Zerstäuberscheibe nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. von einem Einspritzventil mit einer Lochscheibe bzw.

Zerstäuberscheibe nach der Gattung des Anspruchs 14.

Es ist bereits aus der EP-OS 0 354 660 bekannt, Düsen in Lochscheibenform zu fertigen, die sogenannte"S-Typ- Scheiben"darstellen. Damit ist gemeint, daß die Ein-und die Auslaßöffnungen in der Lochscheibe zueinander versetzt ausgebildet sind, wodurch sich zwangsläufig ein"S-Schlag" in der Strömung eines die Lochscheibe durchströmenden Fluids ergibt. Die vorgeschlagenen Lochscheiben werden von zwei ebenen, durch Bonden zusammengefügten Plättchen gebildet, die aus Silizium bestehen. An den Siliziumplättchen sind Bereiche reduzierter Dicke ausgeformt, so daß Scherspalte parallel zu den Stirnflächen der Plättchen zwischen den Öffnungen des ersten Plättchens und der einen Öffnung des zweiten Plättchens gebildet sind. Mit der bekannten Maskentechnik werden durch Ätzen auf Siliziumwafern, die eine Vielzahl von Lochscheibenstrukturen aufweisen, die Ein- und Auslaßöffnungen erzeugt. Die kegelstumpfförmigen

Konturen für die Öffnungen in der Lochscheibe ergeben sich in logischer Weise aus der anisotropen Ätztechnik.

Aus der US-PS 4 907 748 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das an seinem stromabwärtigen Ende eine aus zwei Siliziumplättchen bestehende Düse aufweist. Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Lochscheiben weisen die Ein-und Auslaßöffnungen in den beiden Siliziumplättchen zueinander Versätze auf, so daß ein nS-Schlag"in der Strömung eines durchströmenden Fluids, hier Brennstoff, entsteht.

Bekannt sind des weiteren aus der DE-OS 43 31 851 Lochscheiben, die aus zwei oder drei miteinander verbundenen Siliziumplättchen bestehen. Dabei folgen einer oberen Einlaßöffnung in dem oberen Plättchen mehrere Austrittsöffnungen in dem unteren Plättchen mit deutlicher Überdeckung. Die Lochscheiben sind zur Abspritzung eines Brennstoff-Gas-Gemisches mit Gaszuströmkanälen versehen, aus denen ein Gas weitgehend senkrecht auf den abzuspritzenden Brennstoff trifft.

Alle vorgenannten Lochscheiben aus Silizium besitzen den Nachteil einer eventuell nicht ausreichenden Bruchfestigkeit, die sich durch die Sprödigkeit von Silizium ergibt. Gerade bei Dauerbelastungen z. B. an einem Einspritzventil (Motorschwingungen) besteht die Gefahr, daß die Siliziumplättchen brechen. Die Montage der Siliziumplättchen an metallischen Bauteilen, wie beispielsweise an Einspritzventilen, ist aufwendig, da besondere spannungsfreie Klemmlösungen gefunden werden müssen und die Abdichtung am Ventil problematisch ist. Ein Anschweißen der Lochscheiben aus Silizium am Einspritzventil ist z. B. nicht möglich. Außerdem besteht der Nachteil einer

Kantenabnutzung an den Öffnungen der Siliziumscheiben beim oftmaligen Durchströmen mit einem Fluid.

Aus der WO 95/25889 ist bereits bekannt, an einem Brennstoffeinspritzventil einerseits eine Spritzlochscheibe mit mehreren Abspritzlöchern und andererseits weiter stromabwärts eine Zerstäuberscheibe vorzusehen. Die Abspritzlöcher sind dabei in einer zentralen konischen Vertiefung der Spritzlochscheibe eingebracht. In vollständig davon getrennt ausgeführter Weise folgt dieser Spritzlochscheibe die mehrere Lagen bzw. Plättchen umfassende Zerstäuberscheibe, in die Luft über eine spezielle Öffnungsgeometrie von außen einströmt. Die aus rostfreiem Stahl ausgebildeten Blechplättchen der Zerstäuberscheibe weisen eine innere zentrale Durchgangsöffnung auf, in der die Luft weitgehend senkrecht auf den aus den Abspritzlöchern der Spritzlochscheibe kommenden Brennstoff trifft.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Lochscheibe bzw. Zerstäuberscheibe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 14 haben den Vorteil, daß eine besonders gleichmäßige Feinstzerstäubung eines Fluids mit Hilfe eines Gases erreicht wird, wobei eine besonders hohe Zerstäubungsgüte und eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Strahlformung erzielt wird. Als Konsequenz können bei Verwendung einer solchen Lochscheibe bzw.

Zerstäuberscheibe an einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine unter anderem die Abgasemission der Brennkraftmaschine reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.

Mittels galvanischer Metallabscheidung lassen sich in vorteilhafter Weise Lochscheiben bzw. Zerstäuberscheiben in reproduzierbarer Weise äußerst präzise und kostengünstig in sehr großen Stückzahlen gleichzeitig herstellen. Außerdem erlaubt diese Herstellungsweise eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da die Konturen der Öffnungen in der Lochscheibe frei wählbar sind. 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 Herstellung der erfindungsgemäßen Lochscheibe bzw. Zerstäuberscheibe zum Einsatz kommen.

Mit der Multilayergalvanik sind in besonders vorteilhafter Weise kostengünstig und mit extrem großer Präzision Hinterschneidungen erzielbar.

Außerdem besteht ein großer Vorteil darin, daß die mittels galvanischer Metallabscheidung hergestellten Lochscheiben einteilig ausgeführt sind, da die einzelnen Funktionsebenen in unmittelbar aufeinanderfolgenden Abscheideverfahrensschritten aufeinander aufgebaut werden.

Nach Beendigung des Metallabscheidens liegt die Lochscheibe einteilig vor ; es sind also keine zeit-und kostenintensiven Verfahrensschritte zum Verbinden einzelner Düsenplättchen nötig. Des weiteren entfallen Probleme, die sich bei mehrteiligen Lochscheiben durch die Zentrierung bzw. die Positionierung einzelner Plättchen zueinander ergeben.

In vorteilhafter Weise sind sehr einfach ohne zusätzlichen Kostenaufwand in einer solchen mittels galvanischer Metallabscheidung hergestellten Lochscheibe bzw.

Zerstäuberscheibe Mittel zur Gaszufuhr ausformbar. Über diese Mittel zur Gaszufuhr erfolgt eine Gasströmung in

Richtung zum abzuspritzenden Brennstoff, durch die der Brennstoff besonders fein zerstäubt wird. Neben einer optimalen Aufbereitung und Zerstäubung des Brennstoffs beeinflußt der Gaszuströmimpuls auch die Strahlrichtung des Brennstoffs im Austritt. Bei einem hohen Impuls nimmt beispielsweise der einhüllende Winkel eines kegelförmigen Brennstoffstrahls ab. Dieser Effekt kann für eine lastabhängige Steuerung der Strahlform verwendet werden. Bei niedriger Motorlast, bei der aufgrund der Drosselklappenstellung ein Unterdruck im Saugrohr erzeugt wird, ist das treibende Druckgefälle für die Gasumfassung hoch, so daß das Strahlvolumen eingeengt ist. Bei hoher Motorlast lassen sich auf diese Art und Weise breitere Strahlbilder mit größeren Kegelwinkeln erzeugen. Je nach örtlicher Verteilung der Brennstoffeintragung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kann durch die gasgesteuerte Strahlbildbeeinflussung die betriebslastideale Verbrennung erreicht werden. Entsprechend unterschiedlich gewählter Öffnungsgeometrien in der Lochscheibe lassen sich diese Strahlbildbeeinflussungen auch bei einer Flachstrahlabspritzung oder bei einem asymmetrischen Strahlverlauf vornehmen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Lochscheibe bzw. Zerstäuberscheibe bzw. des im Anspruch 14 angegebenen Einspritzventils möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäßen Lochscheiben in der Form von sogenannten S-Typ-Scheiben auszubilden, um exotische, bizarre Strahlformen erzeugen zu können. Diese Lochscheiben ermöglichen für Ein-, Zwei-und Mehrstrahlsprays Strahlquerschnitte in unzähligen Varianten, wie z. B. Rechtecke, Dreiecke, Kreuze, Ellipsen. Solche

ungewöhnlichen Strahlformen erlauben eine genaue optimale Anpassung an vorgegebene Geometrien, z. B. an verschiedene Saugrohrquerschnitte von Brennkraftmaschinen. Daraus ergeben sich die Vorteile einer formangepaßten Ausnutzung des verfügbaren Querschnitts zur homogen verteilten, abgasmindernden Gemischeinbringung und einer Vermeidung von abgasschädlichen Wandfilmanlagerungen an der Saugrohrwandung.

In einfacher Art und Weise sind Strahlbildvariationen möglich. So sind besonders einfach flache, keglige, mehrere Einzelstrahlen umfassende und asymmetrische (einseitig gerichtete) Strahlbilder erzeugbar.

Durch eine asymmetrische, z. B. einseitige Gaszufuhr kann der Brennstoffstrahl sehr gut einseitig abgelenkt werden. Dies kann insofern vorteilhaft sein, wenn Brennstoff bei jeder Betriebslast stets unter einem bestimmten Winkel auf ein Einlaßventil gespritzt werden soll.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäßen Zerstäuberscheiben als Drallscheiben auszubilden, um eine besonders gute Zerstäubung des abzuspritzenden Fluids zu erreichen. Indem die Gaszuführöffnungen als Mittel zur Gaszufuhr nicht radial, sondern tangential in die Auslaßöffnung mündend verlaufen, kann ein zusätzlicher Drall auch im Gas erzeugt werden. Dieser Drall kann gleichsinnig oder gegenläufig zum Drall des Brennstoffs sein. Bei gegenläufigem Drall sind die Relativgeschwindigkeiten zwischen rotierendem Gasstrom und rotierender Strahloberfläche am größten. So wird die Desintegration des Brennstoffstrahls in kleine Tröpfchen besonders gefördert.

In idealer Weise sind die Mittel zur Gaszufuhr als Gaszuführöffnungen ausgebildet, die an ihrem vom Umfang der

Lochscheibe abgewandten, inneren Ende zugleich die Auslaßöffnungen für den Brennstoff bilden, wobei die Größen der Auslaßöffnungen durch das Material der darüber galvanisch aufgebauten Funktionsebene vorgegeben sind. Es entsteht also in keinster Weise ein Mehraufwand gegenüber der Herstellung von Lochscheiben, die in ihrer unteren Ebene nur Auslaßöffnungen ohne Gaszufuhrmittel aufweisen.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Beispiel eines teilweise dargestellten Einspritzventils mit einer erfindungsgemäßen Lochscheibe, Figur 2 die Lochscheibe gemäß Figur 1 in einer Draufsicht, Figur 3 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2, Figur 4 ein zweites Beispiel eines teilweise dargestellten Einspritzventils mit einer erfindungsgemäßen Lochscheibe, Figur 5 die Lochscheibe gemäß Figur 4 in einer Unteransicht und Figur 6 eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie VI-VI in Figur 5.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In der Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger 1, in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 7, an

dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw.

Schließen des Einspritzventils dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende der Ventilnadel 5 durch z. B. eine Schweißnaht mittels eines Lasers verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.

Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines Ventilsitzkörpers 16, der in das stromabwärts liegende, dem Kern 12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 in der konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden Längsöffnung 3 beispielsweise durch Schweißen dicht montiert ist. Nahe seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten, unteren Stirnseite 17 ist stromabwärts des Ventilsitzkörpers 16 ein z. B. topfförmig ausgebildeter Lochscheibenhalter 21 angeordnet. Der Lochscheibenhalter 21 weist dabei eine ähnliche Form auf wie bereits bekannte topfförmige Spritzlochscheiben, wobei ein mittlerer Bereich des Lochscheibenhalters 21 mit einer Durchgangsöffnung 20 ohne Zumeßfunktion versehen ist.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Lochscheibe 23 ist stromaufwärts der Durchgangsöffnung 20 an der unteren

Stirnseite 17 derart angeordnet, daß sie die Durchgangsöffnung 20 vollständig überdeckt. Die Lochscheibe 23 stellt ein Einsatzteil dar, das zwischen dem Ventilsitzkörper 16 und dem Lochscheibenhalter 21 einsetzbar ist. Der Lochscheibenhalter 21 ist mit einem Bodenteil 24 und einem Halterand 26 ausgeführt. Der Halterand 26 erstreckt sich in axialer Richtung dem Ventilsitzkörper 16 abgewandt und ist bis zu seinem Ende hin konisch nach außen gebogen. Der Lochscheibenhalter 21 ist im Bereich des Halterandes 26 mit der Wandung der Längsöffnung 3 im Ventilsitzträger 1 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte Schweißnaht 30 verbunden.

Die im Bereich der Durchgangsöffnung 20 zwischen dem Lochscheibenhalter 21 und dem Ventilsitzkörper 16 einklemmbare Lochscheibe 23 ist beispielsweise gestuft ausgeführt. Ein oberer, einen kleineren Durchmesser als ein Grundbereich 32 aufweisender Lochscheibenbereich 33 ragt dabei in eine stromabwärts einer Ventilsitzfläche 29 folgende z. B. gestufte Austrittsöffnung 31 des Ventilsitzkörpers 16 maßgenau hinein. Die Austrittsöffnung 31 kann auch einfach nur zylindrisch ohne Abstufungen ausgeführt sein. Für diesen Bereich Lochscheibenbereich 33/Austrittsöffnung 31 kann auch eine Preßpassung vorgesehen sein. Der über den Lochscheibenbereich 33 radial hinausragende und somit einklemmbare Grundbereich 32 der Lochscheibe 23 liegt einerseits an der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 und andererseits am Bodenteil 24 des Lochscheibenhalters 21 an. Während der Lochscheibenbereich 33 z. B. zwei Funktionsebenen, nämlich eine mittlere und eine obere Funktionsebene, der Lochscheibe 23 umfaßt, bildet eine untere Funktionsebene den

Grundbereich 32 allein. Unter einer Funktionsebene soll dabei ein Bereich der Lochscheibe 23 in axialer Ausdehnung verstanden werden, aber dessen axiale Erstreckung jeweils eine weitgehend konstante Öffnungskontur vorliegt.

Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 bzw. des topfförmigem Lochscheibenhalters 21 in die Längsöffnung 3 bestimmt die Größe des Hubs der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an der Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 festgelegt ist.

Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt somit den Hub dar.

Der kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 zusammen, die in axialer Richtung zwischen der Führungsöffnung 15 und der unteren Austrittsöffnung 31 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet ist.

Der Ventilsitzträger 1, der Ventilsitzkörper 16 sowie die Lochscheibe 23 sind derart ausgeführt, daß dem über die Lochscheibe 23 abzuspritzenden Fluid, z. B. einem Brennstoff, ein Gas, insbesondere Luft, zuführbar ist. Als Gas kann z. B. die durch einen Bypass vor einer Drosselklappe in dem Saugrohr der Brennkraftmaschine abgezweigte Saugluft, durch ein Zusatzgebläse geförderte Luft, mit Brennstoffdampf aus einem Tankentlüftungssystem angereicherte Luft, aber auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine oder eine Mischung aus Luft und Abgas verwendet werden. Zur Zuführung

des Gases sind beispielsweise im Ventilsitzträger 1 mehrere radial verlaufende Zuströmöffnungen 35 vorgesehen.

Der Ventilsitzkörper 16 weist an seinem Umfang wenigstens eine, üblicherweise mindestens zwei sich axial erstreckende, nutähnliche Vertiefungen 36 auf, die nach außen hin von der Wandung der Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 begrenzt werden und somit Strömungskanäle 37 für das Gas bilden. Die Vertiefungen 36 beginnen in Höhe der Zuströmöffnungen 35 und enden an der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 in einem Bereich, in dem eine Fase 38 zum erleichterten Einströmen des Gases in die Lochscheibe 23 ausgeformt ist.

Anstelle von nutförmigen Vertiefungen 36 können die Vertiefungen 36 auch als plane Abschliffe am Umfang des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet sein. Stromabwärts der unteren Stirnseite 17 mit der Fase 38 tritt die Gasströmung in einen Ringraum 39 ein, der von der inneren Wandung des Ventilsitzträgers 1, vom Lochscheibenhalter 21 und dem Ventilsitzkörper 16 begrenzt wird. In diesem Ringraum 39 verteilt sich die Gasströmung weitgehend gleichmäßig über den Umfang.

Die Lochscheibe 23 ist in ihrem unteren Grundbereich 32 mit Mitteln 43 (Figuren 2 und 3) zur Gaszufuhr in Richtung ihrer Abspritzgeometrie ausgeführt, in die das Gas von den Strömungskanälen 37 und dem Ringraum 39 kommend eintritt und sie weitgehend senkrecht zur Ventillängsachse 2 durchströmt.

Die Strömungswege des Gases sind in Figur 1 mit Strichlinien dargestellt, während der prinzipielle Strömungsweg des Fluids bzw. letztlich des abgespritzten Fluid-Gas-Gemisches mit durchgehenden Pfeillinien gekennzeichnet ist.

Die in der gestuften Austrittsöffnung 31 des Ventilsitzkörpers 16 teilweise angeordnete und durch den Lochscheibenhalter 21 unmittelbar an der Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 festgehaltene Lochscheibe 23 ist in der Figur 1 nur vereinfacht und beispielhaft dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Das Einsetzen der Lochscheibe 23 mit einem Lochscheibenhalter 21 und eine Klemmung als Befestigung ist nur eine mögliche Variante des Anbringens der Lochscheibe 23 stromabwärts der Ventilsitzfläche 29. Eine solche Einspannung als indirekte Befestigung der Lochscheibe 23 am Ventilsitzkörper 16 hat den Vorteil, daß temperaturbedingte Verformungen vermieden werden, die eventuell bei Verfahren wie Schweißen oder Löten bei einer direkten Befestigung der Lochscheibe 23 auftreten könnten. Der Lochscheibenhalter 21 stellt also keineswegs eine ausschließliche Bedingung zur Befestigung der Lochscheibe 23 dar. Da die Befestigungsmöglichkeiten nicht erfindungswesentlich sind, soll hier nur der Verweis auf übliche bekannte Fügeverfahren, wie Schweißen, Löten oder Kleben, erfolgen.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Lochscheibe 23 wird in mehreren metallischen Funktionsebenen 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 : -Funktionsebenen mit über die Scheibenfläche konstanter Dicke, -durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Funktionsebenen, 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 Lochscheibe, da die einzelnen Metallabscheidungen unmittelbar aufeinander erfolgen.

An dieser Stelle soll eine kurze Begriffsdefinition erfolgen, da die Begriffe"Schicht"und"Funktionsebene" verwendet sind. Eine Funktionsebene der Lochscheibe 23 stellt eine Lage dar, über deren axialer Erstreckung die Kontur einschließlich der Anordnung aller Öffnungen zueinander und der Geometrie jeder einzelnen Öffnung weitgehend konstant bleibt. Unter einer Schicht soll dagegen die in einem Galvanikschritt aufgebaute Lage der Lochscheibe 23 verstanden werden. Eine Schicht kann jedoch mehrere Funktionsebenen aufweisen, die z. B. mit dem sogenannten lateralen Überwachsen herstellbar sind. In einem einzigen Galvanikschritt werden dann mehrere Funktionsebenen (z. B. bei einer drei Funktionsebenen umfassenden Lochscheibe 23 die mittlere und die obere Funktionsebene) gebildet, die eine zusammenhängende Schicht darstellen. Die jeweiligen Funktionsebenen weisen dabei jedoch, wie oben bereits erwähnt, unterschiedliche Öffnungskonturen (Einlaß-, Auslaßöffnungen, Kanäle) zur jeweils unmittelbar folgenden Funktionsebene auf. Die einzelnen Schichten der Lochscheibe 23 werden nacheinander galvanisch abgeschieden, so daß sich die Folgeschicht aufgrund galvanischer Haftung fest mit der

darunterliegenden Schicht verbindet und alle Schichten zusammen dann eine einteilige Lochscheibe 23 bilden. Die einzelnen Funktionsebenen bzw. Schichten der Lochscheibe 23 sind daher mit einzeln hergestellten Düsenplättchen aus Metall oder Silizium bei bekannten Lochscheiben des Standes der Technik nicht vergleichbar.

In den folgenden Abschnitten wird nur in Kurzform das Verfahren zur Herstellung der dargestellten Lochscheiben 23 erläutert. Ausführlich wurden sämtliche Verfahrensschritte der galvanischen Metallabscheidung zur Herstellung einer Lochscheibe bereits in der DE-OS 196 07 288 beschrieben, deren Offenbarung hier ebenfalls gelten soll. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Strukturdimensionen und die Präzision von Einspritzdüsen gewinnen Mikrostrukturierungsverfahren heute eine zunehmende Bedeutung für ihre großtechnische Herstellung. Im allgemeinen wird für den Fluß des Fluids, z. B. des Brennstoffs, innerhalb der Düse bzw. der Lochscheibe ein Verlaufsweg gefordert, der die bereits angesprochene Turbulenzbildung innerhalb der Strömung begünstigt.

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 einsetzbar ist. Auf einem Wafer kann eine Vielzahl von Lochscheiben 23 gleichzeitig gefertigt werden.

Ausgangspunkt für das Verfahren ist eine ebene und stabile Trägerplatte, die z. B. aus Metall (Titan, Kupfer),

Silizium, Glas oder Keramik bestehen kann. Auf die Trägerplatte wird optional zunächst wenigstens eine Hilfsschicht aufgalvanisiert. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Galvanikstartschicht (z. B. Cu), die zur elektrischen Leitung für die spätere Mikrogalvanik benötigt wird. Die Galvanikstartschicht kann auch als Opferschicht dienen, um später ein einfaches Vereinzeln der Lochscheibenstrukturen durch Ätzung zu ermöglichen. Das Aufbringen der Hilfsschicht (typischerweise CrCu oder CrCuCr) geschieht z. B. durch Sputtern oder durch stromlose Metallabscheidung. Nach dieser Vorbehandlung der Trägerplatte wird auf die Hilfsschicht ein Photoresist (Photolack) ganzflächig aufgebracht.

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 Schicht bzw. Funktionsebene der Lochscheibe 23. 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 zu belichten (W-Tiefenlithographie).

Die letztlich im Photoresist entstehende Negativstruktur zur späteren Funktionsebene der Lochscheibe 23 wird galvanisch mit Metall (z. B. Ni, NiCo) 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 Lochscheibe 23 zu realisieren, müssen die Schritte ab dem optionalen Aufbringen der Hilfsschicht

entsprechend der Anzahl der gewünschten Schichten wiederholt werden, wobei z. B. zwei Funktionsebenen in einem Galvanikschritt erzeugt werden (laterales Überwachsen). Für die Schichten einer Lochscheibe 23 können auch unterschiedliche Metalle verwendet werden, die jedoch nur in einem jeweils neuen Galvanikschritt einsetzbar sind.

Abschließend erfolgt das Vereinzeln der Lochscheiben 23.

Dazu wird die Opferschicht weggeätzt, wodurch die Lochscheiben 23 von der Trägerplatte abheben. Danach werden die Galvanikstartschichten durch Ätzung entfernt und der verbliebene Photoresist aus den Metallstrukturen herausgelöst.

Die Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Lochscheibe 23 in einer Draufsicht. Die Lochscheibe 23 ist als flaches, kreisförmiges Bauteil ausgeführt, das mehrere, beispielsweise drei, axial aufeinanderfolgende Funktionsebenen aufweist. Besonders die Figur 3, die eine Schnittdarstellung entlang einer Linie III-III in Figur 2 ist, verdeutlicht den Aufbau der Lochscheibe 23 mit ihren drei Funktionsebenen, wobei die zuerst aufgebaute, untere Funktionsebene 45, die der zuerst abgeschiedenen Schicht bzw. dem Grundbereich 32 der Lochscheibe 23 entspricht, einen größeren Außendurchmesser besitzt als die beiden nachfolgend aufgebauten Funktionsebenen 46 und 47, die zusammen den Lochscheibenbereich 33 bilden und z. B. in einem Galvanikschritt hergestellt sind.

Die obere Funktionsebene 47 weist eine Einlaßöffnung 40 mit einem rechteckförmigen Querschnitt auf. Mit z. B. jeweils gleichem Abstand zur Ventillängsachse 2 und damit zur Mittelachse der Lochscheibe 23 und um diese beispielsweise

auch symmetrisch angeordnet sind in der unteren Funktionsebene 45 vier z. B. quadratische Auslaßöffnungen 42 vorgesehen, in die jeweils eine schlitzförmige Gaszuführöffnung 43 mündet. Die Auslaßöffnungen 42 sind dabei entlang der beiden Längsseiten der rechteckförmigen Einlaßöffnung 40 ausgebildet, wobei die Auslaßöffnungen 42 selbstverständlich in einer anderen Funktionsebene 45 eingebracht sind. Vom äußeren Umfang des Grundbereichs 32 der Lochscheibe 23 beginnend verlaufen die vier Gaszuführöffnungen 43 mit rechteckigen Querschnitten parallel bzw. fluchtend zueinander in das Innere der Lochscheibe 23 hinein bis hin zu Endbereichen, die die Auslaßöffnungen 42 sind. Die Auslaßöffnungen 42 stellen damit das vom äußeren Umfang der Lochscheibe 23 entfernte Ende jeweils einer Gaszuführöffnung 43 dar. Im Abschnitt des über den Lochscheibenbereich 33 radial hinausstehenden Grundbereichs 32 sind die Gaszuführöffnungen 43 weitgehend durch den Ventilsitzkörper 16 und den Lochscheibenhalter 21 abgedeckt, so daß Gaszuführkanäle vorliegen.

Die quadratischen Auslaßöffnungen 42 liegen bei einer Projektion aller Funktionsebenen 45,46,47 in eine Ebene (Figur 2) mit einem Versatz zur Einlaßöffnung 40 vor, d. h. in der Projektion wird die Einlaßöffnung 40 an keiner Stelle die Auslaßöffnungen 42 überdecken. Der Versatz kann dabei jedoch in verschiedene Richtungen unterschiedlich groß sein.

Um eine Fluidströmung von der Einlaßöffnung 40 bis hin zu den Auslaßöffnungen 42 zu gewährleisten, ist in der mittleren Funktionsebene 46 ein Kanal 41 (cavity) ausgebildet, der eine Kavität darstellt. Der eine Kontur eines nicht gleichmäßigen Achtecks aufweisende Kanal 41

besitzt eine solche Größe, daß er in der Projektion die Einlaßöffnung 40 vollständig überdeckt. Der Kanal 41 ist sogar so groß ausgeführt, daß in der Projektion auch sämtliche Auslaßöffnungen 42 von ihm überdeckt werden. Somit kann die Fluidströmung aufgrund der zumindest an jeweils drei Seiten der Auslaßöffnungen 42 überstehenden Kanalwandung weitgehend an allen Stellen des Umfangs jeder Auslaßöffnung 42 eintreten, wobei an den der Einlaßöffnung 40 abgewandten Seiten der Auslaßöffnungen 42 die Kanalwandung genau darüber steht. Das Material der mittleren Funktionsebene 46 deckt in Gasströmungsrichtung hinter dem Ventilsitzkörper 16 auch einen Teil der Gaszuführöffnungen 43 ab. Die darauffolgenden, aufgrund des Kanals 41 nicht abgedeckten Abschnitte der Gaszuführöffnungen 43 bilden die Auslaßöffnungen 42 und somit die dosierenden Austrittsquerschnitte für die Brennstoffströmung.

Die in Figur 3 gezeigten idealen senkrechten Wandungen aller Öffnungsbereiche 40,41,42 und 43 können fertigungstechnisch bedingt Abweichungen von maximal ca. 3° bis 4° aufweisen, so daß sich alle Öffnungsbereiche 40,41, 42 und 43 in Strömungsrichtung gesehen eventuell minimal in den oben angegebenen Winkelbereichen von der Senkrechten abweichend verjüngen.

Bei einem Durchmesser von ca. 2 bis 2,5 mm besitzt die Lochscheibe 23 z. B. eine Dicke von 0,3 mm, wobei alle Funktionsebenen 45,46 und 47 beispielsweise jeweils 0,1 mm stark sind. Besonders die mittleren Funktionsebenen 46 mit ihren als Kavitäten ausgebildeten Kanälen 41 werden am ehesten bei verschiedenen Ausführungsformen variabel bezüglich der Dicke der Funktionsebene 46 gestaltet werden,

um so sehr einfach über das Verhältnis des Versatzes von Einlaß-zu Auslaßöffnung 40 und 42 zur Höhe der Kavität 41 die Strömung zu beeinflussen. Diese Größenangaben zu den Abmessungen der Lochscheibe 23 dienen nur dem besseren Verständnis und schränken die Erfindung in keiner Weise ein.

Auch die relativen Abmaße der einzelnen Strukturen der Lochscheibe 23 in sämtlichen Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich, da Schichtdicken in den oben erwähnten Größenordnungen im Vergleich zu anderen Bauteilen relativ vergrößert dargestellt werden müssen.

Aufgrund des bereits angesprochenen Versatzes der Auslaßöffnungen 42 gegenüber der wenigstens einen Einlaßöffnung 40 ergibt sich ein S-förmiger Strömungsverlauf des Mediums, beispielsweise des Brennstoffs, weshalb diese Lochscheiben 23 S-Typ-Scheiben sind. Durch den radial verlaufenden Kanal 41 erhält das Medium eine Radial- geschwindigkeitskomponente. Die Strömung verliert im kurzen axialen Auslaßdurchtritt ihre Radialgeschwindigkeits- komponente nicht völlig. Vielmehr tritt sie mit einer Ablösung an den der Einlaßöffnung 40 zugewandten Wandungen der Auslaßöffnungen 42 unter einem Winkel zur Ventillängsachse 2 aus der Lochscheibe 23 aus. Die Kombination mehrerer, z. B. asymmetrisch zueinander ausrichtbarer Einzelstrahlen, die sich durch eine entsprechende Anordnung und Ausrichtung von Ein-, Auslaßöffnungen 40 und 42 und Kanälen 41 erzielen lassen, ermöglicht individuelle, komplexe Gesamtstrahlformen mit unterschiedlichen Mengenverteilungen.

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Durch den sogenannten S-Schlag innerhalb der Lochscheibe 23 mit mehreren starken Strömungsumlenkungen wird der Strömung

eine starke, zerstäubungsfördernde Turbulenz aufgeprägt. Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders stark ausgeprägt. Er ist ein Ausdruck für die Änderung der Geschwindigkeit quer zur Strömung, wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist als in der Nähe der Wandungen. Die aus den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden erhöhten Scherspannungen im Fluid begünstigen den Zerfall in feine Tröpfchen nahe der Auslaßöffnungen 42. Da die Strömung im Auslaß teilweise abgelöst ist, erfährt sie wegen fehlender Konturführung keine Strömungsberuhigung. Eine besonders hohe Geschwindigkeit weist das Fluid an der abgelösten Seite auf, während die Geschwindigkeit des Fluids zur Seite der Auslaßöffnung 42 mit anliegender Strömung abfällt. Die zerstäubungsfördernden Turbulenzen und Scherspannungen werden somit im Austritt nicht vernichtet.

Durch den S-Schlag bzw. die Strömungsablösung im Auslaß wird in dem Fluid eine feinskalige (hochfrequente) Turbulenz mit Querschwingungen erzeugt, welche den Strahl bzw. die Strahlen unmittelbar nach Austritt aus der Lochscheibe 23 in entsprechend feine Tröpfchen zerfallen läßt. Je größer die sich aus der Turbulenz ergebenden Scherspannungen sind, desto größer ist auch die Streuung der Strömungsvektoren.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Lochscheibe 23 stellt nur ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung von Öffnungsgeometrien in Multilayer-Galvanik-Lochscheiben dar.

Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß unzählige andere Öffnungskonturen ebenso erzeugbar sind, wie z. B. dreieckige, quadratische, rechteckförmige, vieleckige, runde, halbrunde, elliptische, abgerundete, sichelförmige,

kreuzförmige, tunnelportalähnliche, fledermausförmige, mäandierte, zahnradähnliche, knochenförmige, T-förmige, kreisringabschnittförmige, V-förmige Konturen, die auch in beliebiger Weise als Einlaßöffnungen 40 und Auslaßöffnungen 42 sowie Kanäle 41 kombiniert werden können. Ebenso können auch die Anordnung und die Form der Gaszuführöffnungen 43 beliebig variiert werden.

In der Figur 4 ist als ein zweites Ausführungsbeispiel ein Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt, wobei sich ein solches Einspritzventil besonders zum direkten Einspritzen eines Brennstoffs in den Brennraum einer derartigen Brennkraftmaschine eignet. In diesem Ausführungsbeispiel der nachfolgenden Figuren sind die gegenüber dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel gleichbleibenden bzw. gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Sämtliche bereits erläuterte Aspekte die Herstellungstechnologie betreffend gelten ebenso für die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Lochscheiben 23, die als Drallzerstäuberscheiben mittels Multilayergalvanik aufgebaut sind.

Die Figur 4 veranschaulicht ein weiteres Einbauprinzip einer erfindungsgemäßen Zerstäuberscheibe 23, bei dem am Ventilende ein zusätzliches Aufnahmeelement 50 verwendet ist, das in die gestufte Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 hineinragt. Der Ventilsitzkörper 16 ist in einer inneren Öffnung 51 mittels eines Dichtrings 52 dichtend in dem Aufnahmeelement 50 eingesetzt und z. B. mittels Laserschweißen, Einpressen, Einschrumpfen,

Hartlöten, Diffusionslöten oder Magnetumformen befestigt, wobei es sich mit seiner unteren Stirnseite 54 an einer Stufe 55 im Aufnahmeelement 50 abstützt. In stromabwärtiger Richtung gesehen verläuft die Öffnung 51 bis zur Stufe 55 zylindrisch und rotationssymmetrisch zur Ventillängsachse 2 mit einem größeren Durchmesser als stromabwärts der Stufe 55. Ein unterer Abschnitt 56 der Öffnung 51 dient zur Aufnahme der Zerstäuberscheibe 23, die als Drallscheibe ausgeführt ist. Die Zerstäuberscheibe 23 ist derart ausgebildet, daß vier galvanisch abgeschiedene Schichten bzw. Funktionsebenen mit einer jeweils voneinander abweichenden Öffnungskontur aufeinanderhaften, wobei wenigstens eine der beiden mittleren Schichten 46,46'einen äußeren Fügedurchmesser der Zerstäuberscheibe 23 vorgibt, so daß diese paßgenau in der Öffnung 51 des Aufnahmeelements 50 anliegt. Das Aufnahmeelement 50 und der Ventilsitzträger 1 sind beispielsweise mit einer umlaufenden Schweißnaht 57 fest verbunden. Der Ventilsitzkörper 16 übernimmt mit seiner Führungsöffnung 15 auch die Funktion der Führung der Ventilnadel 5.

Stromabwärts der Zerstäuberscheibe 23 ist in der Öffnung 51 noch ein zylindrisches scheibenförmiges Stützelement 58 angeordnet, auf dem die Zerstäuberscheibe 23 mit ihrer unteren Funktionsebene 45 aufliegt. Auf der dem Stützelement 58 gegenüberliegenden Seite ist in Höhe der oberen Funktionsebene 47 ein ringförmiges Dichtelement 61 auf die Zerstäuberscheibe 23 aufgelegt, das beim Einbringen des Stützelements 58 von unten gegen einen Absatz 63 der Öffnung 51 gedrückt wird. In vorteilhafter Weise ist das Dichtelement 61 aus einem Weichmetall wie Aluminium oder Kupfer ausgeführt. Andererseits ist aber auch ein

Dichtelement 61 aus Kunststoff oder Gummi denkbar. Mit einer unteren Stirnseite 59 des Aufnahmeelements 50 schließt z. B. das Stützelement 58 bündig ab, wobei die Befestigung mit einer Schweißnaht 60 im Bereich der Stirnseite 59 erfolgt.

Eine zentrale Auslaßöffnung 62 im Stützelement 58 ist z. B. in stromabwärtiger Richtung sich konisch erweiternd ausgeführt, um die Ausbreitung des Strahles nicht zu stören.

Die Zerstäuberscheibe 23 kann in sehr einfacher Weise von unten in dem Aufnahmeelement 50 eingebaut werden.

In dem Aufnahmeelement 50 ist wenigstens ein Strömungskanal 37 für ein Gas vorgesehen, der beispielsweise vom äußeren Umfang des Aufnahmeelements 50 aus bis zur Öffnung 51 verläuft. Hinter dem Strömungskanal 37 tritt die Gasströmung in einen in der Öffnung 51 gebildeten Ringraum 39 ein, der von der Zerstäuberscheibe 23, dem Stützelement 58 und der inneren Wandung des Aufnahmeelements 50 begrenzt wird. In diesem Ringraum 39 verteilt sich die Gasströmung weitgehend gleichmäßig über den Umfang.

Die Zerstäuberscheibe 23 ist in ihrer unteren Schicht bzw.

Funktionsebene 45 mit Mitteln 43 zur Gaszufuhr in Richtung ihrer Abspritzgeometrie ausgeführt, in die das Gas von dem Strömungskanal 37 und dem Ringraum 39 kommend eintritt und sie weitgehend senkrecht zur Ventillängsachse 2 durchströmt.

Die Figur 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Zerstäuberscheibe 23 mit Drallbeaufschlagung des durchströmenden Brennstoffs in einer Unteransicht. Die Zerstäuberscheibe 23 ist als flaches, kreisförmiges Bauteil ausgeführt, das mehrere, beispielsweise vier, axial

aufeinanderfolgende Funktionsebenen aufweist. Besonders die Figur 6, die eine Schnittdarstellung entlang einer Linie VI-VI in Figur 5 ist, verdeutlicht den Aufbau der Zerstäuberscheibe 23 mit ihren vier Funktionsebenen, wobei die zuerst aufgebaute, untere Funktionsebene 45, die der zuerst abgeschiedenen Schicht entspricht, einen kleineren Außendurchmesser besitzt als die beiden nachfolgend aufgebauten mittleren Funktionsebenen 46'und 46. Die obere Funktionsebene 47 weist z. B. wiederum einen Außendurchmesser auf, der dem der unteren Funktionsebene 45 entspricht.

Die obere Funktionsebene 47 weist mehrere Einlaßbereiche 40' auf. In der stromabwärtigen mittleren Funktionsebene 46'und der unteren Funktionsebene 45 ist z. B. eine kreisförmige Auslaßöffnung 42 vorgesehen, in die beispielsweise drei schlitzförmige, um 120° versetzt zueinander verlaufende Gaszuführöffnungen 43 münden. Die Auslaßöffnung 42 kann zwischen den Funktionsebenen 46'und 45 auch gestuft sein, wobei es vorteilhaft ist, den Durchmesser der Auslaßöffnung 42 in der unteren Funktionsebene 45 größer zu wählen als den Durchmesser der mittleren Funktionsebene 46'. In diesem Falle bildet sich zwischen dem Brennstoffstrahl und der Wandung der Auslaßöffnung 42 in der Funktionsebene 45 ein ringförmiger Hohlraum zur gleichmäßigen Verteilung des Gasstroms über den Strahlumfang aus.

Durch eine gezielte Verteilung der Gaszuführöffnungen 43 -aber den Scheibenumfang kann bei Gaszufuhr der Strahlquerschnitt des abzuspritzenden Brennstoffs gezielt verformt werden. Bei der in Figur 5 gezeigten Anordnung von drei Gaszuführöffnungen 43 kann ein Hohlkegelstrahl durch die Gaszufuhr in einen Strahl mit dreieckigem Querschnitt

verformt werden. Für andere gewünschte Strahlformen sind entsprechend die Anzahl der Gaszuführöffnungen 43 und die Verteilung der Gaszuführöffnungen 43 über den Scheibenumfang zu variieren. Im eingebauten Zustand der Zerstäuberscheibe 23 sind die Gaszuführöffnungen 43 durch das Stützelement 58 von unten her abgedeckt, so daß Gaszuführkanäle vorliegen.

Um eine Fluidströmung von den Einlaßbereichen 40'bis hin zu der Auslaßöffnung 42 zu gewährleisten, sind in der stromaufwärtigen mittleren Funktionsebene 46 mehrere Drallkanäle 64 ausgebildet, die z. B. tangential in eine zentrale Drallkammer 65 oberhalb der Auslaßöffnung 42 münden. Indem die Gaszuführöffnungen 43 nicht radial, sondern tangential in die Auslaßöffnung 42 mündend verlaufen, kann ein zusätzlicher Drall auch im Gas erzeugt werden. Dieser Drall kann gleichsinnig oder gegenläufig zum Drall des Brennstoffs sein. Bei gegenläufigem Drall sind die Relativgeschwindigkeiten zwischen rotierendem Gasstrom und rotierender Strahloberfläche am größten. So wird die Desintegration des Brennstoffstrahls in kleine Tröpfchen besonders gefördert.

Die Gaszuführöffnungen 43 bzw. die sich im eingebauten Zustand der Lochscheibe bzw. Zerstäuberscheibe 23 ergebenden Gaszuführkanäle weisen enge Querschnitte auf, die der Zumessung des Gases dienen. Zudem führt der enge Querschnitt zu einer Beschleunigung des Gases, so daß das Gas auf den abzuspritzenden Brennstoff im Bereich der Auslaßöffnungen 42 mit hoher Geschwindigkeit trifft und diesen unter Bildung feinster Tröpfchen umfaßt und zerstäubt. Der Auftreffimpuls und die Durchmischung des Gases mit dem Brennstoff führen zu einer sehr guten Zerstäubung des Brennstoffs. Dadurch wird

die Bildung eines weitgehend homogenen Brennstoff-Gas- Gemisches erzielt.

Die beschriebenen Lochscheiben bzw. Zerstäuberscheiben 23 sind nicht ausschließlich für den Gebrauch an Einspritzventilen vorgesehen ; sie können vielmehr auch z. B. bei Lackierdüsen, bei Inhalatoren, bei Tintenstrahldruckern oder bei Gefriertrockenverfahren, zum Ab-bzw. Einspritzen von Flüssigkeiten, wie z. B. Getränken, zum Zerstäuben von Medikamenten zum Einsatz kommen. Zur Erzeugung feiner Sprays, z. B. mit großen Winkeln, eignen sich die mittels Multilayergalvanik hergestellten und als S-Typ-Scheiben oder als Drallzerstäuberscheiben mit Gaszufuhr ausgebildeten Lochscheiben 23 ganz allgemein.