DE4422941A1

DE4422941A1 - Mikroventil

Info

Publication number: DE4422941A1
Application number: DE19944422941
Authority: DE
Inventors: Bernd Taubitz; Michael Dipl Ing Dr Mettner; Thanh-Hung Dip Nguyen-Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-04

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Mikroventil mit einer Mehr schichtstruktur, zum Beispiel ein Kraftstoff-Einspritzven til, bei dem ein Volumenstrom mit einer Einspritzrichtung von Inneren des Mikroventils nach außen erfolgt, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE-PS 39 19 876 A1 ist ein solches mikromecha nisch hergestelltes Ventil bekannt, das in einer aus der Halbleitertechnik bekannten Mehrschichtstruktur hergestellt ist. Das Mikroventil weist primär drei Schichten auf. Die mittlere Schicht trägt ein tellerförmiges Ven tilschließglied, das in der Schicht mittels einer Membrane geführt ist. Des weiteren ist in dieser Schicht ein Zulauf anschluß integriert. Unter der mittleren Schicht ist eine Trägerschicht mit einem zur Membrane hin ausgerichteten Hohlraum angeordnet. In dem Hohlraum befindet sich ein Be tätigungsorgan. Oberhalb der mittleren Schicht ist eine Deckschicht mit einem zentralen Auslaßanschluß aufgebracht. Der erweiterte Rand des Auslaßanschlusses bildet den Ven tilsitz. Der Auslaßanschluß, das Ventilschließglied und der Ventilsitz haben rotationssymmetrische Formen und sind ko axial zueinander angeordnet.

Bei Betrieb des Ventils strömt eine Flüssigkeit durch den Zulaufanschluß in der mittleren Schicht ein. Dort umströmt sie das offene Ventilschließglied, um sich auf der Rück seite des Schließgliedes vor einem zentralen Auslaßanschluß für das Ausströmen zu sammeln.

Ferner ist aus der PCT/DE93/00493 ein Mikroventil mit einem annähernd vergleichbaren Aufbau bekannt. Zusätzlich ist ne ben vielen anderen Konstruktionsdetails im zentralen Aus laßanschluß eine Düsenplatte angeordnet, die das Ausström verhalten der Flüssigkeit beeinflußt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mikroventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bekannten Mikroventilen den Vorteil, daß es beim Öffnen das durch strömende Fluid entweder in eine Vielzahl einzelner klei ner oder in wenige große Einspritzräume, mit einer Ein spritzrichtung von der Innenseite des Mikroventils her nach außen, entläßt. Die Einspritzräume sind im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik um das Ventilschließglied und den Ventilsitz herum angeordnet. Dadurch kann die Summe der durchströmten Querschnitte aller Einspritzräume erheblich größer ausgelegt werden. Vorteilhaft ist auch, daß eine üb licherweise vorgesehene Lochscheibe im Einspritzraum hier nicht benötigt wird. Die großen Querschnitte ermöglichen es darüberhinaus, daß die in die Einspritzräume eingespritzte Flüssigkeit von einem über Gaskanäle in die Einspritzräume eingeleiteten Gasstrom abtransportiert werden kann. Das Mi treißen der Flüssigkeit durch die Gasumfassung bedingt eine feine Zerstäubung der zwischen dem Ventilsitz und dem Ven tilschließglied ausströmenden Flüssigkeit.

Zum anderen ist von Vorteil, daß die zweifache Membranfüh rung auf der von Flüssigkeit durchströmten Ventilseite ein präzises Öffnen und Schließen des Ventils ermöglicht. Ein Schiefziehen des Schließgliedes beim Öffnen wird dadurch vermieden. Auch beeinflußt eine Druckänderung der einzu spritzenden Flüssigkeit die Auslenk- und Rückstellkraft der beiden Membranen nicht, da beide die gleiche wirksame Flä che aufweisen.

Die Flüssigkeit, die bei der vorliegenden Erfindung in einen Gasstrom eingespritzt wird, ist vorzugsweise ein Kraftstoff bzw. Treibstoff oder ein anderes Medium, das sich mit einem Gas technisch verwertbar mischen läßt. Das verwendete Gas ist beispielsweise Luft.

In den Unteransprüchen werden Maßnahmen aufgeführt, die eine vorteilhafte Weiterbildung und Ausgestaltung des im Hauptanspruch angegebenen Gegenstands angeben. So werden dort konstruktive Details angegeben, die einen einfachen Aufbau und eine sichere Funktion des Ventils gewährleisten.

Unabhängig davon lassen sich die hier beschriebenen Einspritzventile parallel verschalten.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch in vergrößertem Maßstab dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisch hergestelltes Einspritzventil mit radialer Luftumfas sung und hydraulischem Antrieb;

Fig. 2 das Mikroventil nach Fig. 1 mit Direktan trieb;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Einspritzventil mit axialer Luftumfassung und hydrauli schem Antrieb und

Fig. 4 das mikromechanische Einspritzventil nach Fig. 3 mit Direktantrieb.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch ein mikromechanisch hergestelltes Einspritzventil mit einer radialen Luftumfassung und einem hydraulischen oder direk ten Antrieb in vergrößerter und vereinfachter Darstellung. Für die Herstellung der dargestellten Mehrschichtstruktur werden Fertigungstechnologien verwendet, die u. a. aus der Halbleitertechnik und dem Platinenbau stammen. Diese Tech nologien sind beispielsweise unter Namen wie Silizium technologie, Dünn- und/oder Dickschichttechnologie bekannt. Aber auch die LIGA-Technik, eine Technik, mit der Werk stoffe wie Metalle, Kunststoffe und Keramiken in das System integriert werden, kann hier eingesetzt werden. Die Ver wendung der vorgenannten Technologien zur Herstellung von vorgegebenen dreidimensionalen Formen in einer Mehrschich tenstruktur und ihr Vermögen durch Strukturdetails be stimmte mechanische Elemente herauszubilden gehören zum Stand der Technik.

In Fig. 1 ist ein mikromechanisches Einspritzventil 10 mit radial er Luftumfassung und hydraulischem Antrieb darge stellt. Es umfaßt fünf verschiedene Schichten. Die aufein anderliegenden Schichten sind der Reihe nach: eine Gemisch führungsschicht 20, eine Luftführungsschicht 30, eine Trennmembranschicht 40, eine Arbeitsmembranschicht 50 und eine Steuerdruckschicht 60. Die meisten in diesen Schichten gestalteten Strukturen sind rotationssymmetrisch, bzw. rechteckig um eine gegenüber den Schichten senkrecht ste hende Achse 15 angeordnet.

Das zentrale Bauteil bildet die Trennmembranschicht 40. Sie enthält eine vorzugsweise kreisringförmige oder rechteckige Trennmembrane 41, die im unbelasteten Zustand bzw. in der Ruheposition weitgehend eben ist. Die Trennmembrane 41 be steht aus einer relativ schmalen Ringfläche, die bezüglich ihrer Höhenlage zumindest annähernd mittig in der Trennmem branschicht 40 angeordnet ist. Sie wird von der sie umge benden Schicht 40 gehalten. Ober- und unterhalb der Trenn membrane befinden sich Ringkanäle 43 und 44. Beide Kanäle haben vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt. Der obere Ringkanal 43 geht hier auf der rechten Seite des Einspritzventils in einen Kraftstoffzulaufkanal 45 über.

Von der Trennmembran 41 selbst ist eine Membranplatte 42 eingeschlossen. Die Membranplatte 42 ist in dem oberhalb der Trennmembrane 41 liegenden Bereich mit beispielsweise vier trapezförmigen Kanälen 46 versehen, die ausgehend von der Mitte der Membranplatte 42 radial nach außen zu dem oberen Ringkanal 43 verlaufen. Der Teil der Membran platte 42, der im Bereich unterhalb der Trennmembrane 41 angeordnet ist und das eigentliche Ventilschließglied bil det, hat die Form einer Kreisscheibe oder eines Rechtecks mit einer Zentralöffnung 47 und einer scheibenförmigen Ver tiefung 48. Der mittlere Radius der Ausnehmung 48 ist klei ner als der mittlere Außenradius des unteren Teils der Mem branplatte 42, womit am Rand der Vertiefung 48 eine kreis ringförmige oder rechteckige Dichtkante 49 gestaltet ist.

Oberhalb der Trennmembranschicht 40 befindet sich die Arbeitsmembranschicht 50. Diese Schicht besteht größten teils aus einer Arbeitsmembrane 51, die durch den Rand der Arbeitsmembranschicht 50 eingespannt ist. Die Arbeitsmem brane 51 hat einen scheibenförmigen Aufbau. Die Oberfläche der Arbeitsmembrane 51 liegt im unbelasteten Zustand wenig stens annähernd in einer Ebene. Die Arbeitsmembrane 51 ist hier im oberen Bereich der Arbeitsmembranschicht 50 ange ordnet. Somit bildet ein Hohlraum 52 unter der Arbeitsmem brane 51 zusammen mit dem Kanalsystem 43, 45-48 und der Trennmembranschicht 40 eine großvolumige kraftstofführende Kammer. In Mitte der Arbeitsmembrane 51 ist ein nach unten gerichteter Stempel 53 ausgebildet, der auf den Kanten der in der darunter liegenden Schicht 40 verlaufenden Kanäle 46 aufliegt.

Unterhalb der Trennmembranschicht 40 ist die Luftführungs schicht 30 angeordnet. In ihrem oberen Bereich befindet sich direkt unterhalb der Membranplatte 42 eine Ventilsitz platte 31. Letztere stellt den Ventilsitz dar. Auf ihr sitzt bei geschlossenem Einspritzventil die Membran platte 42. In ihrem inneren Bereich hat die Ventilsitz platte 31 ebenso wie die Membranplatte 42 eine zentrale Vertiefung 32. Das von ihr umschlossene Volumen zählt auch zur kraftstofführenden Kammer. Unterhalb der Ventilsitz platte 31 befindet sich innerhalb der Luftführungs schicht 30 ein Luftkanalsystem. Zentral unter der Ventil sitzplatte 31 liegt ein Luftverteilerkanal 33, in dem Hal testege 34 liegen. Weiterhin sind Einspritzräume 35 vor handen, die um die Ventilsitzplatte 31 herum angeordnet sind. Sie können die Form von Zylindern, von beliebig großen Kreisringsegmenten oder von quadratischen Ringkanä len haben. Der untere Ringkanal 44 der Trennmem branschicht 40 verbindet die Einspritzräume 35 untereinan der.

Unterhalb der Luftführungsschicht 30 ist die Gemischführungsschicht 20 angebracht. Sie hat eine zentrale Luftzulauföffnung 21 über die Luft in das aus den Luftkanä len 34 gebildete Luftumfassungssystem gepumpt wird. Um diese Luftzulauföffnung 21 ist unterhalb der Einspritz räume 35 ein Einspritzkanal 22 angeordnet. Über diesen wird das in den Einspritzräumen 35 und dem unteren Ringkanal 44 gebildete Gemisch den jeweiligen Brennkammern bzw. den Kanälen übergeben.

Die oberste Schicht des Einspritzventils 10 ist ein Siliziumwafer, der die Steuerdruckschicht 60 bildet. Unge fähr die obere Hälfte der Steuerdruckschicht besteht aus einer steifen Platte. Die untere Hälfte beinhaltet eine na hezu scheibenförmige, vorzugsweise mit Kraftstoff befüllte Gegendruckkammer 61. Der Kraftstoff wird - beispielsweise von einem nicht dargestellten Vorsteuerventil kommend - über einen Steuerdruckkanal 62 der Gegendruckkammer 61 zu geführt. Im Bereich oberhalb des Stempels 53 der Arbeits membranschicht 50 sind in der Steuerdruckschicht 60 zwei Anschläge 63 angeordnet.

In den Kanälen 43, 45-48 der Trennmembranschicht 40, im Hohlraum 52 der Arbeitsmembranschicht 50 und in der zentra len Vertiefung 32 der Luftführungsschicht 30 befindet sich Kraftstoff, der unter einem Systemdruck p_i steht. Auch die oberhalb der kraftstofführenden Kammern und Hohlräume ange ordnete Gegendruckkammer 61 ist mit Kraftstoff befüllt. Dieser Kraftstoff ist mit einem Steuerdruck p_v beauf schlagt. Solange - bei einem neutralen Federverhalten der Arbeitsmembrane 51 - das Produkt aus wirksamer oberer Ar beitsmembranfläche und Steuerdruck größer ist als das Pro dukt aus wirksamer unterer Arbeitsmembranfläche und System druck bleibt das Einspritzventil 10 geschlossen. Sobald je doch, beispielsweise bei vergleichbaren oberen und unteren Arbeitsmembranflächen, der Wert des Steuerdrucks unter den des Systemdrucks fällt, wird der Stempel 53 nach oben gegen die Anschläge 63 gepreßt. Dadurch wird die Membranplatte 42 von der Ventilsitzplatte 31 abgehoben. Im Bereich der Dichtkante 49 tritt Kraftstoff in die Einspritzräume 35 aus. Dort wird der eingespritzte Kraftstoff von der aus den radialen Luftkanälen 34 ausströmenden Luft nach unten in die Einspritzkanäle 22 zerstäubt.

Der Einspritzvorgang wird mit einem Anheben des Steuer drucks durch das Aufsetzen der Membranplatte 42 auf die Ventilsitzplatte 31 beendet.

Ein in der Fig. 2 dargestelltes Einspritzventil 11 weist anstelle einer Steuerdruckschicht einen als Kasten eingezeichneten Antrieb 60′ auf. Als direkte Antriebe 60′ sind u. a. Baugruppen vorgesehen, die auf elektrostatischen, elektromagnetischen, elektrothermischen oder piezoelek trischen Funktionsprinzipien basieren. Auch eine elektrisch beheizbare Dampfblase ist denkbar.

In Fig. 3 und Fig. 4 werden Einspritzventile 12 und 13 gezeigt. Diese Einspritzventile, die prinzipiell einen zu den Einspritzventilen 10 und 11 vergleichbaren Aufbau ha ben, unterscheiden sich bezüglich ihrer Funktion durch ihre axiale Luftumfassung.

Bei dem Einspritzventil 12 besitzt die Trennmembran schicht 40 außerhalb des kraftstofführenden ringförmigen oder rechteckigen Kanals 43 in einem Kreis um die Achse 15 liegende luftführende Kammern 43a. Diese Kammern können die Form von Kegelstümpfen, Kreisringabschnitten, Prismen oder dergleichen haben. Oberhalb der Kammern 43a sind in der Luftführungsschicht 30 spiegelsymmetrisch zur Trennfuge zwischen der Trennmembranschicht und der Luftführungs schicht die luftführenden Kammern erweitert. Ebenfalls au ßerhalb dieser Kammern, annähernd im Kreis um die Achse 15 herum, befinden sich luftführende Außenkammern 36. Letztere sind über radiale Luftkanäle 34a mit den Kammern 43a ver bunden. Die Außenkammern 36 sind durch die beiden oberhalb der Luftführungsschicht 30 angeordneten Schichten axial nach außen geführt.

In der Luftführungsschicht 30 ist unmittelbar auf den Kanä len 46 der Membranplatte 42 eine Distanzplatte 37 zur Über tragung des Ventilhubes angeordnet. Sie wird von einem kraftstofführenden ringförmigen oder rechteckigen Kanal 38 umgeben.

Oberhalb der Luftführungsschicht 30 ist die Arbeitsmembran schicht 50 aufgebracht. Die Arbeitsmembrane 51 und der Stempel 53 sind wie in den Einspritzventilen 10 und 11 (gemäß Fig. 1 und 2) angeordnet. Neben dem Hohlraum 52 befindet sich eine Kraftstoffzulaufkammer 54, die mit dem Hohlraum 52 mittels eines Zulaufkanals 55 in Verbindung steht. Die Kraftstoffzulaufkammer 54 setzt sich in der Steuerdruckschicht 60 fort.

Die über der Arbeitsmembranschicht 50 liegende Steuerdruck schicht 60 hat in ihrem Zentrum eine Gegendruckkammer 61 mit ihren Anschlägen 63 im mittleren Bereich, wie sie auch im Einspritzventil 10 vergleichbar ausgeführt sind. Der mit dem Steuerdruck p_v beaufschlagte Kraftstoff gelangt über einen Steuerdruckzulauf 64 und den Steuerdruckkanal 62 in die Gegendruckkammer 61.

Unterhalb der Trennmembranschicht 40 befindet sich die Ge mischführungsschicht 20. Sie hat gegenüber der Luftführungsschicht 30 des Einspritzventils 10 einen ver gleichbaren Aufbau. In ihrem Zentrum ist eine Ventilsitz platte 41a angeordnet, die mit, um die Mittelachse herum liegenden, Einspritzräumen 45a umgeben ist.

In Fig. 4 ist das zu dem Einspritzventil 12 bauverwandte Einspritzventil 13 dargestellt. Es hat anstelle der Steuerdruckschicht 60 eine Zulaufschicht 70. In ihr sind die Zuläufe für den Kraftstoff und die Luft angeordnet, wie sie aus der Steuerdruckschicht 60 des Einspritzventils 12 bekannt sind. Oberhalb der Arbeitsmembrane 51 befindet sich eine kreisrunde oder rechteckige Aussparung 71, in deren Mitte eine Adapterplatte 72 angeordnet ist. Auf sie wirkt ein auf der Zulaufschicht sitzender direkter Antrieb 80′. Dieser ist baugleich zum Antrieb 80 des Einspritzventils 11 nach Fig. 2.

Claims

1. Mikroventil, mit einem aus einer Mehrschichtstruktur gefertigten Gehäuse mit jeweils mindestens einem Zulauf und Auslaß für ein Fluid,

- wobei in dem Gehäuse ein membrangeführtes, auf einem Ven tilsitz aufliegendes Ventilschließglied angeordnet ist, das mittels eines Betätigungsorgans (Antrieb) bewegbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Ventilschließglied (Membranplatte 42) auf einer Seite des Ventilsitzes (31) zusätzlich durch eine zweite parallel zur ersten (41) angeordneten Membran (51) geführt wird und daß
- entweder auf der der flüssigkeitsführenden Seite des Ven tilsitzes (31) abgewandten Seite ein Gaskanalsystem (33-35) mit radialen Kanälen (34) angeordnet ist, in das zentral Gas einströmt oder um den Bereich des Ventilsitzes (31) ein Gaskanalsystem (34a, 36, 43a, 45a) angeordnet ist, aus dem Gas radial von der Innenseite des Mikroventils (10, 11, 12, 13) nach außen strömt, wobei
- in beiden Fällen das Gas im Bereich der Fuge zwi schen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz (31) vorbeigeführt wird, um die Flüssigkeit zu zerstäuben.

2. Mikroventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die Membranen (41, 51) und der Ventilsitz (31) rund oder eckig gestaltet sind und mindestens ein Teil der gas- und flüssigkeitsführenden Kanäle symmetrisch zu einer Mittelli nie (15) angeordnet sind.

3. Mikroventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die vom gleichen Flüssigkeitsdruck beaufschlagten Flächen der beiden Membranen (41, 51) einschließlich ihrer funkti onsbedingten Versteifungen (42, 53) annähern gleich groß sind.

4. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß

- der Hub der bei einem Öffnen des Mikroventils (10-13) be wegten Teile (41, 42; 51, 53) durch Anschläge (63) begrenzt ist.

5. Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die einzelnen gasführenden Kanäle (36, 43a, 45a) außer halb der Membranen (41, 51) parallel zu der Mittelli nie (15) angeordnet sind.

6. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß

- zwischen der ersten Membran (41) sowie dem von ihr getra genen Ventilschließglied und der zweiten Membrane (51) sowie dessen Versteifung (53) ein Distanzelement (37) ange ordnet ist.

7. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß

- das Betätigungsorgan eine mit einem veränderlichen Flüs sigkeitsdruck beaufschlagte Membrankammer (61) ist.

8. Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß

- balken- oder säulenförmige Anschläge (63) in der obersten Schicht vorhanden sind, zur Hubbegrenzung des Ventil schließgliedes.