(57)【要約】【課題】給気システムにおいて、がたつき音を軽減し、耐消耗性を向上させる。【解決手段】少なくとも１つの新気経路が通っている筐体２と、この筐体２に調節可能に搭載された少なくとも１つのフラップ５とを設ける。新気経路を気密に閉鎖する閉姿勢と新気経路を開放して新気を流通させる開姿勢との間で回転可能に調節可能なフラップ機構３を設ける。このフラップ機構３にバネ弾性を有する予荷重部材６を設ける。予荷重部材６を筐体２に支持し、開姿勢又は閉姿勢に抗する予荷重をフラップ５に付与する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室へ新気を供給するための給気システムにおいて、
少なくとも１つの新気経路が通っている筐体（２）と、
前記筐体（２）に調節可能に搭載された少なくとも１つのフラップ（５）を備え、上記新気経路を気密に閉鎖する閉姿勢と上記新気経路を開放して新気を流通させる開姿勢との間で回転可能に調節可能なフラップ機構（３）とを備え、
前記フラップ機構（３）は、バネ弾性を有する予荷重部材（６）を備え、前記予荷重部材（６）は、前記筐体（２）に支持され、前記開姿勢又は前記閉姿勢に抗する予荷重を前記フラップ（５）に付与する
ことを特徴とする給気システム。
【請求項２】
請求項１に記載の給気システムにおいて、
少なくとも２つ、好ましくは４つの新気経路を備え、
各新気経路には１つのフラップ（５）が設けられ、
前記少なくとも２つ、好ましくは４つのフラップ（５）は、１つの共通の旋回軸（４）に回転しないように取り付けられ、
前記旋回軸（４）は、回転調節可能に前記筐体（２）に搭載されている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項３】
請求項２に記載の給気システムにおいて、
前記バネ弾性を有する予荷重部材（６）は、第１端部（８）及び第２端部（９）を有するリーフバネ（７）又はコイルバネとして形成され、
前記リーフバネ（７）又はコイルバネは、前記フラップ（５）に予荷重を付与するために、上記第１端部（８）によって前記筐体（２）に支持され、上記第２端部（９）によって前記旋回軸（４）又は前記フラップ（５）に支持されている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項４】
請求項３に記載の給気システムにおいて、
前記筐体（２）に、ポケット状に設計された支持領域（１０）が設けられており、
前記支持領域（１０）に、前記リーフバネ（７）又はコイルバネの前記第１端部（８）が支持されている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の給気システムにおいて、
前記予荷重部材（６）は、前記筐体（２）と前記旋回軸（４）又はフラップ（５）との間に、引っ張りバネ又は圧縮バネとして作用するように配置されている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の給気システムにおいて、
前記リーフバネ（７）又はコイルバネの前記第２端部（９）は、前記旋回軸（４）に対して相対的な固定位置において前記旋回軸（４）に設けられた凹部（１１）に受け入れられ、又は、
前記リーフバネ（７）又はコイルバネの前記第２端部（９）は、前記フラップ（５）に対して相対的な固定位置において前記フラップ（５）に設けられた凹部（１１）に受け入れられている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項７】
請求項６に記載の給気システムにおいて、
前記凹部（１１）は、前記旋回軸（４）に取り付けられた保持部（１４）に回転しないように設けられ、又は、前記フラップ（５）上に成形され、
前記保持部（１４）は、中空シリンダ状に実質的には形成され、径方向外側へ突出する延長部（１２）を備え、
前記延長部（１２）に、前記リーフバネ（７）又はコイルバネを受け入れるための前記凹部（１１）が設けられている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項８】
請求項３〜７のいずれか１項に記載の給気システムにおいて、
前記予荷重部材（６）は、リーフバネ（７）として形成され、
前記リーフバネ（７）の少なくとも前記第１端部（８）は、湾曲して形成されている
ことを特徴とする給気システム。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか１項に記載の給気システムにおいて、
前記フラップ機構（３）は、アクチュエータ（１３）を備え、
前記アクチュエータ（１３）は、特に電気によって駆動され、前記旋回軸（４）に駆動連結され、
前記アクチュエータ（１３）により、前記少なくとも１つのフラップ（５）を前記開姿勢と前記閉姿勢との間で旋回調節可能である
ことを特徴とする給気システム。
【請求項１０】
少なくとも１つの燃焼室と、
前記燃焼室と流体的に連通した請求項１〜９のいずれか１項に記載の給気システム（１）とを備える
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項１１】
請求項１０に記載の内燃機関を少なくとも１つ備える
ことを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用の給気システム、それを備えた内燃機関、及びその内燃機関を備えた自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内燃機関用給気システムは、内燃機関の１つ以上の燃焼室へ新気を導入するために機能する装置と理解される。過給内燃機関では、例えば排気ターボチャージャを用いる新気の圧縮が、通常は給気システム内で行われる。
【０００３】
内燃機関において行われる燃焼プロセスの効率を考慮すると、給気システムを流通する空気流量を内燃機関の現在の回転数に適合させることは非常に重要である。また、この回転数は、燃焼室における燃焼の際にプロセス工程を周期的に実施する頻度によって決定される。したがって、最新の給気システムには、フラップ機構が備えられていることが多い。このフラップ機構によって、給気システムに設けられた新気経路の配管断面積を変化させ、特定の間隔で新気経路を流通する空気流量を調節することができる。
【０００４】
しかしながら、このようなフラップ機構では、その振動特性が問題となることが多い。なぜなら、通常は動かないように旋回軸に固定されたフラップには、給気システムの動作中に新気経路を流通する新気によって、一般的に、非常に高い機械的負荷がかかるからである。前記旋回軸は、通常、その終端側だけが給気システムの筐体に搭載されている。このため、共振により誘発される固有振動の励起の影響を受けやすいのは、特にフラップと旋回軸との組み合わせである。このような振動により、気に障るガラガラ音又はがたつき音が外部に生じることがあり、連続使用時には、いずれにせよこれらの部品の消耗が激しくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、上記欠点を軽減するか、さらには取り除いた、特に、耐消耗性が向上した給気システムを提供することである。さらに、本発明の目的は、このような給気システムを有する内燃機関を提供することである。最終的に、本発明の目的は、このような内燃機関を自動車に備えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、独立特許請求項の主題によって達成される。好ましい形態は、従属請求項の主題である。
【０００７】
本発明の基本的な発想は、バネ弾性を有する予荷重部材を上記フラップ機構に設けることであり、この予荷重部材は、筐体に支持され、新気経路に配置されたフラップの開姿勢又は閉姿勢に抗する予荷重をフラップ機構のフラップに付与するものである。このような予荷重部材は、フラップの現在のフラップ姿勢とは関係なく、フラップに対して持続的に作用する予荷重を生成する。その結果、フラップ機構の旋回軸と駆動連結された例えばアクチュエータによって積極的に生成され得る何らかの追加の外部的な力を作用させなくても、フラップは開姿勢又は閉姿勢へ、フラップ自体が既にその姿勢でない限りは自動的に動かされる。フラップが既にその姿勢である場合、フラップに対して作用する予荷重は、動作中にアクチュエータから積極的に生成され且つフラップに作用する保持トルクの他に、追加の保持トルクを確保する。これにより、フラップ機構全体を、フラップの上述の「がたつき」を含む不都合な固有振動から、特に効果的に保護することができる。
【０００８】
予荷重部材のバネ弾性特性を、例えばバネ定数の値を適切に決定することにより適切に決定すると、当業者に「フェールセーフ」機能として知られている動作原理も実現することができる。この動作原理では、アクチュエータのエラー時に、フラップが予荷重部材によって開姿勢へ、又は、新気により生成される流体圧に逆らって閉姿勢へ自動的に動かされ、その姿勢でいわば固定される。
【０００９】
好ましい一形態では、たった１つの新気経路の代わりに、少なくとも２つ、好ましくは４つの新気経路が設けられている。新気経路の数は、内燃機関の燃焼室の数に対応し、新気経路は、正確に一対一の関係で燃焼室に割り当てられていることが一般的である。個々の新気経路への新気の分配は、エンジン開発の分野において新気分配器として知られており、給気システムに直接一体化可能な装置によって行われてもよい。新気経路の数に応じて、個々の新規回路を任意に開閉するためのフラップを設けることも必要となる。異なるフラップを共通の旋回軸にまとめて搭載することができる。これにより、流体経路における個々のフラップの旋回を同時に調整することができる。この場合の新気経路は、旋回軸が各新気経路に対して横方向に延び得るように、フラップの領域において互いに平行に延びていることが一般的である。
【００１０】
一方、製造技術的に特に有利な形態では、バネ弾性を有する予荷重部材が、リーフバネ又はコイルバネとして形成されている。これにより、フラップに所望の予荷重を付与するため、リーフバネ又はコイルバネを一方の端（第１端部）で給気システムの筐体に搭載し、他方の端（第２端部）で旋回軸又はフラップ自体に簡単に搭載することができる。
【００１１】
筐体に予荷重部材を固定するために必要な設置空間を出来る限り小さく保つために、ポケット状の支持領域を筐体に形成することが推奨される。このようなポケット状の筐体壁によって、リーフバネ又はコイルバネの第１端部を支持することができる。
【００１２】
旋回軸又はフラップと筐体との間に予荷重部材がどのように配置されているかによって、引っ張りバネ構造又は圧縮バネ構造となる。引っ張りバネ構造では、予荷重部材は、初期姿勢からスタートして、旋回軸を回転させることにより弛緩状態から引っ張られた状態へと遷移する。圧縮バネ構造では、逆に、旋回動作は、予荷重部材に圧力がかかるように予荷重部材を圧縮することになる。上記両方の場合において、予荷重部材により生成され、旋回軸に作用する予荷重力は上昇する。給気システムにおける設置状態に応じて、引っ張りバネ構造又は圧縮バネ構造の実現が設計的に有利だということが分かる。予荷重部材をコイルバネとして設計することは、圧縮バネ構造において使用する際に特に有利である。
【００１３】
リーフバネ又はコイルバネとして設計された予荷重部材の機械的に安定した固定は、リーフバネ又はコイルバネの第２端部に対して相補的に形成された凹部を、旋回軸に対して旋回可能に旋回軸に設けることにより行われる。このような凹部は、例えば、旋回軸に直接設けられていてもよく、又は、フラップに直接成形されていてもよい。あるいは、別個の保持部にこのような凹部を設け、その保持部を、回転しないように旋回軸に固定する、又は、旋回軸と一体的に形成することも考えられる。あるいは、このような保持部は、フラップに固定されていてもよく、又は、フラップ上に成形されていてもよい。リーフバネをこのような凹部に恒久的に固定するために当業者には幅広い選択肢がある。例えば、ネジ留め、クリップ、又は射出オーバーモールドによる固定が考えられる。凹部に第２端部を単に挿入することも一般的には考えられる。
【００１４】
凹部を旋回軸にではなくフラップに、つまり、フラップ自体に直接、又は、フラップに固定された、若しくは、フラップと一体成形された保持部に形成する場合、フラップの搭載領域に該凹部を設けることが有利であり、この領域において、フラップ又は旋回軸が旋回調節できるように筐体に搭載されている。
【００１５】
しかしながら、リーフバネ又はコイルバネを恒久的に安定して機械的に固定するには、十分な受け入れ深さを有する凹部を用意する必要がある。しかしながら、シリンダ状の旋回軸又は保持部において最大限に実現され得る凹部の深さは限られているので、保持部に外部へ突出する延長部を設けることが適切であり、この延長部に、リーフバネ又はコイルバネ用の凹部を設けることができる。
【００１６】
予荷重部材がリーフバネとして設計されている場合、リーフバネの第１端部を、たとえ給気システムに搭載していない状態、すなわち、弛緩した状態でも、湾曲させて形成することが推奨される。リーフバネのこのような性状により、給気システムの筐体に設置するために必要な設置空間を小さく保つことができる。
【００１７】
旋回軸と旋回軸に取り付けられた少なくとも１つのフラップとを制御して動作させるために、フラップ機構にはアクチュエータが設けられていることが好ましく、このアクチュエータは、特に、電気駆動され、旋回軸と駆動連結されている。このアクチュエータによって、フラップを開姿勢と閉姿勢との間で旋回調節することができる。
【００１８】
さらに、本発明は、少なくとも１つの燃焼室を備える内燃機関に関し、この内燃機関は、１つ以上の上記特徴を有する給気システムと流体的に連通している。さらに、本発明は、この給気システムを有する自動車に関する。
【００１９】
本発明のさらに重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面を参照した関連する説明から理解される。
【００２０】
上記で説明され、以下でさらに説明される特徴は、説明される各組み合わせでだけでなく、他の組み合わせでも、又は、個別でも本発明の範囲を逸脱しない限り使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１ａ】本発明に係る給気システムのフラップの開姿勢に対応する部分図である。
【図１ｂ】本発明に係る給気システムのフラップの閉姿勢に対応する部分図である。
【図２】４つのフラップを有する給気システムのフラップ機構を示す図である。
【図３ａ】リーフバネとして形成された予荷重部材の例を示す図である。
【図３ｂ】リーフバネとして形成された予荷重部材の例を示す図である。
【図４】旋回軸に搭載されたリーフバネを有していないフラップ機構の断面図である。
【図５】旋回軸に搭載されたリーフバネを有するフラップ機構の断面図である。
【図６】引っ張りバネ構造の一部としてフラップ機構を概略的に示す図である。
【図７】圧縮バネ構造の一部としてフラップ機構を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の有利な実施形態を、図に示し、以下で詳しく説明する。なお、同じ又は類似又は機能的に同じ構成要素には同じ符号をつけた。
【００２３】
図１ａ及び図１ｂは、本発明に係る給気システム１の部分図であり、給気システム１の十分な寸法に決定された筐体２に設けられたフラップ機構３を示す。図２は、フラップ機構３を別個に示す。フラップ機構３は、図２の実施形態では、１つの共通の旋回軸４に回転しないように固定された４つのフラップ５を備えている（フラップ５は、図１ａ及び図１ｂには示されていない）。
【００２４】
４つのフラップ５の各々は、フラップ５が閉姿勢になるように旋回軸４を回転させることで４つの新気経路がフラップ５によって気密に閉鎖されるように、給気システム１の新気経路（図示せず）に配置されており、旋回軸４は、回転調整可能に筐体２に搭載されている。フラップ５は、逆に、開姿勢では、給気システム１の下流の流体的に連通した燃焼室へ新気を導入できるように、新気経路を解放して新気を流通させる。当然、フラップ５も、開姿勢と閉姿勢との間の中間姿勢に位置付けられる。
【００２５】
フラップ機構３には、ここでは、リーフバネ７の形態のバネ弾性を有する予荷重部材６が設けられており、この予荷重部材６は、筐体２に支持されて、開姿勢又は閉姿勢に抗する予荷重をフラップ５に付与している。図１ａは、フラップ５の開姿勢に割り当てられた姿勢のリーフバネ７を示す。一方、図１ｂは、フラップ５の閉姿勢に対応する姿勢のリーフバネ７を示す。
【００２６】
図３ａ及び図３ｂは、例えば平坦な金属ストリップとして形成され得るリーフバネ７の考えられる幾何学的設計の概略的な例を示す。このようなリーフバネ７は、給気システム１の筐体２に支持される第１端部８と旋回軸４に支持される第２端部９とを備えている。
【００２７】
図３ａの例では、リーフバネ７の第１端部８は、湾曲して設計されている。リーフバネのこのような特性により、給気システム１の筐体２にリーフバネ７を設置するのに必要な設置空間を小さく保つことができる。しかしながら、リーフバネ７の湾曲した設計は、その第１端部８だけには限らない。図３ｂの例では、例えば、リーフバネ７の第２端部９以外は全て湾曲して設計されている。
【００２８】
リーフバネ７を筐体に固定するために必要な設置空間を出来るだけ小さく保つために、図１ａ及び図１ｂに概略的に示す、ポケット状に設計された支持領域１０を筐体２に形成することが推奨される。このようなポケット状の筐体２の壁に、リーフバネ７の第１端部８を支持することができる。
【００２９】
本実施形態では、リーフバネ７として形成された予荷重部材６の第１端部８の機械的に安定した固定は、別のバネ、例えば、既に説明したコイルバネが使用される場合でも、凹部１１を有する保持部１４を旋回軸４に設けることにより達成できる。図に示すように、保持部１４は、別個の構成要素として設計されていてもよく、旋回軸４に回転しないように固定されていてもよい。あるいは、保持部１４を旋回軸４と一体的に成形することも考えられる（図示せず）。他の一変形例では、凹部１１を旋回軸４に直接設けることもできる（図示せず）。
【００３０】
上記実施形態の他の一変形例（図２に例示的に示す）では、１つのフラップ５だけについて分かりやすいように破線で示す、例えば、先述のリーフバネ７の形態の予荷重部材６も、このフラップ５に支持されていてもよい。このために、旋回軸４に関連して上で説明した凹部１１も、フラップ５に設けられていてもよい。上記実施形態と同様に、凹部１１は、フラップ５に直接設けられていてもよく、又は、図２において破線で示すように、保持部１４に設けられていてもよい。なお、保持部１４については、旋回軸４に関連して上で説明され、図１ａ及び図１ｂに示されている。凹部１１を、直接的に、又は、上記保持部１４に形成して間接的にフラップ５に設ける場合、フラップ５の領域に、この凹部１１を設けることが有利であるということが分かる。この場合、フラップ５又は旋回軸４が筐体２に搭載されている。この領域は、１つのフラップ５について、図２において例示的に符号１５によって示されている。
【００３１】
全ての場合に、リーフバネ７の第２端部９は、旋回軸４又はフラップ５における支持のための凹部１１に挿入され得る。リーフバネ７を安定して固定するために特に大きな受け入れ深さを有する凹部１１を提供するため、実質的に中空シリンダ形状の保持部１４に延長部１２が設けられており、この延長部１２に凹部１１が設けられている。
【００３２】
説明のため、図５に、凹部１１に挿入されたリーフバネ７を有するフラップ機構３を示す。凹部１１にリーフバネ７を永続的に固定するために、当業者は様々な選択肢を有し、例えば、ネジ留め、クリップ、又は、射出オーバーモールドによる固定が考えられる。凹部１１に第２端部９を単に挿入するということも簡単に考えられる。
【００３３】
予荷重部材６が旋回軸４と筐体２との間にどのように設けられるかによって、引っ張りバネ構造（図６に概略的に示す）又は圧縮バネ構造（図７に概略的に示す）は、設計に関して特に有利な形態だということが分かる。図６に示す引っ張りバネ構造では、旋回軸４又はフラップ５を回転方向Ｄへ回転させることにより、予荷重部材６は、図６に示す初期姿勢からスタートして引張荷重を受け、初期姿勢と比べて伸びた状態に遷移する。図７に示す圧縮バネ構造では、旋回方向Ｄへの旋回軸４の旋回動作は、逆に、予荷重部材６を圧縮し、予荷重部材６には圧縮荷重がかけられる。両方の場合において、予荷重部材６により生成され、旋回軸４又はフラップ５に作用する予荷重が上昇する。給気システム１における設置状態に応じて、引っ張りバネ構造又は圧縮バネ構造としての実施が有利だということが分かる。
【００３４】
旋回軸４及び旋回軸４に取り付けられた少なくとも１つのフラップ５の制御動作のために、フラップ機構３には、特に電気的に駆動されるアクチュエータが設けられていることが好ましい。なお、このアクチュエータは、旋回軸４と駆動接続されており、図２において符号１３によって概略的に示されている。
【符号の説明】
【００３５】
１      給気システム
２      筐体
３      フラップ機構
４      旋回軸
５      フラップ
６      予荷重部材
７      リーフバネ
８      第１端部
９      第２端部
１０      支持領域
１１      凹部
１２      延長部
１３      アクチュエータ
１４      保持部
１５      １つのフラップ
【図１ａ】
2015094361.tif 000003
【図１ｂ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
2015094361.tif 000009
【図６】
2015094361.tif 000010
【図７】
2015094361.tif 000011