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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Lochscheibe
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 41 21 310 A1 ist
bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen Ventilsitzkörper besitzt,
an dem ein fester Ventilsitz ausgebildet ist. Mit diesem im Ventilsitzkörper ausgebildeten
Ventilsitz wirkt ein im Einspritzventil axial beweglicher Ventilschließkörper zusammen.
An den Ventilsitzkörper
schließt
sich in stromabwärtiger
Richtung eine flache Düsenrichtplatte
an, in der dem Ventilsitz zugewandt eine H-förmige Vertiefung als Einlassbereich
vorgesehen ist. An den H-förmigen
Einlassbereich schließen
sich in stromabwärtiger
Richtung vier Abspritzlöcher
an, so dass sich ein abzuspritzender Brennstoff über den Einlassbereich bis
hin zu den Abspritzlöchern
verteilen kann. Eine Beeinflussung der Strömungsgeometrie in der Düsenrichtplatte durch
den Ventilsitzkörper
soll dabei nicht erfolgen. Vielmehr ist ein Strömungsdurchlass stromabwärts des
Ventilsitzes im Ventilsitzkörper
so weit ausgeführt,
dass der Ventilsitzkörper
keinen Einfluss auf die Öffnungsgeometrie
der Düsenrichtplatte
hat.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer Lochscheibe mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise
besonders geringe Lochscheibenstärken
bzw. -dicken erzielbar sind. Da erfindungsgemäß die Abspritzöffnungen
im dickenreduzierten mittleren Bereich der Lochscheibe eingebracht
werden, ist es möglich,
unter Beibehaltung bekannter und üblicher Verhältnisse
von Länge
zu Durchmesser jeder einzelnen Abspritzöffnung, eine Vielzahl von Abspritzöffnungen
mit sehr geringen Spritzlochdurchmessern in der Lochscheibe auszuformen.
In der Konsequenz garantiert eine erfindungsgemäß hergestellte und an einem
Brennstoffeinspritzventil angebaute Lochscheibe eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des
Brennstoffs, wobei eine besonders hohe Zerstäubungsgüte und eine an die jeweiligen
Erfordernisse angepasste Strahlformung erzielt wird.
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Das
zur Dickenreduzierung der Lochscheibe angewendete ECM-Verfahren (Electrochemical
Machining) arbeitet berührungslos.
In vorteilhafter Weise ist die Bearbeitung gratfrei, da am Werkstück Metallpartikel
durch elektrolytische Auflösung
abgetragen werden. Das vom Blech im dickenreduzierten Bereich abgetragene
Material fällt
als Metallhydroxid aus der Elektrolytlösung aus. Von Vorteil ist es,
dass das ECM-Verfahren höchste
Reproduzierbarkeit verschiedenster Formen und Geometrien garantiert,
so dass Lochscheiben in sehr großer Stückzahl identisch herstellbar
sind. Außerdem
erzeugt das ECM-Verfahren keine Bearbeitungsspannungen, so dass
ein nachteiliger Verzug der dünnen
Bleche und der daraus geformten Lochscheiben verhindert wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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In
besonders vorteilhafter Weise wird die erfindungsgemäße Lochscheibe
derart an einem Brennstoffeinspritzventil montiert, dass die stromabwärts eines
Ventilsitzes angeordnete Lochscheibe eine Öffnungsgeometrie für einen
vollständigen
axialen Durchgang des Brennstoffs aufweist, die durch einen den
festen Ventilsitz umfassenden Ventilsitzkörper begrenzt wird. Damit übernimmt
der Ventilsitzkörper
bereits die Funktion einer Strömungsbeeinflussung
in der Lochscheibe. In besonders vorteilhafter Weise wird ein S-Schlag
in der Strömung
zur Zerstäubungsverbesserung
des Brennstoffs erreicht, da der Ventilsitzkörper mit einer unteren Stirnseite
die Abspritzöffnungen
der Lochscheibe überdeckt.
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Der
durch die geometrische Anordnung von Ventilsitzkörper und Lochscheibe erzielte
S-Schlag in der Strömung
erlaubt die Ausbildung bizarrer Strahlformen mit einer hohen Zerstäubungsgüte. Die
Lochscheiben ermöglichen
in Verbindung mit entsprechend ausgeführten Ventilsitzkörpern für Ein-,
Zwei- und Mehrstrahlsprays Strahlquerschnitte in unzähligen Varianten.
Mit einem solchen Brennstoffeinspritzventil kann die Abgasemission
der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des
Brennstoffverbrauchs erzielt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein teilweise dargestelltes
Einspritzventil mit einer ersten Lochscheibe stromabwärts des
Ventilsitzkörpers, 2A und 2B schematisch zwei Verfahrensschritte
eines ersten erfindungsgemäßen Herstellverfahrens
und 3A und 3B schematisch zwei Verfahrensschritte
eines zweiten erfindungsgemäßen Herstellverfahrens.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist ein Ventil
in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger 1,
in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet
ist. In der Längsöffnung 3 ist
eine z. B. rohrförmige
Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit
einem z. B. kugelförmigen
Ventilschließkörper 7,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum
Vorbeiströmen
des Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und
damit zum Öffnen
entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen
des Einspritzventils dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer
Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und einem
Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende
der Ventilnadel 5 durch z. B. eine mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht
verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
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Zur
Führung
des Ventilschließkörpers 7 während der
Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines
Ventilsitzkörpers 16,
der in das stromabwärts
liegende, dem Kern 12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 in
der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Längsöffnung 3 durch Schweißen dicht
montiert ist. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 mit
einer z. B. topfförmig ausgebildeten
Lochscheibe 20 konzentrisch und fest verbunden. Die Lochscheibe 20 ist
mit einem Bodenteil 24 und einem Halterand 26 ausgeführt. Der
Halterand 26 erstreckt sich in axialer Richtung dem Ventilsitzkörper 16 abgewandt
und ist bis zu seinem Ende hin konisch nach außen gebogen. Die Verbindung
von Ventilsitzkörper 16 und
Lochscheibe 20 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende
und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 25 in
einem äußeren Ringbereich
des Bodenteils 24. Aus Gründen der Dauerfestigkeit des
Einspritzventils sollte die Lochscheibe 20 in diesem Befestigungsbereich
eine Dicke von wenigstens 0,2 mm aufweisen. Die Lochscheibe 20 ist
im Bereich des Halterandes 26 des weiteren mit der Wandung
der Längsöffnung 3 im
Ventilsitzträger 1 beispielsweise durch
eine umlaufende und dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.
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Ein
mittlerer Bereich 33 des Bodenteils 24 der Lochscheibe 20 ist
erfindungsgemäß dickenreduziert
gegenüber
dem äußeren Ringbereich
des Bodenteils 24 bzw. gegenüber dem Halterand 26.
Wenigstens eine, Idealerweise jedoch eine Vielzahl von Abspritzöffnungen 34 ist
in diesem mittleren Bereich 33 eingebracht. Die Abspritzöffnungen 34 befinden sich
in vorteilhafter Weise dabei im äußeren Randbereich
des dickenreduzierten mittleren Bereichs 33, der z.B. kreisförmig ausgebildet
ist, so dass die untere Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 die
Abspritzöffnungen 34 überdeckt,
wodurch die Brennstoffströmung
stromabwärts
des Ventilsitzes 29 zwischen einer Austrittsöffnung 31
im Ventilsitzkörper 16 und
den Abspritzöffnungen 34 in
der Lochscheibe 20 einen jeweils S-förmigen Verlauf nimmt.
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Die
Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16 und topfförmiger Lochscheibe 20 bestehenden Ventilsitzteils
in die Längsöffnung 3 bestimmt
die Größe des Hubs
der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei nicht
erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an
dem sich stromabwärts
konisch verjüngenden Ventilsitz 29 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt
ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei
erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage
des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg
zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt
somit den Hub dar. Der Ventilschließkörper 7 wirkt mit dem
Ventilsitz 29 zusammen.
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Der
Ventilsitzkörper 16 ist
mit seiner unteren Austrittsöffnung 31 derart
ausgeformt, dass die untere Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 teilweise eine
obere Abdeckung eines durch die Vertiefung im mittleren Bereich 33 der
Lochscheibe 20 entstehenden Einlassbereichs 40 der
Lochscheibe 20 bildet und somit die Eintrittsfläche des
Brennstoffs in die Lochscheibe 20 festlegt. Bei dem in
der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
besitzt die Austrittsöffnung 31 einen
kleineren Durchmesser als den Durchmesser eines gedachten Kreises,
auf dem die Abspritzöffnungen 34 der
Lochscheibe 20 liegen. Aufgrund des radialen Versatzes
der Abspritzöffnungen 34 gegenüber der
Austrittsöffnung 31 ergibt
sich ein S-förmiger
Strömungsverlauf
des Mediums, hier des Brennstoffs. Ein S-förmiger
Strömungsverlauf
wird auch bereits dann erzielt, wenn der Ventilsitzkörper 16 alle
Abspritzöffnungen 34 in
der Lochscheibe 20 nur teilweise überdeckt.
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Durch
den sogenannten S-Schlag innerhalb der Lochscheibe 20 mit
mehreren starken Strömungsumlenkungen
wird der Strömung
eine starke, zerstäubungsfördernde
Turbulenz aufgeprägt.
Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders
stark ausgeprägt.
Er ist ein Ausdruck für
die Änderung
der Geschwindigkeit quer zur Strömung,
wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist
als in der Nähe
der Wandungen. Die aus den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden
erhöhten Scherspannungen im
Fluid begünstigen
den Zerfall in feine Tröpfchen nahe
der Abspritzöffnungen 34.
Da die Strömung
im Auslass aufgrund der aufgeprägten
Radialkomponente einseitig abgelöst
ist, erfährt
sie wegen fehlender Konturführung
keine Strömungsberuhigung.
Eine besonders hohe Geschwindigkeit weist das Fluid an der abgelösten Seite
auf. Die zerstäubungsfördernden
Turbulenzen und Scherspannungen werden somit im Austritt nicht vernichtet.
Durch den S-Schlag wird
in dem Fluid eine hochfrequente Turbulenz erzeugt, welche den Strahl
unmittelbar nach Austritt aus der Lochscheibe 20 in entsprechend
feine Tröpfchen
zerfallen lässt.
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In
den 2A und 2B sind schematisch zwei Verfahrensschritte
eines ersten erfindungsgemäßen Herstellverfahrens
für eine
Lochscheibe 20 dargestellt. In einem ersten nicht dargestellten
Verfahrensschritt wird ein flaches metallisches Blech 20' mit einer konstanter
Dicke bereitgestellt. Dieses Blech 20' weist beispielsweise eine Dicke
von ca. 0,2 mm auf, die auch nach Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
außerhalb
des Bereichs 33 beibehalten bleibt. Aus Gründen der
Dauerfestigkeit des Brennstoffeinspritzventils sollte die Lochscheibe 20 zumindest
in ihrem Ringbereich des Bodenteils 24, in dem die Befestigung
der Lochscheibe 20 am Ventilsitzkörper 16 mittels der
Schweißnaht 25 vorgesehen ist,
eine Mindestdicke von 0,2 mm aufweisen. Um das Verhältnis von
Länge zu
Durchmesser jeder einzelnen Abspritzöffnung 34 strömungstechnisch
optimal einzuhalten, sind bei vorgegebener Mindestdicke die Spritzlochdurchmesser
ebenfalls mit einem Mindestwert weitgehend vorgegeben. Soll nun
eine Vielzahl von Abspritzöffnungen 34 mit
sehr geringen Spritzlochdurchmessern deutlich kleiner als 0,2 mm in
der Lochscheibe 20 aus Gründen verbesserter Zerstäubung und
Sprayaufbereitung ausgeformt werden, ist es von Vorteil, im Bereich 33 der
Abspritzöffnungen 34 eine
ein- oder mehrstufige Dickenreduzierung am Blech 20', aus dem die
spätere
Lochscheibe 20 geformt ist, vorzunehmen.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt eine erste Dickenreduzierung
durch Abprägen,
wodurch eine Vertiefung 40' im
Blech 20' gebildet
wird (2A). Diese Vertiefung 40' weist z.B.
eine kegelstumpfförmig
geneigte Begrenzungswand auf. Die mittels Abprägen vorgenommene erste Dickenreduzierung
im Bereich 33 kann ca. 0,05 mm betragen. Symbolhaft ist
in 2A ein Prägewerkzeug 41 angedeutet.
Beim Abprägen
wird Material des Blechs 20' verschoben
und geringfügig
auf der Eingriffsseite des Prägewerkzeugs 41 um
die Vertiefung 40' herum aufgeworfen.
Dieses verschobene Material kann auf einfache Weise in einem Walzvorgang
verteilt werden. Ausgehend von der Vertiefung 40' erfolgt eine zweite
Dickenreduzierung des Blechs 20' im Bereich 33 mittels
ECM-Verfahren, wodurch ein Einlassbereich 40 der späteren Lochscheibe 20 gebildet
wird (2B). Das ECM-Verfahren (Electrochemical
Machining) arbeitet berührungslos.
In vorteilhafter Weise ist die Bearbeitung gratfrei, da am Werkstück, hier am
Blech 20' zur
Herstellung der Lochscheibe 20 bzw. einer Vielzahl von
Lochscheiben 20, Metallpartikel durch elektrolytische Auflösung abgetragen
werden. Als elektrolytische Lösung
kommt eine wässrige Salzlösung, z.B.
eine Kochsalzlösung,
zum Einsatz. Das vom Blech 20' im Bereich 33 abgetragene
Material fällt
als Metallhydroxid aus der Elektrolytlösung aus. Von Vorteil ist es,
dass das ECM-Verfahren höchste
Reproduzierbarkeit verschiedenster Formen und Geometrien garantiert,
so dass Lochscheiben 20 in sehr großer Stückzahl identisch herstellbar
sind. Außerdem
erzeugt das ECM-Verfahren keine Bearbeitungsspannungen, so dass
ein nachteiliger Verzug der dünnen
Bleche 20' verhindert
wird. Schematisch ist in 2B eine
Elektrode 42 gezeigt, die als Kathode beim ECM-Verfahren mit dem
als Anode gepolten Werkstück
(Blech 20' bzw.
Lochscheibe 20) zusammenwirkt.
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Die
wenigstens eine Abspritzöffnung 34 wird entweder
nach der ersten Dickenreduzierung, also nach dem Abprägen, aber
vor der zweiten Dickenreduzierung bereits eingebracht, wie es 2A verdeutlicht, oder erst
nach der zweiten Dickenreduzierung mit dem ECM-Verfahren. Danach
wird das Blech 20' derart
endbearbeitet bis die Lochscheibe 20 mit ihren vorgegebenen
Außenabmessungen
vorliegt. Die Lochscheibe 20 kann allerdings auch bereits
vor dem Einbringen der Abspritzöffnungen 34 mit
den gewünschten
Außenmaßen versehen
werden, indem sie beispielsweise aus dem Blech 20' durch Ausstanzen,
Ausschneiden o.ä.
vereinzelt wird.
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In
den 3A und 3B ist schematisch eine zweite
Herstellungsvariante dargestellt, bei der die Dickenreduzierung
im Bereich 33 einstufig erfolgt, also auf das Abprägen verzichtet
wird. Vielmehr wird ausgehend von dem Bereitstellen des metallischen Blechs 20' mit konstanter
Dicke (3A) im Bereich 33 die
Dickenreduzierung ausschließlich
mittels ECM-Verfahren vorgenommen, wodurch unmittelbar der Einlassbereich 40 der
Lochscheibe 20 gebildet wird (3B). Die wenigstens eine Abspritzöffnung 34 kann
auch hierbei entweder vor der Dickenreduzierung oder nach der Dickenreduzierung
eingebracht werden. Das Einbringen der wenigstens einen Abspritzöffnung 34 erfolgt
mittels Stanzen, Erodieren oder Laserbohren.
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Das
ECM-Verfahren ist so form- und wiederholungsgenau auch bei feinsten
Strukturen und geringen Werkstückdicken
anwendbar, dass es möglich ist,
die Dickenreduzierung so lange vorzunehmen, bis eine absolute Dicke
des Bereichs 33 unter 0,1 mm, z.B. bei 0,05 mm erreicht
ist.
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In 1 ist beispielhaft eine
am Brennstoffeinspritzventil montierte topfförmige Lochscheibe 20 gezeigt,
die aufgrund ihres Halterandes 26 besonders sicher und
zuverlässig
verbaubar ist. Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
zur Herstellung einer Lochscheibe 20 sind jedoch keineswegs
auf solche geometrischen Ausführungen
von Lochscheiben 20 begrenzt. Vielmehr sind auch vollständig flache
oder anderweitig abgebogene Lochscheiben 20 in einem Bereich 33,
der nicht unbedingt in der Mitte der Lochscheibe 20 liegen
muss, in ihrer Dicke erfindungsgemäß reduzierbar.