EP1012473B1 - Drallscheibe und brennstoffeinspritzventil mit drallscheibe - Google Patents

Drallscheibe und brennstoffeinspritzventil mit drallscheibe Download PDF

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EP1012473B1
EP1012473B1 EP99924737A EP99924737A EP1012473B1 EP 1012473 B1 EP1012473 B1 EP 1012473B1 EP 99924737 A EP99924737 A EP 99924737A EP 99924737 A EP99924737 A EP 99924737A EP 1012473 B1 EP1012473 B1 EP 1012473B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
swirl
fuel injection
disc
injection valve
layer
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99924737A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1012473A1 (de
Inventor
Petra Heinbuch
Frank Schatz
Armin Glock
Ralf Trutschel
Gottfried Flik
Guenter Dantes
Detlef Nowak
Joerg Heyse
Thomas Schittny
Juergen Hackenberg
Ronald Glas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1012473A1 publication Critical patent/EP1012473A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1012473B1 publication Critical patent/EP1012473B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1853—Orifice plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices

Definitions

  • the invention relates to a swirl disk according to the preamble of claim 1 and a fuel injector with a swirl disk according to the preamble of claim 23.
  • a fuel injector is already known from WO 96/11335, at the downstream end of which a multi-disc atomizing attachment with a swirl preparation is arranged.
  • This atomizing attachment is also provided on the valve seat support downstream of a disk-shaped guide element installed in a valve seat carrier and a valve seat, an additional support element holding the atomizing attachment in a defined position.
  • the atomizing attachment is designed with two or four disks, the individual disks being made from stainless steel or silicon. Accordingly, conventional machining processes such as eroding, punching or etching are used in the manufacture of the opening geometries in the panes.
  • Each individual disc of the atomizing attachment is manufactured separately, after which, in accordance with the desired number of disks, all of the same size disks are stacked on top of one another to form the complete atomizing attachment.
  • the swirl disk according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that it is inexpensive to manufacture in a particularly simple manner.
  • a particular advantage is that the swirl disks can be produced in a reproducible manner extremely precisely in large numbers at the same time (high batch capability).
  • Such swirl disks are very shatterproof and easy to assemble, for example on injection valves or other spray nozzles of liquids of any kind.
  • the use of multilayer electroplating allows extremely great freedom of design, since the contours of the opening areas (inlet areas, swirl channels, swirl chamber, outlet opening) in the Swirl plate are freely selectable. This flexible design is particularly advantageous in comparison to silicon wafers, where the contours that can be achieved due to the crystal axes are strictly specified (truncated pyramids).
  • Metallic deposition has the advantage of a very large variety of materials, especially when compared to the production of silicon wafers.
  • a wide variety of metals with their different magnetic properties and hardness can be used in the micro-electroplating used to manufacture the swirl discs.
  • the different hardnesses of the different metals can be used in a particularly advantageous manner in that a sealing material area is created.
  • the upstream layer represents a cover layer that completely covers the swirl chamber of a middle swirl generation layer.
  • the swirl generation layer is formed by one or more material areas which, on account of their contouring and their geometric position relative to one another, define the contours of the swirl chamber and the swirl channels.
  • the material areas can have very different shapes depending on the desired contouring of the swirl channels, for example web-like or spiral.
  • the contours of the swirl chamber, the cover layer and the outlet opening can also be designed flexibly, with particular inclined, for example motor-specific, spray patterns and spray shapes being able to be generated by asymmetries of certain opening contours.
  • the swirl disk is designed in such a way that the material areas are shaped so that they differ from one another in such a way that all swirl channels have a different orientation with respect to the axis of symmetry of the swirl disk. Seen over the circumference of the swirl disk, the swirl channels run in such a way that their radial orientations and their tangential swirl orientations continuously change in opposite directions. In a structurally very simple manner, such a design ensures that a swirling, rotationally symmetrical hollow cone spray is sprayed with a uniform distribution over the circumference of the hollow cone. Without subsequent, mechanically manufactured components, sprays inclined to the axis of symmetry can be produced with the above-mentioned properties.
  • the fuel injector according to the invention with the characterizing features of claim 23 has the advantage that with it a very high atomization quality fuel to be sprayed and a jet or spray molding adapted to the respective requirements (for example installation conditions, engine configurations, cylinder shapes, spark plug position) is achieved.
  • a very high atomization quality fuel to be sprayed and a jet or spray molding adapted to the respective requirements for example installation conditions, engine configurations, cylinder shapes, spark plug position
  • FIG. 1 shows a fuel injector that can be equipped with a swirl disk, in section
  • FIG. 2 shows a schematic diagram as a top view of a swirl disk according to the invention
  • FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG. 2
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a multilayer electroplating swirl disk
  • FIG. 5 6 shows a third embodiment of a swirl disk
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of a swirl disk
  • FIG. 8 shows a fifth embodiment of a swirl disk
  • FIG. 9 shows a sixth embodiment of a swirl disk
  • FIG. 10 shows a seventh embodiment of a swirl disk
  • FIG. 12 a ninth exemplary embodiment of a swirl disc
  • FIGS. 4 to 11 likewise being “glass” principle representations which emphasize the opening contours as plan views of the swirl discs.
  • the electromagnetically actuated valve shown in the form of an example in FIG Injection valve for fuel injection systems of mixture-compressing, spark-ignition internal combustion engines has a tubular, largely hollow cylindrical core 2, which is at least partially surrounded by a magnetic coil 1 and serves as the inner pole of a magnetic circuit.
  • the fuel injection valve is particularly suitable as a high-pressure injection valve for the direct injection of fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • an injection valve for gasoline or diesel application, for direct or intake manifold injection
  • These swirl disks can also be used in inkjet printers, on nozzles for spraying liquids of any kind or in inhalers are used.
  • the swirl disks according to the invention are generally suitable for producing fine sprays with swirl components.
  • a stepped coil body 3 made of plastic takes up the winding of the magnetic coil 1 and, in conjunction with the core 2 and an annular, non-magnetic intermediate part 4 with an L-shaped cross section partially surrounded by the magnetic coil 1, enables a particularly compact and short structure of the injection valve in the area of the magnetic coil 1.
  • a continuous longitudinal opening 7 is provided in the core 2 and extends along a longitudinal valve axis 8.
  • the core 2 of the magnetic circuit also serves as a fuel inlet connection, the longitudinal opening 7 representing a fuel supply channel.
  • the Magnetic coil 1 With the core 2 above the Magnetic coil 1 is firmly connected to an outer metal (e.g. ferritic) housing part 14, which closes the magnetic circuit as an outer pole or outer guide element and completely surrounds the magnetic coil 1 at least in the circumferential direction.
  • a fuel filter 15 is provided on the inlet side, which ensures that those fuel components are filtered out which, because of their size, could cause blockages or damage in the injection valve.
  • the fuel filter 15 is, for. B. fixed by pressing in the core 2.
  • the core 2 forms with the housing part 14 the inlet-side end of the fuel injector, the upper housing part 14, for example, just extending beyond the magnetic coil 1 as seen downstream in the axial direction.
  • a lower tubular housing part 18 connects tightly and firmly, which, for. B. an axially movable valve part consisting of an armature 19 and a rod-shaped valve needle 20 or an elongated valve seat support 21 encloses or receives.
  • the movable valve part could e.g. also have the shape of a flat disc with an integrated anchor.
  • the two housing parts 14 and 18 are, for. B. firmly connected to each other with a circumferential weld.
  • the lower housing part 18 and the largely tubular valve seat support 21 are firmly connected to each other by screwing; Welding, soldering or flanging are also possible joining methods.
  • the sealing between the housing part 18 and the valve seat carrier 21 takes place, for. B. by means of a sealing ring 22.
  • the valve seat support 21 has An inner through opening 24 extends concentrically to the longitudinal axis 8 of the valve over its entire axial extent.
  • the valve seat support 21 surrounds a disc-shaped valve seat element 26 fitted in the through opening 24 with a frustoconically tapering valve seat surface 27.
  • the z. B. arranged rod-shaped, a largely circular cross-section valve needle 20; which has a valve closing section 28 at its downstream end.
  • This, for example, conically tapering valve closing section 28 interacts in a known manner with the valve seat surface 27 provided in the valve seat element 26.
  • the valve seat element 26 Downstream of the valve seat surface 27, the valve seat element 26 is followed by a swirl disk 30 according to the invention, which is produced by means of multilayer electroplating and comprises three metallic layers deposited on one another.
  • the injection valve is actuated electromagnetically in a known manner.
  • the electromagnetic circuit with the magnet coil 1, the core 2, the housing parts 14 and 18 and the armature serves to axially move the valve needle 20 and thus to open against the spring force of a return spring 33 arranged in the longitudinal opening 7 of the core 2 or to close the injection valve 19.
  • the armature 19 is with the valve closing section 28 facing away from the end of the valve needle 20 z. B. connected by a weld and aligned to the core 2.
  • Valve needle 20 during its axial movement with armature 19 along valve longitudinal axis 8 serves on the one hand a guide opening 34 provided in valve seat carrier 21 at the end facing armature 19 and on the other hand a disk-shaped guide element 35 with a dimensionally accurate guide opening 36 arranged upstream of valve seat element 26.
  • Armature 19 is during its axial movement surrounded by the intermediate part 4.
  • another excitable actuator e.g. a piezo stack can be used in a comparable fuel injection valve or the actuation of the axially movable valve part can be carried out by means of hydraulic pressure or servo pressure.
  • An adjusting sleeve 38 inserted, pressed or screwed into the longitudinal opening 7 of the core 2 is used to adjust the spring preload of the return spring 33 which bears against the adjusting sleeve 38 with its upstream side and which is supported with its opposite side on the armature 19 by means of a centering piece 39.
  • One or more bore-like flow channels 40 are provided in the armature 19, through which the fuel can pass from the longitudinal opening 7 in the core 2 via connecting channels 41 formed downstream of the flow channels 40 near the guide opening 34 in the valve seat carrier 21 and into the through opening 24.
  • the stroke of the valve needle 20 is predetermined by the installation position of the valve seat element 26.
  • An end position of the valve needle 20 is when the solenoid 1 is not excited by the contact of the valve closing section 28 on the Valve seat surface 27 of the valve seat element 26 is fixed, while the other end position of the valve needle 20 when the magnet coil 1 is excited results from the contact of the armature 19 on the downstream end face of the core 2.
  • the surfaces of the components in the latter stop area are chromed, for example.
  • the electrical contacting of the magnetic coil 1 and thus its excitation takes place via contact elements 43, which are provided outside of the coil former 3 with a plastic encapsulation 44.
  • the plastic encapsulation 44 can also extend over further components (eg housing parts 14 and 18) of the fuel injector.
  • An electrical connecting cable 45 runs out of the plastic encapsulation 44, via which the energization of the magnetic coil 1 takes place.
  • the plastic encapsulation 44 projects through the upper housing part 14, which is interrupted in this area.
  • the through opening 24 of the valve seat support 21 is, for example, stepped twice.
  • a first shoulder 49 serves as a contact surface for a helical compression spring 50, for example.
  • the second stage 51 creates an enlarged installation space for the three disk-shaped elements 35, 26 and 30.
  • the compression spring 50 enveloping the valve needle 20 tensions the guide element 35 in the valve seat carrier 21, since its side opposite the shoulder 49 presses against the guide element 35.
  • an outlet opening 53 is introduced in the valve seat element 26, through which the opening on the valve seat surface 27 is open when the valve is open fuel flowing along flows to subsequently enter the swirl disk 30.
  • the swirl disk 30 is present, for example, in a recess 54 of a disk-shaped holding element 55, the holding element 55 being fixedly connected to the valve seat carrier 21, for example by means of welding, gluing or by jamming.
  • the mounting variant of the swirl disk 30 shown in FIG. 1 is only shown in a simplified manner and shows only one of many mounting options that can be varied. What is decisive is the basic arrangement of the micro-electroplated swirl disk 30 downstream of the valve seat surface 27.
  • a central outlet opening 56 is formed in the holding element 55 downstream of the depression 54 facing the valve seat, through which the now swirling fuel leaves the fuel injection valve.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a swirl disk 30 according to the invention
  • Figure 3 shows a section along the line III-III in Figure 2.
  • a plan view of the swirl disk 30 is shown in FIG. 2, in which all layers of the swirl disk 30 become clear on account of a “glass” representation.
  • the layer structure in the axial direction is particularly clearly identified in FIG. 3, which is ultimately an enlarged illustration of the swirl disk region from FIG. 1.
  • FIG. 3 different hatchings were chosen for the individual layers deposited, although it should be emphasized that the swirl disks 30 are one-piece components, since the individual layers are deposited directly on top of one another and are not added subsequently.
  • the layers of the spiral plate 30 are successively galvanically deposited, so that the subsequent layer is firmly connected to the layer below due to galvanic adhesion.
  • the swirl disk 30 has an outer diameter such that it is tight with little play in a receiving opening on the fuel injector, e.g. can be fitted into the recess 54 of the holding element 55 or into an opening of the valve seat support 21.
  • the swirl disk 30 is formed from three galvanically separated planes, layers or layers, which consequently follow one another axially in the installed state.
  • the three layers of the swirl disk 30 are referred to below according to their function with cover layer 60, swirl generation layer 61 and bottom layer 62.
  • the upper cover layer 60 has a smaller outer diameter than the two layers 61, 62 following it educated.
  • Swirl disks 30 can also be produced in the manner according to the invention with more than three layers, the structure of the layers 60, 61, 62 described above also looking in a comparable manner in these cases, but e.g. on the cover layer 60, a fourth structural layer (not shown) has also grown, which can be expedient for certain installation conditions and for flow reasons.
  • the upper cover layer 60 represents a closed metallic layer which has no opening areas for flow through, but which is due to its smaller size Diameter is surrounded by an annular flow region 67.
  • a complex opening contour is provided in the swirl generation layer 61, which extends over the entire axial thickness of this layer 61.
  • the opening contour of the middle layer 61 is formed by an inner swirl chamber 68 and by a plurality of swirl channels 66 opening into the swirl chamber 68.
  • the middle layer 61 has a largely square swirl chamber 68 and four swirl channels 66.
  • the swirl channels 66 for example, each running perpendicular to the adjacent swirl channels 66, open tangentially into the swirl chamber 68.
  • the swirl channels 66 are only partially covered, since the outer ends facing away from the swirl chamber 68 form the inlet regions 65 which are open towards the top.
  • the tangential opening of the swirl channels 66 into the swirl chamber 68 imparts an angular momentum to the fuel, which is thus retained in a central circular outlet opening 69 of the lower bottom layer 62.
  • the diameter of the outlet opening 69 is, for example, significantly smaller than the opening width of the swirl chamber 68 located directly above it. This increases the swirl intensity generated in the swirl chamber 68.
  • the fuel is sprayed out in a hollow cone by centrifugal force.
  • the starting point for the process is a flat and stable carrier plate, which, for. B. can consist of metal (titanium, steel), silicon, glass or ceramic.
  • at least one auxiliary layer is initially applied to the carrier plate.
  • it is a Electroplating start layer (e.g. TiCuTi, CrCuCr, Ni), which is required for electrical conduction for the later micro-electroplating.
  • the application of the auxiliary layer happens z. B. by sputtering or by electroless metal deposition.
  • a photoresist photoresist
  • the thickness of the photoresist should correspond to the thickness of the metal layer that is to be realized in the subsequent electroplating process, that is to say the thickness of the lower bottom layer 62 of the swirl disk 30.
  • the resist layer can consist of one or more layers of a photostructurable film or a liquid resist (polyimide, Photoresist). If an optional sacrificial layer is to be galvanized into the lacquer structures created later, the thickness of the photoresist must be increased by the thickness of the sacrificial layer.
  • the metal structure to be realized is to be transferred inversely in the photoresist using a photolithographic mask. One possibility is to expose the photoresist directly over the mask by means of UV exposure (circuit board exposer or semiconductor exposer) (UV depth lithography) and then to develop it.
  • the negative structure ultimately created in the photoresist to the later layer 62 of the swirl disk 30 is galvanically filled with metal (eg Ni, NiCo, NiFe, NiW, Cu) (metal deposition). Due to the electroplating, the metal fits closely to the contour of the negative structure, so that the specified contours reproduce in it in a true-to-form manner become.
  • metal eg Ni, NiCo, NiFe, NiW, Cu
  • the steps from the optional application of the auxiliary layer must be repeated in accordance with the number of layers desired, so that three electroplating steps are carried out on a three-layer swirl disk 30.
  • Different metals can also be used for the layers of a swirl disk 30, but these can only be used in a new electroplating step.
  • the cover layer 60 of the swirl disk 30 metal is deposited both on the conductive material areas 61 ′ and on the non-conductive photoresist in the area of the swirl channels 66 and the swirl chamber 68.
  • a starting layer metallization is applied to the resist of the preceding middle layer 61.
  • the remaining photoresist is removed from the metal structures by wet-chemical stripping.
  • the swirl disks 30 can be detached from the substrate and separated.
  • the sacrificial layer is selectively etched away from the substrate and the swirl disc 30, as a result of which the swirl discs 30 can be lifted off the carrier plate and separated.
  • FIGS. 4 to 12 show nine exemplary embodiments of multilayer electroplating swirl disks 30, wherein these figures, like FIG. 2, are "glass" schematic diagrams that emphasize the opening contours. Depending on the desired use, these different embodiments can be used to generate conventional rotationally symmetrical ones Spray cones, but also of flat jet images or inclined asymmetrical jet images are used.
  • FIG. 4 shows a swirl disk 30, which in turn has the three layers 60, 61 and 62.
  • the upper cover layer 60 and the lower base layer 62 are shaped in a manner comparable to FIG. 2, that is to say with a circular contour, the base layer 62 having a larger outside diameter and a central outlet opening 69.
  • the middle swirl generation layer 61 differs from that shown in FIG. While in the exemplary embodiment according to FIG. 2, the four material regions 61 ′ spaced apart from one another in the circumferential direction, between which the contours of the swirl channels 65 and the swirl chamber 68 result, originate from the outer edge of the swirl disk 30, the material regions 61 ′ of the swirl generation layer 61 according to FIG. 4 each formed web-like and spaced from the outer edge of the swirl disk 30.
  • the four material areas 61 ' are largely perpendicular to the respectively adjacent material areas 61' and form the swirl channels 66 covered by the cover layer 60 at a defined distance from one another.
  • the ends 70 of the material areas 61 'which radially delimit the swirl chamber 68 are rounded off, for example, in a blade-shaped manner, so that the contour of the material areas 61 'already serves to generate the swirl of the fuel to be sprayed off and a circular swirl chamber 68 is formed.
  • the ends 71 of the material regions 61 'opposite the inner ends 70 are also rounded, for example, on their outer contour, as a result of which a joining diameter is specified with which the swirl disk 30 can be inserted and fastened in a simple manner, for example in an opening of a fuel injection valve.
  • the outlet opening 69 can also be made eccentrically in the bottom layer 62, as is the outlet opening 69a indicated by a dash-dot line in FIG. 4 shows.
  • a possible desired unequal distribution over the circumference of the hollow or full cone can also be achieved with such a design variant, so that there is asymmetry in several respects.
  • FIGS. 5 and 6 show swirl disks 30 which have elliptical outlet openings 69 in the bottom layer 62.
  • a swirl disk 30 designed in this way can be used to generate swirled flat jet images.
  • the swirl disk 30 according to FIG. 5 has a rotationally symmetrical swirl chamber 68; the swirl disk 30 according to FIG. 6, on the other hand, has an elliptical swirl chamber 68 which is adapted to the contour of the outlet opening 69 and ensures a particularly uniform flow.
  • FIGS. 7 and 8 illustrate swirl disks 30 with spiral-shaped material areas 61 'of the swirl generation layer 61.
  • the swirl channels 66 point in particular in the example shown in FIG Flow direction a cross-sectional narrowing to reduce flow losses, since the narrowest point is limited to a short run length.
  • the geometry of the spray cone formed downstream of the outlet opening 69 is determined by the swirl speed of the fluid. Higher swirl speeds result in spray cones with larger spray angles.
  • the swirl speeds can also be set by the ratio of the diameter of the swirl chamber 68 and the outlet opening 69 and by the swirl channel cross section.
  • An essential point of the present invention is to have found geometries for the swirl disk 30 with which the above-mentioned goal can be achieved very easily.
  • the swirl disk 30 produced by means of multilayer electroplating has only largely vertical walls due to the production technology, with which the walls are still insulated when viewed in isolation no oblique spray seems possible.
  • an asymmetrical spraying is ensured by the asymmetry in the contouring in at least one of the layers of the swirl disk 30, and it is also advantageous that downstream, precision-engineered components can be dispensed with in which of course would be easy to insert an oblique spray hole.
  • downstream components such as spray perforated disks are conceivable (see FIG. 12).
  • FIG. 9 shows a swirl disk 30 according to the invention, with which, despite the vertical walls of all opening areas, a spray can be produced which is inclined at an angle to the symmetry axis of the swirl disk 30 and, for example, has a uniform distribution over the circumference of the hollow cone.
  • Four material regions 61 ' are provided in the middle swirl generation layer 61, all of which have a different contour.
  • Four swirl channels 66 are formed between the material areas 61 ', which are characterized by a different position with respect to the swirl chamber 68 due to the contour differences of the material areas 61' and are therefore identified by I to IV. With their alignment in the fluid to be sprayed, the four swirl channels 66 have to produce ratios of different sizes between the swirl speed and radial speed components.
  • the radial speed component continuously decreases from swirl channel 66-I to swirl channel 66-IV, while the swirl speed component continuously increases from swirl channel 66-I to swirl channel 66-IV.
  • the outlet opening 69 is at this Example elliptical and as short as possible in the axial direction. While the first swirl channel 66-I is largely aligned with the center of the elliptical outlet opening 69, this radial alignment decreases clockwise in the example according to FIG. 9 until the fourth swirl channel 66-IV is directed tangentially past the outlet opening 69.
  • FIG. 9 In the exemplary embodiment shown in FIG.
  • a spray to be sprayed out would emerge obliquely inclined to the left between the swirl channels 66-III and 66-IV in a spraying direction into the plane of the drawing.
  • This beam alignment is indicated by an arrow and ⁇ , where ⁇ indicates an angle of the spray to the axis of symmetry of the swirl disk 30.
  • a rotationally symmetrical hollow cone spray with a uniform distribution over the hollow cone circumference only represents a spray form for the oblique spray described in more detail here, but also the other spray forms already listed in the introduction to the description, i.e. also those that have uneven distributions and streaks corresponding asymmetrical contouring can be generated in the swirl disk 30.
  • a first special feature is that the two lower layers 61 and 62 have an outer diameter of the same size, the middle swirl generation layer 61 only having a single contiguous material region 61 'includes.
  • the swirl channels 66 which largely open tangentially into the swirl chamber 68, are therefore not connected to the outer circumference of the swirl disk 30 with their inlet regions 65 facing away from the swirl chamber 68. Rather, there remains between the inlet regions 65 of the swirl channels 66 and the outer circumference of the swirl disk 30 a peripheral edge region of the material region 61 '.
  • FIG. 10 shows that a different number of swirl channels 66 (for example six) can also be produced with the multilayer electroplating.
  • the swirl channels 66 In addition to the design of the inlet areas 65 with a largely rectangular or square contour, it may also be advantageous to design the swirl channels 66 with their inlet areas 65 bent in a hook shape (not shown).
  • the fuel flowing into the inlet regions 65 can enter the swirl channels 66 with little turbulence, as a result of which a largely trouble-free swirl can be generated.
  • the inflow cross-section of the inlet regions 65 which is determined in the plane of the drawing and which is decisively determined by the overlap of the cover layer 60, is smaller than the swirl channel cross-section which results perpendicular to the plane of the drawing and is determined by the height and width of the swirl channel 66 becomes.
  • the inlet regions 65 are thus a pre-throttle and the flow-determining cross section of the swirl disk 30.
  • FIG. 11 shows one of the innumerable possible exemplary embodiments of a swirl disk 30 which can be produced with the multilayer electroplating and which, in addition to the material areas 61 ′ for forming the swirl channels 66 and for defining the contour and size of the swirl chamber 68, further material areas 61 ′′ within the swirl chamber 68 in of the swirl generation layer 61.
  • These additional Material areas 61 ′′ can be arranged in a targeted manner in such a way that a spray which is inclined at an angle to the axis of symmetry of the swirl disk 30 is sprayed, in the example shown in FIG. 11 in the direction indicated by the arrow and ⁇ .
  • Such oblique spraying is achieved by placing one or more sickle-shaped or arc-shaped (FIG.
  • any contours of the material areas 61 ′′ can be generated in the swirl chamber 68.
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment for a special choice of material for the individual layers 60, 61, 62 of the swirl disk 30.
  • multilayer electroplating it is possible without problems to deposit different metals (Ni, NiCo, NiFe, NiW, Cu) on one another, but within one electroplating step only one metal is deposited.
  • an advantageous sealing of the swirl disk 30 can be achieved when installed in a spray device, in particular on a fuel injector.
  • the cover layer 60 and the bottom layer 62 are constructed from a harder electroplating material (eg NiCo)
  • the middle swirl generation layer 61 is deposited from a softer electroplating material (eg Ni).
  • both layers 60 and 62 give the swirl disk 30 a high stability, which is required, for example, in high-pressure injection valves due to the high pressure load.
  • the swirl generation layer 61 has a further outer annular material region 75.
  • the material area 75 runs continuously around the circumference of the swirl disk 30 and serves as a sealing element. Since the upper cover layer 60 has a smaller diameter than the layers 61 and 62 underneath, the outer material region 75 is uncovered at the top. With this material area 75, the swirl disk 30 lies, for example, in a recess in the valve seat element 26, as illustrated in FIG. 12.
  • the soft material (Ni) of the region 75 allows a large compression path with relatively low mechanical stresses within the material region 75. The compression path allows the upper sealing surface of the material region 75 to form-fit against the surface of the hard valve seat element 26, thereby ensuring the sealing function. In such an embodiment, separate sealing elements can advantageously be dispensed with.
  • a sufficient permanent contact pressure of the material region 75 on the valve seat element 26 is achieved, for example, by arranging a spray perforated disk 76 downstream of the swirl disk 30, which is fixedly connected to the valve seat element 26, for example with a weld seam 77, and supports the swirl disk 30.
  • the spray hole disk 76 has, for example, a spray hole 78 which is inclined at an angle to the longitudinal axis 8 of the valve in order to implement the oblique spraying which has already been mentioned several times.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Drallscheibe nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Brennstoffeinspritzventil mit einer Drallscheibe nach der Gattung des Anspruchs 23.
  • Aus der DE-PS 39 43 005 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem im Sitzbereich mehrere scheibenförmige Elemente angeordnet sind. Bei Erregung des Magnetkreises wird eine als Flachanker fungierende flache Ventilplatte von einer mit ihr zusammenwirkenden gegenüberliegenden Ventilsitzplatte abgehoben, die gemeinsam ein Plattenventilteil bilden. Stromaufwärts der Ventilsitzplatte ist ein Drallelement angeordnet, das den zum Ventilsitz strömenden Brennstoff in eine kreisförmige Drehbewegung versetzt. Eine Anschlagplatte begrenzt den axialen Weg der Ventilplatte auf der der Ventilsitzplatte gegenüberliegenden Seite. Die Ventilplatte wird mit großem Spiel von dem Drallelement umgeben; eine gewisse Führung der Ventilplatte übernimmt damit das Drallelement. Im Drallelement sind an dessen unterer Stirnseite mehrere tangential verlaufende Nuten eingebracht, die vom äußeren Umfang ausgehend bis in eine mittlere Drallkammer reichen. Durch das Aufliegen des Drallelements mit seiner unteren Stirnseite auf der Ventilsitzplatte liegen die Nuten als Drallkanäle vor.
  • Aus der WO 96/11335 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, an dessen stromabwärtigen Ende ein mehrscheibiger Zerstäubungsvorsatz mit einer Drallaufbereitung angeordnet ist. Dieser Zerstäubungsvorsatz ist stromabwärts eines in einem Ventilsitzträger eingebauten scheibenförmigen Führungselements und eines Ventilsitzes ebenfalls am Ventilsitzträger vorgesehen, wobei ein zusätzliches Stützelement den Zerstäubungsvorsatz in einer definierten Position hält. Der Zerstäubungsvorsatz ist zweischeibig bzw. vierscheibig ausgeführt, wobei die einzelnen Scheiben aus rostfreiem Stahl oder Silizium hergestellt sind. Entsprechend kommen bei der Herstellung der Öffnungsgeometrien in den Scheiben konventionelle Bearbeitungsverfahren zum Einsatz, wie Erodieren, Stanzen oder Ätzen. Jede einzelne Scheibe des Zerstäubungsvorsatzes wird separat gefertigt, wonach entsprechend der gewünschten Scheibenanzahl alle gleich großen Scheiben zur Bildung des vollständigen Zerstäubungsvorsatzes aufeinander gestapelt werden.
  • In der DE-OS 196 07 288 wurde bereits die sogenannte Multilayergalvanik zur Herstellung von Lochscheiben, die insbesondere für den Einsatz an Brennstoffeinspritzventilen geeignet sind, ausführlich beschrieben. Dieses Herstellungsprinzip einer Scheibenherstellung durch mehrfaches galvanisches Metallabscheiden verschiedener Strukturen aufeinander, so daß eine einteilige Scheibe vorliegt, soll ausdrücklich zum Offenbarungsgehalt vorliegender Erfindung zählen. Die mikrogalvanische Metallabscheidung in mehreren Ebenen, Lagen bzw. Schichten kommt auch zur Herstellung der erfindungsgemäßen Drallscheiben zum Einsatz.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Drallscheibe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß sie auf besonders einfache Art und Weise kostengünstig herstellbar ist. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Drallscheiben in reproduzierbarer Weise äußerst präzise in sehr großen Stückzahlen gleichzeitig gefertigt werden können (hohe Batchfähigkeit). Aufgrund ihrer metallischen Ausbildung sind solche Drallscheiben sehr bruchsicher und gut montierbar, beispielsweise an Einspritzventilen oder anderen Abspritzdüsen von Flüssigkeiten jeglicher Art. Die Anwendung der Multilayergalvanik erlaubt eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da die Konturen der Öffnungsbereicbe (Einlaßbereiche, Drallkanäle, Drallkammer, Auslaßöffnung) in der Drallscheibe frei wählbar sind. Besonders im Vergleich zu Siliziumscheiben, bei denen aufgrund der Kristallachsen erreichbare Konturen streng vorgegeben sind (Pyramidenstümpfe), ist diese flexible Formgebung sehr vorteilhaft.
  • Das metallische Abscheiden hat besonders im Vergleich zur Herstellung von Siliziumscheiben den Vorteil einer sehr großen Materialvielfalt. Die verschiedensten Metalle mit ihren unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften und Härten können bei der zur Herstellung der Drallscheiben verwendeten Mikrogalvanik zum Einsatz kommen. Die unterschiedlichen Härten der verschiedenen Metalle können in besonders vorteilhafter Weise dahingehend genutzt werden, daß ein abdichtender Materialbereich geschaffen ist.
  • Die herstellungsbedingt große Gestaltungsfreiheit der Konturen innerhalb der Drallscheibe hat wiederum den großen Vorteil zur Folge, daß verschiedene Strahlformen der abzuspritzenden Sprays einfach erzeugbar sind. So sind Strahlverläufe und Sprays in Form von Hohlkegeln, schrägen Hohlkegeln, Vollkegeln, schrägen Vollkegeln, strähnenbehafteten Kegeln oder Flachstrahlen erzielbar, die allesamt durch die Drallbeaufschlagung in der Drallscheibe hervorragend aufbereitet werden. Mit der Multilayergalvanik sind in besonders vorteilhafter Weise problemlos, kostengünstig und mit extrem großer Präzision Hinterschneidungen und Überdeckungen erzielbar.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Drallscheibe möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Drallscheibe bestehend aus drei Schichten aufzubauen, indem drei Galvanikschritte zur Metallabscheidung vorgenommen werden. Dabei stellt die stromaufwärtige Schicht eine Deckelschicht dar, die die Drallkammer einer mittleren Drallerzeugungsschicht vollständig abdeckt. Die Drallerzeugungsschicht wird von einem oder mehreren Materialbereichen gebildet, die aufgrund ihrer Konturgebung und ihrer geometrischen Lage zueinander die Konturen der Drallkammer und der Drallkanäle vorgeben. Durch den Galvanikprozess werden die einzelnen Schichten ohne Trenn- oder Fügestellen so aufeinander aufgebaut, daß sie durchgehend homogenes Material darstellen. Insofern sind "Schichten" als gedankliches Hilfsmittel zu verstehen.
  • In vorteilhafter Weise sind in der Drallscheibe zwei, drei, vier oder sechs Drallkanäle vorgesehen. Die Materialbereiche können entsprechend der gewünschten Konturgebung der Drallkanäle sehr unterschiedliche Formen besitzen, z.B. stegartig oder spiralförmig sein. In vorteilhafter Weise sind auch die Konturen der Drallkammer, der Deckelschicht und der Auslaßöffnung flexibel gestaltbar, wobei durch Asymmetrien bestimmter Öffnungskonturen besondere geneigte, z.B. motorspezifische Strahlbilder und Sprayformen erzeugbar sind. Die Erzeugung von zur Symmetrieachse der Drallscheibe unter einem Winkel γ geneigten Sprays oder Strahlen (Hohloder Vollkegel, hoher oder geringer Strähnenanteil über den Umfang, Gleich- oder Ungleichverteilung über den Umfang, nicht rotationssymmetrische (Flach-)Strahlbilder mit einstellbaren Strähnenkomponenten) auf einfache Art und Weise und ohne zusätzliche Bauteile mit vorgegebenen Schrägabspritzkonturen (Schräglöcher) stellt einen außerordentlich wichtigen Vorteil der erfindungsgemäßen Drallscheiben dar.
  • In besonders vorteilhafter Weise ist die Drallscheibe derart ausgeführt, daß die Materialbereiche so voneinander abweichend ausgeformt sind, daß sämtliche Drallkanäle eine andere Ausrichtung bezüglich der Symmetrieachse der Drallscheibe haben. Über den Umfang der Drallscheibe gesehen verlaufen die Drallkanäle derart, daß sich ihre Radialausrichtungen sowie ihre tangentialen Drallausrichtungen gegensinnig kontinuierlich verändern. Auf konstruktiv sehr einfache Art und Weise wird mit einer solchen Formgebung erreicht, daß ein drallbehaftetes rotationssymmetrisches Hohlkegelspray mit einer Gleichverteilung über den Hohlkegelumfang abgespritzt wird. Ohne nachgeschaltete, feinmechanisch hergestellte Bauteile können so zur Symmetrieachse geneigte Sprays mit oben genannten Eigenschaften erzeugt werden.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 23 hat den Vorteil, daß mit ihm eine sehr hohe Zerstäubungsgüte eines abzuspritzenden Brennstoffs sowie eine an die jeweiligen Erfordernisse (z.B. Einbaubedingungen, Motorkonfigurationen, Zylinderausformungen, Zündkerzenposition) angepaßte Strahl- bzw. Sprayformung erzielt wird. Als Konsequenz können bei Verwendung von Multilayergalvanik-Drallscheiben an einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine u.a. die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.
  • Aus den bezüglich der Drallscheiben angeführten Vorteilen sind entsprechende Vorteile für den Einsatz an einem Brennstoffeinspritzventil in logischer Weise herleitbar, da durch die vereinfachte und sehr gut reproduzierbare Herstellungsweise der Drallscheiben gekoppelt mit der hohen Funktionalität der Drallerzeugung im Fluid, hier Brennstoff, für das Brennstoffeinspritzventil genauso die Vorteile der hohen Qualität, gleichmäßigen Feinstzerstäubung, hohen Variabilität an Strahlformen und Kostenersparnis vorliegen.
  • Bei motorischem Betrieb tritt allgemein bei der Benzindirekteinspritzung das Problem auf, daß die in den Brennraum ragende stromabwärtige Spitze des Einspritzventils durch Benzinablagerungen verkokt. Bei bisher bekannten in den Brennraum ragenden Einspritzventilen besteht deshalb über ihre Lebensdauer die Gefahr einer negativen Beeinflussung der Sprayparameter (z.B. statische Strömungsmenge, Strahlwinkel), die bis zu einem Ausfall des Einspritzventils führen kann. Durch das Einsetzen der Multilayergalvanik-Drallscheibe am stromabwärtigen Ende des Brennstoffeinspritzventils aus den Materialien Nickel oder Nickel-Kobalt wird eine Verkokung in diesem Bereich wirksam verhindert. Geeignete Materialien sind außerdem Kobalt- und Nickeloxide und Oxide von Legierungen der genannten Metalle. Durch den Aufbau der Drallscheibe aus solchen Materialien wird eine vollständige Verbrennung der Rußpartikel katalysiert und die Ablagerung von Kohlenstoffteilchen verhindert. Katalytische Wirksamkeit zeigen auch die Edelmetalle Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt bzw. Legierungen dieser Metalle untereinander oder mit anderen Metallen.
  • Weitere Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele noch näher benannt.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein mit einer Drallscheibe ausstattbares Brennstoffeinspritzventil im Schnitt, Figur 2 eine Prinzipdarstellung als Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Drallscheibe, Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2, Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Multilayergalvanik-Drallscheibe, Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer solchen Drallscheibe, Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe, Figur 7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe, Figur 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe, Figur 9 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe, Figur 10 ein siebentes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe, Figur 11 ein achtes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe und Figur 12 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer Drallscheibe, wobei die Figuren 4 bis 11 ebenfalls die Öffnungskonturen hervorhebende, "gläserne" Prinzipdarstellungen als Draufsichten auf die Drallscheiben sind.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Das in der Figur 1 beispielhaft dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen, als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, rohrförmigen, weitgehend hohlzylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Für den Einsatz der erfindungsgemäßen, später näher beschriebenen Drallscheiben stellt ein Einspritzventil (für Benzin- oder Dieselanwendung, für Direkt- oder Saugrohreinspritzung) nur ein wichtiges Anwendungsgebiet dar. Diese Drallscheiben können auch in Tintenstrahldruckern, an Düsen zum Versprühen von Flüssigkeiten jeglicher Art oder bei Inhalatoren zum Einsatz kommen. Zur Erzeugung feiner Sprays mit Drallkomponenten eignen sich die erfindungsgemäßen Drallscheiben ganz allgemein.
  • Ein beispielsweise gestufter Spulenkörper 3 aus Kunststoff nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen, nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen Zwischenteil 4 mit einem L-förmigen Querschnitt einen besonders kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1.
  • In dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen, die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt. Der Kern 2 des Magnetkreises dient auch als Brennstoffeinlaßstutzen, wobei die Längsöffnung 7 einen Brennstoffzufuhrkanal darstellt. Mit dem Kern 2 oberhalb der Magnetspule 1 fest verbunden ist ein äußeres metallenes (z. B. ferritisches) Gehäuseteil 14, das als Außenpol bzw. äußeres Leitelement den Magnetkreis schließt und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt. In der Längsöffnung 7 des Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstoffilter 15 vorgesehen, der für die Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund ihrer Größe im Einspritzventil Verstopfungen oder Beschädigungen verursachen könnten. Der Brennstoffilter 15 ist z. B. durch Einpressen im Kern 2 fixiert.
  • Der Kern 2 bildet mit dem Gehäuseteil 14 das zulaufseitige Ende des Brennstoffeinspritzventils, wobei sich das obere Gehäuseteil 14 beispielsweise in axialer Richtung stromabwärts gesehen gerade noch über die Magnetspule 1 hinaus erstreckt. An das obere Gehäuseteil 14 schließt sich dicht und fest ein unteres rohrförmiges Gehäuseteil 18 an, das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und einer stangenförmigen Ventilnadel 20 bzw. einen langgestreckten Ventilsitzträger 21 umschließt bzw. aufnimmt. Das bewegliche Ventilteil könnte aber z.B. auch die Form einer flachen Scheibe mit integriertem Anker haben. Die beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden.
  • In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das untere Gehäuseteil 18 und der weitgehend rohrförmige Ventilsitzträger 21 durch Verschrauben fest miteinander verbunden; Schweißen, Löten oder Bördeln stellen aber ebenso mögliche Fügeverfahren dar. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und dem Ventilsitzträger 21 erfolgt z. B. mittels eines Dichtrings 22. Der Ventilsitzträger 21 besitzt über seine gesamte axiale Ausdehnung eine innere Durchgangsöffnung 24, die konzentrisch zu der Ventillängsachse 8 verläuft.
  • Mit seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluß des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der Ventilsitzträger 21 ein in der Durchgangsöffnung 24 eingepaßtes scheibenförmiges Ventilsitzelement 26 mit einer sich stromabwärts kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 27. In der Durchgangsöffnung 24 ist die z. B. stangenförmige, einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt aufweisende Ventilnadel 20 angeordnet; die an ihrem stromabwärtigen Ende einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist. Dieser beispielsweise sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt 28 wirkt in bekannter Weise mit der im Ventilsitzelement 26 vorgesehenen Ventilsitzfläche 27 zusammen. Stromabwärts der Ventilsitzfläche 27 folgt dem Ventilsitzelement 26 eine erfindungsgemäße Drallscheibe 30, die mittels Multilayergalvanik hergestellt ist und drei aufeinander abgeschiedene metallische Schichten umfaßt.
  • Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 angeordneten Rückstellfeder 33 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2, den Gehäuseteilen 14 und 18 und dem Anker 19. Der Anker 19 ist mit dem dem Ventilschließabschnitt 28 abgewandten Ende der Ventilnadel 20 z. B. durch eine Schweißnaht verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. Zur Führung der Ventilnadel 20 während ihrer Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der Ventillängsachse 8 dient einerseits eine im Ventilsitzträger 21 am dem Anker 19 zugewandten Ende vorgesehene Führungsöffnung 34 und andererseits ein stromaufwärts des Ventilsitzelements 26 angeordnetes scheibenförmiges Führungselement 35 mit einer maßgenauen Führungsöffnung 36. Der Anker 19 ist während seiner Axialbewegung von dem Zwischenteil 4 umgeben.
  • Anstelle des elektromagnetischen Kreises kann auch ein anderer erregbarer Aktuator, wie z.B. ein Piezostack, in einem vergleichbaren Brennstoffeinspritzventil verwendet werden bzw. das Betätigen des axial beweglichen Ventilteils durch einen hydraulischen Druck oder Servodruck erfolgen.
  • Eine in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 eingeschobene, eingepreßte oder eingeschraubte Einstellhülse 38 dient zur Einstellung der Federvorspannung der über ein Zentrierstück 39 mit ihrer stromaufwärtigen Seite an der Einstellhülse 38 anliegenden Rückstellfeder 33, die sich mit ihrer gegenüberliegenden Seite am Anker 19 abstützt. Im Anker 19 sind ein oder mehrere bohrungsähnliche Strömungskanäle 40 vorgesehen, durch die der Brennstoff von der Längsöffnung 7 im Kern 2 aus über stromabwärts der Strömungskanäle 40 ausgebildete Verbindungskanäle 41 nahe der Führungsöffnung 34 im Ventilsitzträger 21 bis in die Durchgangsöffnung 24 gelangen kann.
  • Der Hub der Ventilnadel 20 wird durch die Einbaulage des Ventilsitzelements 26 vorgegeben. Eine Endstellung der Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an der Ventilsitzfläche 27 des Ventilsitzelements 26 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 19 an der stromabwärtigen Stirnseite des Kerns 2 ergibt. Die Oberflächen der Bauteile im letztgenannten Anschlagbereich sind beispielsweise verchromt.
  • Die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung erfolgt über Kontaktelemente 43, die noch außerhalb des Spulenkörpers 3 mit einer Kunststoffumspritzung 44 versehen sind. Die Kunststoffumspritzung 44 kann sich auch über weitere Bauteile (z. B. Gehäuseteile 14 und 18) des Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Aus der Kunststoffumspritzung 44 heraus verläuft ein elektrisches Anschlußkabel 45, über das die Bestromung der Magnetspule 1 erfolgt. Die Kunststoffumspritzung 44 ragt durch das in diesem Bereich unterbrochene obere Gehäuseteil 14.
  • Stromabwärts der Führungsöffnung 34 ist die Durchgangsöffnung 24 des Ventilsitzträgers 21 beispielsweise zweimal gestuft ausgeführt. Ein erster Absatz 49 dient als Anlagefläche für eine z.B. schraubenförmige Druckfeder 50. Mit der zweiten Stufe 51 wird ein vergrößerter Einbauraum für die drei scheibenförmigen Elemente 35, 26 und 30 geschaffen. Die die Ventilnadel 20 umhüllende Druckfeder 50 verspannt das Führungselement 35 im Ventilsitzträger 21, da sie mit ihrer dem Absatz 49 gegenüberliegenden Seite gegen das Führungselement 35 drückt. Stromabwärts der Ventilsitzfläche 27 ist im Ventilsitzelement 26 eine Austrittsöffnung 53 eingebracht, durch die der bei geöffnetem Ventil an der Ventilsitzfläche 27 entlangströmende Brennstoff strömt, um nachfolgend in die Drallscheibe 30 einzutreten. Die Drallscheibe 30 liegt beispielsweise in einer Vertiefung 54 eines scheibenförmigen Halteelements 55 vor, wobei das Halteelement 55 fest mit dem Ventilsitzträger 21 z.B. mittels Schweißen, Kleben oder durch Verklemmen verbunden ist. Die in Figur 1 gezeigte Befestigungsvariante der Drallscheibe 30 ist nur vereinfacht dargestellt und zeigt nur eine von vielen zu variierenden Befestigungsmöglichkeiten. Entscheidend ist die prinzipielle Anordnung der mikrogalvanisch abgeschiedenen Drallscheibe 30 stromabwärts der Ventilsitzfläche 27. In dem Halteelement 55 ist stromabwärts der dem Ventilsitz zugewandten Vertiefung 54 eine zentrale Auslaßöffnung 56 ausgebildet, durch die der nun drallbehaftete Brennstoff das Brennstoffeinspritzventil verläßt.
  • Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Drallscheibe 30, während Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2 zeigt. Dabei ist in der Figur 2 eine Draufsicht auf die Drallscheibe 30 dargestellt, in der sämtliche Schichten der Drallscheibe 30 aufgrund einer "gläsernen" Darstellungsweise deutlich werden. Den Schichtaufbau in axialer Richtung kennzeichnet besonders deutlich Figur 3, die letztlich eine vergrößerte Darstellung des Drallscheibenbereichs aus Figur 1 ist. In der Figur 3 wurden für die einzelnen abgeschiedenen Schichten verschiedene Schraffuren gewählt, obwohl ausdrücklich betont werden soll, daß es sich bei den Drallscheiben 30 um einteilige Bauteile handelt, da die einzelnen Schichten unmittelbar aufeinander abgeschieden und nicht erst nachträglich gefügt werden. Die Schichten der Dralischeibe 30 werden nacheinander galvanisch abgeschieden, so daß sich die Folgeschicht aufgrund galvanischer Haftung fest mit der darunterliegenden Schicht verbindet.
  • Die Drallscheibe 30 weist einen solchen Außendurchmesser auf, daß sie straff mit geringem Spiel in eine Aufnahmeöffnung am Brennstoffeinspritzventil, z.B. in die Vertiefung 54 des Halteelements 55 oder in eine Öffnung des Ventilsitzträgers 21, eingepaßt werden kann. Gebildet wird die Drallscheibe 30 aus drei galvanisch aufeinander abgeschiedenen Ebenen, Lagen bzw. Schichten, die somit im eingebauten Zustand axial aufeinander folgen. Bezeichnet werden die drei Schichten der Drallscheibe 30 im folgenden entsprechend ihrer Funktion mit Deckelschicht 60, Drallerzeugungsschicht 61 und Bodenschicht 62. Wie den Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist, ist die obere Deckelschicht 60 mit einem kleineren Außendurchmesser als die beiden darauffolgenden Schichten 61, 62 ausgebildet. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der Brennstoff an der Deckelschicht 60 außen vorbei strömen und so ungehindert in äußere Einlaßbereiche 65 von beispielsweise vier vom äußeren Umfang der Drallscheibe 30 ausgehenden Drallkanälen 66 in der mittleren Drallerzeugungsschicht 61 eintreten kann (siehe Pfeile zum Strömungsverlauf in Figur 3). Drallscheiben 30 sind in erfindungsgemäßer Weise auch mit mehr als drei Schichten herstellbar, wobei die Struktur der oben beschriebenen Schichten 60, 61, 62 auch in diesen Fällen in vergleichbarer Weise aussieht, aber z.B. auf der Deckelschicht 60 noch eine vierte (nicht dargestellte) Strukturschicht aufgewachsen ist, die für bestimmte Einbaubedingungen und aus Anströmgründen zweckmäßig sein kann.
  • Die obere Deckelschicht 60 stellt eine geschlossene metallische Schicht dar, die keine Öffnungsbereiche zum Durchströmen aufweist, die jedoch aufgrund ihres kleineren Durchmessers von einem ringförmigen Strömungsbereich 67 umgeben ist. In der Drallerzeugungsschicht 61 ist dagegen eine komplexe Öffnungskontur vorgesehen, die über die gesamte axiale Dicke dieser Schicht 61 verläuft. Die Öffnungskontur der mittleren Schicht 61 wird von einer inneren Drallkammer 68 und von einer Vielzahl von in die Drallkammer 68 mündenden Drallkanälen 66 gebildet. In der in Figur 2 gezeigten Prinzipdarstellung der Drallscheibe 30 besitzt die mittlere Schicht 61 eine weitgehend quadratische Drallkammer 68 sowie vier Drallkanäle 66. Die z.B. jeweils senkrecht zu den benachbarten Drallkanälen 66 verlaufenden Drallkanäle 66 münden tangential in die Drallkammer 68. Während die Drallkammer 68 vollständig von der Deckelschicht 60 überdeckt ist, liegen die Drallkanäle 66 nur teilweise abgedeckt vor, da die der Drallkammer 68 abgewandten äußeren Enden die nach oben hin offenen Einlaßbereiche 65 bilden. Durch die tangentiale Einmündung der Drallkanäle 66 in die Drallkammer 68 bekommt der Brennstoff einen Drehimpuls aufgeprägt, der so auch in einer mittleren kreisförmigen Auslaßöffnung 69 der unteren Bodenschicht 62 erhalten bleibt. Der Durchmesser der Auslaßöffnung 69 ist beispielsweise deutlich kleiner als die Öffnungsweite der unmittelbar über ihr liegenden Drallkammer 68. Dadurch wird die in der Drallkammer 68 erzeugte Drallintensität verstärkt. Durch die Fliehkraft wird der Brennstoff hohlkegelförmig abgespritzt.
  • Die erfindungsgemäßen Drallscheiben 30 werden in mehreren metallischen Schichten durch galvanische Abscheidung aufgebaut (Multilayergalvanik). Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechnischen Herstellung gibt es besondere Merkmale in der Konturgebung, von denen hiermit einige in Kurzform zusammenfassend aufgeführt sind:
    • Schichten mit über die Scheibenfläche konstanter Dicke,
    • durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Schichten, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden (fertigungstechnisch bedingte Abweichungen von ca. 3° gegenüber optimal senkrechten Wandungen können auftreten),
    • gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der Einschnitte durch mehrlagigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten,
    • Einschnitte mit beliebigen, weitgehend achsparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen,
    • einteilige Ausführung der Drallscheibe, da die einzelnen Metallabscheidungen unmittelbar aufeinander erfolgen.
  • In den folgenden Abschnitten wird nur in Kurzform das Verfahren zur Herstellung der Drallscheiben 30 erläutert. Ausführlich wurden sämtliche Verfahrensschritte der galvanischen Metallabscheidung zur Herstellung einer Lochscheibe bereits in der DE-OS 196 07 288 beschrieben. Charakteristisch für das Verfahren der sukzessiven Anwendung von photolithographischen Schritten (UV-Tiefenlithographie) und anschließender Mikrogalvanik ist, daß es auch in großflächigem Maßstab eine hohe Präzision der Strukturen gewährleistet, so daß es ideal für eine Massenfertigung mit sehr großen Stückzahlen (hohe Batchfähigkeit) einsetzbar ist. Auf einem Nutzen oder Wafer kann eine Vielzahl von Drallscheiben 30 gleichzeitig gefertigt werden.
  • Ausgangspunkt für das Verfahren ist eine ebene und stabile Trägerplatte, die z. B. aus Metall (Titan, Stahl), Silizium, Glas oder Keramik bestehen kann. Auf die Trägerplatte wird optional zunächst wenigstens eine Hilfsschicht aufgebracht. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Galvanikstartschicht (z. B. TiCuTi, CrCuCr, Ni), die zur elektrischen Leitung für die spätere Mikrogalvanik benötigt wird. Das Aufbringen der Hilfsschicht geschieht z. B. durch Sputtern oder durch stromlose Metallabscheidung. Nach dieser Vorbehandlung der Trägerplatte wird auf die Hilfsschicht ein Photoresist (Photolack) ganzflächig aufgebracht, z.B. aufgewalzt oder aufgeschleudert.
  • Die Dicke des Photoresists sollte dabei der Dicke der Metallschicht entsprechen, die in dem später folgenden Galvanikprozeß realisiert werden soll, also der Dicke der unteren Bodenschicht 62 der Drallscheibe 30. Die Resistschicht kann aus einer oder mehreren Lagen einer fotostrukturierbaren Folie oder einem Flüssigresist (Polyimid, Photolack) bestehen. Falls optional eine Opferschicht in die später erzeugten Lackstrukturen galvanisiert werden soll, ist die Dicke des Photoresists um die Dicke der Opferschicht zu vergrößern. Die zu realisierende Metallstruktur soll mit Hilfe einer photolithographischen Maske invers in dem Photoresist übertragen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Photoresist direkt über die Maske mittels UV-Belichtung (Leiterplattenbelichter oder Halbleiterbelichter) zu belichten (UV-Tiefenlithographie) und nachfolgend zu entwickeln.
  • Die letztlich im Photoresist entstehende Negativstruktur zur späteren Schicht 62 der Drallscheibe 30 wird galvanisch mit Metall (z. B. Ni, NiCo, NiFe, NiW, Cu) aufgefüllt (Metallabscheidung). Das Metall legt sich durch das Galvanisieren eng an die Kontur der Negativstruktur an, so daß die vorgegebenen Konturen formtreu in ihm reproduziert werden. Um die Struktur der Drallscheibe 30 zu realisieren, müssen die Schritte ab dem optionalen Aufbringen der Hilfsschicht entsprechend der Anzahl der gewünschten Schichten wiederholt werden, so daß bei einer dreischichtigen Drallscheibe 30 drei Galvanikschritte vorgenommen werden. Für die Schichten einer Drallscheibe 30 können auch unterschiedliche Metalle verwendet werden, die jedoch nur in einem jeweils neuen Galvanikschritt einsetzbar sind.
  • Bei der Herstellung der Deckelschicht 60 der Drallscheibe 30 wird Metall sowohl auf den leitenden Materialbereichen 61' als auch auf dem nichtleitenden Photoresist im Bereich der Drallkanäle 66 und der Drallkammer 68 abgeschieden. Hierfür wird eine Startschichtmetallisierung auf dem Resist der vorhergehenden mittleren Schicht 61 aufgetragen. Nach dem Abscheiden der oberen Deckelschicht 60 wird der verbliebene Photoresist aus den Metallstrukturen durch naßchemisches Strippen Herausgelöst. Bei glatten, passivierten Trägerplatten (Substraten) lassen sich die Drallscheiben 30 vom Substrat lösen und vereinzeln. Bei Trägerplatten mit guter Haftung der Drallscheiben 30 wird die Opferschicht selektiv zu Substrat und Drallscheibe 30 weggeätzt, wodurch die Drallscheiben 30 von der Trägerplatte abheben und vereinzelt werden können.
  • In den Figuren 4 bis 12 sind neun Ausführungsbeispiele von Multilayergalvanik-Drallscheiben 30 dargestellt, wobei diese Figuren ebenfalls wie die Figur 2 die Öffnungskonturen hervorhebende, "gläserne" Prinzipdarstellungen sind. Diese verschiedenen Ausführungsformen können je nach Einsatzwunsch zur Erzeugung von üblichen rotationssymmetrischen Spritzkegeln, aber auch von Flachstrahlbildern oder geneigten asymmetrischen Strahlbildern dienen.
  • In Figur 4 ist eine Drallscheibe 30 gezeigt, die wiederum die drei Schichten 60, 61 und 62 aufweist. Dabei sind die obere Deckelschicht 60 und die untere Bodenschicht 62 in mit Figur 2 vergleichbarer Weise ausgeformt, also mit einer kreisförmigen Kontur, wobei die Bodenschicht 62 einen größeren Außendurchmesser und eine zentrale Auslaßöffnung 69 aufweist. Die mittlere Drallerzeugungsschicht 61 unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten. Während die vier in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Materialbereiche 61', zwischen denen sich genau die Konturen der Drallkanäle 65 und der Drallkammer 68 ergeben, im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 vom äußeren Rand der Drallscheibe 30 ausgehen, sind die Materialbereiche 61' der Drallerzeugungsschicht 61 nach Figur 4 jeweils stegartig und vom äußeren Rand der Drallscheibe 30 beabstandet ausgebildet. Die vier Materialbereiche 61' stehen zu den jeweils benachbarten Materialbereichen 61' weitgehend senkrecht und bilden in einem definierten Abstand voneinander die von der Deckelschicht 60 abgedeckten Drallkanäle 66. Die die Drallkammer 68 radial begrenzenden Enden 70 der Materialbereiche 61' sind beispielsweise schaufelförmig abgerundet, so daß bereits die Kontur der Materialbereiche 61' zur Drallerzeugung des abzuspritzenden Brennstoffs dient und eine kreisförmige Drallkammer 68 gebildet ist. Die den inneren Enden 70 gegenüberliegenden Enden 71 der Materialbereiche 61' sind z.B. an ihrer Außenkontur ebenfalls abgerundet, wodurch ein Fügedurchmesser vorgegeben wird, mit dem die Drallscheibe 30 in einfacher Art und Weise z.B. in einer Öffnung eines Brennstoffeinspritzventils einsetzbar und befestigbar ist.
  • Zur Erzeugung eines asymmetrischen Strahlbildes mit einem Winkel γ zur Symmetrieachse der Drallscheibe 30 bzw. zur Ventillängsachse 8 des Ventils kann die Auslaßöffnung 69 auch außermittig in der Bodenschicht 62 eingebracht sein, wie es die mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutete Auslaßöffnung 69a in Figur 4 zeigt. Neben einer Schrägausrichtung kann mit einer solchen Ausbildungsvariante auch eine möglicherweise gewünschte Ungleichverteilung über den Umfang des Hohl- oder Vollkegels erzielt werden, so daß eine Asymmetrie in mehrfacher Hinsicht vorliegt.
  • In den Figuren 5 und 6 sind Drallscheiben 30 dargestellt, die elliptische Auslaßöffnungen 69 in der Bodenschicht 62 besitzen. Mit einer auf diese Weise ausgebildeten Drallscheibe 30 lassen sich drallbehaftete Flachstrahlbilder erzeugen. Die Drallscheibe 30 nach Figur 5 weist eine rotationssymmetrische Drallkammer 68 auf; die Drallscheibe 30 nach Figur 6 besitzt dagegen eine elliptische Drallkammer 68, die der Kontur der Auslaßöffnung 69 angepaßt ist und für eine besonders gleichmäßige Strömung sorgt. Eine elliptische Drallkammer 68 wie in Figur 6 läßt sich erzeugen, indem die zwei sich jeweils gegenüberliegenden Materialbereiche 61' mit gleicher Breite, aber unterschiedlicher Breite zu den anderen beiden Materialbereichen 61' ausgebildet werden, und zwar so, daß alle Enden 70 der Materialbereiche 61' den gleichen Abstand zur elliptischen Auslaßöffnung 69 haben.
  • Drallscheiben 30 mit spiralförmigen Materialbereichen 61' der Drallerzeugungsschicht 61 veranschaulichen die Figuren 7 und 8. Anstelle der stegartigen, vom Rand der Drallscheibe 30 beabstandeten Materialbereiche 61' der vorangegangen Ausführungsbeispiele liegen die zwei (Figur 7) bzw. vier (Figur 8) Materialbereiche 61' vom äußeren Rand ausgehend spiralförmig gedreht vor. Dabei weisen die Drallkanäle 66 besonders bei dem in Figur 8 gezeigten Beispiel in Strömungsrichtung eine Querschnittsverengung auf, um Strömungsverluste zu reduzieren, da die engste Stelle auf eine kurze Lauflänge begrenzt ist. Zugleich bewirkt eine derartige Ausbildung eine weniger turbulente Strömung und damit einen geringeren Strömungswiderstand. Die Geometrie des stromabwärts der Auslaßöffnung 69 gebildeten Spritzkegels wird von der Drallgeschwindigkeit des Fluids bestimmt. Höhere Drallgeschwindigkeiten bewirken Spritzkegel mit größeren Spraywinkeln. Auch durch das Verhältnis der Durchmesser von Drallkammer 68 und Auslaßöffnung 69 sowie durch den Drallkanalquerschnitt lassen sich die Drallgeschwindigkeiten einstellen.
  • Wie bereits erwähnt ist es in verschiedenen Anwendungsbereichen von Lochscheiben allgemein und Drallscheiben im besonderen wünschenswert, geneigte Strahlbilder mit einem Winkel γ zur Längsachse zu erzeugen. Für die Benzindirekteinspritzung sind beispielsweise aufgrund von bestimmten Einbaubedingungen unmittelbar am Brennraum Einspritzventile von Vorteil, die ein zur Ventillängsachse 8 schräg geneigtes Spray abspritzen. Dabei soll in einer möglichen Variante z.B. ein drallbehaftetes, möglichst rotationssymmetrisches Hohlkegelspray mit einer Gleichverteilung über den Hohlkegelumfang erzeugt werden. Bei bekannten Drallscheiben oder Drallvorsätzen ist ein derartiges Abspritzen nur durch schräg verlaufende Austrittslöcher in nachgeordneten Abspritzbauteilen möglich.
  • Ein wesentlicher Punkt vorliegender Erfindung besteht nun darin, Geometrien für die Drallscheibe 30 gefunden zu haben, mit der das oben angegebene Ziel sehr einfach erreicht wird. Dabei ist zu beachten, daß die mittels Multilayergalvanik hergestellte Drallscheibe 30 aufgrund der Herstellungstechnologie nur weitgehend senkrechte Wandungen aufweist, mit denen isoliert die Wandungen betrachtet noch keine schräge Abspritzung möglich scheint. In vorteilhafter Weise wird jedoch mit den senkrechten Wandungen in der Drallscheibe 30 durch die Asymmetrie in der Konturgebung in wenigstens einer der Schichten der Drallscheibe 30 eine Schrägabspritzung gewährleistet, und außerdem ist es von Vorteil, daß auf nachgeschaltete, feinmechanisch hergestellte Bauteile verzichtet werden kann, in die natürlich problemlos ein schräg verlaufendes Spritzloch einbringbar wäre. Zur Verstärkung des bereits mit der Drallscheibe 30 erzielten Effekts bzw. zur Abstützung oder einfachen Befestigung der Drallscheibe 30 sind allerdings selbstverständlich nachgeschaltete Bauteile, wie Spritzlochscheiben, denkbar (siehe Figur 12).
  • In Figur 9 ist eine erfindungsgemäße Drallscheibe 30 dargestellt, mit der trotz senkrechter Wandungen aller Öffnungsbereiche ein Spray erzeugt werden kann, das schräg geneigt zur Symmetrieachse der Drallscheibe 30 verläuft und z.B. eine Gleichverteilung über den Umfang des Hohlkegels aufweist. In der mittleren Drallerzeugungsschicht 61 sind vier Materialbereiche 61' vorgesehen, die allesamt eine voneinander abweichende Kontur besitzen. Zwischen den Materialbereichen 61' sind vier Drallkanäle 66 ausgebildet, die sich aufgrund der Konturunterschiede der Materialbereiche 61' durch eine jeweils andere Lage bezüglich der Drallkammer 68 auszeichnen und deshalb mit I bis IV gekennzeichnet sind. Die vier Drallkanäle 66 müssen mit ihrer Ausrichtung im abzuspritzenden Fluid verschieden große Verhältnisse zwischen Drallgeschwindigkeits- und Radialgeschwindigkeitsanteil erzeugen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der Radialgeschwindigkeitsanteil von Drallkanal 66-I bis zu Drallkanal 66-IV kontinuierlich ab, während der Drallgeschwindigkeitsanteil kontinuierlich von Drallkanal 66-I bis zu Drallkanal 66-IV zunimmt. In vorteilhafter Weise ist die Auslaßöffnung 69 bei diesem Beispiel elliptisch ausgebildet und in axialer Richtung möglichst kurz. Während der erste Drallkanal 66-I weitgehend auf das Zentrum der elliptischen Auslaßöffnung 69 ausgerichtet ist, nimmt diese radiale Ausrichtung bei dem Beispiel nach Figur 9 im Uhrzeigersinn ab, bis der vierte Drallkanal 66-IV tangential an der Auslaßöffnung 69 vorbei gerichtet ist. Bei dem in Figur 9 gezeigten Ausführungsbeispiel würde ein abzuspritzendes Spray bei einer Abspritzrichtung in die Zeichnungsebene hinein schräg geneigt nach links zwischen den Drallkanälen 66-III und 66-IV austreten. Diese Strahlausrichtung ist mit einem Pfeil und γ gekennzeichnet, wobei γ auf einen Winkel des Sprays zur Symmetrieachse der Drallscheibe 30 hindeutet.
  • Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß ein rotationssymmetrisches Hohlkegelspray mit einer Gleichverteilung über den Hohlkegelumfang nur eine hier näher beschriebene Sprayform für die Schrägabspritzung darstellt, aber die bereits in der Beschreibungseinleitung aufgeführten anderen Sprayformen, also auch solche, die Ungleichverteilungen und Strähnen aufweisen, ebenfalls durch entsprechende asymmetrische Konturgebung in der Drallscheibe 30 erzeugbar sind.
  • Eine Drallscheibe 30 mit weiteren besonderen Merkmalen, die noch kein anderes Ausführungsbeispiel beinhaltet, zeigt Figur 10. Eine erste Besonderheit besteht darin, daß die beiden unteren Schichten 61 und 62 einen gleich großen Außendurchmesser besitzen, wobei die mittlere Drallerzeugungsschicht 61 nur einen einzigen zusammenhängenden Materialbereich 61' umfaßt. Die weitgehend tangential in die Drallkammer 68 mündenden Drallkanäle 66 stehen deshalb mit ihren der Drallkammer 68 abgewandten Einlaßbereichen 65 nicht mit dem äußeren Umfang der Drallscheibe 30 in Verbindung. Vielmehr verbleibt zwischen den Einlaßbereichen 65 der Drallkanäle 66 und dem äußeren Umfang der Drallscheibe 30 ein umlaufender Randbereich des Materialbereichs 61'. Mit dem Randbereich kann die Drallscheibe 30 besonders einfach an ihrem Umfang zur Befestigung geklemmt werden. Neben den bereits beschriebenen Beispielen von Drallscheiben 30 mit zwei oder vier Drallkanälen 66 soll anhand der Figur 10 verdeutlicht werden, daß auch eine davon abweichende Anzahl von Drallkanälen 66 (z.B. sechs) mit der Multilayergalvanik herstellbar ist.
  • Neben der Ausbildung der Einlaßbereiche 65 mit einer weitgehend rechteckförmigen oder quadratischen Kontur kann es auch von Vorteil sein, die Drallkanäle 66 mit ihren Einlaßbereichen 65 hakenförmig abgeknickt auszubilden (nicht gezeigt). Der in die Einlaßbereiche 65 einströmende Brennstoff kann turbulenzarm in die Drallkanäle 66 eintreten, wodurch ein weitgehend störungsfreier Drall erzeugbar ist. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der in der Zeichnungsebene liegende Einströmquerschnitt der Einlaßbereiche 65, der entscheidend von der Überdeckung der Deckelschicht 60 bestimmt wird, kleiner ist als der Drallkanalquerschnitt, der sich senkrecht zur Zeichnungsebene ergibt und durch die Höhe und Breite des Drallkanals 66 bestimmt wird. Die Einlaßbereiche 65 sind so eine Vordrossel und der durchflußbestimmende Querschnitt der Drallscheibe 30.
  • In Figur 11 ist eines von unzählig möglichen mit der Multilayergalvanik herstellbaren Ausführungsbeispielen einer Drallscheibe 30 dargestellt, die zusätzlich zu den Materialbereichen 61' zur Bildung der Drallkanäle 66 und zur Festlegung der Kontur und Größe der Drallkammer 68 weitere Materialbereiche 61'' innerhalb der Drallkammer 68 in der Drallerzeugungsschicht 61 aufweisen. Diese zusätzlichen Materialbereiche 61'' können gezielt so angeordnet werden, daß ein schräg zur Symmetrieachse der Drallscheibe 30 geneigtes Spray abgespritzt wird, und zwar bei dem in Figur 11 gezeigten Beispiel in der mit dem Pfeil und γ angegebenen Richtung. Eine solche Schrägabspritzung wird erreicht, indem ein oder mehrere sichel- oder bogenförmige (Figur 11) oder nicht gezeigte rechteckförmige, dreieckförmige, quadratische oder ähnliche Konturen aufweisende Materialbereiche 61'' in der Drallkammer 68 plaziert werden. Im dargestellten Beispiel bildet der bogenförmige Materialbereich 61'' eine Strömungsbarriere zur Auslaßöffnung 69 hin, so daß das Fluid besonders stark und drallbehaftet von der der Strömungsbarriere gegenüberliegenden Seite in die Auslaßöffnung 69 eintreten kann und weshalb die Schrägabspritzung zum Materialbereich 61'' hin gerichtet ist (Pfeil γ). Mit der Multilayergalvanik sind beliebige Konturen der Materialbereiche 61'' in der Drallkammer 68 erzeugbar.
  • Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine besondere Materialwahl der einzelnen Schichten 60, 61, 62 der Drallscheibe 30. Mit der Multilayergalvanik ist es problemlos möglich, verschiedene Metalle (Ni, NiCo, NiFe, NiW, Cu) aufeinander abzuscheiden, wobei jedoch innerhalb eines Galvanikschrittes nur ein Metall abgeschieden wird. Mit Hilfe dieser Flexibilität bei der Materialauswahl läßt sich eine vorteilhafte Abdichtung der Drallscheibe 30 beim Einbau in einer Abspritzvorrichtung, insbesondere an einem Brennstoffeinspritzventil realisieren. Während die Deckelschicht 60 und die Bodenschicht 62 aus einem härteren Galvanikmaterial (z.B. NiCo) aufgebaut sind, ist die mittlere Drallerzeugungsschicht 61 aus einem weicheren Galvanikmaterial (z.B. Ni) abgeschieden. Bei der Herstellung wird von Galvanikschicht zu Galvanikschicht lediglich das Galvanikbecken von NiCo auf Ni und umgekehrt gewechselt. Die beiden Schichten 60 und 62 verleihen der Drallscheibe 30 wegen der höheren Materialfestigkeit des NiCo eine hohe Stabilität, die z.B. in Hochdruckeinspritzventilen aufgrund der hohen Druckbelastung erforderlich ist. Neben den bereits erwähnten Materialbereichen 61' zur Bildung der Drallkanäle 66 weist die Drallerzeugungsschicht 61 einen weiteren äußeren ringförmigen Materialbereich 75 auf.
  • Der Materialbereich 75 läuft am Umfang der Drallscheibe 30 ununterbrochen um und dient dabei als Dichtelement. Da die obere Deckelschicht 60 einen kleineren Durchmesser besitzt als die darunterliegenden Schichten 61 und 62, liegt der äußere Materialbereich 75 nach oben hin unabgedeckt vor. Mit diesem Materialbereich 75 liegt die Drallscheibe 30 beispielsweise in einer Ausnehmung des Ventilsitzelements 26 dichtend an, wie es Figur 12 verdeutlicht. Das weiche Material (Ni) des Bereichs 75 erlaubt einen großen Stauchweg bei relativ niedrigen mechanischen Spannungen innerhalb des Materialbereichs 75. Der Stauchweg erlaubt das formschlüssige Anliegen der oberen Dichtfläche des Materialbereichs 75 an der Oberfläche des harten Ventilsitzelements 26, wodurch die Abdichtfunktion gewährleistet ist. In vorteilhafter Weise kann bei einer solchen Ausgestaltung auf separate Dichtelemente verzichtet werden. Eine ausreichende bleibende Anpreßkraft des Materialbereichs 75 am Ventilsitzelement 26 wird z.B. dadurch erzielt, indem stromabwärts der Drallscheibe 30 eine Spritzlochscheibe 76 angeordnet ist, die beispielsweise mit einer Schweißnaht 77 fest mit dem Ventilsitzelement 26 verbunden ist und die Drallscheibe 30 abstützt. Die Spritzlochscheibe 76 weist z.B. ein schräg zur Ventillängsachse 8 geneigtes Abspritzloch 78 auf, um die bereits mehrfach erwähnte Schrägabspritzung zu realisieren.
  • Grundsätzlich ist es denkbar, mehrere Drallscheiben 30 als Sandwichpaket aufeinanderaufzubauen.

Claims (49)

  1. Drallscheibe, insbesondere für Einspritzventile, aus wenigstens einem metallischen Material, mit einem vollständigen Durchgang für ein Fluid, mit wenigstens einem Einlaßbereich (65) und wenigstens einer Auslaßöffnung (69), wobei die wenigstens eine Auslaßöffnung (69) in einer unteren Bodenschicht (62) eingebracht ist, mit wenigstens zwei Drallkanälen (66), die in eine Drallkammer (68) münden, wobei die Drallkammer (68) in einer mittleren Drallerzeugungsschicht (61) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
    - eine obere Schicht als Deckelschicht (60) ausgebildet ist, die über ihre gesamte Querschnittsfläche eine geschlossene Schicht ohne Öffnungskonturen darstellt,
    - die Deckelschicht (60) die unter ihr liegende Drallkammer (68) vollständig abdeckt und
    - die Schichten der Drallscheibe (30) mittels galvanischer Metallabscheidung, insbesondere mittels Multilayergalvanik, unmittelbar haftfest aufeinander aufgebaut sind.
  2. Drallscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Drallerzeugungsschicht (61) von mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Materialbereichen (61') gebildet wird, die aufgrund ihrer geometrischen Lage zueinander die Konturen der Drallkammer (68) und der Drallkanäle (66) vorgeben.
  3. Drallscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier Materialbereiche (61') die Drallerzeugungsschicht (61) bilden, so daß zwischen ihnen eine Drallkammer (68) und vier Drallkanäle (66) entstehen.
  4. Drallscheibe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Materialbereiche (61') vom Außendurchmesser der unteren Bodenschicht (62) aus nach innen zur Drallkammer (68) hin erstrecken.
  5. Drallscheibe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Materialbereiche (61') mit einem Abstand vom äußeren Umfang der unteren Bodenschicht (62), die den Außendurchmesser der gesamten Drallscheibe (30) festlegt, erstrecken.
  6. Drallscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') stegartig verlaufen.
  7. Drallscheibe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') an ihren der Drallkammer (68) zugewandten Enden (70) schaufelförmig abgerundet sind.
  8. Drallscheibe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') derart angeordnet sind, daß sie eine kreisförmige, elliptische oder polygonale oder eine Mischform daraus aufweisende Drallkammer (68) begrenzen.
  9. Drallscheibe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') spiralförmig verlaufen.
  10. Drallscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Materialbereichen (61') eingeschlossenen Drallkanäle (66) in Strömungsrichtung eine Querschnittsverengung aufweisen.
  11. Drallscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') derart voneinander abweichend ausgeformt sind, daß sämtliche Drallkanäle (66) eine andere Ausrichtung bezüglich der Symmetrieachse der Drallscheibe (30) haben.
  12. Drallscheibe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über ihren Umfang gesehen die Drallkanäle (66) derart verlaufen, daß sich ihre Radialausrichtungen sowie ihre tangentialen Drallausrichtungen gegensinnig kontinuierlich verändern.
  13. Drallscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Drallerzeugungsschicht (61) von einem einzigen zusammenhängenden Materialbereich (61') gebildet wird, der aufgrund seiner Geometrie die Konturen der Drallkammer (68) und der Drallkanäle (66) vorgibt.
  14. Drallscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialbereich (61') mit dem gleichen Außendurchmesser ausgebildet ist wie die untere Bodenschicht (62).
  15. Drallscheibe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkanäle (66) an ihren der Drällkammer (68) abgewandten Enden Einlaßbereiche (65) besitzen, die durch einen umlaufenden Randbereich des Materialbereichs (61') vom äußeren Umfang der Drallscheibe (30) beabstandet sind.
  16. Drallscheibe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der horizontale Einströmquerschnitt des freien, unabgedeckten Einlaßbereichs (65) kleiner ist als der kleinste vertikale Drallkanalquerschnitt eines jeden Drallkanals (66) der Drallscheibe (30).
  17. Drallscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Drallkammer (68) Materialbereiche (61'') zur Strömungsbeeinflussung vorgesehen sind.
  18. Drallscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei unterschiedliche Materialien für den Aufbau der Schichten (60, 61, 62) zum Einsatz kommen.
  19. Drallscheibe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelschicht (60) und die Bodenschicht (62) aus einem härteren Galvanikmaterial bestehen als die dazwischenliegende Drallerzeugungsschicht (61).
  20. Drallscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Auslaßöffnung (69) in der Bodenschicht (62) kreisförmig, elliptisch oder mehreckig oder als Mischform daraus ausgebildet ist.
  21. Drallscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Auslaßöffnung (69) in der Bodenschicht (62) mittig oder außermittig zur Symmetrieachse der Drallscheibe (30) eingebracht ist.
  22. Drallscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Deckelschicht (60) einen kleineren Außendurchmesser als die untere Bodenschicht (62) aufweist.
  23. Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Ventillängsachse (8), mit einem Aktuator (1, 2, 14, 18, 19), mit einem beweglichen Ventilteil (20), das zum Öffnen und Schließen des Ventils mit einem festen Ventilsitz (27) zusammenwirkt, der an einem Ventilsitzelement (26) ausgebildet ist, und mit einer stromabwärts des Ventilsitzes (27) angeordneten Drallscheibe (30), die einen mehrschichtigen Aufbau besitzt und die aus wenigstens einem metallischen Material besteht und die sowohl wenigstens einen Einlaßbereich (65) als auch wenigstens eine Auslaßöffnung (69) hat, wobei die wenigstens eine Auslaßöffnung (69) in einer unteren Bodenschicht (62) eingebracht ist, und die eine Drallkammer (68) und wenigstens zwei in sie mündende Drallkanäle (66) stromaufwärts der Auslaßöffnung (69) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß
    - die Drallscheibe (30) eine obere Schicht als Deckelschicht (60) aufweist, die über ihre gesamte Querschnittsfläche eine geschlossene Schicht ohne Öffnungskonturen darstellt,
    - die Deckelschicht (60) die unter ihr liegende Drallkammer (68) vollständig abdeckt und
    - die Schichten der Drallscheibe (30) mittels galvanischer Metallabscheidung, insbesondere mittels Multilayergalvanik, unmittelbar haftfest aufeinander aufgebaut sind.
  24. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Drallerzeugungsschicht (61) der Drallscheibe (30) von mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Materialbereichen (61') gebildet wird, die aufgrund ihrer geometrischen Lage zueinander die Konturen der Drallkammer (68) und der Drallkanäle (66) vorgeben.
  25. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß vier Materialbereiche (61') die Drallerzeugungsschicht (61) bilden, so daß zwischen ihnen eine Drallkammer (68) und vier Drallkanäle (66) entstehen.
  26. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Materialbereiche (61') vom Außendurchmesser der unteren Bodenschicht (62) aus nach innen zur Drallkammer (68) hin erstrecken.
  27. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Materialbereiche (61') mit einem Abstand vom äußeren Umfang der unteren Bodenschicht (62), die den Außendurchmesser der gesamten Drallscheibe (30) festlegt, erstrecken.
  28. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') stegartig verlaufen.
  29. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') an ihren der Drallkammer (68) zugewandten Enden (70) schaufelförmig abgerundet sind.
  30. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') derart angeordnet sind, daß sie eine kreisförmige, elliptische oder polygonale oder eine Mischform daraus aufweisende Drallkammer (68) begrenzen.
  31. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') spiralförmig verlaufen.
  32. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Materialbereichen (61') eingeschlossenen Drallkanäle (66) in Strömungsrichtung eine Querschnittsverengung aufweisen.
  33. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbereiche (61') derart voneinander abweichend ausgeformt sind, daß sämtliche Drallkanäle (66) eine andere Ausrichtung bezüglich der Symmetrieachse der Drallscheibe (30) haben.
  34. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß über ihren Umfang gesehen die Drallkanäle (66) derart verlaufen, daß sich ihre Radialausrichtungen sowie ihre tangentialen Drallausrichtungen gegensinnig kontinuierlich verändern.
  35. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Drallerzeugungsschicht (61) der Drallscheibe (30) von einem einzigen zusammenhängenden Materialbereich (61') gebildet wird, der aufgrund seiner Geometrie die Konturen der Drallkammer (68) und der Drallkanäle (66) vorgibt.
  36. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialbereich (61') mit dem gleichen Außendurchmesser ausgebildet ist wie die untere Bodenschicht (62).
  37. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkanäle (66) an ihren der Drallkammer (68) abgewandten Enden Einlaßbereiche (65) besitzen, die durch einen umlaufenden Randbereich des Materialbereichs (61') vom äußeren Umfang der Drallscheibe (30) beabstandet sind.
  38. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der horizontale Einströmquerschnitt des freien, unabgedeckten Einlaßbereichs (65) kleiner ist als der kleinste vertikale Drallkanalquerschnitt eines jeden Drallkanals (66) der Drallscheibe (30).
  39. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Drallkammer (68) Materialbereiche (61'') zur Strömungsbeeinflussung vorgesehen sind.
  40. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei unterschiedliche Materialien für den Aufbau der Schichten (60, 61, 62) zum Einsatz kommen.
  41. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelschicht (60) und die Bodenschicht (62) aus einem härteren Galvanikmaterial bestehen als die dazwischenliegende Drallerzeugungsschicht (61).
  42. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Auslaßöffnung (69) in der Bodenschicht (62) kreisförmig, elliptisch oder mehreckig oder als Mischform daraus ausgebildet ist.
  43. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Auslaßöffnung (69) in der Bodenschicht (62) mittig oder außermittig zur Symmetrieachse der Drallscheibe (30) eingebracht ist.
  44. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Deckelschicht (60) einen kleineren Außendurchmesser als die untere Bodenschicht (62) aufweist.
  45. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallscheibe (30) derart mit wenigstens einem Materialbereich (75) ausgebildet ist, daß mit diesem Materialbereich (75) eine Abdichtung gegenüber dem Ventilsitzelement (26) erfolgt.
  46. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallscheibe (30) mittels Schweißen, Kleben oder Klemmen in einem stromabwärts des Ventilsitzelements (26) angeordneten Halteelement (55) befestigt ist.
  47. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (55) eine Spritzlochscheibe (76) ist.
  48. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallscheibe (30) mittels Schweißen, Kleben oder Klemmen in einem Ventilsitzträger (21) befestigt ist.
  49. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 23 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drallscheiben (30) als Sandwichpaket aufeinandergebaut sind.
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