DE2813112A1

DE2813112A1 - Membran und verfahren zur herstellung einer membran

Info

Publication number: DE2813112A1
Application number: DE19782813112
Authority: DE
Inventors: Walter Ing Grad Bosch; Ludwig Ing Grad Finkbeiner; Heinrich Dipl Phys Dr Knapp; Wolfgang Dipl Ing Dr Maisch; Bernd Ing Grad Otto; Albano De Dipl Ing Dr Re Paoli
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-03-25
Filing date: 1978-03-25
Publication date: 1979-09-27
Also published as: GB2017270A; GB2017270B; JPS54131122A; FR2420699A1

Description

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Stand der Technik

Es ist bereits eine Membran zur Steuerung eines Mengenteilerund Zumeßventiles einer Kraftstoffeinspritzanlage vorgeschlagen worden, auf die zur Verstärkung der Membran im Bereich des Ventilsitzes Plättchen aufgelötet wurden. Neben dem zusätzlichen teuerem Aufwand für die Herstellung ergab sich bei dieser Membran jedoch der Nachteil, daß sich ablösende Plättchen zu einem Ausfall des Ventiles führten und die Membran Eigenspannungen aufwies. Weiterhin bestand das Problem der Abdichtung der Membran gegenüber dem Ventilgehäuse, wozu Dichtpaste diente, die jedoch zum Teil in die Arbeitskammer des Ventiles drang und Verstopfungen der Ventile zur Folge hatte.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Membran mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sie eine hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitigen guten Federeigenschaften gewährleistet.

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

Vorteilhaft ist die Ausbildung der Membran aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung, da hierdurch erwünschte physikalische Eigenschaften wie Härte, Oberflächengüte und Federeigenschaft gegeben sind und bei der Ausbildung des Ventilgehäuses aus Alluminium annähernd gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten vorliegen, so daß durch TemperaturSchwankungen beeinflußte Steuereigenschaften der Membran vermieden werden.

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Vorteilhaft ist weiterhin, die Membran im Einspannbereich mit einer gegen das durchströmende Medium beständigen Photolackschicht, insbesondere einer Photopolymerlackschicht (Negativlack) zu versehen, die als Dichtung und Korrosionsschutz zwischen Membran und Ventilgehäuse dient. Durch den gegenüber dem federnden Bereich dickeren Einspannbereich ist eine höhere Stabilität gewährleistet und dadurch sicherer Einbau, weniger Ausfall und kostengünstige Herstellung und Wartung beim Halbzeug.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Membran nach Anspruch 9 hat den Vorteil, daß die Membran kostengünstig ohne Wärmebeeinflussung in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann.

Durch die Unteransprüche 10 bis 17 sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 9 angegebenen Verfahrens möglich.

Die Verwendung der Negativphotolackschicht nach den Ansprüchen 18 bis 20 als Dicht- und Korrosionsschutzmittel bietet den Vorteil einer kostensparenden Lösung des Abdicht- und Korrosionsproblems.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden_cBeschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1, 1a und 2YTTach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Membran, Figur 3 einen Längsschnitt entlang der Linie III-III in Figur 4 durch ein Mengenteiler- und Zumeßventil einer Kraftstoffeinspritzanlage, Figur 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 3, Figur 5 und 6 eine Oberseite und eine Unterseite einer Phototasche zur Herstellung einer Membran auf photochemischem Wege.

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Beschreibung der Erfindung

In den Figuren 1, 1a und 2 ist beispielsweise eine Membran 5 dargestellt, die nach dem weiter unten beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Die Membran 5 kann dabei als Einzelmembran zur Steuerung je eines Membranventiles oder als Mehrfachmembran wie dargestellt zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer Membranventile ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist die Membran 5 mit verschiedenen Profildicken versehen. So weist in Figur 1 in Vorderansicht die Membran 5 mindestens einen Steuerbereich 42, mindestens einen den Steuerbereich 42 umgebenden federnden Bereich 43, der im dargestellten Beispiel wie der Steuerbereich 42 kreisförmig ausgebildet ist und mindestens einen den federnden Bereich 43 umgebenden Einspannbereich 44 auf. Der Steuerbereich 42 hat jeweils eine größere Dicke, als der federnde Bereich 43. Hierdurch wird erreicht, daß der mit mindestens einem Ventilsitz eines Ventiles zusammenwirkende Steuerbereich 42 auch bei hohen Beanspruchungen, insbesondere bei höheren Temperaturen nicht von dem Ventilsitz durchgeschlagen wird und das Ventil ausfällt. Gleichzeitig gewährleistet der federnde Breich 43 gute Federeigenschaften und eine ausreichende Regelempfindlichkeit der Membran. Mit 45 und 46 sind Durchbrüche der Membran 5 dargestellt, die dazu dienen, die Membran in ihrer Einbaulage zu fixieren oder mit einem Ventilgehäuse zu verschrauben, oder Betätigungselemente durch die Membran zu führen. Erfindungsgemäß ist der Einspannbereich 44 der Membran 5 mit einer gegen das das Ventil durchströmende Medium beständigen Photolackschicht 47 versehen, und zwar je nach Verwendung auf der Vorderseite der Membran und der Rückseite der Membran. Figur 1a zeigt die Rückseite der Membran 5. Vorzugsweise dient als Photolack ein Photopolymerlack (Negativlack), der eine gute Haftung auf der Membranoberfläche gewährleistet. Die Photolackschicht 47 im Einspannbereich 44 der Membran 5 dient im eingebauten Zustand als Dichtung und Korrosionsschutzmittel zwischen der Membran 5 und der Einspannung.

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Die Herstellung einer beispielsweise in den Figuren 1, 1a und dargestellten Membran erfolgt erfindungsgemäß auf photochemischem Wege (Ätzung). Photochemische Verfahren sind beispielsweise bekannt zur Herstellung gedruckter elektrischer Schaltungen. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Membran erfolgt vorteilhafterweise aus einem gleichdicken Halbzeug (Folie), das derartige Abmessungen hat, daß daraus gleichzeitig mehrere Membranen 5 hergestellt werden können. Auf die Ober- und Unterseite des gleichdicken Halbzeuges wird in bekannter Weise eine Negativphotolackschicht aufgebracht. Dieses so vorbehandelte gleichdicke Halbzeug wird in einer hierfür geeigneten Einrichtung unter Verwendung z.B. einer Phototasche derart belichtet und fixiert, daß die gewünschten Strukturen auf die Photolackschicht übertragen und in einer für eine Präzisionsätzung geeigneten Einrichtung anschließend geätzt werden können. Um eine gleichzeitige Bearbeitung der Membran 5 auf photochemischem Wege in bezug auf die Kontur, die Durchbrüche 45 und 46 und die Profildicke zu ermöglichen, würde die photochemische Bearbeitung der Membranvorderseite entsprechend Figur 1 z.B. eine Phototaschenhälfte entsprechend Figur 5 erfordern. Dabei entsprechen die Bereiche 43" dem federnden Bereich 43 der Membran 5, die Bereiche 45' und 46' den Durchbrüchen 45 und 46 der Membran 5 und die Bereiche 42' den Steuerbereichen 42 der Membran 5. Die Bereiche 49' kennzeichnen die Kontur der Mebran 5. Die der in Figur 1adargestellten Rückseite der Membran 5 entsprechende Phototaschenhälfte ist in Figur 6 dargestellt. Dabei entsprechen die Bereiche 45" und 46" den Durchbrüchen 45 und 46 der Membran 5 und die Bereiche 49" der Kontur der Membran 5. Bei einem über eine derartige Phototasche belichteten und fixierten Halbzeug kann somit gleichzeitig die Vorderseite und die Rückseite des Halbzeuges geätzt werden, so daß in einem Arbeitsgang die Kontur, die Profildicke und die Durchbrüche der Membran her-

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gestellt werden können. Für die Funktion der Membran 5 in einem Kraftstoffmengenteiler- und Zumeßventil entsprechend den Figuren 3 und 4 ist es noch erforderlich, die die Steuerbereiche 42 und auf der Rückseite der Membran die federnden Bereiche 43 bedeckende Photolackschicht zu entfernen. Die auf den Einspannbereich 44 verbleibende Photolackschicht verbleibt als Dichtung und Korrosionsschutzmittel auf der Membran.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran 5 wird anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben. Bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ventil handelt es sich um ein Kraftstoffmengenteiler- und Zumeßventil für Brennkraftmaschinen mit einem Gehäuse Oberteil 1 und einem Gehäuseunterteil 3, die durch Schrauben 4 axial zusammengespannt sind. Zwischen das Gehäuseoberteil 1 und das Gehäuseunterteil 3 ist die entsprechend den Figuren 1 und 2 ausgebildete Metallmembran 5 eingespannt, die im Bereich von gleichmäßig um die Gehäuseachse verteilten axialen Bohrungen, diese in Kammern 7 und 8 teilend als bewegliches Ventilteil von Membranventilen dient. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Kraftstoffmengenteiler- und Zumeßventil für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine, also um vier Membranventile. Der in der Ebene der Membraneinspannung angeordnete feste Ventilsitz 9 ist Teil eines Ventilsitzträgers 10, der in das Gehäuseoberteil 1 eingeschraubt oder eingepreßt ist und mit dem Steuerbereich 42 der Membran 5 zusammenwirkend als Anschlußteil für Leitungen 30 dient, die zu den Einspritzventilen 31 führen, von denen jeweils nur eine dargestellt ist. Am Ventilsitzträger 10 stützt sich eine •Schraubenfeder 11 ab, die eine möglichst flach verlaufende Charakteristik hat. Diese Schraubenfeder 11 belastet die Membran über einen Federteller 12 in Öffnungsrichtung, so daß das Membranventil außer Betrieb geöffnet ist.

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Die sich im Gehäuseunterteil befindlichen Kammern 8 sind durch einen nacheinander durch diese Kammern verlaufenden Ringkanal 13 miteinander derart verbunden, daß der Flüssigkeitsstrom diese Kammern nacheinander durchströmt. Von einem Kraftstoffbehälter 33 führt eine Leitung 34 über eine kontinuierlich förderende Kraftstoffpumpe 35 und ein Anschlußteil 14 zur ersten der Kammern 8. Von der letzten in Stromrichtung liegenden Kammer 8 führt über ein Anschlußteil 37 eine Leitung 38 zu einem Druckhalteventil 39 und von diesem zurück zum Kraftstoffbehälter 33.

In einer durch die beiden Gehäuseteile 1 und 3 gehende Axialbohrung 16 ist eine Laufbuchse 17 angeordnet. Diese Laufbuchse ist durch eine elastische Dichtbuchse 18, die aus Gummi bestehen kann gegen Verschieben und Verdrehen gesichert, wozu die Dichtbuchse durch einen Stopfen 19 gegen eine im Gehäuseunterteil 3 gelagerte Scheibe 20 axial zusammengepreßt wird.

In der Laufbuchse 17 gleitet axial gegen die Kraft einer Feder 15 verschiebbar ein Steuerschieber 21, der eine Ringnut 22 hat. Anstelle der Feder 15 könnte auch zur Erzeugung der Rückstellkraft auf den Steuerschieber 21 Druckflüssigkeit dienen, die durch ein nicht dargestelltes hydraulisches Steuerdrucksystem gesteuert den Steuerschieber beaufschlagt. In der Laufbuchse 17 befinden sich Längsnuten 23, die durch exakt gleiche achsparallele Längsschlitze 24 (Steuerschlitze) mit der Innenbohrung der Laufbuchse verbunden sind. Je nach der Stellung des Steuerschiebers 21 steuert somit die Ringnut 22 einen mehr oder weniger langen Abschnitt der Steuerschlitze 24 auf. In der Laufbuchse befinden sich außerdem Radialbohrungen 25, die eine ständige Verbindung zwischen der Ringnut 22 und einem in dem Gehäuseunterteil 3 angeordneten Ringkanal 26 herstellen. Von diesem Ringkanal 26 führen im wesentlichen

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radial verlaufende Kanäle 27 zum Ringkanal 13, wodurch der Ringkanal 26 mit den Kammern 8 der Membransteuerventile verbunden ist. Die Längsnuten 23 der Laufbuchse 17 sind über Kanäle 28 mit je einer Kammer 7 der Membransteuerventile verbunden, wobei jedem Membransteuerventil eine Längsnut 23 mit ihrem Steuerschlitz 24 zugeordnet ist und die Kammern 7 der Membransteuerventile voneinander getrennt sind.

Die Wirkungsweise des Kraftstoffmengenteiler- und Zumeßventils ist folgende:

Der Kraftstoff gelangt aus dem Kraftstoffbehälter 33 über die Leitung 34, die kontinuierlich fördernde Pumpe 35 und das Anschlußteil 14 in eine der Kammern 8 der Membransteuerventile und strömt von dort durch den Ringkanal 13 zu den anderen Kammern 8 der weiteren Membransteuerventile bis er dann zum Teil über das Anschlußteil 37, die Leitung 38 und das Druckhalteventil 39, das den Druck im System bestimmt, zurück zum Kraftstoffbehälter 33 gelangt. Der andere Teil des Kraftstoffes strömt über die Kanäle 27 zu dem Ringkanal 26 und von diesem über die Radialbohrungen 25 in die Ringnut 22 des Steuerschiebers. Die Ringnut 22 öffnet mehr oder weniger die Steuerschlitze 24, über die der Kraftstoff zugemessen in die Längsnuten 23 und von dort über die Kanäle 28 in die Kammern 7 der Membransteuerventile gelangen kann.

Membransteifigkeit und Kraft der Feder 11 sind so ausgelegt, daß bei Änderung des vorgesehenen Druckgefälles zwischen den beiden Kammern 7 und 8 der Membransteuerventile sich der Durchströmquerschnitt zwischen dem Steuerbereich 42 der Membran 5 und dem Ventilsitz so lange ändert, bis das vorgesehene Druckgefälle wieder erreicht ist. Bei diesem Flachsitzventil ist dieses in außerordentlich kurzer Zeit erreicht,

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da schon bei geringem Hub der Membran der Durchflußquerschnitt stark geändert wird. Bei dem dargestellten Kraftstoffmengenteiler- und Zumeßventil betragen die maximalen Öffnungshübe für die größte Durchströmmenge ca. 0,1 mm. Die Federkraft ändert sich aufgrund dieses kleinen Hubes nur gering, so daß die Regelung sehr genau arbeiten kann d.h. das Druckgefälle unabhängig von den durchströmenden Mengen nahezu konstant ist. Die Verwendung von Werkstoffen mit gleichen oder annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für Ventilgehäuse und Membran verhindert durch Temperaturspannungen hervorgerufene Zumeßfehler. Dabei wird vorzugsweise als Gehäusewerkstoff Aluminium und als Membranwerkstoff eine Kupfer-Beryllium-Legierung verwendet, die weiterhin eine ausreichende Härte, Oberflächengüte und Federeigenschaft gewährleistet. Die verwendete Kupfer-Beryllium-Legierung besteht etwa aus zwei Gewichtsprozenten Beryllium und dem Rest Kupfer (z.B. Berylco 25 HT CuBe2 der Deutschen Beryllium GmbH).

Neben der kostengünstigen Herstellung der Membran 5 auf photochemischem Wege (Ätzung) gestattet die Ausbildung der Membran 5 eine hohe Betriebssicherheit der Membranventile. Die verstärkte Ausführung der Steuerbereiche 42 verhindert Membranbeschädigungen durch die Ventilsitze infolge von Druckstößen unter Beibehaltung guter Regeleigenschaften aufgrund der guten Federeigenschaften des mit geringerer Profildicke ausgebildeten federnden Bereiches 43. Vorteilhaft ist ebenfalls, die für die Herstellung der Membran erforderliche Photolackschicht auf der Ober- und der Unterseite der Membran im Einspannbereich 44 zu belassen, da die beispielsweise gegen Kraftstoff beständige Photolackschicht bei der Einspannung der Membran 5 zwischen das Gehäuseoberteil 1 und das Gehäuseunterteil 3 als Dichtschicht und Korrosionsschutzschicht dient.

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Claims

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20.3.1978 Kh/Ht ·

ROBERT BOSCH GMBH₇ 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

(V) Membran, die insbesondere als bewegliches Ventilteil eines Ventiles dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) verschiedene Profildicken aufweist.
2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) mindestens einen Einspannbereich (44), mindestens einen federnden Bereich (43) und mindestens einen, mit minde-.stens einem Ventilsitz (9) zusammenwirkenden Steuerbereich

(42) aufweist und der Steuerbereich (42) eine größere Dicke hat, als der federnde Bereich (43).
3. Membran nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich (44) und der Steuerbereich (42) die gleiche Dicke hat.
4. Membran nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ventile in einem Ventilgehäuse (1, 3) vorgesehen sind und die Membran (5) mehrere, je einem Ventil zugeordnete Einspannbereiche (44), federnde Bereiche (43) und Steuerbereiche (42) aufweist.

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5. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung besteht.
6. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich (44) der Membran (5) mit einer gegen das durchströmende Medium beständigen Photolackschicht (47) versehen ist.
7. Membran nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Photolack (47) insbesondere ein Photopolymerlack (Negativlack) dient.
8. Membran nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackschicht (47) als Dichtung und Korrosionsschutzmittel zwischen Membran (5) und Ventilgehäuse (1, 3) dient.
9. Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildeten Membran, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Profildicken der Membran (5) auf photochemischem Wege (Ätzung) hergestellt werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Membran auf photochemischem Wege (Ätzung) hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Durchbrüche (45, 46) der Membran (5) auf photochemischem Wege (Ätzung) hergestellt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kontur, Durchbrüche (45, 46) und unterschiedliche Profildikken der Membran (5) auf photochemischem Wege (Ätzung) gleichzeitig hergestellt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Membran (5) ein gleichdickes Halbzeug (Folie) dient, auf dessen Vorder- und Rückseite eine Photolackschicht (47) aufgebracht ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichdicke Halbzeug (Folie) derartige Abmessungen hat, daß daraus gleichzeitig mehrere Membranen (5) auf photochemischem Wege (Ätzung) hergestellt werden können.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Photolack (47) ein gegen das Medium, mit dem die Membran

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(5) bei-ihrer Verwendung in Berührung kommt, beständiger Photolack verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Photolack (47) insbesondere ein Photopolymerlack (Negativlack) verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß als gleichdickes Halbzeug (Folie) eine Kupfer-Beryllium-Legierung verwendet wird.
18. Verwendung eines auf einen Gegenstand aufgetragenen Photolackes, insbesondere bei einer Membran nach Anspruch 7 oder einem Verfahren nach Anspruch 16, der gegen das Medium, mit dem der Gegenstand bei seiner Verwendung in Berührung kommt, beständig ist, als Dichtmittel.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Photolack (47) ein Photopolymerlack (Negativlack) verwendet wird.
20. Verwendung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Photolack (47) als Korrosionsschutzmittel verwendet wird. ,

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