EP0920359B1

EP0920359B1 - Ventil und verfahren zur herstellung eines ventilsitzes für ein ventil

Info

Publication number: EP0920359B1
Application number: EP98931957A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Hopf; Dieter Holz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2002-02-27
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: BR9806007A; KR100497268B1; KR20000068314A; AU8206398A; DE59803184D1; WO1999000201A1; JP2001500213A; US6173914B1; DE19726991A1; AU724749B2; EP0920359A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ventil nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie von einem Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für ein Ventil nach der Gattung des Anspruchs 13 bzw. des Anspruchs 14.
Aus der DE-OS 42 21 185 ist bereits ein Einspritzventil zum Einspritzen von Brennstoff in ein Saugrohr bekannt, bei dem der Ventilsitzkörper mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Der Ventilsitzkörper muß im Bereich des Ventilsitzes nach der spanenden Vorbearbeitung einer sich anschließenden Feinstbearbeitung unterzogen werden, um die für die Dichtfunktion notwendige Genauigkeit beim Zusammenwirken mit einem kugelförmig ausgebildeten Ventilschließkörper zu erreichen. Mit dem Ventilsitzkörper ist an dessen stromabwärtiger Stirnseite eine separat gefertigte Spritzlochscheibe durch Schweißen dichtend verbunden. Die Wärmeeinwirkung beim Schweißen kann dabei nachteilig zu einer unerwünschten Deformation der Spritzlochscheibe führen. Für dieses zweiteilige Ventilsitzteil müssen zwei Bauteile getrennt voneinander hergestellt werden, die erst nachfolgend miteinander verbunden werden und eventuell gemeinsam noch nachbearbeitet werden müssen, was insgesamt zu einem relativ hohen Fertigungsaufwand führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß Ventilsitz- und Lochscheibenfunktion auf einfache Art und Weise in einem einzigen Bauteil integriert sind, wobei ein solches Lochscheibenelement besonders einfach, kostengünstig und materialsparend durch eine Serienfertigung großer Stückzahlen herstellbar ist. Die Gestaltung des Lochscheibenelements mit mehreren Funktionsbereichen als Blechlaminat-Element führt nicht nur zu einer leichten Bearbeitbarkeit und einem geringen Gewicht durch die Reduzierung der Bauteile, sondern auch zu einer Verringerung des Materialbedarfs. Außerdem kann auf Verbindungen von Ventilsitzkörper und Lochscheibe, wie Schweißnähte, verzichtet werden, wodurch eine Ersparnis an Material und Zeit erzielt wird und Dichtheitsprobleme vermieden werden.
Der mehrlagige Aufbau des Lochscheibenelements aus sandwichartig angeordneten Blechen erlaubt ein Ausbilden der Öffnungsgeometrie derart, daß eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des abzuspritzenden Mediums ohne Zusatzenergie erreicht wird, wobei eine besonders hohe Zerstäubungsgüte und eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Strahlformung erzielt wird. In besonders vorteilhafter Weise wird ein S-Schlag in der Strömung des Mediums, z.B. eines Brennstoffs erreicht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
In vorteilhafter Weise besitzt das Lochscheibenelement Funktionsbereiche zum Abspritzen des Mediums und dessen Strömungsbeeinflussung (Bodenbereich), zum Öffnen und Schließen des Ventils (Sitzbereich), zum Führen des axial bewegbaren Ventilschließkörpers (Führungsbereich) und zum Befestigen im Ventil (Haltebereich). Eine Vielzahl von Funktionen führt damit ein einziges Ventilbauteil aus.
Der durch die geometrische Anordnung der Öffnungsgeometrie (Versatz von Abspritzöffnungen zur Einlaßöffnung) erzielte S-Schlag in der Strömung erlaubt die Ausbildung bizarrer Strahlformen mit einer hohen Zerstäubungsgüte. Die Lochscheibenelemente ermöglichen für Ein-, Zwei- und Mehrstrahlsprays Strahlquerschnitte in unzähligen Varianten, wie z. B. Rechtecke, Dreiecke, Kreuze, Ellipsen. Solche ungewöhnlichen Strahlformen erlauben eine genaue optimale Anpassung an vorgegebene Geometrien, z. B. an verschiedene Saugrohrquerschnitte von Brennkraftmaschinen. Daraus ergeben sich die Vorteile einer formangepaßten Ausnutzung des verfügbaren Querschnitts zur homogen verteilten, abgasmindernden Gemischeinbringung und einer Vermeidung von abgasschädlichen Wandfilmanlagerungen an der Saugrohrwandung. Mit einem solchen Ventil kann folglich die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.
Ganz allgemein ist als sehr bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils festzuhalten, daß in einfacher Art und Weise Strahlbildvariationen möglich sind.
Besonders vorteilhaft ist es, im Führungsbereich des Lochscheibenelements Strömungsöffnungen vorzusehen, so daß ein ungehindertes Strömen des Mediums in Richtung zum Ventilsitz ermöglicht ist. In vorteilhafter Weise besitzen diese Strömungsöffnungen eine derartige Ausrichtung, daß ein sie durchströmendes Medium drallbehaftet wird.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für ein Ventil mit den Merkmalen der Ansprüche 13 bzw. 14 haben den Vorteil, daß durch ihre Anwendung auf einfache Art und Weise sehr effektiv mehrlagige Lochscheibenelemente aus Metall in sehr großer Stückzahl kostengünstig herstellbar sind (Linienfertigung). In besonders vorteilhafter Weise wird eine einfache und kostengünstige Lagezuordnung einzelner Blechfolien bzw. der Blechlagen der späteren Lochscheibenelemente durch Hilfsöffnungen realisiert, so daß eine sehr hohe Fertigungssicherheit vorliegt. In bevorzugter Weise kann die Lagezuordnung der Blechfolien automatisch über optische Abtastung und Bildauswertung erfolgen. Auf für die Herstellung mehrlagiger Lochscheibenelemente vorgesehenen Maschinen und Automaten können sehr einfach der Werkstoff, die Blechdicke, die gewünschten Öffnungsgeometrien und weitere Parameter für den jeweiligen Anwendungsfall ideal angepaßt werden.
In vorteilhafter Weise erfolgt ein Umformen der vorerst in einem Band vorliegenden und später vereinzelten Ronden derart, daß Lochscheibenelemente gebildet werden, die wenigstens einen Bodenbereich mit der Öffnungsgeometrie und einen Sitzbereich mit einer Ventilsitzfläche aufweisen. Die mehrere Blechlagen umfassenden Lochscheibenelemente vereinen somit Ventilsitz- und Lochscheibenfunktion in jeweils einem Bauteil.
Besonders vorteilhaft ist es, die Blechfolien in Form von Folienstreifen oder Folienteppichen für die weitere Bearbeitung bereitzustellen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den Ansprüchen 13 bzw. 14 angegebenen Verfahrens möglich.
Als optional einzusetzende Fügeverfahren zum Verbinden mehrerer Blechfolien innerhalb oder außerhalb der Ronden dienen in idealer Weise Schweißen, Löten oder Kleben in all ihren unterschiedlichen Anwendungsformen.
In besonders vorteilhafter Weise erfolgt das Vereinzeln der Ronden mit einem Schneidwerkzeug eines Tiefziehwerkzeugs, in dem auch das Umformen der Ronden in topfförmige Lochscheibenelemente vorgenommen wird.
In vorteilhafter Weise wird die dem Ventilschließkörper zugewandte Blechlage des Sitzbereichs des Lochscheibenelements gehärtet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil mit einem ersten erfindungsgemäßen Lochscheibenelement, Figur 2 ein Prinzipbild des Verfahrensablaufs bei der Herstellung eines Lochscheibenelements, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Folienstreifens für eine spätere Blechlage eines Lochscheibenelements, Figuren 4 und 5 ausschnittsweise zwei Beispiele von Lochscheibenelementen mit unterschiedlich ausgeformten Haltebereichen, Figuren 6 bis 8 ein Tiefziehwerkzeug mit einem zu bearbeitenden Band in verschiedenen Bearbeitungsstufen, Figur 9 schematisch eine zeitliche Abfolge beim Umformen einer Ronde in ein Lochscheibenelement, Figur 10 ein erstes Beispiel eines zweilagigen Lochscheibenelements und Figur 11 ein zweites Beispiel eines zweilagigen Lochscheibenelements.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel 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 verbunden ist.
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 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 hergestellte Schweißnaht verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines Lochscheibenelements 16. In das stromabwärts liegende, dem Kern 12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 ist in der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Längsöffnung 3 das Lochscheibenelement 16 durch Schweißen dicht montiert. Das Lochscheibenelement 16 stellt eine Kombination einer Lochscheibe und eines Ventilsitzkörpers üblicher Ventile, insbesondere Brennstoffeinspritzventile, dar und erfüllt somit zugleich die Funktionen beider ansonsten verwendeter Bauteile. Das Lochscheibenelement 16 wird von wenigstens zwei, im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 drei eine geringe Dicke aufweisenden, metallenen Blechlagen 20 gebildet, so daß eine sogenannte Blechlaminat-Lochscheibe vorliegt, die auch als Ventilsitz fungiert.
Das Lochscheibenelement 16 wird aus mehreren ebenen Blechfolien hergestellt, die beispielsweise durch Tiefziehen oder Napfen derart verformt werden, daß unterschiedlich ausgerichtete Bereiche des Lochscheibenelements 16 entstehen. So weist das Lochscheibenelement 16 wenigstens einen mittleren Bodenbereich 22 mit einer gewünschten Öffnungsgeometrie 23, einen sich radial nach außen hin anschließenden Sitzbereich 24 mit einer inneren Ventilsitzfläche 25, einen darauffolgenden Führungsbereich 26 mit der inneren Führungsöffnung 15 sowie einen äußeren, den radialen Abschluß bildenden Haltebereich 28 auf. Zwischen dem Führungsbereich 26 und dem Haltebereich 28 kann optional noch ein Verbindungsbereich 30 vorgesehen sein, der z.B. wie in Figur 1 parallel zum Bodenbereich 22 und senkrecht zur Ventillängsachse 2 verläuft. Bis auf den Bodenbereich 22 laufen alle anderen Bereiche 24, 26, 30, 28 ringförmig um den Ventilschließkörper 7 um. Der leicht konisch nach außen hin gebogene Haltebereich 28 übt eine radiale Federwirkung auf die Wandung der Längsöffnung 3 aus. Dadurch wird beim Einschieben des Lochscheibenelements 16 in die Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 eine Spanbildung an der Längsöffnung 3 vermieden. Der Haltebereich 28 des Lochscheibenelements 16 ist an seinem freien Ende mit der Wandung der Längsöffnung 3 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte Schweißnaht 32 verbunden. Die dichte Verschweißung verhindert ein Durchströmen von Brennstoff in der Längsöffnung 3 unmittelbar in eine Ansaugleitung der Brennkraftmaschine.
Die Einschubtiefe des als Ventilsitzteil dienenden Lochscheibenelements 16 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 der Ventilsitzfläche 25 des Sitzbereichs 24 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 kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 25 des Sitzbereichs 24 des Lochscheibenelements 16 zusammen, die in axialer Richtung zwischen dem Führungsbereich 26 und dem Bodenbereich 22 ausgebildet ist. Der Führungsbereich 26, der Sitzbereich 24 und der Bodenbereich 22 bilden zusammen einen inneren Topf des Lochscheibenelements 16, der weitgehend den kugelförmigen Ventilschließkörper 7 aufnimmt und umschließt.
Figur 2 zeigt ein Prinzipbild des Verfahrensablaufs bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Lochscheibenelements 16, wobei die einzelnen Fertigungs- und Bearbeitungsstationen nur symbolisch dargestellt sind. Anhand der nachfolgenden Figuren werden einzelne Bearbeitungsschritte noch ausführlicher erläutert. In der ersten, mit A bezeichneten Station liegen entsprechend der gewünschten Anzahl von Blechlagen 20 des späteren Lochscheibenelements 16 Blechfolien als beispielsweise aufgerollte Folienstreifen 35 vor. Bei Verwendung von drei Folienstreifen 35a, 35b und 35c zur Herstellung eines drei Blechlagen 20 umfassenden Blechlaminat-Lochscheibenelements 16 ist es für die spätere Bearbeitung, speziell beim Fügen, zweckmäßig, den mittleren Folienstreifen 35b zu beschichten. In die Folienstreifen 35 werden nachfolgend jeweils in großer Anzahl gleiche Öffnungsgeometrien 23 pro Folienstreifen 35 sowie Hilfsöffnungen 54, 55 (Figur 3) zum Zentrieren und Justieren der Folienstreifen 35 bzw. zum späteren Freilegen der Lochscheibenelemente 16 aus den Folienstreifen 35 eingebracht.
Diese Bearbeitung der einzelnen Folienstreifen 35 erfolgt in der Station B. In der Station B sind Werkzeuge 36 vorgesehen, mit denen in den einzelnen Folienstreifen 35 die gewünschten Öffnungsgeometrien 23 sowie die Hilfsöffnungen 54, 55 eingeformt werden. Alle wesentlichen Konturen werden dabei durch Mikrostanzen, Laserschneiden, Erodieren, Ätzen oder vergleichbare Verfahren hergestellt. In den oberen Folienstreifen 35a werden zusätzlich zu den Öffnungsgeometrien 23 und den Hilfsöffnungen 54, 55 noch Strömungsöffnungen 50 (Figur 3) eingebracht. Ein Beispiel eines derart bearbeiteten Folienstreifens 35a veranschaulicht Figur 3. Die Folienstreifen 35 durchlaufen derart bearbeitet die Station C, die eine Erwärmungseinrichtung 37 darstellt, in der die Folienstreifen 35 beispielsweise in Vorbereitung eines Lötvorgangs induktiv erwärmt werden. Die Station C ist nur optional vorgesehen, da jederzeit auch andere, eine Erwärmung nicht erfordernde Fügeverfahren zur Verbindung der Folienstreifen 35 angewendet werden können.
In der Station D erfolgt das Fügen der einzelnen Folienstreifen 35 aufeinander, wobei die Folienstreifen 35 mit Hilfe von Zentriervorrichtungen zueinander genau positioniert werden und beispielsweise durch rotierende Druckwalzen 38 aneinandergedrückt und weitertransportiert werden. In die Hilfsöffnungen 54 greift eine nicht dargestellte Zentriervorrichtung (Indexstifte, Indexbolzen) ein, die dafür sorgt, daß die Ronden 58 der einzelnen Folienstreifen 35 maßgenau und lagesicher übereinander gebracht werden, bevor die Folienstreifen 35 miteinander verbunden werden. Als Fügeverfahren können Laserschweißen, Lichtstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, Preßschweißen, Induktionslöten, Laserstrahllöten, Elektronenstrahllöten, Kleben oder andere bekannte Verfahren eingesetzt werden. Die festen Verbindungen der Folienstreifen 35 können sowohl innerhalb der Ronden 58 (z.B. im Bereich des späteren Sitzbereichs 24) als auch äußerhalb der Ronden 58 nahe der Folienränder 56 oder in zentralen Bereichen des Bandes 39 zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Hilfsöffnungen 54 vorgenommen werden.
Daran anschließend wird das mehrere Lagen von Folienstreifen 35 umfassende Band 39 in der Station E derart bearbeitet, daß Lochscheibenelemente 16 in der zum Einbau im Einspritzventil gewünschten Größe und Kontur vorliegen. In der Station E erfolgt auch die Vereinzelung der Lochscheibenelemente 16 beispielsweise durch Ausstanzen aus dem Band 39 oder durch Abreißen in einem Werkzeug 40, insbesondere einem Tiefziehwerkzeug. Die Lochscheibenelemente 16 werden beispielsweise durch Abreißen aus dem Band 39 herausgetrennt und somit vereinzelt, wobei die Lochscheibenelemente 16 zugleich unmittelbar mit einer topfförmigen Gestalt versehen werden. Wird ein Ausstanzen anderweitig als in einem Tiefziehwerkzeug vorgenommen, so ist nach dem Ausstanzen noch ein Tiefziehen oder Napfen erforderlich.
Nachfolgend erfolgt noch der Einbau der Lochscheibenelemente 16 im Ventilsitzträger 1. Die Lochscheibenelemente 16 werden mit Hilfe einer nicht dargestellten Fügevorrichtung befestigt, wobei in vorteilhafter Weise zur Erzielung einer festen und dichten Verbindung eine Laserschweißeinrichtung verwendet wird.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Folienstreifens 35a für ein Lochscheibenelement 16 zeigt Figur 3. Dabei stellt der Folienstreifen 35a die später dem Ventilschließkörper 7 zugewandte obere Blechlage 20a dar. Üblicherweise werden für die Blechlaminat-Lochscheibenelemente 16 zwei bis fünf Folienstreifen 35 übereinander angeordnet, die jeweils eine Dicke von 0,05 mm bis 0,3 mm, insbesondere ca. 0,1 mm, aufweisen. Jeder Folienstreifen 35 wird in der Station B mit einer Öffnungsgeometrie 23 versehen, die sich über die Länge der Folienstreifen 35 in großer Zahl wiederholt. Im in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der obere Folienstreifen 35a eine Öffnungsgeometrie 23 in Form einer doppel-H-förmigen Einlaßöffnung 23a auf. Gleichzeitig werden in den anderen Folienstreifen 35 Öffnungen, wie Durchlaßöffnungen 23b oder Abspritzöffnungen 23c mit jeweils anderen Öffnungskonturen ausgeformt. Zusätzlich zu den Öffnungsgeometrien 23 werden in Station B die Strömungsöffnungen 50 sowie Hilfsöffnungen 54 und 55 eingebracht.
Zwischen jeweils zwei eingebrachten benachbarten Öffnungsgeometrien 23 werden dabei in gleichen Abständen nahe der Folienränder 56 Hilfsöffnungen 54 als Zentrieröffnungen eingeformt, die entsprechend der Form der dort später eingreifenden Werkzeuge oder Hilfsmittel eckig oder kreisförmig sein können. Die Hilfsöffnungen 54 können auch als nutähnliche Zentrier- und Vorschubausnehmungen unmittelbar an den Folienrändern 56 vorgesehen sein. Andere Hilfsöffnungen 55 werden sichelförmig, die jeweiligen Öffnungsgeometrien 23 und in der oberen Blechlage 20a die Strömungsöffnungen 50 umgebend in den Folienstreifen 35 als Durchbrüche vorgesehen. Die z.B. vier sichelförmigen Hilfsöffnungen 55 schließen mit ihrer inneren Kontur einen Kreis mit einem Durchmesser ein, mit dem die Größe des Lochscheibenelements 16 festgelegt wird. Die von den Hilfsöffnungen 55 eingeschlossenen kreisförmigen Bereiche in den Folienstreifen 35 werden als Ronden 58 bezeichnet. An ihren Enden laufen die Hilfsöffnungen 55 spitz zu, wobei zwischen den einzelnen Hilfsöffnungen 55 schmale Stege 59 gebildet sind, die im Bereich des Rondendurchmessers eine Breite von nur 0,2 bis 0,3 mm besitzen. Beim Tiefziehen in Station E reißen die Stege 59, wodurch die Lochscheibenelemente 16 freigelegt werden. In besonders effektiver Weise können auch mehrere Folienstreifen 35 zu einem größeren Folienteppich zusammengefaßt sein, auf dem Ronden 58 in zwei Dimensionen angeordnet sind.
Während in die Folienstreifen 35b, 35c, die die später vom Ventilschließkörper 7 abgewandten Blechlagen 20b, 20c im inneren Topf umfassen, nur die zentralen Öffnungsgeometrien 23b, 23c sowie die Hilfsöffnungen 54, 55 eingeformt werden, erfolgt in die dem Ventilschließkörper 7 zugewandte obere Blechlage 20a zusätzlich ein Einbringen der Strömungsöffnungen 50. Die Strömungsöffnungen 50 sind beispielsweise tropfenförmig ausgeführt und umgeben ringförmig die innere Einlaßöffnung 23a. Dabei verlaufen die einzelnen Strömungsöffnungen 50 nicht exakt radial in Richtung des Rondenmittelpunkts, sondern weisen einen gewissen Verdrehungsgrad auf. So ist einem hindurchströmenden Medium auf sehr einfache Art und Weise eine Drallkomponente aufprägbar. Die Schräglage der Strömungsöffnungen 50 bestimmt den Drall der Strömung. Selbstverständlich können die Strömungsöffnungen 50 auch derart eingebracht werden, daß ein sie durchströmendes Medium radial und nicht drallbehaftet zum Sitzbereich 24 bzw. zum Bodenbereich 22 gelangt. Im fertig ausgeformten Lochscheibenelement 16 befinden sich die Strömungsöffnungen 50 im Führungsbereich 26, wie es sehr anschaulich die Figuren 4 und 5 verdeutlichen. Die zwischen den Strömungsöffnungen 50 verbleibenden Materialbereiche der oberen Blechlage 20a stellen nämlich schmale, stegartige Führungsflächen 60 zur Führung der Ventilnadel 5 bzw. des Ventilschließkörpers 7 dar. Aufgrund der im Lochscheibenelement 16 vorgesehenen Strömungsöffnungen 50 kann in vorteilhafter Weise auf ein Einbringen von eine Mediumströmung erlaubenden Abflachungen, Nuten oder Kanälen am Ventilschließkörper 7 vollständig verzichtet werden.
Figuren 4 und 5 zeigen ausschnittsweise zwei Beispiele von Lochscheibenelementen 16, wobei alle Bereiche 22, 24, 26, 28 und 30 wenigstens teilweise erkennbar sind. Zumindest die obere Blechlage 20a sollte aus einem härtbaren Werkstoff bestehen, um die Ventilsitzfläche 25 des Sitzbereichs 24 nach dem Tiefziehen zu härten. Dies kann z.B. ringförmig in einem umlaufenden Streifen 62 erfolgen, wie es in Figur 5 angedeutet ist. Es kann jedoch ebenso ein Härten über eine größere Fläche vorgenommen werden. Besonders geeignet sind Induktionshärten, Induktionsimpulshärten, Laserstrahlhärten und Elektronenstrahlhärten. Auf ein Härten kann ganz verzichtet werden, wenn die Kaltverfestigung durch das Umformen bereits ausreicht. Die Feinstbearbeitung der Ventilsitzfläche 25 des Sitzbereichs 24 wird beispielsweise so vorgenommen, daß der Ventilschließkörper 7 der Originalventilnadel 5 mit einer dünnen, leicht abrasiven, idealerweise lösbaren Schicht versehen wird, mit dem der Ventilsitz "eingeschliffen" wird. Danach wird die aufgebrachte Schicht (unter Druck) gelöst und herausgespült. Ideal sind kristalline Schichten aus Salz, Soda oder ähnlichem, die nach der Bearbeitung rückstandsfrei gelöst und herausgespült werden können. Eine Feinbearbeitung der Führungsflächen 60 des Führungsbereichs 26 erfolgt beispielsweise mittels Kalibrierprägen.
Durch das Tiefziehen oder Napfen der Ronden 58 in der Station E werden der innere Topf und der äußere Halterand des Lochscheibenelements 16 in gewünschter Form gebildet. Werden die Rondendurchmesser in den einzelnen Folienstreifen 35 gleich groß gewählt, so entsteht durch das Tiefziehen der Blechlagen 20 der Haltebereich 28, der an seinem freien Ende abgestuft ist. Die innere Blechlage 20c des Haltebereichs 28, die aus dem unteren Folienstreifen 35c hervorgeht, endet in stromabwärtiger Richtung gesehen am weitesten entfernt vom Verbindungsbereich 30, während alle weiteren Blechlagen 20 von innen nach außen hin durch den Tiefziehprozeß jeweils kürzer enden (Figur 4). Die Durchmesser der Ronden 58 können jedoch von vornherein auch unterschiedlich groß festgelegt werden, so daß nach dem Tiefziehen z.B. die äußeren Blechlagen 20 des Haltebereichs 28 am freien Ende in einer Ebene enden und die innere Blechlage 20c des Haltebereichs 28 weiter stromabwärts aufhört. Das überstehende Ende 63 der Blechlage 20c kann z.B. durch Biegen oder Bördeln unter die anderen Blechlagenenden umgelegt werden (Figur 5), wodurch eine einfachere Befestigung z.B. am Ventilsitzträger 1 mittels der Schweißnaht 32 erreichbar ist.
In den Figuren 6 bis 8 ist das Tiefziehwerkzeug 40 vereinfacht schematisch dargestellt, das vom Band 39 durchlaufen wird. Das Band 39 liegt mit den Randbereichen außerhalb der Hilfsöffnungen 55 nahe den Folienrändern 56 z.B. auf einer Werkstückauflage 65 auf, gegen die es mittels eines Niederhalters 66 gedrückt wird. Die Werkstückauflage 65 gehört zu einer Matrize 67 als Teil des Tiefziehwerkzeugs 40. Die Matrize 67 weist eine zumindest teilweise kegelstumpfförmige bzw. geschwungene Öffnung 68 auf, die die eigentliche Matrizenfunktion zur Umformung der Ronden 58 in Lochscheibenelemente 16 übernimmt. Im Niederhalter 66 ist ebenfalls eine Öffnung 69 vorgesehen, die durch die innere Wandung eines hülsenförmigen Schneidwerkzeugs 70 vorgegeben ist. In der weitgehend zylindrisch ausgebildeten Öffnung 69 ist ein Stempel 71 senkrecht zur Ebene des Bandes 39 bewegbar angeordnet, der von dem ebenfalls bewegbaren Schneidwerkzeug 70 umgeben ist. Auf der dem Stempel 71 gegenüberliegenden Seite des Bandes 39 ist in der teilweise geschwungenen, aber auch teilweise zylindrischen Öffnung 68 der Matrize 67 ein Stempelgegenstück 72 vorgesehen, das der Bewegung des Stempels 71 folgt, wobei der zylindrische Abschnitt der Öffnung 68 der Führung des Stempelgegenstücks 72 dient.
Zusammen mit dem Stempel 71 bewegt sich das Schneidwerkzeug 70 senkrecht zur Ebene des Bandes 39, so wie es die Pfeile in Figur 7 andeuten. Durch die genau zentrierte und definierte Bewegung von Stempel 71 und Schneidwerkzeug 70 gegen das Stempelgegenstück 72 in der Öffnung 68 der Matrize 67 bei einer hohen Flächenpressung mit einer Kraft, die größer ist als die Gegenkraft des Stempelgegenstücks 72, wird die Ronde 58 sehr exakt aus dem Band 39 durch eine Schneide des Schneidwerkzeugs 70 ausgeschnitten. An einem Absatz 73 der Öffnung 68 in der Matrize 67 kommt das Schneidwerkzeug 70 zum Stillstand, wobei es zugleich für eine Fixierung der Ronde 58 beim nachfolgenden Tiefziehvorgang sorgt. Im weiteren Verlauf (Figur 8) wird nur noch der Stempel 71 in die Öffnung 68 hinein bewegt, so daß die Ronde 58 in eine erste topfförmige Gestalt gebracht wird, die bereits das topfförmige Lochscheibenelement 16 sein kann. Zur vollständigen Ausbildung aller Bereiche 22, 24, 26, 28 und 30 des Lochscheibenelements 16 wird es jedoch oftmals erforderlich sein, mehrere Umformungsvorgänge in verschiedenen Werkzeugen, die ähnlich dem in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Werkzeug 40 gestaltet sind, durchzuführen. Bei diesen in Station E ablaufenden Verfahren handelt es sich neben dem Ausschneiden um translatorisches Zugdruckumformen wie Tiefziehen oder Napfen. Außerdem können zusätzlich Biegeverfahren zur Anwendung kommen.
Von der Ronde 58 abgerissen verbleibt ein Blechrand 75 als Abfall im Tiefziehwerkzeug 40, der jedoch recycelt und bei der Herstellung neuer Blechfolien verwendet werden kann. Auf ein festes Verbinden der Folienstreifen 35 in Station D kann vollständig verzichtet werden, wenn durch das Tiefziehen oder Napfen in Station E der Haltebereich 28 des Lochscheibenelements 16 in stark umgebogener Form, z.B. fast senkrecht zum Bodenbereich 22 (wie in Figur 1 gezeigt) erzeugt wird, wodurch nämlich in den Biegebereichen ausreichend feste Verbindungen geschaffen werden.
In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer zeitlichen Abfolge bei der Umformung einer Ronde 58 in ein Lochscheibenelement 16 dargestellt. Zu erkennen ist, daß mehrere Tiefzieh- oder Biegevorgänge nötig sind, um eine gewünschte Gestalt des Lochscheibenelements 16 mit den Bereichen 22, 24, 26, 28 und 30 zu erhalten. Die Umformungen der Ronde 58 können auch in einer anderen Reihenfolge als der in Figur 9 gezeigten vorgenommen werden.
Wie den Figuren 4 und 5 zu entnehmen ist, ist es von Vorteil, die Abspritzöffnungen 23c mit einem Versatz zur Einlaßöffnung 23a auszuformen, so daß die Einlaßöffnung 23a in der Projektion an keiner Stelle die Abspritzöffnungen 23c überdeckt. Der Versatz kann dabei in verschiedene Richtungen unterschiedlich groß sein. Die Durchlaßöffnung 23b ist als die Einlaßöffnung 23a mit den Abspritzöffnungen 23c verbindender Kanal (cavity) ausgebildet. Diese Ausbildung der Öffnungsgeometrie 23 im Bodenbereich 22 des Lochscheibenelements 16 führt zu einem sogenannten S-Schlag in der Strömung des Mediums, speziell des Brennstoffs.
Durch den S-Schlag innerhalb des Lochscheibenelements 16 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 23c. 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.
Die durch die Turbulenz vorhandenen Querimpulse quer zur Strömung führen unter anderem dazu, daß die Tröpfchenverteilungsdichte im abgespritzten Spray eine große Gleichmäßigkeit aufweist. Daraus resultiert eine herabgesetzte Wahrscheinlichkeit von Tröpfchenkoagulationen, also von Vereinigungen kleiner Tröpfchen zu größeren Tropfen. Die Folge der vorteilhaften Reduzierung des mittleren Tröpfchendurchmessers im Spray ist eine relativ homogene Sprayverteilung. Durch den S-Schlag wird in dem Fluid eine feinskalige (hochfrequente) Turbulenz erzeugt, welche den Strahl unmittelbar nach Austritt aus dem Lochscheibenelement 16 in entsprechend feine Tröpfchen zerfallen läßt.
In den Figuren 10 und 11 sind zwei Beispiele von einfachen, zweilagigen erfindungsgemäßen Lochscheibenelementen 16 dargestellt, bei denen die gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gleichbleibenden bzw. gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Das Lochscheibenelement 16 in Figur 10 weist zwei Blechlagen 20a und 20c auf, die ausgehend von der Ronde 58 derart umgeformt wurden, daß der mittlere Bodenbereich 22 mit der Öffnungsgeometrie 23, der Sitzbereich 24 mit der Ventilsitzfläche 25 sowie der Führungsbereich 26 mit den Strömungsöffnungen 50 vorgesehen sind. Diese drei Bereiche 22, 24 und 26 bilden wiederum zusammen einen Topf. Der Führungsbereich 26 dient jedoch zugleich auch als Haltebereich 28; ein Verbindungsbereich 30 ist gar nicht vorgesehen. Der Führungsbereich 26 liegt somit bereits mit seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Blechlage 20c an der Wandung des Ventilsitzträgers 1 in der Längsöffnung 3 an. Eine feste Verbindung von Lochscheibenelement 16 und Ventilsitzträger 1 wird durch die Schweißnaht 32 erreicht, die beispielsweise im abgewinkelten Übergang von Führungsbereich 26 und Sitzbereich 24 am Ventilsitzträger 1 angebracht wird. Die Einlaßöffnungen 23a der Blechlage 20a weisen einen teilweisen Versatz zu den Abspritzöffnungen 23c der Blechlage 20c auf.
Im Unterschied zum Lochscheibenelement 16 in Figur 10 besitzt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11 einen anders ausgebildeten Sitzbereich 24. Der Sitzbereich 24 ist aus seiner kegelstumpfförmigen Kontur heraus mit einer Wulst 77 versehen, die zum Ventilschließkörper 7 hin gerichtet ist und die an der dem Ventilschließkörper 7 zugewandten Blechlage 20a die ringförmig umlaufende Ventilsitzfläche 25 aufweist. In vorteilhafter Weise dient die Wulst 77 auch der Versteifung des Lochscheibenelements 16. Durch das Einbringen der Wulst 77 wird zudem das Anbringen der Schweißnaht 32 vereinfacht, da im Verbindungsbereich der Werkzeugzugang erleichtert ist.

Claims

Ventil, insbesondere Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse, mit einem festen Ventilsitz, mit einem mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper, der entlang der Ventillängsachse axial bewegbar ist, mit einer Lochscheibe, die wenigstens eine Abspritzöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochscheibe als Lochscheibenelement (16) mit wenigstens zwei metallenen, sandwichartig aneinander liegenden Blechlagen (20) ausgeführt ist und das Lochscheibenelement (16) in einem Sitzbereich (24) derart ausgeformt ist, daß es den Ventilsitz (25) aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lochscheibenelement (16) einen mittleren Bodenbereich (22) mit einer Öffnungsgeometrie (23) für den vollständigen Durchgang eines abzuspritzenden Mediums aufweist, an den sich radial nach außen hin der Sitzbereich (24) als umlaufender Ringbereich anschließt.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzbereich (24) in stromabwärtiger Richtung kegelstumpfförmig verjüngend bis hin zum Bodenbereich (22) verläuft.
Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Bodenbereich (22) und zum Sitzbereich (24) ein Führungsbereich (26) zur Führung des axial bewegbaren Ventilschließkörpers (7) am Lochscheibenelement (16) vorgesehen ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenbereich (22), der Sitzbereich (24) und der Führungsbereich (26) derart ausgeformt sind, daß sie zusammen einen inneren Topf des Lochscheibenelements (16) bilden.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich (26) ringförmig umlaufend und achsparallel verläuft.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich (26) zugleich als Haltebereich (28) ausgeführt ist, der der Befestigung des Lochscheibenelements (16) im Ventil dient.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum inneren Topf (22, 24, 26) ein Haltebereich (28) vorgesehen ist, der den äußeren radialen Abschluß des Lochscheibenelements (16) bildet und über einen Verbindungsbereich (30) mit dem Führungsbereich (26) verbunden ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der dem Ventilschließkörper (7) zugewandten Blechlage (20a) im Führungsbereich (26) wenigstens zwei Strömungsöffnungen (50) ausgebildet sind.
Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsöffnungen (50) geneigt zur Ventillängsachse (2) ausgeformt sind, so daß einem durch sie hindurchströmenden Medium eine Drallkomponente aufprägbar ist.
Ventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Strömungsöffnungen (50) verbleibenden Materialbereiche der inneren Blechlage (20a) stegartige Führungsflächen (60) zur Führung des axial bewegbaren Ventilschließkörpers (7) am Lochscheibenelement (16) darstellen.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsgeometrie (23) im Bodenbereich (22) des Lochscheibenelements (16) derart vorgesehen ist, daß die Abspritzöffnungen (23c) in der dem Ventilschließkörper (7) abgewandtesten Blechlage (20c) wenigstens einen teilweisen Versatz zu einer Einlaßöffnung (23a) in der dem Ventilschließkörper (7) zugewandtesten Blechlage (20a) besitzen.
Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für ein Ventil, insbesondere für ein Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit den Verfahrensschritten
a) Bereitstellen von wenigstens zwei dünnen metallenen Blechfolien (35) in Form von Folienstreifen oder Folienteppichen,

b) Einbringen von gleichen Öffnungsgeometrien (23) und Hilfsöffnungen (54, 55) pro Blechfolie (35) in großer Anzahl,

c) Aufeinanderbringen der einzelnen Blechfolien (35) zum Herstellen eines Bandes (39) mit einer Vielzahl von Ronden (58),

d) Vereinzeln der Ronden (58) und Umformen der Ronden (58) in Lochscheibenelemente (16), die wenigstens einen Bodenbereich (22) mit der Öffnungsgeometrie (23) und einen Sitzbereich (24) mit dem Ventilsitz (25) aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für ein Ventil, insbesondere für ein Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit den Verfahrensschritten
a) Bereitstellen von wenigstens zwei dünnen metallenen Blechfolien (35) in Form von Folienstreifen oder Folienteppichen,

b) Einbringen von gleichen Öffnungsgeometrien (23) und Hilfsöffnungen (54, 55) pro Blechfolie (35) in großer Anzahl,

c) Aufeinanderbringen der einzelnen Blechfolien (35),

d) Verbinden der Blechfolien (35) durch Anwendung eines Fügeverfahrens, wobei ein Band (39) mit einer Vielzahl von Ronden (58) vorliegt,

e) Vereinzeln der Ronden (58) und Umformen der Ronden (58) in Lochscheibenelemente (16), die wenigstens einen Bodenbereich (22) mit der Öffnungsgeometrie (23) und einen Sitzbereich (24) mit dem Ventilsitz (25) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Öffnungsgeometrien (23) und den Hilfsöffnungen (54, 55) in einer Blechfolie (35) Strömungsöffnungen (50) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Öffnungsgeometrien (23), der Hilfsöffnungen (54, 55) sowie der Strömungsöffnungen (50) mittels Stanzen, Laserschneiden, Erodieren oder Ätzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Blechfolien (35) mittels Schweißen, Löten oder Kleben vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen der Ronden (58) mittels Tiefziehen oder Napfen mit Hilfe eines Tiefziehwerkzeugs (40) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Vereinzeln der Ronden (58) durch ein Schneidwerkzeug (70) im Tiefziehwerkzeug (40) vor dem Umformen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Umformen ein Härten des Ventilsitzes (25) im Sitzbereich (24) erfolgt.