本発明は、上記導入部において名付けられたタイプのフラップ装置について、またはそれを備える吸気システムについて、改良された、または少なくとも異なる実施形態を提供することを目的とする。特に、フラップ構成は、比較的、高精度で動作し、加えて、製造コストが比較的、安価である点において従来技術とは異なる。代替としてまたは加えて、それぞれのフラップの開放位置においては、エアフローに対する影響が低減される。
上記課題は独立請求項の主題による本発明によって解決される。優位性のある実施形態は従属請求項の主題である。
本発明は、フラップをトラフ形状のフラップとして設計するという大まかな思想に基づく。このフラップは、湾曲されたスターラップ領域およびそこから突出したシェル領域によって特徴付けられる。全てのフラップの駆動のために、共通の作動軸が提供される。この作動軸は、それぞれのフラップの場合、それぞれのフラップについてスターラップ領域に位置する突起を有する。個々のフラップが配置される共通な駆動軸の使用は、作動軸のための材料とフラップのための材料とで異なる材料を用いることを可能にする。特にフラップは、プラスチックで射出成形して作ることができ、一方、作動軸は金属で作ることができる。これによってフラップの堅固かつ確実な駆動が実現され得る。射出成形される部品は、精密な公差で作ることができ、それによってフラップ装置は、比較的、高精度で動作し得る。金属の作動軸は、鋳造または鍛造され得て、またはワイヤの変形によって特に簡単なやり方で作られ得る。作動軸は、単一の部品の、連続した軸として、好ましくは設計され得る。この軸にフラップのための突起が形成される。フラップは、それらが作動軸上に挟んで留められるよう作られてもよい。代替として、フラップを作動軸上に直接に射出成形することもできる。共通の作動軸上に射出成形されたフラップを持つ構成は、作動軸を製造するときに起こり得る、公差に起因する寸法の偏差をフラップの射出成形のときになくし得る。これによって本フラップ装置は、非常に小さいミスアライメントしか持たない。さらにこの複合要素は、特に好ましいコストで製造し得る。
本発明の優位性を持つさらなる発展形においては、フラップは、作動軸上にカスケード状に(in cascades)配置され得る。ここでフラップは、互いに対して数度(例えば10°未満、または5°未満)だけ回転するよう作動軸に固定される。フラップの配置は、設置された状態において、作動軸の駆動源から最も離れて配置されるフラップが最初に接するよう選択される。駆動源に最も近く配置されるフラップは、最後に接するようになる。残りのフラップは、これら2つのフラップの間で傾斜の角度を持つように配置される。このさらなる発展形によって、全てのフラップが確実に吸気マニフォールドに接するようになり、それぞれのフラップは、ほぼ同じプレストレス(pre-stressing)を持つことになる。これは、ねじれ方向の震動が防止され、吸気マニフォールドの音響特性が改善されるという優位性を発揮する。作動軸上にフラップを配置すること、または設けられる傾斜の角度は、作動軸のねじれ特性に依存する。より剛性のある軸の場合は、より可撓性のある軸の場合よりも傾斜の角度がより少なくてもよい。
優位性のある実施形態によれば、フラップおよび吸気ダクトは互いに協働して、その開放位置において、それぞれのフラップがスターラップ領域と共に、かつそのシェル領域と共に、それぞれの吸気ダクトの内壁に沿って延びる。この種の構成によって、フラップは、その開放位置において、フローが通るそれぞれの吸気ダクトの断面から大きく横方向に移動する。これによって開放されたフラップの吸気ダクトの通過フローに対する影響は、低減され得る。
優位性のあるさらなる発展形によれば、それぞれの吸気ダクトは、その内壁上に凹部を有し得る。フラップは、その開放位置において、スターラップ端の間に位置する部分と共に、少なくとも部分的にこの凹部内に入り込む。この構成によって、開放されて必要とされないフラップの吸気ダクト内のフロー状態に対する影響は、やはり低減され得る。
開放されたフラップのフローに対する影響は、フラップがその開放位置において、凹部内に入り込むその部分と共に、流入側で内壁と面一になる、さらなる発展形によってさらに低減され得る。この構成によって、フローに曝されるフラップの輪郭は、吸気ダクトの内壁の輪郭と隣接し、これは開放されたフラップの、吸気ダクトの通過フローに対する影響を低減する。
他の優位性のある実施形態によれば、それぞれのフラップのシェル領域は、フラップの開放位置において、内壁の輪郭と連続するよう構成され得る。この構成も、開放されたフラップと吸気ダクト内のフローとの相互作用のさらなる低減に貢献する。
さらなる発展形によって、フラップを内壁の輪郭に沿わせることは、シェル領域がフローの向きに内壁の輪郭を延長するようにして実現され得る。このようにして、開放されたフラップは、シェル領域においてフローの障害とはならず、その結果、吸気ダクト内の空気の動きとの相互作用はやはり低減される。
他の優位性のある実施形態によれば、それぞれのシェル領域は非対称に構成され得る。これによって、特に、関連付けられた吸気ダクト内のその閉鎖位置にあるフラップは、フローが通り得る異なる大きさの断面積を持つ部分を実現する。非対称性の目標とされた構成によって、それぞれのフラップの閉鎖位置においては、スワールフローまたはタンブルフローを発生することがさらに可能である。さらなる発展形は、それぞれのフラップの閉鎖位置においてシェル領域の第1部分が吸気ダクトの壁に接し、一方、それぞれのフラップの閉鎖位置においてシェル領域の第2部分は壁から間隔が空けられている点で、特に優位性を持つ。これはそれぞれのシリンダ内に所定の吸気フローを発生するのに利用され得る。
本発明のさらに重要な特徴および優位性は、図面を参照すれば、サブクレーム、図面、および関連する図面の説明から明らかになろう。
上に述べた、またさらに詳細に以下に述べる特徴は、それぞれ示された組み合わせで用いられ得るだけでなく、他の組み合わせにおいても、または単独でも本発明の範囲から逸脱することなく用いられ得る。
本発明の好ましい例示的実施形態が図面に示され、さらに詳細に以下の説明に記載され、ここで同じ参照番号は、同一または類似または機能的に同一の要素を示す。
図1〜15を参照すれば図13にのみ見られる吸気システム1は、特に自動車内に配置され得る、ここでは不図示の内燃機関に接続するためのフラップ装置2を備える。吸気システム1は、ピストンエンジンとして構成され、いくつかのシリンダを有する内燃機関の空気の供給を担う。加えて示された例で吸気システム1は、いくつかの吸気管を有する外気分配器3を有する。ここで示された実施形態では、フラップ装置2は、中間フラップ(intermediate flap)として設計され、搭載された状態では外気分配器3および内燃機関の間に配置される。特に、フラップ装置2は、吸気システム1の残りの部分とは独立して予め取り付けることが可能である、完全にプリマウント可能な(pre-mountable)ユニットを構成し得る。他の実施形態において、吸気システム1は、単一部材の要素として実現され得て、このとき中間フランジの機能が統合され、フラップ装置2は吸気システム1のハウジングの中に直接に導入される。他の実施形態によれば、中間フランジは、例えば冷却器付き、または冷却器なしの圧縮機または空気分配器のような他の空気供給ユニットと接続されてもよく、吸気システムを構成し得る。
図1〜15によればフラップ装置2は、ハウジング5を備え、このハウジングは内燃機関のシリンダ当たり正確に1つの吸気ダクト6を有する。示された例ではハウジング5には、4つの吸気ダクト6が設けられる。したがってフラップ装置2は、インライン4シリンダーエンジンのために、またはV−8シリンダーエンジンのバンクのために構成され得る。しかしシリンダーの個数つまりそれぞれの吸気ダクト6の個数は、ここでは純粋に例示のためである。
具体的な実施形態では、吸気マニホルドは、シングルフローであってもよく、すなわち個別のダクトがシリンダ毎に提供されてもよい。他の実施形態では、2つのダクトがシリンダ毎に提供されてもよく、この場合、ダクトはダブルフローダクトとして実施形態される。中間フランジにおけるシングルフローまたはダブルフローダクトの連続性もシングルフローまたはダブルフローであるように構成され得る。シリンダーヘッド自体においても、ダクトは同様にシングルフローまたはダブルフローであるように構成され得る。ここでシリンダーヘッドにおけるダクトの個数は、バルブの個数に依存する。シングルフローまたは順に配置されたそれぞれのダブルフローダクトの異なる組み合わせを通じて、例えばスワールフロー(swirl flows)及び/又はタンブルフロー(tumble flows)のような特定のフローが発生され得て、これがシリンダーの最適な充填(filling)を可能にする。
フラップ装置2は、フラップ構成7をさらに備える。これはシングルフラップ8をそれぞれの吸気ダクト6について有する。フラップ8は、フローが通過するそれぞれの吸気ダクト6の断面積を変化させるように働く。図1〜図6によれば、フラップ8は、トラフ形状(trough-shaped)フラップとしてここでは設計される。そのようなトラフ形状のフラップ8は、一方では湾曲されたスターラップ領域(curved stirrup region)9によって、他方ではスターラップ領域9から突出しているシェル領域(shell region)10によって特徴付けられる。それぞれのスターラップ領域9は、互いから間隔が空けられた2つのスターラップ端11を有し、これらスターラップ端は、フラップ旋回軸12についてそれぞれ同軸状に配置される。スターラップ領域9は、スターラップ端11の間のフラップ旋回軸12から突出している。これら突出部を通して、それぞれのフラップ8は、スターラップ端11の間でフラップ旋回軸12について偏心するよう配置される。
フラップ構成7は、全てのフラップ8について共通作動軸13を有し、この共通作動軸13によって複数のフラップは、フラップ旋回軸12の周りに連結して旋回され得る。それぞれのフラップ8について、作動軸13は、フラップ旋回軸12に対して突起14を有する。これら突起14の領域において、よって作動軸13は、フラップ旋回軸12について偏心的に通っている。個々のフラップ8は、作動軸13上の突起14の領域内で構成される。ここで作動軸13上のフラップ8の構成は、それぞれのフラップ8がそれぞれの突起14に沿ったスターラップ領域9を持つよう構成されるように適宜なされる。図5および図6によれば、フラップ8および吸気ダクト6は、図6に示される開放位置において、それぞれのフラップ8がそのスターラップ領域9と共に、かつそのシェル領域10と共に、それぞれの吸気ダクト6の内壁15に沿って延びるよう、適宜、互いに連携して動作され得る。ここでそれぞれのフラップ8は内壁15に沿って、または内壁15の近くに沿って延びることによって、内壁15およびシェル領域10の間のフラップ周辺における流れが起きないように、またはそのような流れがほとんど排除されるようにする。
ここで示される実施形態において、吸気ダクト6は、その内壁15上に凹部16が設けられている。この凹部16は、フラップ8がその開放位置において、スターラップ端11の間に位置する部分17と共に、少なくとも部分的にこの凹部16内に入り込むような大きさを有し、そのような位置に設けられている。ここで示される実施形態は、フラップ8および吸気ダクト6および凹部16が互いに連携して動作することによって、フラップ8が図6によるその開放位置において、凹部16内に入り込むその部分17と共に、流入側で内壁15と面一になる点で特に有利である。図5および図6において、フローの向き18は矢印で示され、吸気ダクト6は関連付けられたシリンダーに外気に導く。図示されるようにフラップ8は、凹部16の領域において流入側で内壁15と面一である。
ここで示される好ましい実施形態では、開放位置において、シェル領域10が内壁15の輪郭に沿うよう構成され、つまり好ましくはシェル領域10がフローの向き18に内壁15の輪郭を延長することが図6からわかる。これにより低抵抗な遷移が内壁15およびフラップ8の間で作られ、これによって開放位置において外気をそれぞれのシリンダーへと、フラップ8との相互作用をほとんどなしで導くことができる。
個別のフラップ8は、基本的には作動軸13と独立に作られ得る。フラップ8は、作動軸13上に挟まれて固定されてもよく、他のやり方で作動軸13に接続されてもよい。しかしフラップ8が作動軸13上に射出成形されて構成される実施形態が好ましい。ここで作動軸13は好ましくは金属からできており、フラップ8はプラスチックを射出成形して作られる。フラップ8を作動軸13に射出成形するとき、例えば作動軸13の製造公差は補償され得る。
図1、5および6から特にわかるように、フラップ8は、作動軸13上に射出成形されて構成され得て、それによりその突起14の領域における作動軸13は、フラップ材料によって一部だけが囲まれる。同様に、例えばフラップ8の特に高品質な構成を達成するために、またはシェル領域10のそれぞれが内壁15の輪郭に合わせるために、突起14の周りをフラップ8の材料によって完全に射出成形することも考えることができよう。
図1〜4を参照すれば、作動軸13は、それぞれのフラップ8の両端においてストレートベアリング領域19を有し得る。好都合なことに、共通ベアリング領域19は、隣接するフラップ8の間にここでは設けられている。図1、5および6を参照すれば、ハウジング5は、いくつかのベアリング20を有する。これらのベアリング20において、作動軸13のベアリング領域19は、フラップ旋回軸12の周りに回転可能に配置されている。これらのベアリング20は、好ましくは、第1ベアリングハーフシェル21は、ハウジング5上に一体化して形成され、一方、それに対して相補的な第2ベアリングハーフシェル22は、ハウジング5上に適切な方法で取り付けられたベアリング部品23上に一体化して形成されるように実現され得る。例えば、これらのベアリング部品23は、ハウジング5上に構成される、対応するベアリング部品マウント24内に挿入される。ハウジング5を内燃機関に取り付けることによって、ベアリング部品23は自動的にハウジング5上に十分に固定されるようになる。同様に、ベアリング部品23をハウジング5に接着剤で取り付けたり、及び/又は無理に押し込める(jam)したりしてもよく、すなわち摩擦嵌めまたは圧力嵌めによって固定してもよい。
図7はレバー要素28を示す。レバー要素28によって、作動軸13は、図13に見られる調整ドライブ42と結合される。調整ドライブ42は、フラップ旋回軸12に対してのトルクをレバー要素28に導入する。レバー要素28は、このトルクを作動軸13に伝達する。ここで示される実施形態は、レバー要素28が金属の挿入物29および挿入物29上に射出成形されたプラスチックのボディ30を有するときには特に有利である。図7の例において、挿入物29は、作動部31がプラスチックのボディ30から突出している。図10によれば、レバー要素28は、回転角センサ32と共にこの作動部31と協働し得る。回転角センサ32は、ホールセンサとして具体的には設計され得る。回転角センサ32は、作動軸13の、よってフラップ構成7の相対的回転位置を検出できる。
図7の例において、レバー要素28はレバーアーム33を有する。レバーアーム33は、トルクを導入するために例えばボールヘッド34を介して調整ドライブ42と結合され得る。これと合わせて、挿入物29はレバーアーム部35を有する。レバーアーム部35はレバーアーム33の内部へ延びる。レバーアーム部35は、角度が付けられた端部36を有してもよい。端部36はボールヘッド34の内部へ延びる。作動部31の反対には、ここでは挿入物29は結合部37を有する。結合部37は作動部31についてプラスチックボディ30よりも突出し、図10のように作動軸13の端部38内に突出し、作動軸13へトルクを伝達するために溝が設けられている。図10において挿入物29の機能をよりよく図示するために、レバー要素28のプラスチックボディ30は省略されている。結合部37を受け入れるためのスロットは49で示される。
図7にしたがって、円筒ベアリング部39は、プラスチックのボディ30上に形成され得て、これによってレバー要素28は、フラップ旋回軸12の周りに回転可能であるように、ハウジング5上に取り付けることができる。このため、ハウジング5には、ベアリング部39と相補的に形成されるベアリングマウント40が設けられている。ベアリングマウントはベアリングハウジング5の前面上に配置され得る。図13の実施形態においては、上記ベアリングマウント40は、さらなるハウジング41によって隠されている。さらなるハウジング41内にレバー要素28が収められ、このハウジング41内で調整ドライブ42との結合がなされ、図13では例として圧力セルとして設計されている。回転角センサ32は、この追加のハウジング41上に取り付けられている。
図8と対照的に図9は、改変された結合部37’および二つ折り部48の点で図8の挿入物と異なる、そのような挿入物29を実現するための異なる実施形態を示す。図8に示される実施形態においては結合部37が、図10のように作動軸13の前部端38において取り付けスロット49内へ係合できるように平坦であるように設計されているのに対して、図9に示される実施形態における結合部37’は複数の面を持つマウントとして設計されている。それに相補的に、作動軸13の端部38の前面は、多角形として設計され、例えば正方形である。二つ折り部48は、結合部37’を超えてレバーアーム部35を延長し、それによってプラスチックのボディ30へのトルクの導入を改善する。
図11および図12は異なる実施形態を示し、図11ではハウジング5の外にあるよう図示される作動軸13は、回転可能に固定させて(in a rotatably fixed manner)磁石キャリア43を保持する。そしてこの磁石キャリア43は、回転可能に固定させて永久磁石44を保持する。磁石キャリア43は、作動軸13の端部38の前面において適切に配置される。取り付けられた状態で、永久磁石44は、対応するように構成された回転角センサ32と非接触で協働する。回転角センサ32は具体的にはホールセンサとして実現され得る。ここで提示される実施形態は、図12のハウジング5が永久磁石44および回転角センサ32の間に壁部46を有するときに特に優位性を持つ。換言すれば、永久磁石44は、ハウジング5の内部に配置されるが、回転角センサ32はハウジング5の外部に配置される。ここで回転角センサ32の領域において、ハウジング5を別個に封止する部材は設けられなくてもよい。加えて、磁石キャリア43は、永久磁石44を壁部46からフラップ旋回軸12について軸方向に間隔をあけることが図12からわかる。これによりギャップ47が壁部46と磁石キャリア43との間に、または壁部46と永久磁石44との間に軸方向に作られる。
示された例において、回転角センサ32は、具体的には留め具構成によって、ハウジング5上に特に簡単に取り付けられる。このために、ハウジング側上にある留め具要素45がハウジング5上に一体化して形成され得て、これによって回転角センサ32のハウジング5上への取り付けが比較的安価に実現され得る。
図14において、センサ領域の代替の実施形態が断面図で示される。図15は、センサ32がない、図14のセンサ領域を上から見た図である。図12に示されたセンサ領域と対照的に、壁部46は壁開口48を有する。この壁開口48は、センサ32の検出範囲の領域内に配置される。この壁開口48によって、永久磁石44を持つシャフト端とセンサ32との間には封止する分離物が存在しない。壁開口48の構成によって、磁石44の磁界は、センサ32へと直接に伝わる。したがって、透磁性のある、または電導性のある材料が、磁界に影響を与えることなく、ハウジング5のため、または吸気システム1のために用いられ得る。好ましくは、電気伝導性プラスチックが用いられ得る。壁開口48は、例えば円形、楕円形、四角形、正方形のような任意の望ましい幾何学的形状を有し得る。本例示的実施形態においては、壁開口48はV形に設計され、ここで壁開口48は、モールドからはずれる方向へとより大きくなる。したがって、モールドリリーススライダは、単に上方へと引き上げればよい。さらにこの実施形態ではセンサ32は、円錐形に構成された受け入れ空間50および封止領域51を有するセンサマウント49内に配置される。壁開口48は、受け入れ空間50の領域内に配置される。封止領域51は、この例ではOリングシールとして構成される、シール52がセンサマウント49およびセンサ32の間で封止を形成するよう設計され、よって吸気ダクト6の内部は外部環境に対して封止される。受け入れ空間50は、封止領域51よりも小さい断面積を有する。したがって肩53は、受け入れ空間50と封止領域51との間に形成される。壁開口48は、この肩53から受け入れ空間50の方向に延びる。したがって壁開口48は、モールドから簡単にはずすことができる。この例示的実施形態では図2〜4の先が切られたフラップ8は、吸気ダクト6と一体化している。しかし他の実施形態においては、この構成は、直線状に実現されたフラップシャフト、およびその上に配置されたフラップを持っていてもよく、突起領域はあってもよく、なくてもよい。もちろんシングルフローおよびダブルフローのダクトの異なる組み合わせが上述のように提供されてもよい。