DE4422970A1 - Zerstäuberstruktur für ein Mikroventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zerstäuberstruktur eines Mikroventil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der PCT/DE93/00493 ist ein mikromechanisch herge­ stelltes Ventil bekannt, das in einer aus der Halbleiter­ technik verwendeten Mehrschichtstruktur hergestellt ist. Das Mikroventil weist mehrere Schichten auf. Eine der mitt­ leren Schichten trägt ein tellerförmiges Ventilschließ­ glied, das in der gleichen Schicht mittels einer Membrane geführt ist. Im unteren Bereich der Schicht ist unterhalb der Membrane ein Hohlraum ausgebildet, in dem sich zumin­ dest ein Teil eines Betätigungsorgans befindet. Oberhalb der mittleren Schicht ist eine Deckschicht mit einem zen­ tralen Auslaßanschluß aufgebracht. Der Rand des Auslaßan­ schlusses bildet den Ventilsitz. Im Kanal des Auslaßan­ schlusses ist eine Düsenplatte angeordnet, die das Aus­ strömverhalten der Flüssigkeit beeinflußt. Der Auslaßan­ schluß, das Ventilschließglied und der Ventilsitz haben ro­ tationssymmetrische Formen und sind koaxial zueinander an­ geordnet.

Bei Betrieb des Ventils strömt eine Flüssigkeit durch einen axial in den unteren Schichten angeordneten Zulaufanschluß ein. In der Ventilkammer umströmt sie das offene Ventil­ schließglied, um sich auf der Rückseite des Schließgliedes vor einem zentralen Auslaßanschluß für das Ausströmen zu sammeln und mittels einer dort angeordneten Düsenplatte zerstäubt zu werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zerstäuberstruktur nach dem Kennzei­ chen des Hauptanspruchs mit ihren langen Zerstäuberkanten hat gegenüber den für Mikroventile bekannten Düsenplatten eine Vielzahl von Vorteilen. So erfolgt bei den erfindungs­ gemäßen Zerstäuberstrukturen eine Direktzerstäubung an der Dichtkante des Mikroventils. Die bekannten, oben erwähnten Düsenplatten bestehen z. B. aus einer mit Bohrungen verse­ henen Platte. Die Summe der Bohrungsquerschnitte stellt den relativ kleinen wirksamen Einspritzquerschnitt dar, wodurch eine erhebliche Drosselwirkung gegeben ist. Diese Drossel­ wirkung wird noch zusätzlich verstärkt durch den Druckab­ fall am Ventilsitz und die Tiefe der Bohrungen; dadurch ist die Druckdifferenz für die Zerstäubung des Fluids sehr ge­ ring. Die Zerstäuberkanten gemäß der Erfindung bewirken da­ gegen eine vernachlässigbar kleine Drosselwirkung, da der freie Einspritzquerschnitt groß ist und die wirksamen Zerstäuberkanten eine geringe Tiefe haben. An den Zerstäu­ berkanten wird der fächerförmige Einspritzstrahl teilweise umgelenkt, reflektiert, gebrochen und gebeugt, womit eine Verwirbelung und ggf. eine erwünschte Einspritz­ strahlumlenkung erzielbar ist. Beide Punkte ergeben zusam­ men mit der Luftumfassung eine gewünschte Zerstäubungsqua­ lität.

Des weiteren ist durch die fehlende Drosselwirkung der Be­ reich um die Dichtkanten zwischen Ventilsitz und Ventilschließglied von der luftführenden Zone gemäß der Er­ findung nicht getrennt. Die Spalte zwischen den Zer­ stäuberkanten und den Wandungen ist so groß, daß keine Tot­ volumen vorhanden ist, in dem sich durch Kraftstoffverdamp­ fung Gasblasen bilden könnten, die einen Motorkaltstart er­ schweren könnten.

In den Unteransprüchen werden Maßnahmen aufgeführt, die eine vorteilhafte Weiterbildung und Ausgestaltung des im Hauptanspruch beschriebenen Gegenstands angeben. So werden hier konstruktive Details genannt, die einen einfachen Auf­ bau und eine sichere Funktion des Ventils gewährleisten.

Zum einen wird eine Zerstäuberstruktur vorgestellt, die aus der Dichtkante des Ventilsitzes, dem Ventilschließglied und einer Zerstäuberkante besteht. Der Einspritzstrahl strömt zunächst in voller Fächerbreite frei in Richtung der Ein­ spritzräume; nach einem kurzen Abstand prallt die untere Hälfte des Einspritzstrahls auf eine beispielsweise ring­ förmige oder rechteckige Zerstäuberkante, die aus einer scharfen Oberkante besteht. Hinter der Oberkante entsteht hierbei eine sehr effektive Wirbelschleppe. Zum anderen prallt der Einspritzstrahl, im Schnitt betrachtet, auf eine etwas weiter entfernt angeordnete schrägstehende Wandung; dort wird er umgelenkt und verwirbelt. Durch eine unter­ schiedliche Anordnung von verschiedenen umlenkenden Wandun­ gen können mehrere Zerstäuberkanten ausgebildet bzw. mit­ einander kombiniert werden.

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

Zeichnung

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Einspritzventil mit radialer Luftumfassung und der Ein­ spritzrichtung von der Innenseite des Ventils nach au­ ßen;

Fig. 2 eine Zerstäuberstruktur mit dreieckförmigem Einzelquerschnitt für das Einspritzventil nach Fig. 1 mit radialer Luftumfassung;

Fig. 3 eine Zerstäuberstruktur mit dreieckförmigem Einzelquerschnitt für das Einspritzventil nach Fig. 1, jedoch mit axialer Luftumfassung;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Einspritzventil mit radialer Luftumfassung und der Ein­ spritzrichtung von der Außenseite des Ventils nach in­ nen;

Fig. 5 eine Zerstäuberstruktur mit dreieckförmigem Einzelquerschnitt für das Einspritzventil nach Fig. 4;

Fig. 6 eine Zerstäuberstruktur mit Einspritzstrahlum­ lenkung in axialer Richtung für das Einspritzventil nach Fig. 4 und

Fig. 7 eine Zerstäuberstruktur wie in Fig. 3, jedoch mit einer Zerstäuberplatte für das Einspritzventil nach Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 bis Fig. 4 ist jeweils ein Längsschnitt durch ein mikromechanisches Einspritzventil als Mikroventil mit einer radialen Luftumfassung und einem hydraulischen An­ trieb in vergrößerter und vereinfachter Darstellung darge­ stellt. Für die Herstellung der dargestellten Mehrschicht­ struktur werden Fertigungstechnologien verwendet, die u. a. aus der Halbleitertechnik und dem Platinenbau stammen. Diese Technologien sind beispielsweise unter Namen wie Si­ liziumtechnologie, Dünn- und/oder Dickschichttechnologie bekannt. Aber auch die sogenannte LIGA-Technik, eine Tech­ nik, mit der Werkstoffe wie Metalle, Kunststoffe und Kera­ miken in das oben beschriebene System integriert werden, kann hier eingesetzt werden. Die Verwendung der vorgenann­ ten Technologien zur Herstellung von vorgegebenen dreidi­ mensionalen Formen in einer Mehrschichtenstruktur und ihr Vermögen durch Strukturdetails bestimmte mechanische Ele­ mente herauszubilden gehören zum Stand der Technik.

In Fig. 1 ist ein mikromechanisch hergestelltes Einspritz­ ventil 10 mit radialer Luftumfassung und hydraulischem An­ trieb dargestellt. Es umfaßt fünf verschiedene Schichten. Die aufeinanderliegenden Schichten sind der Reihe nach: die Gemischführungsschicht 20, die Luftführungsschicht 30, die Trennmembranschicht 40, die Arbeitsmembranschicht 50 und die Steuerdruckschicht 60. Die meisten in diesen Schichten gestalteten Strukturen sind rotationssymmetrisch oder in ähnlicher Ausbildung um eine gegenüber den Schichten senk­ recht stehende Achse 15 angeordnet.

Das zentrale Bauteil bildet die Trennmembranschicht 40. Sie enthält eine vorzugsweise kreisringförmige oder auch qua­ dratische Trennmembrane 41, die im unbelasteten Zustand bzw. in der Ruheposition weitgehend eben ist. Die Trennmem­ brane 41 besteht aus einer relativ schmalen Ringfläche, die bezüglich ihrer Höhenlage zumindest annähernd mittig in der Trennmembranschicht 40 angeordnet ist. Sie wird von den sie umgebenden Teilen der Schicht 40 gehalten. Ober- und unter­ halb der Trennmembrane 41 befinden sich Ringkanäle 43 und 44. Beide Kanäle haben vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt. Der obere Ringkanal 43 geht hier auf der rech­ ten Seite des Einspritzventils in einen Kraftstoffzulaufka­ nal 45 über.

Von der Trennmembran 41 selbst ist eine Membranplatte 42 eingeschlossen. Die Membranplatte 42 ist in dem oberhalb der Trennmembrane 41 liegenden Bereich mit beispielsweise vier trapezförmigen Kanälen 46 versehen, die ausgehend von der Mitte der Membranplatte 42 radial nach außen zu dem oberen ringförmigen oder rechteckigen Kanal 43 verlaufen.

Der Teil der Membranplatte 42, der im Bereich unterhalb der Trennmembrane 41 angeordnet ist und das eigentliche Ventil­ schließglied bildet, hat beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel die Form einer Kreisscheibe mit einer Zentral­ öffnung 47 und einer scheibenförmigen Vertiefung 48. Der mittlere Radius der Vertiefung 48 ist kleiner als der mitt­ lere Außenradius des unteren Teils der Membranplatte 42, womit am Rand der Vertiefung 48 hier eine kreisringförmige Dichtkante 49 gestaltet ist.

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

Unterhalb der Trennmembranschicht 40 ist die Luftführungs­ schicht 30 angeordnet. In ihrem oberen Bereich befindet sich direkt unterhalb der Membranplatte 42 eine Ventilsitz­ platte 31. Letztere stellt den Ventilsitz dar. Auf ihr sitzt bei geschlossenem Einspritzventil die Membran­ platte 42. In ihrem inneren Bereich hat die Ventilsitz­ platte 31 ebenso wie die Membranplatte 42 eine zentrale Vertiefung 32. Das von ihr umschlossene Volumen zählt auch zur kraftstofführenden Kammer. Unterhalb der Ventilsitz­ platte 31 befindet sich innerhalb der Luftführungs­ schicht 30 ein Luftkanal. Um die Ventilsitzplatte 31 sind Einspritzräume 35 angeordnet, die beispielsweise die Form von beliebig großen Kreisringsegmenten haben können. Der untere Ringkanal 44 der Trennmembranschicht 40 verbindet die Einspritzräume 35 untereinander.

Im Bereich zwischen den sich bei geschlossenem Einspritz­ ventil berührenden Kontaktflächen der Ventilsitzplatte 31 und der Membranplatte 42 ist eine Zerstäuberstruktur 90 ausgebildet. Ihre geometrische Gestaltung beeinflußt in ho­ hem Maße die Zerstäubungsqualität innerhalb des Ventils.

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

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

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

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

Fig. 2 zeigt eine Zerstäuberstruktur mit dreieckigem Ein­ zelquerschnitt, die ringförmig oder rechteckig ausgeführt werden kann. Die Zerstäuberstruktur ist auf der Ventilsitz­ platte 31 außerhalb der durch deren Dichtkante 31a und durch die zur Membranplatte 42 gehörenden Dichtkante 42a gebildeten Kontaktfläche angeordnet. Die spitzwinkelige Oberkante der Zerstäuberstruktur bildet eine Zerstäuber­ kante 91, die etwa auf der Höhe der Trennfuge zwischen der Luftführungs- und Trennmembranschicht 30 und 40 liegt. Auf diese Zerstäuberkante trifft bei geöffnetem Ein­ spritzventil 10 der bezüglich seines Einzelquerschnitts fä­ cherförmige Flüssigkeitsstrahl. Ein Teil des Strahls wird durch Ablösung des Fluids an der Zerstäuberkante hochgewir­ belt und erzeugt somit zusätzliche Turbulenzen, die neben der Kavitation direkt hinter der Zerstäuberkante 91 die Zerstäubung fördern. Der eingespritzte und teilweise zer­ stäubte Kraftstoff wird durch den im oberen Bereich des Einspritzraumes 35 von dem aus den Luftkanälen 34 kommenden Luftstrom der radialen Luftumfassung fein zerstäubt. Im Einspritzraum 35 wird der Kraftstoff mit der Luft vermischt und dann über den Einspritzkanal 22 den nachgeordneten Saugrohren zugeführt.

In Fig. 3 ist eine vergleichbare Zerstäuberstruktur darge­ stellt. Allerdings arbeitet hier das Einspritzventil mit einer axialen Luftumfassung. Die Luft gelangt durch axial orientierte, luftführende Kammern 43a in die Ein­ spritzräume 35, um sich dort mit dem eingespritzten Kraft­ stoff zu vermengen.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein mikromecha­ nisches Einspritzventil 14 mit radialer Luftumfassung. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Ventil ist hier die radiale Einspritzrichtung des Kraftstoffs umgekehrt. In der Luftführungsschicht 30 wird die Luft von der Außenseite des Ventils vorzugsweise radial über Luftzuläufe 34b in das Ventilinnere in Richtung der Achse 15 zugeführt.

Wie Fig. 5 zeigt, kann auch bei dieser Ventilart eine Zer­ stäuberstruktur mit einem dreiecksförmigen Einzelquer­ schnitt verwendet werden. Die Zerstäuberstruktur liegt hierzu mit ihrer Zerstäuberkante 91 innerhalb einer Dicht­ kante 31a und gegenüber der in der Membranplatte 42 einge­ arbeiteten Vertiefung 48.

Fig. 6 zeigt eine Zerstäuberstruktur mit Einspritzstrahlumlenkung in axiale Richtung. Dazu hat die Membranplatte 42 auf der der Luftführungsschicht zugewand­ ten Seite eine ringförmige oder rechteckige Vertiefung 48a mit vorzugsweise trapezförmigem Querschnitt. Am Rand einer, der Dichtkante 42a entfernt liegenden Wandung der Vertie­ fung 48a liegt eine erste Zerstäuberkante 92. An der der Zerstäuberkante 92 angrenzenden kegelmantel- oder bei­ spielsweise stumpfpyramidenförmigen Fläche der Vertie­ fung 48a wird der Flüssigkeitsstrahl teilweise zerstäubt und teilweise in axiale Richtung umgelenkt. Ferner wird ein Teil des Einspritzstrahls an der Zerstäuberkante 92 gebro­ chen. Letzeres gilt auch für den Anteil des Einspritz­ strahls, der direkt in die Richtung des Einspritzkanals 22 strömt. Dieser Strahlanteil wird an der Zerstäuberkante 93 gebrochen. Diese Kante bildet den Übergang zwischen der in der Ventilsitzplatte 31 eingelassenen Ausnehmung 32 und dem Einspritzraum 35.

Eine noch stärkere Zerstäubung bzw. Verwirbelung wird mit der in Fig. 7 dargestellten Modifikation der Zerstäuber­ struktur aus Fig. 6 bewirkt. Hierzu ist an der Trennfuge zwischen der Trennmembranschicht 40 und der Luftführungs­ schicht 30 an der Membranplatte eine Zerstäuberplatte 39 angeordnet. Dadurch, daß die Außenmaße der Zerstäuber­ platte 39 mit zunehmendem Abstand von der Membranplatte größer werden, verengt sich der Einspritzraum 35 in Rich­ tung der primären Kraftstoffströmung. Im Bereich der eng­ sten Stelle befinden sich eine erste Zerstäuberkante 95 an der Zerstäuberplatte und eine zweite 94 an der Ventilsitz­ platte 31. Folglich treten hier in der Gemischbildungszone zwischen dem Einspritzraum 35 und dem Einspritzkanal 22 starke Durchmischungen von Kraftstoff und Luft auf. Der verwirbelte und trotzdem axial gebündelte Einspritzstrahl trifft annähernd senkrecht auf die radial unter hohem Druck aus den Luftzuläufen 34b einströmende Luft.

Claims (6)

1. Zerstäuberstruktur für ein Mikroventil, mit

• - einem aus einer Mehrschichtstruktur gefertigten Ventil­ körper mit jeweils mindestens einem Zulauf und Auslaß für ein zu zerstäubendes Fluid, wobei im Ventilkörper ein betä­ tigbares, auf einem Ventilsitz aufliegendes Ventilschließ­ glied angeordnet ist und wobei die Zerstäuberstruktur in Einstrahlrichtung nach der, zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz gebildeten Dichtkante liegenden Zone an­ geordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Zerstäuberstruktur (90) in unmittelbarer Nähe der Dichtkanten (31a, 42a) angeordnet ist, daß
• - die Zerstäuberstruktur (90) aus mindestens einer senk­ recht zur Einstrahlrichtung liegenden Zerstäuberkante (91- 95) besteht und daß
• - jede Zerstäuberkante (91-95), zumindest abschnittsweise, in weitgehend konstantem Abstand zu mindestens einer Dicht­ kante (31a, 42a) verläuft und annähernd so lang wie diese ist.

2. Zerstäuberstruktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - sie (90) ein Ring mit dreieckigem Einzelquerschnitt ist, dessen spitzwinklige Oberkante als Zerstäuberkante (91) einen zur Dichtkante (31a) konzentrischen Umfang bildet, der innerhalb der Mehrschichtstruktur auf etwa gleicher Höhe wie die Dichtkante (31a) liegt, wobei
• - gegenüber der Zerstäuberkante (91) in der entspre­ chenden Schicht (40) eine zumindest kanalförmige Ver­ tiefung (44) angeordnet ist.

3. Zerstäuberstruktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - in dem als Membranplatte (42) ausgebildeten Ventil­ schließglied auf der Seite der Dichtkante (42a) eine ring­ kanalförmige Vertiefung (44) angeordnet ist, deren der Dichtkante (42a) gegenüberliegende Umlaufkante eine erste Zerstäuberkante (92) bildet und daß
• - in der als Ventilsitz ausgebildeten Ventilsitzplatte (31) eine der ringkanalförmigen Vertiefung (44) gegenüberlie­ gende Vertiefung (32) eingebracht ist, die in einen Ein­ spritzraum (35) mit kleinerem Durchmesser übergeht, wobei
• - am Übergang zu dem Einspritzraum (35) eine zweite Zerstäuberkante (93) angeordnet ist.

4. Zerstäuberstruktur nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - an der Membranplatte (42) auf der Seite der Dicht­ kante (31a) eine Zerstäuberplatte (39) angebracht ist, de­ ren mittlerer Durchmesser annähernd dem Innendurchmesser der ringkanalförmigen Vertiefung (44) entspricht, wobei
• - die freie Umlaufkante der Zerstäuberplatte (39) eine erste Zerstäuberkante (95) bildet, während die zweite Zerstäuberkante (94) der innerhalb der Mehrschicht­ struktur auf etwa gleicher Höhe liegende Übergang zwi­ schen dem Einspritzraum (35) und dem Einspritzka­ nal (22) ist.

5. Zerstäuberstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sich die Kanäle und Vertiefungen (22, 32, 35, 44, 48, 48a) in Abtragungsrichtung bei der Bearbeitung der Schich­ ten (30, 40) oder entgegen der Auftragungsrichtung bei der Herstellung verjüngen.