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Dokumentenidentifikation DE102004053762A1 11.05.2006
Titel Ventilnadel für Fluidventil
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Weselin, Heiko, 74081 Heilbronn, DE;
Heyse, Jörg, 74354 Besigheim, DE;
Sebastian, Thomas, Charleston, S.C., US
DE-Anmeldedatum 08.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004053762
Offenlegungstag 11.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.2006
IPC-Hauptklasse F16K 31/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02M 51/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B23P 13/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Ventilnadel für ein Fluidventil, insbesondere für ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoff-Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, angegeben, die eine hohlzylindrische Nadelhülse (18), die an einem Ende zum Einleiten des Fluids offen und am anderen Ende von einem Nadelkopf (19) abgeschlossen sowie mit radialen Austrittslöchern (30) für das Fluid versehen ist, und einen Filter (31) für das aus der Nadelhülse (18) ausströmende Fluid aufweist. Zur Erzielung einer rationellen Fertigung bei kleinsten Abmessungen der Nadelhülse (18) weisen die Austrittslöcher (30) einen Lochdurchmesser im µm-Bereich auf und sind in einer solch großen Anzahl über mindestens einen Teilmantelbereich der Nadelhülse (18) verteilt, dass die Nadelhülse (18) selbst den Filter (31) bildet. Bevorzugt ist die Nadelhülse (18) aus einem perforierten Blech gerollt, das mittels eines Extrudier- oder eines photolithographischen Galvanikverfahrens gewonnen wird (Fig. 2).

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einer Ventilnadel für ein Fluidventil, insbesondere für ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoff-Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Ventilnadel für ein Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen (DE 44 21 881 A1) ist die hohlzylindrische Nadelhülse, die an einem Stirnende von dem Nadel- oder Ventilschließkopf abgedeckt ist, mit mehreren radialen Austrittslöchern für den Kraftstoff versehen, wobei die Austrittslöcher von einem Filter abgedeckt sind, um alle im Kraftstoff stromaufwärts des Ventilsitzes im Innern des Einspritzventils befindlichen Partikel und Verunreinigungen vom Ventilsitz fernzuhalten, damit Verstopfungen bzw. Undichtigkeiten am Ventilsitz vermieden werden. Der Filter ist als Siebgewebe aus einem üblichen Polyamidgewebe hergestellt und in einem Ausführungsbeispiel in Form eines Siebstrumpfes über die Nadelhülse gezogen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der bekannten Ventilnadel besteht der Filter aus einem aus Kunststoff gefertigten, hülsenförmigen Trägerkörper und dem eigentlichen Siebgewebe, wobei das Siebgewebe bei der Herstellung des Trägerkörpers mit angespritzt wird. Der Trägerkörper wird von einem umlaufenden Ringabschnitt und von drei in Axialrichtung verlaufenden, um 120° am Umfang des Filters versetzt liegenden Axialstegen, die das Siebgewebe minimal überdecken, gebildet. Der Ringabschnitt ist so ausgebildet, dass er einen am Magnetanker existierenden Bund übergreift und somit eine Verrastung zwischen Trägerkörper und dem Magnetanker, mit dem die Nadelhülse fest verbunden ist, herstellen kann. Der Filter liegt vollständig außerhalb der eigentlichen Ventilnadel.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der bekannten Ventilnadel ist der Filter in die Nadelhülse eingeschoben. Der Filter besteht ebenfalls aus einem aus Kunststoff gefertigten Trägerkörper und dem Siebgewebe. Um eine ausreichende Stabilität des Filters zu erhalten weist der Trägerkörper einen dem Nadelkopf zugewandten Boden, einen umlaufenden, vom Nadelkopf abgewandten Ringabschnitt und zwei oder drei zwischen Ringabschnitt und Boden axial verlaufende und um 180° bzw. um 120° am Umfang versetzt angeordnete Axialstege auf. Das Siebgewebe wird wiederum bei der Herstellung des Trägerkörpers mit angespritzt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ventilnadel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass Nadelhülse und Filter von ein und demselben Bauteil gebildet sind, das im Vergleich zu einer Nadelhülse, auf die ein separater Filter aufgeschoben oder in die ein separater Filter eingeschoben ist, sehr wenig Bauraum beansprucht und fertigungstechnisch sehr rationell hergestellt werden kann; denn durch die Vereinigung von Nadelhülse und Filter entfällt sowohl ein zusätzlicher Herstellungsprozess für den Filter als auch ein zusätzlicher Montageschritt für das Aufziehen oder Einschieben des Filters.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Ventilnadel möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Nadelhülse aus einem perforierten Blech gerollt, wobei das perforierte Blech mittels eines Extrudierverfahrens hergestellt ist, indem das perforierte Blech von einem Materialsstrang, vorzugsweise Stahl, abgetrennt, vorzugsweise abgesägt wird, der durch mehrfaches Extrudieren eine Vielzahl von sehr dünnen, laminaren Kanälen aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Austrittslöcher aufgrund ihres Herstellungsprozesses absolut zylindrisch – und nicht konisch – sind, so dass sich Schmutzpartikel nicht so gut in den Austrittslöchern verkeilen können. Der Filter setzt sich weniger schnell zu. Durch das Extrudieren kann der Lochdurchmesser über die gesamte Filterfläche in sehr engen Toleranzgrenzen gehalten werden, so dass für Partikelgrößen oberhalb des vorgegebenen Lochdurchmessers ein Abscheidegrad von 100 sicher erreicht wird. Aus einem extrudierten Materialstrang lässt sich eine immens große Zahl von perforierten Blechen gewinnen, was zur Kostensenkung beiträgt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt eines Kraftstoff-Einspritzventils,

2 eine vergrößerte Darstellung einer Ventilnadel im Kraftstoff-Einspritzventil gemäß 1,

3 einen Schnitt längs der Linie III-III in 2,

4 eine mikroskopische Vergrößerung des Ausschnitts IV der Ventilnadel in 2,

5 eine Illustration eines Verfahren zur Herstellung der Ventilnadel gemäß 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiel

Das in 1 im Längsschnitt dargestellte elektromagnetisch betätigbare Kraftstoff-Einspritzventil für eine Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine als Ausführungsbeispiel für ein allgemeines Fluidventil weist einen als Kraftstoffeinlassstutzen dienenden, rohrförmigen Kern 11 auf, auf den ein mit einer Magnetspule 13 bewickelter Spulenkörper 12 eines Elektromagneten 14 aufgeschoben ist. Stromabwärts des Spulenkörpers 12 erstreckt sich ein rohrförmiger Ventilsitzträger 15, der über ein metallisches Zwischenteil 16 fest mit dem Kern 11 verbunden ist. Im Innern des rohrförmigen Ventilsitzträgers 15 ist koaxial eine Ventilnadel 17 angeordnet. Die Ventilnadel 17 (2 und 3) besteht aus einer zylinderförmigen Nadelhülse 18, die an einem Ende zum Einleiten des Kraftstoffs offen ist, einem Ventilschließ- oder Nadelkopf 19, der am anderen Ende der Nadelhülse 18 diese stirnseitig abschließt, und einem Magnetanker 20, der fest mit der Nadelhülse 18 verbunden ist, in dem Ventilsitzträger 15 und dem Zwischenteil 16 verschieblich geführt ist und stirnseitig dem Kern 11 gegenüberliegt.

Der Nadelkopf 19 wirkt mit einem Ventilsitz 22 zusammen, der an einem im Ventilsitzträger 15 gehaltenen Ventilsitzkörper 23 ausgebildet ist und eine im Ventilsitzkörper 23 angeordnete Ventilöffnung 24 umgibt. Der Nadelkopf 19 wird von einer Ventilschließfeder 35, die sich an dem von dem Nadelkopf 19 abgekehrten Ende der Nadelhülse 18 und an einer Einstellhülse 26 abstützt, auf den Ventilsitz 22 aufgepresst. Die Einstellhülse 26 dient zur Einstellung der Federvorspannung der Ventilschließfeder 25. Der Kern 11, der Spulenkörper 12 mit Magnetspule 13 und teilweise der Ventilsitzträger 15 sind von einer Kunststoffumspritzung 27 umschlossen, in der ein Anschlussstecker 28 für die Magnetspule 13 miteingespritzt ist. In dem den Kraftstoffeinlassstutzen bildenden Kern 11 ist ein Kraftstofffilter 29 eingesetzt, das aus einem Siebgewebe besteht.

Die Nadelhülse 18 weist eine Vielzahl von Austrittslöchern 30 für den an dem vom Nadelkopf 19 abgekehrten Stirnende der Nadelhülse 18 in die Nadelhülse 18 einströmenden Kraftstoff auf. Die Austrittslöcher 30 haben einen Lochdurchmesser im &mgr;m-Bereich und sind mindestens über einen Mantelteilbereich der Nadelhülse 18 in einer großen Anzahl, beispielsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet, so dass die Nadelhülse 18 zugleich einen Filter 31 bildet. Der Lochdurchmesser ist dabei an die Partikelgröße der stromaufwärts des Ventilsitzes 22 im Ventilinnern und im Kraftstoff enthaltenen Partikel angepasst, die noch von dem Ventilsitz 22 abgehalten werden sollen.

Bevorzugt besteht die Nadelhülse 18 aus einer perforierten dünnen Platte aus Stahl, im folgenden perforiertes Blech genannt, die zylinderförmig gerollt ist und auf deren einem Stirnende der kugelförmige Nadelkopf 19, vorzugsweise durch Schweißen, befestigt ist. Eine besonders vorteilhafte Filterwirkung wird dann erzielt, wenn das perforierte Blech mittels eines Extrudierverfahrens hergestellt wird, indem das perforierte Blech von einem Materialstrang abgesägt ist, der durch mehrfaches Extrudieren sehr dünne Laminarkanäle aufweist. Nach Abtrennen des Blechs vom Materialstrang bilden die laminaren Kanäle die Austrittslöcher 30. Aufgrund dieses Herstellungsprozesses sind die Austrittslöcher 30 absolut zylindrisch, und nicht konisch, so dass sich die Schmutzpartikel weniger gut in den Austrittslöchern 30 anlagern können und dadurch der Filter weniger schnell zugesetzt wird. Ein Beispiel für die Herstellung des perforierten Blechs durch ein Extrudierverfahren ist in der US 5 298 337 beschrieben.

4 zeigt eine mikroskopische Vergrößerung eines Ausschnitts des von der Nadelhülse 18 gebildeten Filters 31. Die Austrittslöcher 30 sind alle von der gleichen Größe, so dass für Partikel, deren Durchmesser oberhalb des Lochdurchmessers der Austrittslöcher 30 liegen, ein Abscheidegrad von 100% sicher erreicht wird. Die Austrittslöcher 30 können sehr dicht aneinander gesetzt werden. Die gesamte Nadelhülse 18 kann in dieser Weise perforiert sein, doch kann sich die Perforierung auch nur auf ausgewählte Bereiche der Nadelhülse 18 erstrecken. Der Lochdurchmesser der Austrittslöcher 30 kann bis zu einem Minimalwert von 6 &mgr;m frei gewählt werden. Die Nadelhülse 18 mit Filterwirkung wird vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt.

In 5 ist in einzelnen Verfahrensschritten a)–g) ein Verfahren zur Herstellung der Ventilnadel 17 illustriert, bei dem das perforierte Blech, aus dem die Nadelhülse 18 mit Filterwirkung gerollt ist, nicht in einem Extrudierverfahren, sondern in einem photolithographischen Galvanikprozess hergestellt wird. Auf ein Substrat 40 wird eine Fotolackschicht 41 aufgebracht, die durch eine Lochschablone 42 hindurch belichtet wird (5a). Danach wird die Fotolackschicht 41 entwickelt. Beim Entwickeln werden die unbelichteten Stellen der Fotolackschicht 41 nasschemisch entfernt, und auf dem Substrat 40 verbleiben an den belichteten Stellen der Fotolackschicht 41 kleine Lacktürme 411 (5b). Auf das die Lacktürme 411 tragende Substrat 40 wird eine Metallschicht 43, z.B. Nickel, soweit auf galvanisiert, dass die freien Stirnflächen der Lacktürme 411 im wesentlichen unbedeckt bleiben (5c). Anschließend wird die Metallschicht 43 mit den eingeschlossenen Lacktürmen 411 vom Substrat 40 abgelöst, und in der Metallschicht 43 werden die Lacktürme 411 nasschemisch herausgelöst, wodurch ein perforiertes Blech 44 mit den Austrittslöchern 30 erhalten wird, das in 5d im Schnitt und in 5e ausschnittweise in Draufsicht dargestellt ist. Das perforierte Blech 44 wird zu der Nadelhülse 18 zylindrisch gerollt, und die am Ende des Rollprozesses aneinanderstoßenden Längskanten des Bleches 44 werden miteinander verschweißt (5f). Auf das eine Stirnende der Nadelhülse 18 wird der als Kugelkopf ausgebildete Nadelkopf 19 aufgeschweißt, so dass der Nadelkopf 19 die Stirnseite der Nadelhülse 18 gegen Kraftstoffaustritt verschließt. Auf den vom Nadelkopf 19 abgekehrten Endabschnitt der Nadelhülse 18 wird ein den Magnetanker 20 bildender Ringkörper 45 aus weichmagnetischem Material aufgesetzt und mit der Nadelhülse 18 verschweißt. Die so hergestellte Ventilnadel 17 mit als Filter 31 wirkender Nadelhülse 18 ist in 5g dargestellt.

Beträgt der durch die Lochschablone 42 belichtete Bereich der Fotolackschicht 41 ein Vielfaches der Abmessungen des gewünschten perforierten Blechs 44, so können eine Mehrzahl von perforierten Blechen 44 gleichzeitig hergestellt werden, was das Verfahren sehr kostengünstig werden lässt.


Anspruch[de]
  1. Ventilnadel für ein Fluidventil, insbesondere für ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoff-Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer hohlzylindrischen Nadelhülse (18), die an einem Ende zum Einleiten des Fluids offen und am anderen Ende von einem Nadelkopf (19) abgeschlossen ist und radiale Austrittslöcher (30) für das Fluid aufweist, und mit einem von dem aus der Nadelhülse (18) austretenden Fluid durchströmten Filter (31), dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittslöcher (30) einen Lochdurchmesser im &mgr;m-Bereich aufweisen und in einer solch großen Anzahl über mindestens einen Teilmantelbereich der Nadelhülse (18) verteilt sind, dass die Nadelhülse (18) selbst den Filter (31) bildet.
  2. Ventilnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser der Austrittslöcher (30) je nach gewünschter Partikelgrößenabscheidung 6 &mgr;m und größer ist.
  3. Ventilnadel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelhülse (18) aus einem perforierten Blech gerollt ist.
  4. Ventilnadel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stirnseitig an dem zur Nadelhülse (18) gerollten Blech der Nadelkopf (19) befestigt, vorzugsweise verschweißt, ist.
  5. Ventilnadel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vom Nadelkopf (19) abgekehrten Stirnende des zur Nadelhülse (18) gerollten Blechs ein Magnetanker (20) befestigt, vorzugsweise angeschweißt, ist, der das Blechende übergreift.
  6. Ventilnadel nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass das perforierte Blech mittels eines Extrudierverfahrens hergestellt ist.
  7. Ventilnadel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das perforierte Blech von einem durch mehrfaches Extrudieren dünne Laminarkanäle aufweisenden Materialstrang abgetrennt, vorzugsweise abgesägt, ist.
  8. Ventilnadel nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass das perforierte Blech mittels eines photolithographischen Galvanikprozesses hergestellt ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Ventilnadel (17) für ein Fluidventil, insbesondere für ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoff-Einspritzventil für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, die eine Nadelhülse (18), einen an dem einen Ende der Nadelhülse (18) angeordneten, die Nadelhülse (18) stirnseitig abschließenden Nadelkopf (19) und einen am davon abgekehrten Ende der Nadelhülse (18) angeordneten Magnetanker (20) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    – auf ein Substrat (40) wird eine Fotolackschicht (41) aufgetragen,

    – die Fotolackschicht (41) wird durch eine Lochschablone (42) hindurch belichtet,

    – die Fotolackschicht (41) wird entwickelt, wodurch auf dem Substrat (40) an den belichteten Stellen kleine Lacktürme (411) der Fotolackschicht (41) verbleiben,

    – auf das die Lacktürme (411) tragende Substrat (40) wird eine Metallschicht (43) soweit aufgalvanisiert, dass die freien Stirnflächen der Lacktürme (411) im wesentlichen unbedeckt bleiben,

    – das Substrat (40) und die Lacktürme (411) werden entfernt,

    – das so entstandene, perforierte Blech (44) oder ein Abschnitt davon wird zur Nadelhülse (18) gerollt und die aneinanderstoßenden Längskanten des perforierten Blechs (44) fest miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt,

    – an dem einen Stirnende der Nadelhülse (18) wird der vorzugsweise als Kugelkopf ausgebildete Nadelkopf (19) befestigt, vorzugsweise angeschweißt, und

    – auf den vom Nadelkopf (19) abgekehrten Endabschnitt der Nadelhülse (18) wird der Magnetanker (20) als ein weichmagnetischer Ringkörper (45) aufgesetzt und mit der Nadelhülse (18) fest verbunden, vorzugsweise verschweißt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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