DE3037490C2

DE3037490C2 - Membranbetätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE3037490C2
Application number: DE3037490A
Authority: DE
Inventors: Ken Yokohama Yamane
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-10-06
Filing date: 1980-10-03
Publication date: 1985-05-09
Also published as: US4391184A; DE3037490A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membranbetätigungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art.

Bei einer solchen, aus der DE-AS 26 49 989 bekannten Membranbetätigungseinrichtung ist der axial bewegliche Innenumfangsabschnitt der Dichtungsmembran unmittelbar auf dem Betätigungsschaft angebracht, so daß sich der Innenumfangsabschnitt zusammen mit dem Betätigungsschaft in axialer Richtung verschiebt und damit die Dichtungsmembran gegenüber dem Wandabschnitt aus der Unterdruckkammer heraus nach außen in einen Raum hineinwölbt, der von einer Abdeckkappe abgedeckt, jedoch gegenüber dem umgebenden Atmosphärendruck nicht abgedichtet ist. Bei dieser bekannten Membranbetätigungseinrichtung wirkt die Dichtungsmembran daher als eine Rollmembran, die sich durch die Durchtrittsöffnung für den Betätigungsschaft im Wandabschnitt hindurchbewegt und dabei jeweils umgestülpt wird.

Aus der DE-OS 22 18 082 ist eine Membranbetätigungseinrichtung bekannt, bei der der Betätigungsschaft beim Durchgang durch den Wandabschnitt der Unterdruckkammer mit Hilfe eines O-Ringes gegenüber dem Wandabschnitt abgedichtet ist Zu diesem Zweck ist in dem Wandabschnitt eine die Durchtrittsöffnung für den Betätigungsschaft konzentrisch umgebende Ausnehmung vorgesehen, in der der O-Ring angeordnet ist Eine solche Anordnung hat jedoch de"! Nachteil, daß entweder der in der Ausnehmung angeordnete O-Ring so stark in axialer und radialer Richtung zusammengedrückt werden muß, damit er eine ausreichend große Dichtwirkung zwischen dem Wandabschnitt und dem Betätigungsschaft ausüben kann, daß er andererreits einem sehr großen Verschleiß durch die Relativbewegung zwischen ihm und dem Betätigungsschaft ausgesetzt ist, oder aber zur Vermeidung eines solchen Verschleißes nur so gering zusammengedrückt wird, daß er keine ausreichende Abdichtungswirkung zwisehen Betätigungsschaft und Wandabschnitt ausüben kann.

Aus der FR-PS 11 76 414 ist eine Membranbetätigungseinrichtung bekannt, bei der die an dem Wandabschnitt angebrachte Dichtungsanordnung aus einem ersten in die Innenwandfläche des Wandabschnittes eingelassenen Dichtungsring und einem gesonderten, den Betätigungsschaft umgebenden Dichtungsgehäuse besteht, das mit Hilfe eines Spannfederringes in der Unterdruckkammer festgelegt ist. In diesem Düchtungsgehäuse ist eine den Betätigungsschaft fest umschließende Dichtungsmanschette angeordnet, die sich offensichtlich gegenüber dem Dichtungsgehäuse mit Spiel in axialer Richtung bewegen kann, wenn der Betätigungsschaft in axialer Richtung verschoben wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Membranbetätigungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art so weiterzubilden, daß ein Eintreten von Umgebungsluft in die Unterdruckkammer selbst bei einem hohen Unterdruck in dieser virksam unterbunden und Reibung sowie Verschleiß der Membranbciätigungseinrichtung minimal werden.

Bei einer Membranbetätigungseinrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Membranbetätigungseinrichtung zeichnet sich durch die besondere Ausbildung der Dichtungsanordnung aus, die einen O-Ring aufweist, der jedoch immer nur dann in axialer und radialer Rich-

tung so stark zusammengedrückt wird und damit entsprechend dicht am Betätigungsschaft zur Anlage !•.ommt, wenn in der Unterdruckkammer ein entsprechend hoher Unterdruck herrscht, d. h. zur umgebenden Atmosphäre eine entsprechend große Druckdifferenz

vorhanden ist. Nur in diesem Fall wird nämlich das bewegliche ringförmige Element durch den axial beweglichen Innenumfangsabschnitt der Dichtungsmembran aufgrund dieser großen Druckdifferenz gegen die Kraft einer Feder in Richtung auf das ortsfeste ringförmige

Element verschoben. Da zwischen beiden ringförmigen Elementen der O-Ring angeordnet ist, und mindestens eine der einander zugewandten O-Ring-Anlageflächcn der ringförmigen Elemente konisch ausgebildet ist, wird bei der Bewegung der beiden ringförmigen Elemente

aufeinander zu der zwischen ihnen angeordnete O-Ring sowohl in radialer als auch axialer Richtung zusammengedrückt, so daß er sich mit einer entsprechend großen Dichtungskraft dann an den Betätigungsschafl anlegt.

um eine sichere Abdichtung zwischen dem O-Ring und der Mantelfläche des Betätigungsschaftes zu gewährleisten. 1st andererseits der Unterdruck in der Unterdruckkammer nur relativ gering, so ist auch der Druckunterschied zwischen der Unterdruckkammer und der umgebenden Atmosphärenluft nur gering, wodurch sich die Dichtungsmembran gegen die Kraft der Feder nicht in axialer Richtung verschieben kann, also die beiden ringförmigen Elemente auch nicht oder nur unwesentlich aufeinander zu bewegt werden. Dadurch kann aber der O-Ring nicht zusammengedrückt werden, so daß der Betätigungsschaft leicht gegenüber diesem beweglich ist und damit auch kein Verschleiß an der dem Betätigungsschaft zugewandten Dichtungsfläche des O-Ringes auftreten kann.

Wird die erfindungsgemäße Membranbetätigungseinrichtung daher z. B. zur Steuerung eines Umgehungsventils für die zu der Turbine eines Turboladers führende Abgasleitung benutzt, so herrscht in der Unterdruckkammer beim Leerlauf und sehr niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine immer ein sehr hoher Unterdruck, während er bei alien übrigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine relativ gering ist. Andererseits herrscht bei einer hohen Belastung der Brennkraftmaschine in der Druckkammer ein relativ hoher Druck, so daß also dann der Betätigungsschaft axial verschoben wird, um das Umgehungsventil zu öffnen. Auch bei einem sehr hohen Unterdruck in der Unterdruckkammer wird der Betätigungsschaft in axialer Richtung verschoben, um das Umgehungsventil zu öffnen. Nur bei diesem Betriebszustand wird aber der O-Ring zusammengepreßt und an den Betätigungsschaft stark dichtend angedrückt. Der O-Ring wird daher nur während relativ geringer Betriebszeiten stark beansprucht. Während aller übrigen Betriebszeiten kann sich der Betätigungsschaft leicht und ruckfrei durch den O-Ring hindurchbewegen, so daß bei dieser Bewegung des Betätigungsschaftes kein nennenswerter Verschleiß an dem O-Ring auftritt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Eine Membranbetätigungseinrichtung 19 umfaßt eine Membrane 21, die mit Hilfe eines Membrantellers an einem Ende eines Betätigungsschaftes 20 befestigt ist. Die Membrane 21 begrenzt eine Unterdruckkammer 22, durch die der Betätigungsschaft 20 geht, und eine Druckkammer 23 auf der gegenüberliegenden Seite der Unterdruckkammer 22 in einem Membrangehäuse 24. Das Membrangehäuse 24 hat einen Unterdruckeinlaß 25, der in Verbindung mit der Unterdruckkammer 22 über die Saugleitung stromab z. B. eines Kompressors in Verbindung steht, und einen Druckeinlaß 26, der in Verbindung mit der Druckkammer 23 mit der Saugleitung stromab des Kompressors steht. In der Unterdruckkammer 22 ist eine Fedsr 27 zwischen dem Gehäuse 24 und der Membrane 21 angeordnet, um die Membrane 21 in der Zeichnung nach links zu drücken und hierdurch über den Betätigungsschaft 20 z. B. ein Abgasumgehungsventil geschlossen zu halten.

Das Membrangehäuse 24 hat eine Durchgangsöffnung 28 an der rechts liegenden Endwand, die für den Durchgang des Betätigungsschaftes 20 bestimmt ist. Ein ringförmiges, bewegliches Element 29 liegt der öffnung 28 der Endwand gegenüber und durch dieses Element gehl ebenfalls der Betätigungsschaft 20. Auf der Innenseite des beweglichem Elements 29 ist ein ringförmiges Element 31 an dem Gehäuse 24 dem beweglichen Element 29 unter Zwischenschaltung eines O-Ringes 30 gegenüberliegend fest angebracht Der O-Ring 30 dient zur Abdichtung des Betätigungsschaftes 20.

Das bewegliche Element 29 wird von einer Dichtungsmembran 33 abgestützt, die fest an dem Gehäuse 24 angebracht ist. Das ringförmige Element 32 ist fest mit dem Gehäuse 24 verbunden. Insbesondere hat die Dichtungsmembrane 33 einen Außenumfangsabschnitt, der fest mit der Endwand des Gehäuses 24 verbunden ist, und einen Innenumfangsabschnitt, der fest mit dem

ίο beweglichen Element 29 verbunden ist.

Zwischen dem ringförmigen Element 31 und der Dichtungsmembrane 33 ist eine Feder 34 angeordnet Eine weitere Feder 35 ist zwischen der Endwand und der Dichtungsmembrane 33 angeordnet Der innere Rand der Durchgangsöffnung 28 trägt einen Anschlag 36, der der Bewegung der Dichtungsmembran 33 entgegenwirkt und die Bewegung derselben begrenzt Die Innenfläche der Dichtungsmembrane 33 ist dem Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 über eine Vielzahl von Öffnungen 37 ausgesetzt, die in dem ringförmigen Element 31 ausgebildet sind.

Die innere Seitenfläche bzw. Ö-Ring- <\nschiagflache 38 des beweglichen Elements 29 berührt den O-Ring 30 und ist konisch ausgebildet und hat eine Breite, die radial in Richtung nach innen kleiner wird. Wenn sich somit d'^;.s bewegliche Element 29 dem ringförmigen Element 31 annähert, wird der O-Ring 30 zwischen den Elementen 29 und 31 durch die Axialkraft zusammengedrückt und durch die Kraftkomponente radial nach innen gedrückt, die von der konischen Anschlagfläche 38 erzeugt wird.

Wenn im Betrieb die Druckdifferenz zwischen dem Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 und dem Druck in der Druckkammer 23 einen vorbestimmten Wert überschreitet, der durch die Druckkraft der Feder 27 bestimmt ist, d. h. z. B. im Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine mit niedriger Drehzahl, bei dem der Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 sehr hoch ist, oder bei einem Betriebsbereich bei hoher Drehzahl und hoher Belastung der Brennkraftmaschine, bei der der Druck in der Druckkammer 23 sehr hoch ist, bewegt sich die Membrane 21 entgegen der Druckkraft der Feder 27 nach rechts, so daß sich der Betätigungsschaft 20 nach rechts bewegt, um das Abgasumgehungsventil zu öffnen. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 und dem Druck in der Druckkammer 23 niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, wie z. B. unter den normalen Arbeitsbedingungen der Brennkraftmaschine, bleiben die Membrane 21 und der Betätigungsschaft 20 in ihren Ruhestellungen durch die Feder 27, so daß das Abgasumgehungsventil die Abgasumgehungsleifung absperrt.

Wenn der Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 zuninim:, nimmt entsprechend die Druckdifferenz über der Dichtungsmembrane 33, die das bewegliche Element 29 trägt, zu, so daß die Dichtungsmeinbrane 33 entgegen der Druckkraft der Feder 34 nach links bewegt wird. Wenn sich das bewegliche Element 29, das von der Dichtung'membrane 33 getragen wird, dem ringförmigen Element 31 annähert, wird der O-Ring 30 axial und radial nach innen zusammengedrückt, um eng in Berührung mit der Außenumfangsfläche des Betätigungsschaftes 20 zu kommen. Auf diese Weise wird das Austreten von Umgebungsluft längs der Mantelfläche des Betätigungsscha.'ts 20 wirksam vermieden.

Wie beschrieben, wird die Dichtungskraft des O-Rings 30 dadurch aufgebracht, daß die Druckkraft zwischen dem O-Ring und dem beweglichen Element 29

und die Druckkraft zwischen dem O-Ring 30 und dem Betätigungsschaft 20 erzeugt wird. Dieses bedeutet, daß die Dichtungskraft größer wird, wenn der Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 größer wird. Somit wird die Unterdruckkammer 22 gegen Leckstellen mit der Kraft besser abgedichtet, die im wesentlichen proportional zum Unterdruck in der Unterdruckkammer, d. h. zur Druckdifferenz über dem O-Ring 30 ist. Auf diese Art und Weise wird das Austreten von Luft längs der Mantelfläche des Betätigungsschafts 20 in die Unterdruckkammer 22 weitgehend ausgeschaltet.

Wenn der Unterdruck in der Unterdruckkammer 22 abnimmt oder im wesentlichen dem Atmosphärendruck entspricht, wird die Dichtungsmembrane 33 nicht nach links bewegt, so daß der O-Ring 30 nicht durch das bewegliche Element 29 zusammengedrückt wird. Der

I Betätigungsschaft 20 bewegt sich demzufolge durch den

O-Ring 10 hindurch relativ frei und der O-Rin2 30 kann sich nicht verformen und durch Abrieb verschlissen werden. Beim normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine verschiebt die Membranbetätigungseinrichtung 19 somit präzise und genau den Betätigungsschaft 20, um z. B. das Abgasumgehungsventil zu öffnen oder zu schließen, das die Abgasumgehungsleitung eines Turboladers regelt.

Wenn die Brennkraftmaschine im Leerlauf arbeitet, herrscht in der Unterdruckkammer 22 ein hoher Unterdruck. Die Dichtungsmembrane 33 und das bewegliche Element 29 drücken den O-Ring 30 zusammen, um längs dem Betätigungsschaft 20 eine ausreichend dichte Abdichtung zu gewährleisten. Somit wird ein Austreten von Luft längs dem Betätigungsschaft 20 vermieden, wodurch das Verhältnis des Luft/Kraftstoffgemisches und somit das Arbeiten der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich stabilisiert werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die konische Anschlagfläche 38, die den O-Ring 30 axial und radial nach innen drückt, an dem beweglichen Element 29 ausgebildet. Eine solche konische Anschlagfläche kann jedoch auch an dem ringförmigen Element 31 oder auf beiden, dem beweglichen und dem gehäusefesten ringförmigen Element 29 und 31 ausgebildet sein.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der Dichtungsauslegung des Betätigungsschafts die Dichtungskraft des O-Rings automatisch entsprechend dem Wert des Unterdrucks in der Unterdruckkammer 22 eingestellt wird. so daß eine übergroße Dichtungskraft für den gesamten Betriebsbereich nicht aufgebracht zu werden braucht. Dieses bedeutet, daß im normalen Betriebsbereich, bei dem der Betätigrngsschaft 20 nicht abgedichtet zu werden braucht, durch den O-Ring im wesentlichen keine Dichtung erzielt wird. Somit ist der O-Ring frei von Verformungen und Verschleiß und die Standzeit des O-Rings ist langer.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Membranbetätigungseinrichtung mit einer Druckkammer, die mit Oberdruck oder Unterdruck versorgt wird, einer Unterdruckkammer, die mit Unterdruck versorgt wird, einer Membrane mit Membranteller, die die Druckkammer und die Unterdruckkammer begrenzt, und mit einem Betätigungsschaft, der sich durch einen Wandabschnitt der Unterdruckkammer erstreckt und an einem Ende über den Membranteller mit der Membrane verbunden ist, wobei die Membrane bewirkt, daß sich der Betätigungsschaft in axialer Richtung gleitend relativ zu dem Wandabschnitt in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Ober- oder Unterdruck in der Druckkammer und dem Unterdruck in der Unterdruckkammer bewegt, wobei der Wandabschnitt mit einer Dichtungsanordnung versehen ist, die eine Dichtungsmembrane, die an dem Wandabschnitt angebracht ist, und einen axial beweglicher, !nnenumfangsabschnitt hat, der den Betätigungsschaft umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung (29 bis 33) einen federnd nachgiebigen O-Ring (30) aufweist, weiterhin ein bewegliches ringförmiges Element (29), das von außen zur Unterdruckkammer hin von dem Innenumfangsabschnitt der Dichtungsmembrane (33) abgestützt ist, die sich wiederum nach außen abstützen kann an einem gehäusefesten Anschlag (36) der Durchgangsöffnung (28"/, ein gehäusefestes ringförmiges Element (31), das fest an dem Wandabschnitt der Unterdruckkammer (22) angebracht ist und von innerhalb der Unterdruckkammer üi bezug auf den O-Ring dem beweglichen ringförmigen Element (29) gegenüberliegt, und wobei der O-Ring zwischen den ringförmigen Elementen (29,31) angeordnet ist und gleitend beweglich den Betätigungsschaft (12, 20) aufnimmt, und daß mindestens eine der gegenüberliegenden O-Ring-Anlageflächen (38) der ringförmigen Elemente (29,31) derart konisch ausgebildet ist, daß der O-Ring (30) durch die gegenüberliegenden Fachen axial und radial nach innen zusammengedrückt wird, wenn der Unterdruck in der Unterdruckkammer (22) einen vorbestimmten Wert überschreitet.