dargestellt,
welches in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Es zeigen:
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1 eine
schematisierte Teildarstellung eines Kraftstoffeinspritzventiles
im Längsschnitt;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des in 1 näher gekennzeichneten
Bereiches X;
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3 eine
Draufsicht auf ein Filterelement nach der Erfindung; und
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4 eine
Querschnittsdarstellung des Filterelementes nach 3 entlang der Linie IV-IV aus 3.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Bezug nehmend auf 1 ist eine Teilansicht eines als Kraftstoffeinspritzventil
ausgeführten Ventils 1 zum
Steuern von Flüssigkeiten
dargestellt. Insbesondere ist der Verbindungsbereich zwischen einer
Hochdruckzuleitung 2 und einem Injektorgehäuse 3 des
Kraftstoffeinspritzventiles 1 dargestellt, wobei über die
Hochdruckzuleitung 2 Kraftstoff von einem Hochdruckspeicher
(Common-Rail) in das Injektorgehäuse 3 geführt wird.
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Die Hochdruckzuleitung 2 ist
in einen dafür vorgesehenen
Anschluß 4 des
Injektorgehäuses 3 eingeschraubt,
wobei zwischen einer in dem Injektorgehäuse 3 angeordneten
Stirnfläche
der Hochdruckzuleitung 2 und einer der Hochdruckzuleitung 2 zugewandten
Stirnfläche
des Anschlusses 4 eine Filtereinrichtung 5 zum
Filtern des über
die Hochdruckzuleitung 2 zugeführten Kraftstoffes vorgesehen
ist. Die Filtereinrichtung 5 weist ein Filterelement 6 auf,
welches in den 3 und 4 näher dargestellt ist.
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2 zeigt
den in 1 mit X näher bezeichneten
Anschlußbereich
der Hochdruckzuleitung 2 an dem Injektorgehäuse 3 mit
dem Filterelement 6 in vergrößerter schematisierter Darstellung.
Wie dort dargestellt, ist das Filterelement 6 mit einem äußeren Bereich 7 und
einen inneren Bereich 8 ausgebildet. Der äußere Bereich 7 stellt
einen Dichtbereich dar und ist als ein geschlossener Kreisring ausgeführt, der
den inneren Bereich 8, welcher den Filterbereich des Filterelementes 6 darstellt,
vollständig
um schließt.
Der innere Bereich 8 ist mit mehreren Öffnungen 9 versehen,
durch welche die über
die Hochdruckzuleitung 2 zugeführte Flüssigkeit bzw. der zugeführte Kraftstoff
in das Injektorgehäuse 3 geführt wird.
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Die Öffnungen 9 sind vorliegend
kreisförmig ausgeführt und
können
alternativ hierzu auch polygonal oder aber auch elliptisch ausgeführt sein.
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Bei einem weiteren von der dargestellten Ausführungsform
des Filterelementes abweichenden Ausführungsbeispiel der Filtereinrichtung
kann es vorgesehen sein, daß eine
bestimmte Anzahl der Öffnungen
des Filterelementes 6 polygonal und der Rest der Öffnungen
kreisförmig
ausgeführt
ist. Dabei kann unter anderem sowohl die Anzahl als auch die Anordnung
der Öffnungen
mit unterschiedlichen Formen einem Strömungsprofil des über die
Hochdruckzuleitung zugeführten
Kraftstoffes angepaßt
sein. Eine derart definierte Anordnung der Öffnungen des Filterelementes 6 ist
insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn Verformungen des Filterelementes 6 bzw.
des inneren Bereiches 8 durch Druckpulsationen vermieden
werden sollen. So kann die Art der Öffnungen sowie deren Anordnung
derart vorgesehen werden, daß eine
Festigkeit des Filterelementes bereichsweise erhöht ist, ohne dadurch eine Filterleistung
zu reduzieren.
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Die Öffnungen 9 des Filterelementes 6 weisen
vorzugsweise Durchmesser von 15 μm
bis 30 μm auf,
wobei ein Durchmesserbereich von 20 μm bis 30 μm bevorzugt ist und mit Öffnungsdurchmessern
von etwa 20 μm
sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
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Darüber hinaus sind Stege 11 bildende
Abstände
zwischen den Öffnungen 9,
welche aufgrund der begrenzten Darstellungsmöglichkeiten in der Zeichnung
nur angedeutet sind, mit Breiten von 5 μm bis 10 μm ausgeführt, wobei Werte zwischen 5 μm bis 8 μm bevorzugt
sind.
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Aufgrund der geringen Durchmesser
der Öffnungen 9 und
der kleinen Stegbreiten zwischen den Öffnungen 9 des Filterelementes 6 kann
das Filterelement 6 als flache Scheibe ausgeführt werden,
welche wie in 1 dargestellt
auf einfache Art und Weise zwischen dem Injektorgehäuse 3 und
der filterlosen Hochdruckzuleitung 2 ähnlich einer Dichtungsscheibe
einlegbar ist.
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Das Filterelement 6 ist
zwischen der Hochdruckzuleitung 2 und dem Injektorgehäuse 3 in
montiertem Zustand eingepreßt.
Das heißt,
daß das
Filterelement 6 in Einbaulage durch Anpreßkräfte zwischen
der Hochdruckzuleitung 2 und dem Injektorgehäuse 3 im
Bereich seines Dichtbereiches 7 ortsfest und dichtend gehalten
ist.
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Um zu gewährleisten, daß die Anpreßkräfte auf
das Filterelement 6 entsprechend hoch sind, ist das Filterelement 6 in
einer in der 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
mit einem Dichtkegel 10 ausgeführt, der in Einbaulage des
Filterelementes 6 zusätzlich
zu dem äußeren Bereich 7 zwischen
den Stirnflächen
des Injektorgehäuse 3 und
der Hochdruckzuleitung 2 angeordnet ist. Damit ist in montiertem
Zustand des Filterelementes 6 zusätzliches Material im Anschlußbereich
der Hochdruckzuleitung 2 vorhanden, welches eine stärkere Verpressung
des Filterelementes 6 bzw. eine Erhöhung der Anpreßkräfte zwischen
dem Injektorgehäuse 3,
der Hochdruckzuleitung 2 und dem Filterelement 6 erlaubt.
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Der Dichtkegel 10 schließt sich
als kegelförmig
ausgeführter
Abschnitt an den äußeren Bereich 7 des
Filterelementes 6 an und umschließt diesen vollständig. Es
liegt selbstverständlich
im Ermessen des Fachmannes, den Dichtkegel in einer weiteren Ausführungsform
des Filterelementes aus mehreren über den Umfang des Filterelementes
verteilt angeordneten Abschnitten zu bilden, um die Anpreßkraft zwischen
der Hochdruckzuleitung 2 und dem Injektorgehäuse 3 im
Vergleich zu einer geschlossenen Ausbildung des Dichtkegels zu reduzieren.
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Der in den 3 und 4 dargestellte
Dichtkegel 10 des Filterelementes 6 ist nach der
Herstellung des Filterelementes 6 mit dem Dichtbereich 7 und dem
Filterbereich 8 durch Tiefziehen an dem Dichtbereich 7 des
Filterelementes 6 hergestellt.
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Das Filterelement 6 bzw.
der Filterbereich 8 und der Dichtbereich 7 des
Filterelementes 6 werden auf einem Substrat, welches mit
einer lichtempfindlichen Maske beschichtet ist, durch atomaren Aufbau sukzessive,
d.h. während
eines Abscheidungsverfahrens, aufgebaut. Die lichtempfindliche Maske
des Substrats stellt in einer Draufsicht die Struktur des zu erzeugenden
Filterelementes 6 dar, d.h. sie enthält die Vorgaben für Lage und
Größe der Öffnungen 9 des
Filterelements 6 sowie die Abmessungen des Filterbereiches 7 und
des Dichtbereiches 8 des Filterelementes 6.
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Vor dem Abscheidungsverfahren, mittels welchem
das eigentliche Filterelement erzeugt wird, wird die lichtempfindliche
Maske des Substrates belichtet. Nach der Belichtung werden entweder
die belichteten oder die nicht belichteten Teile der lichtempfindlichen
Schicht von dem Substrat entfernt, womit die eigentliche Maske für das Abscheidungsverfahren
vorliegt.
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Mit einem solchen vorbeschriebenen
Herstellverfahren sind Öffnungen
des Filterelementes mit kleinen Durchmessern und mit geringen Abständen bzw.
Stegbreiten zwischen den Öffnungen
erzeugbar, wobei die Fertigung durch einen hohen Reproduktionsgrad
hinsichtlich der Geometrie des Filterelementes gekennzeichnet ist.