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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht von einer Lochscheibe nach der Gattung des Anspruchs
1, von einem Brennstoffeinspritzventil mit einer Lochscheibe nach der
Gattung des Anspruchs 9 und von einem Verfahren zur Herstellung
einer Lochscheibe nach der Gattung des Anspruchs 10 aus.
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Eine
Hauptanforderung an Brennstoffeinspritzventile für die Saugrohreinspritzung
ist die definierte zeitliche und örtliche Mengenverteilung des Kraftstoffsprays.
Durch die gegebene Einbausituation des Ventils im Saugrohr ist es
in vielen Fällen
zum definierten Aufbau des Sprays sowie eines Kraftstofffilms an
der Saugrohrwandung erforderlich, die Mengenverteilung im Spray
von der Ventilachse um einen Winkel γ abweichend zu gestalten. Um
einen ausreichend großen γ-Winkel zu
erzielen, sind im Stand der Technik die folgenden Lösungen bekannt:
Spritzlochscheiben werden mit nicht orthogonal zur Oberfläche gestanzten
Löchern
hergestellt; die Spritzlochscheibe weist orthogonal zur Oberfläche verlaufende
Löcher
auf, ist jedoch selbst schräg
relativ zur Ventilachse angeordnet; oder eine Schrägstellung
der Spritzlöcher
der Lochscheibe wird erzielt durch ihre Anordnung im Bereich einer
kalottenförmigen
Ausprägung
der Spritzlochscheibe. Die aufgezählten Varianten können weiterhin
mit einer asymmetrischen Verteilung der Spritzlöcher auf der Lochscheibe bzw. auf
dem Zerstäubervorsatz
kombiniert werden.
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Aus
der
WO 96/11335 ist
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
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 Zerstäubervorsatzes
wird separat gefertigt, wonach entsprechend der gewünschten
Scheibenanzahl alle gleich großen
Scheiben zur Bildung des vollständigen
Zerstäubungsvorsatzes
aufeinander gestapelt werden.
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In
der
DE-OS 196 07 288
A1 wurde die sogenannte Multilayergalvanik zur Herstellung
von Lochscheiben beschrieben. Dieses Herstellungsverfahren für Lochscheiben
sieht mehrfaches galvanisches Metallabscheiden verschiedener Strukturen
aufeinander vor, so dass eine einteilige Scheibe geschaffen wird.
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In
der
DE 198 15 80 A1 ist
ein Brennstoffeinspritzventil beschrieben, welches eine sehr hohe
Zerstäubungsgüte eines abzuspritzenden
Brennstoffs sowie eine variabel gestaltbare Strahl- bzw. Sprayformung
erzielt. Eine Kombination von Multilayergalvanik-Drallscheiben in
Verbindung mit Spritzlochscheiben wird dazu eingesetzt, wobei die
statische Abspritzmenge und die die Strahlwinkel betreffenden Strahlparameter
durch die geometrische Anordnung der beiden Scheiben mit den entsprechenden
Abspritzgeometrien getrennt voneinander einstellbar sind. Die Einstellung
der statischen Strömungsmenge
erfolgt mit der Drallscheibe während
der Strahlwinkel des Sprays (sowohl der Öffnungswinkel des eigentlichen
Strahls bzw. Sprays als auch der Spraywinkel γ zur Ventillängsachse bei Schrägabspritzung) mit
der Spritzlochscheibe eingestellt werden. Um ein zur Ventillängsachse
schräg
geneigtes Spray zu erzeugen, verläuft die an der oberen Stirnseite
der Spritzlochscheibe mittig beginnende Auslassöffnung schräg geneigt zur Ventillängsachse
und endet an der unteren Stirnseite außermittig, wobei die Neigung der
Auslassöffnung
den Strahlwinkel des Gesamtsprays zur Ventilachse bestimmt.
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Nachteilig
bei den bekannten Lösungen
ist jedoch, dass die Designmöglichkeiten
begrenzt sind und insbesondere der darstellbare γ-Winkel begrenzt ist. Zudem
sind die oben genannten Herstellungsverfahren mit hohen Kosten verbunden.
Darüber
hinaus haben die mit konventionellen Verfahren wie Stanzen, Erodieren
usw. hergestellten Spritzlöcher
normalerweise einen runden bzw. rotationssymmetrischen Querschnitt
und weisen üblicherweise
einen zylindrischen oder kegelförmigen
Lochverlauf im Längsschnitt
auf. Ausgehend von diesen geometrischen Randbedingungen ist jedoch
nur eine eingeschränkte
Strahlablenkung aus der Ventilachse darstellbar.
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Vorteile der Erfindung
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Demgegenüber haben
die erfindungsgemäße Lochscheibe
mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs 1 und
das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit dieser Lochscheibe mit dem kennzeichnenden Merkmal des nebengeordneten
Hauptanspruchs 9 den Vorteil, dass aufgrund des verkleinerten
Durchmessers der abspritzseitigen Austrittsöffnung gegenüber der
zulaufseitigen Eintrittsöffnung
des Durchgangs des zumindest einen Spritzlochs der Lochscheibe eine
einseitige Einschnürung
der Spritzlochöffnung
durch den geometrisch definierten teilweisen Verschluss des ausströmseitigen
Endes des Spritzlochs entsteht, was eine gezielte und in einem weiten
Winkelbereich einstellbare Umlenkung des Kraftstoffstrahls innerhalb
der Spritzlochscheibe ermöglicht.
Diese Art von Geometrien lässt
sich nicht mit den konventionellen Verfahren wie z. B. Erodieren
oder Stanzen der Löcher
erzielen, sie sind jedoch mittels der erweiterten bzw. neuartigen Formgebungsfreiheitsgrade
des Mikrogalvanoformungsverfahrens möglich.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Lochscheibe mittels des Mikrogalvanoformungsverfahrens
hergestellt, welches aus einer Abfolge von Fotolithographie- und
Galvanoformungsschritten besteht, wobei neben dem Auffüllen einer
Fotolackstruktur durch senkrechtes Wachstum bei übereinander liegenden abgestuften
Fotolacklagen auch gleichzeitiges vertikales und horizontales Wachstum
des Galvanomaterials, ein so genanntes „laterales Überwachsen" erreicht wird. Vorzugsweise
wird das Maß der
Einschnürung des
Spritzlochs durch die dezentrale Positionierung von zwei Fotolacktürmen zueinander
sowie des Durchmessers des kleineren Fotolackturms bestimmt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik und
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lochscheibe
sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand
der Technik;
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2a-2c den
Prozessablauf zur Herstellung von Spritzlöchern mit Kanal-Trichter-Form;
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3a-3d die
in 2a-2c beschriebenen Verfahrensschritte
mit der erfindungsgemäßen Anordnung
der ersten und zweiten Fotoresistlagen;
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3d die
erfindungsgemäße Spritzlochkonfiguration
von oben; und
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4a, 4b ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Spritzlochkonfiguration;
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5a, 5b noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Spritzlochkonfiguration;
und
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6 einen
Düsenabschnitt
eines Brennstoffeinspritzventils.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein elektromagnetisch betätigbares Brennstoffeinspritzventil 10 zum
direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 10 weist einen von einer
Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen als Innenpol
eines Magnetkreises dienenden, rohrförmigen hohlzylindrischen Kern 2 auf. Ein
gestufter Spulenkörper 3 aus
Kunststoff nimmt die Magnetspule 1 auf und ermöglicht in
Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen,
nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen Zwischenteil 4 einen
kompakten Aufbau im Bereich der Magnetspule 1.
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In
dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen,
die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt.
Mit dem Kern 2 oberhalb der Magnetspule 1 fest
verbunden ist ein äußeres metallisches
Gehäuseteil 14,
das als Außenpol
den Magnetkreis schließt
und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
In der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstofffilter 15 vorgesehen.
Der Kern 2 bildet mit dem Gehäuseteil 14 das zulaufseitige
Ende des Brennstoffeinspritzventils 10, wobei sich das
obere Gehäuseteil 14 beispielsweise
in axialer Richtung stromabwärts
gesehen gerade noch über
die Magnetspule 1 hinaus erstreckt.
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An
das obere Gehäuseteil 14 schließt sich dicht
und fest ein unteres rohrförmiges
Gehäuseteil 14 an,
welches z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem
Anker 19 und einer stangenförmigen Ventilnadel 20 bez.
einem lang gestreckten Ventilsitzträger 21 aufnimmt. Die
beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind
fest miteinander verbunden. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und
dem Ventilsitzträger 21 erfolgt
mittels eines Dichtrings 22. Der Ventilsitzträger 21 besitzt über seine
gesamte axiale Ausdehnung eine innere Durchgangsöffnung 24, die konzentrisch
zu der Ventillängsachse 8 verläuft.
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Mit
seinem unteren Ende, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluss
des Brennstoffeinspritzventils 10 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
eine Ventilnadel 20 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende
einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist. Dieser
Ventilschließabschnitt 28 wirkt
in bekannter Weise mit der im Ventilsitzelement 26 vorgesehenen Ventilsitzfläche 27 zusammen.
Die Betätigung
des Brennstoffeinspritzventils 10 erfolgt in bekannter Weise
elektromagnetisch.
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Zur
axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und damit zum Öffnen entgegen
der Federkraft einer in der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 angeordneten Rückstellfeder 17 bzw.
Schließen
des Brennstoffeinspritzventils 10 dient der elektromagnetische
Kreis. Zur Führung
der Ventilnadel 20 während
ihrer Axialbewegung dient einerseits eine im Ventilsitzträger 21 vorgesehene
Führungsöffnung 13 und
andererseits ein stromaufwärts
des Ventilsitzelements 22 angeordnetes Führungselement 22 mit
einer Führungsöffnung 23.
Der Anker 19 ist während
seiner Axialbewegung von dem Zwischenteil 4 umgeben.
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Stromabwärts der
Ventilsitzfläche 27 folgt
in einer Vertiefung 15 des Ventislsitzelements 26 eine Drallscheibe 25.
In der Vertiefung 15 ist weiterhin eine der Drallscheibe 25 nachgeordnete
Lochscheibe 5 eingebracht, wobei die Auslassöffnung 16 konzentrisch
zur Ventillängsachse
verläuft.
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2a bis 2c zeigen
den Prozessablauf zur Herstellung eines Spritzlochs 6 mit
Kanal-Trichter-Form. Dabei wird ein Mikrostrukturierungsverfahren
angewendet, welches auf der sukzessiven Anwendung von photolithographischen
Schritten (UV-Tiefenlithographie) und anschließender Mikrogalvanik beruht.
Charakteristisch für
das Verfahren ist, dass es auch in großflächigem Maßstab eine hohe Präzision der
Strukturen gewährleistet,
so dass auch große
Stückzahlen
ideal mittels dieser Technik herstellbar sind.
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In 2a ist
ein Substrat bzw. Trägermaterial 9 mit
einer darauf aufgebrachten ersten und zweiten Fotoresistlage 11 bzw. 12 gezeigt.
Das ebene und stabile Substrat 9 besteht z. B. aus Metall
(z. B. Kupfer), Silizium, Glas oder Keramik. Die üblichen
Dicken des Substrats liegen bei 500 μm bis 2 mm. Nach der Reinigung
des Substrats 9 wird bei Verwendung eines elektrisch nicht
leitenden Materials, wie Glas oder Silizium, zunächst wenigstens eine Hilfsschicht (nicht
gezeigt, z. B. aus Kupfer) auf das Substrat 9 aufgalvanisiert,
die zur elektrischen Leitung für
die spätere
Mikrogalvanik benötigt
wird, jedoch kann diese Schicht auch als Opferschicht dienen, um
später ein
einfaches Vereinzeln der Lochscheibenstrukturen z. B. durch Ätzung zu
ermöglichen.
Falls Kupfer als Opfer-/Galvanikstartschicht
verwendet wird, muss eine dünne
(z. b. 80 nm) Chromschicht als Haftschicht (nicht dargestellt)
zwischen dem Substrat 9 und der Galvanikstartschicht aufgebracht
werden.
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Das
Aufbringen der Hilfsschicht geschieht z. B. durch Sputtern oder
durch stromlose Metallabscheidung. Nach der Vorbehandlung des Substrats 9 wird
auf die optionale Hilfsschicht eine erste Lage 11 eines
Photoresists (Photolack) aufgebracht, z. B. durch Laminieren eines
Festresists, Aufschleudern eines Flüssigresists oder Aufschleudern
eines Polyimids in flüssigem
Zustand. Die zu realisierende Metallstruktur wird mit Hilfe einer
photolithographischen Maske invers in den Photoresist 11 übertragen.
Die anschließende
Belichtung der ersten Lage 11 des Photoresists kann direkt über die
Maske mittels UV-Belichtung
erfolgen oder auf dem Photoresist kann ein Oxid oder ein Nitrid
abgeschieden werden, welches photolithographisch strukturiert als
Maske für
einen Trockenätzprozess
des Photoresists dient.
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Außerdem kann
Laserablation angewendet werden. Nach der Entwicklung des UV-belichteten Photoresists
der ersten Lage 11 ergibt sich eine durch die Maske vorbestimmte
Struktur im Photoresist. Diese Struktur stellt die Negativstruktur
zur späteren
Schicht der Lochscheibe 5 dar. Die oben genannten Schritte
werden wiederholt, d. h. es wird auf der ersten Fotoresistlage 11 eine
zweite Fotoresistlage 12 auf die gleiche Art und Weise
wie oben bezüglich
der Applikation, des Maskierens, Belichtens und Entwickelns beschrieben,
gebildet.
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Danach
wird eine Mikrogalvanoformung in einem einstufigen Prozess mit lateralem Überwachsen
der ersten Fotoresistlage 11 angewandt (siehe 2b).
Bei dem lateralen Überwachsen
erfolgt die Herstellung der untersten Schicht 30 in bekannter Weise,
wobei das galvanisch abzuscheidende Metall in der bekannten Form
um die Photoresiststruktur bis zur Oberkante des Photoresists wächst. Danach wächst jedoch
die Galvanik über
den Photoresist hinaus. Das Überwachsen
der Photoresiststruktur erfolgt in horizontaler und vertikaler Richtung
ungefähr in
gleicher Größenordnung,
so dass ein trichterförmiger
Bereich 29 des Spritzlochs 5 ausgebildet wird.
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Bei
der Wahl des abzuscheidenden Materials spielen Faktoren wie mechanische
Festigkeit, chemische Beständigkeit,
Schweißbarkeit
usw. eine Rolle. Üblicherweise
kommen Ni, NiCo, NiFe oder Cu bei diesem Prozess zum Einsatz.
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Abschließend erfolgt
das Vereinzeln der Lochscheiben 5. Dazu wird die Opferschicht
weggeätzt,
wodurch die Lochscheiben 5 von dem Substrat 9 abheben.
Danach werden die Galvanikstartschichten durch Ätzung entfernt und der verbliebene
Photoresist aus den Metallstrukturen herausgelöst. Dies kann z. B. durch KOH-Behandlung
oder durch ein Sauerstoffplasma bzw. mittels Lösungsmittel (z. B. Aceton)
bei Polyimiden ermöglicht
werden. Diese Prozesse des Herauslösens sind unter dem Oberbegriff „Strippen" bekannt.
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Das
in 2c dargestellte Spritzloch 6 weist einen
Durchmesser von ca. 210 μm
auf. Auf die oben beschriebene Weise können runde, ovale oder mehreckige Öffnungen
erzielt werden. Mit Hilfe des lateralen Überwachsens wird besonders
die Zeit der Herstellung der Lochscheibe 5 deutlich verringert.
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3a bis 3d zeigen
die oben beschriebenen Verfahrensschritte mit der erfindungsgemäßen Anordnung
der ersten und zweiten Fotoresistlage 11, 12 bzw.
die erfindungsgemäße dezentrale
Anordnung der abspritzseitigen Austrittsöffnung 31 gegenüber der
zulaufseitigen Eintrittsöffnung 32 mit verkleinerten
Durchmesser der Austrittsöffnung 31.
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In 3a ist
dargestellt, wie die erste Fotoresistlage 11 auf dem Substrat 9 aufgebracht
ist, und auf der ersten Fotoresistlage 11 ist wiederum
die zweite Fotoresistlage 12 aufgebracht. Die erste Fotoresistlage 11 ist
rund bzw. zylindrisch und weist einen größeren Durchmesser jedoch eine
geringere Höhe als
die zweite Photoresistlage 12 auf. Die zweite Photoresistlage 12 ist
ebenfalls rund bzw. zylindrisch und mit ihrem Zentrum versetzt zu
dem Zentrum der ersten Photoresistlage 11 angeordnet.
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In 3b ist
das Stadium dargestellt, in welchem das den Fotolithographieschritten
folgende Mikrogalvanoformungsverfahren bereits stattgefunden hat
und durch laterales Überwachsen
eine trichterförmige Öffnung,
welche die spätere
abspritzseitige Austrittsöffnung 31 der
Lochscheibe 5 darstellt, gebildet worden ist.
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In 3c ist
schließlich
durch den letzten Verfahrensschritt des Strippens ein Spritzloch 6 in
einer Lochscheibe 5 gebildet worden, aus welchem ein Spray
in einem Winkel γ abgespritzt
werden kann. Das Spritzloch 6 ist dabei derartig gebildet,
dass ein Durchgang 33 eine zuströmseitige Eintrittsöffnung 32 aufweist,
welche einen größeren Durchmesser
als eine sich daran anschließende abspritzseitige
Austrittsöffnung 31.
Der Durchgang 33 weist weiterhin einen ersten hohlzylindrischen
Abschnitt 35 mit einer geringeren Höhe als ein zweiter hohlzylindrischer
Abschnitt 36 auf, welcher die Austrittsöffnung 31 bildet. Im
Anschluss an die abspritzseitige Austrittsöffnung 31 ist an dem
abspritzseitigen Ende der Lochscheibe 5 ein trichterförmiger Bereich 29 ausgebildet,
welcher die abspritzseitige Austrittsöffnung 31 zumindest
teilweise abdeckt.
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In 3d ist
die erfindungsgemäße Spritzlochkonfiguration
von oben gezeigt, wobei die äußere gestrichelte
Linie die zuströmseitige
Eintrittsöffnung 32 kennzeichnet
und der zum Zentrum der Eintrittsöffnung 32 versetzte
kleinere Kreis den Umfang der abspritzseitigen Austrittsöffnung 31 kennzeichnet,
welcher zumindest teilweise durch den trichterförmigen Bereich 29 abgedeckt
ist.
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4a und 4b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Spritzlochkonfiguration 6,
wobei der Brennstoffdurchgang 33 durch die Spritzlochscheibe 5 derartig
ausgebildet ist, dass die zuströmseitige
Eintrittsöffnung 32 einen größeren Durchmesser
als die abspritzseitige Austrittsöffnung 31 aufweist,
in der Höhe
jedoch länger ausgebildet
ist als die Austrittsöffnung 31.
In diesem Ausführungsbeispiel
schließt
sich im Gegensatz zu dem in 3c gezeigten
Ausführungsbeispiel
an die abspritzseitige Austrittsöffnung 31 kein
trichterförmiger
Bereich an.
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In 4b ist
erkennbar, dass der Durchmesser der abspritzseitigen Austrittsöffnung 31 halb
so groß ist
wie der Durchmesser der zuströmseitigen Eintrittsöffnung 32, wobei
die Austrittsöffnung 31 so dezentral
gegenüber
dem Zentrum der Eintrittsöffnung 32 angeordnet
ist, dass der äußere Umfang
der Austrittsöffnung 31 an
das Zentrum der Eintrittsöffnung 32 angrenzt.
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5a, 5b zeigen
noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Spritzlochkonfiguration,
wobei, wie aus 5b erkennbar ist, der Querschnitt
des Austrittslochs 31 und der Querschnitt des Eintrittslochs 32 jeweils
rechteckig ausgebildet sind. Die Grundfläche des Eintrittslochs 32 ist
deutlich größer als
die Grundfläche
des Austrittslochs 31, und das Austrittsloch 31 ist
ebenfalls dezentral zu dem Eintrittsloch angeordnet. Ausgehend von
dem schlitzförmigen
Spritzlochquerschnitt an der Austrittsöffnung 31 wird diese
durch den asymmetrischen lateralen Wachstumsprozess der Galvanik
soweit verschlossen, dass kein freier Durchblick durch das Spritzloch 6 mehr
möglich
ist und nunmehr eine seitlich stehende Öffnung in dem trichterförmigen Bereich 29 übrig bleibt.
Ein γ-Winkel von
45° und
mehr ist durch diese Anordnung darstellbar. Eine Vielzahl weiterer
Lochformen, die hier nicht in den Figuren dargestellt sind, wie
z. b. ovale oder dreieckige Löcher
mit einseitiger Einschnürung,
wie oben beschrieben, kann bei der erfindungsgemäßen Lochscheibe bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung der Lochscheibe eingesetzt werden.
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6 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Düsenkörpers 34 eines Brennstoffeinspritzventils 10.
In eine Ausnehmung oder Vertiefung 15 am unteren abströmseitigen
Ende des Düsenkörpers 34 ist
eine erfindungsgemäße Lochscheibe 5 eingesetzt,
von welcher aufgrund der erfindungsgemäßen Lochkonfiguration ein Brennstoffstrahl
bzw. Spray in einem Winkel γ zur
Ventillängsachse 8 abgespritzt
wird.