CN100366868C

CN100366868C - 消声器

Info

Publication number: CN100366868C
Application number: CNB038220709A
Authority: CN
Inventors: G·吕尔斯
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: ES2285197T3; ATE359434T1; WO2004027231A3; EP1540148A2; WO2004027231A2; EP1540148B1; CN1682015A; DE50307035D1; DE10243225A1

Abstract

本发明涉及一个消声器，具有一个消声器壳体(1)和用于废气的至少一个进气口(3)和一个排气口(4)，其中在该壳体表面(2)中嵌置一个或多个功能表面(8)以及一个或多个凹槽(5，6，7)，该凹槽(5，6，7)在其构型上和/或结构配置上具有一个或多个按照目的要求的不均匀性以减小噪声反射。同时描述了一种用于设计一消声器的方法。

Description

消声器

技术领域

本发明涉及一种消声器和该消声器的设计方法。

背景技术

已经公知的是，在机动车的排气设备中设置消声器。从内燃机中排出的燃气则从排气系统被排入到自由的大气环境中。这个工作，除了避免由于气体的和固体的有害物质导致的污染损害外，还应该实现尽可能的无噪声。由此出于环境保护的原因越来越多地还通过立法的措施限制所允许的噪声排放。

此外对于一个排气设备来说另一个重要的经济目标就是低廉的价格。对于组合在机动车中也很重要的小重量和紧凑的尺寸结构赢得越来越重大的意义。按照机动车-和发动机尺寸，一个从排气弯管至端管的完整排气设备重量可以在20和45kg之间。所有的组件都影响排气设备的声学性能，当然是以完全不同的方式。其中，不仅客观地评价该排气设备之排气口和表面的噪声反射，其众所周知对于在加速超车时的噪声排放是重要的-而且观察者对于声图的客观感受都扮演重要的角色。

排气设备的声学特性除了发动机的负载变化噪声外还主要取决于排气系统结构上的尺寸设计。在此特别是叉形管的对称性，消声器的数量和位置以及连接管的直径都扮演一个重要的角色。在不良的结构设计情况下排气设备可能产生加重的噪声。传动装置越来越多的普通多阀-技术导致进入该排气设备中噪声程度的明显增高。但是未来对加速超车的噪声限界值的进一步降低则要求排气口噪声显著减小。现今这些要求的噪声水平下降基本上通过消声器的体积增大实现，但是这样会很快地达到已有结构空间的限界。因此，为了最佳地利用在底部组件中可使用的结构空间还在中等尺寸的机动车情况下越来越多地采用了罩壳结构方式的消声器。这些罩壳消声器原则上具有一个平坦的大表面，这有利于噪声反射。这样一种罩壳-消声器例如已被描述在发动机技术杂志MTZ中年度出版物62，2001，第3卷，第3页往后。

出于这些原因，排气设备的表面作为噪声源在近年来设计排气设备时占有了显著的意义。在高的比功率和不良消声器-几何结构形状的发动机情况下，表面-噪声反射甚至可能占据主导地位。噪声排放并因此该排气设备的总布置图就必须被评价和最优化设置。如果这个工作没有做，则存在大的危险是，由于消声器容积的不良分配和消声器的结构配置导致比所需要的明显多的容积，或者说有关机动车内燃机的排气反压和由此该功率损失的容忍度就变成必要的了。

容积的增大还另外导致不希望的重量增加。另外，排气设备的这种总布置图通过容积分配和连接管的长度不仅明显地影响该噪声排放而且还通过与之关联的质量分配和总体质量影响机械振动的自然谐振特性。这样既影响该设备的振动疲劳强度又影响客舱中的噪声强度。此外所述倾向则由于结构空间限制增长早就试图将消声器之表面与容积的比例减小。

不仅本体噪声而且噪声反射都取决于消声器结构元件的物理特性参数。这些参数是结构件的弯曲刚度和单位长度质量，它们由结构件几何结构确定。同样地，材料特性如弹簧模数和厚度-它们是通过应用的材料预先确定因此是不可明显改变的-也具有影响。结构件的阻尼是一个基本的参数，但难以作定量评判。一定尺寸的变化可以引起不同的本体噪声程度和反射程度。因此弯曲刚度的扩大一般将导致本体噪声度的减小，但是却通常引起反射度的提高，其中该本体噪声度大多是占据主导的。甚至对于简单的几何结构形状，在后的结构件特性的模型化和预测也是困难的，因为这些参数相互很复杂地交变作用。

为了提高弯曲刚度已公知的是，将所谓的凹槽(Sicken)置入消声器的表面中。凹槽具有不同的形状也是公知的，如蚯蚓凹槽(Regenwurmsicken)或高尔夫球袋形状。蚯蚓凹槽是长形的组织结构，其被制成如一个蚯蚓相类似的形状，同时高尔夫球袋(Golfballsicken)是以高尔夫球形式的突出或凹下半球形组织结构。这种高尔夫球袋例如在汽车工业杂志中公知了。

在同类文件DE19849118A1中公开了一种废气消声器，其由半罩壳制成，这些半罩壳具有一个基本平坦的底部。在上壳的底部中设置了多个向外指向的长形突出或凹槽。这些凹槽一方面加强了壳体的刚性并且如上述有利于减小由于振动引起的噪声激发，另一方面凹槽在消声器的内腔中构成相应的突起结构，它们在消声器的内腔中于底部平面的那侧建立了附加的容积。

发明内容

本发明的任务是，设置一个进一步改进阻尼特性的消声器，以及一个用于其结构设计的方法。

这一任务通过下述方案来解决。根据本发明提供了一种消声器，其具有一个消声器壳体以及用于废气的至少一个进气口和至少一个排气口，其中该壳体表面具有一个或多个凹槽，其特征在于：该凹槽的构型和布置具有不均匀性以用于减小噪声反射，该不均匀性涉及凹槽外围曲线的弯曲分布。

按照本发明设置一个最优的带凹槽的壳体表面，其中凹槽的构型和/或结构配置特征在于，适当的不均匀性以用于减小消声器的噪声反射。

作为优选，本发明凹槽在平行于消声器壳体表面的横截面平面中一般不具有对称线。另外优选的是，单个凹槽与消声器的总表面相比的表面份额具有很宽的分布。此外有利的是，设置一个宽的优选连续的凹槽包络曲线的弯曲结构分布。

本发明另外的优点和有利的结构方案可独立地从说明书和附图中获取。

附图说明

本发明将借助附图作详细地阐述，其中该附图表明：

图1是一个在上方斜视到一个具有优选凹槽(Sicken)的消声器上的视图，该凹槽通过同影线描绘；

图2是一个从下边斜视到图1中带有优选凹槽的消声器上的视图；

图3是一个带功能表面的消声器内部的视图，该功能表面将消声器分为各分段；

图4是通过一个典型蚯蚓凹槽的截面图；

图5是作为凹槽数之函数的优选凹槽的优选数量分配；

图6是作为该凹槽数之函数的优选凹槽相对一消声器总表面的优选数量分配；

图7是优选凹槽相对该凹槽表面份额的优选分配；

图8是在典型凹槽(a₀，b₀，c₀)和在本发明凹槽(a₁，b₁，c₁)情况下噪声度的比较。

具体实施方式

在一个消声器壳体上已知凹槽的功能在于，首要的是提高壳体的弯曲刚度以及提高流动导引作用。另外，通常该消声器壳体的表面通过功能表面被分开。该壳体表面的这些分区域一般地应用为底部的座位。该分区域则分别作为消声器内部的反射腔起作用，在其中，该噪声应能被阻尼减弱，而且一般地在这些底部座位之间存在平行性。为了提高弯曲刚度，应该设置一个最小数量的底部，在其中嵌置了有规律的凹槽。与之相反，本发明凹槽的构型和/或布置可以按照一个优选数量的最优化方法被确定，其结果实现尽可能微小的消声器的噪声反射。

在本发明最优化方法中，首先实施一个在消声器中气体脉冲的数量检测亦即一个压力场p(x，t，u(x))的检测。其中x表征一个在一消声器壳体之内表面上的位置。因为该消声器的壁厚与特性尺寸如长度和宽度及高度相比较是微小的，因此作为优选方式对于x的数值在内-和外表面之间的差值是可以忽略的。另外t表征时间，u(x)表征一个移位向量即一个被凹槽化消声器外表面相对一个无凹槽化消声器外表面的移位向量。由此参量u(x)就限定了凹槽。以经验方式获知，对于压力信号该移位向量u(x)的相关性经常是可忽略的。基于压力场p(x，t，u)导出一个在消声器外表面上的速度场v(x，t，u(x))。这个速度场v(x，t，u(x))导致噪声的排放。至此一个最佳的壳体表面之特征表现在，噪声排放减小或限制在一个允许的数值上。

在图1中描绘了一个当从上面倾斜地俯视时的本发明消声器具有一个公知方式的包括两个半壳和数个凹槽的基体，同时在图2中示出了在图1之消声器底侧上的一个视图。该凹槽既可以延伸到该消声器的内部又可以从消声器起地延伸出去。其中这个优选方式确定的基体两半壳可以被设置为单壁的或双壁的。

消声器包括一个消声器壳体1，带有用于废气的至少一个进气口3和一个排气口4，可以与它们对应地分别配置一个或多个普通的开孔并在消声器的内部延伸的管件。在壳体表面2中嵌入一个或多个功能表面8以及一个或多个凹槽5，6，7。由于简明起见，未示出所有存在的凹槽，但是它们在附图中由于其不规则的形状应是容易识别的。

功能表面8将消声器分为三个内部分段9，其上向两侧还连接了消声器1的端部件，它们同样设有凹槽5，7。功能表面8为凹槽形，但是它们的任务首要是确保消声器的一个底部座位。

在图3中示出了一个无壳体2的消声器1的内部视图，因此只有用于导引废气的内部延伸的管件11和用于底部10的框架可以看到。底部10与功能表面8的位置相互关联并限定了其间的分段9。在管件11中的排气脉冲就是被反射噪声的声源。按照包围着该布置的壳体情况，将发生多或少的噪声反射。

现有技术中公知的典型凹槽的特征在于一个具有高对称性轮廓的结构配置，如梯形凹槽，它的横截面是梯形的或例如该蚯蚓凹槽。在典型的蚯蚓凹槽情况下可以容易地发现一个连续的对称线，它至凹槽边缘的距离如此表征，即相对该对称线上的一个点可以发现两个相反对置的边缘点，它们到在对称线上这个点的标准距离是相同大的，其中各个表面被考虑为平行于壳体表面1。

在图4a描绘的蚯蚓凹槽情况下，在两个边缘点R₁和R₂与在对称线SP上的点P之间的连接线与该凹槽边缘曲线在这两个边缘点上的切线T₁，T₂分别地产生了两个夹角α₁和β₁以及α₂和β₂。这些夹角α，β一般的特性是，α≤90°(±0.5°)和β≥90°(±0.5°)，以及α+β＝180°(±1°)。此外这种公知的凹槽大多具有的持性是，α₁＝α₂(±0.5°)，同时这个在按照本发明的最优化凹槽5，6，7情况下一般不是这种情况。反而是在本发明蚯蚓凹槽情况下该角度α，β会波动，因此α₁，α₂是以至少±1°，优选±10°的偏移而不相同的。作为选择或附加，角度α₁，和α₂可以不同并具有±5°优选±10°的偏移。

在图4b中表明了一个沿着该蚯蚓凹槽4a的截面A-A’的截面图。其中该蚯蚓凹槽的内轮廓IK具有一个近似圆形的形状。但是在现有技术中还有构造成三角形或类似的。按照本发明一个凹槽的内轮廓是波动的。例如可以设置一个变化的弯曲半径。特别地横截面沿着一条纵线L的内轮廓可以波动的，其中该纵线L是一个沿着该凹槽的纵向延长延伸的、一般相对该凹槽的边缘曲线非对称安置的、表征该凹槽长度特征的参数曲线。经验表明，一般地这种使不均匀性软化(aufweichend)的凹槽占凹槽总数的一个最小的份额则是必要的，以便实现有效地减小噪声反射，以致于例如在一个端部区域中例如在图4a该端部区域E中具有一不均匀性的凹槽就不能实现所希望的阻尼作用。

除了具有纵向对称的凹槽外，在现有技术中还存在具有旋转对称的凹槽，如已提及的高尔夫球凹槽。其中对称元件通过围绕一个对称轴转动而取得一致。按照本发明，当这种凹槽通过对称角的波动而按目标要求承受提高的不均匀性时就实现噪声阻尼作用的提高。公知凹槽的对称线，按照凹槽类型，例如在高尔夫球凹槽时，也可以衰变到一个对称点，因为一个高尔夫球凹槽可能具有任意多的对称表面。

另外双边对称的凹槽是公知的，它们可以通过一个平面被分开为两个镜像对称的半边。相应地本发明凹槽之特征至少在于这种典型凹槽的对称元件的波动性。

此外在公知的凹槽中，在两个边缘点之间的、将对称线上的点计算在内的正交距离偏差量最高为该特征性的凹槽宽度的±10％，优选为±5％，特别优选为±1％。这些偏移可能例如由于制造容差而产生从而按本发明是不适当的。

这种公知的凹槽另外的特征在于，其轮廓线通过直的分段和基本均匀弯曲的区域所构成，同时在这种特征情况下，基体的弯曲部分没有被考虑。该周围边缘的半径由此被如此设置，它们实际上只设定几个断续的数值。

与之不同，本发明凹槽5，6，7之构型和/或布置具有按照目的要求的不均匀性。该凹槽5，6，7的按照目的要求的不均匀性，按照本发明可以具有下面特性组的一个或多个：

-凹槽5，6，7的构型对称性被减小。特别地该凹槽5，6，7在平行于该壳体表面2的截平面中相对于它们在该截平面中的包络曲线来说是基本无对称线的。作为优选，在该凹槽5，6，7的10％和90％之间不具有对称轴线或对称线。其中按照目的要求应该以平面度进行标定，因为该凹槽是空间构造并且凹槽的对称线按照现有技术是由局部对称的一些点构成的。

-单个的凹槽5，6，7相对于壳体表面2的表面的表面份额具有一个非线性包络线的分布，如一个高斯分布或一个泊松分布等。

-该凹槽5，6，7的周边曲线具有基本连续分布的弯曲结构。其中该凹槽5，6，7周围边缘的被弯曲的曲线份额相对单个凹槽最好至少为30％。该周边曲线的直线份额最好是最小10％，其中关于“直线”优选被理解为至少1cm长度并且同时在1cm上最高1mm的偏差量应被察觉。由此，消声器1的基体的拱顶有利地被去除。

-该凹槽5，6，7的相对壳体表面的压入深度是波动的，特别地在凹槽底部上的表面之80％具有一个为最深压入深度的30％，40％，50％或60％的高度变化。该凹槽5，6，7不是直线的条形凹槽，特别地它们不具有对称线。

作为优选，该凹槽为了减小噪声反射，以一个按照目的要求的不均匀性被安置在壳体表面中。同时这个配置可以沿着消声器壳体1的一纵向或横向实现。根据该凹槽在壳体表面上的位置，特别地即便在其他结构件几何轮廓未改变的情况下弯曲刚度也发生改变。

除了在一个平行于壳体表面的截面中具有一个与无规律轮廓简单关联的表面的这些凹槽外，其他本发明凹槽则具有一个具有较高关联的拓扑图(Topologie)。在图1中用Sk表征一个带有飞地(Enklave)的凹槽，其中在一个凹槽的内部安置一个未被压槽的小岛。此处这些表面区域被表征为未被压槽的，它们属于消声器1的原始的表面。在最简单的情况中因此可产生圆形的结构，但同时不均匀性通过凹槽的外轮廓或其内轮廓以及该飞地或小岛的轮廓或者通过两者来实现。另外还可以设置具有多于一个未被压槽之飞地的复杂化形状。

在本发明一个优选结构方案中，单个的凹槽5，6，7在与所有凹槽5，6，7全部表面的比例中的表面份额是波动的，特别是存在这样的单个凹槽5，6，7，其就其表面来说相对其他凹槽5，6，7的表面明显上升了。这个描绘在图5中。因此该凹槽5，6，7的大多数具有一个相对较小的表面。在这个实施例中28个凹槽中的25个具有一个低于100cm²的表面，而少数几个单独凹槽具有明显较大的高达250cm²的表面。

凹槽5，6，7的包络曲线的弯曲结构低于具有较宽分布的另一实施结构方案，并且不是通过少数几个离散数值加以表征。例如至少设置了2，3或4不同数值的弯曲半径。其中弯曲半径当它们处于预定的容差带之外时则具有不同的数值。例如偏移值是0.5mm，1mm，2mm，3mm或5mm，特别是对于具有一个表面＞1cm²的凹槽。另外作为优选，大约30％的带有一个表面＞1.5cm²的凹槽5，6，7具有比例＞1.5的弯曲半径。

与消声器1之整个表面积比较，所有凹槽5，6，7的表面积所占的份额优选最多为50％，特别优选为最高30％。其中在这些单个的、通过功能表面8限定的底部9上的凹槽表面积的份额可以为壳体1相应外表面面积的约3％和约70％之间，优选在5％和约60％之间。

相对于消声器的整个表面面积而言，单个凹槽5，6，7的表面面积处于整个表面面积的0.05％和10％之间，优选在0.1％和5％之间。这个描绘在图4中。凹槽的大多数，在本例中28个凹槽的约25个具有一个为整个表面最高2％的表面份额，而几个较少的凹槽占有明显较大的直至5％的表面份额。该凹槽的绝对数目当然可以在不同的消声器时是不同的并且单独地被确定。

在图5中，示出了本发明的凹槽相对于凹槽表面份额的优选分布。其中横座标表示了相对的凹槽数S，纵座标表示所属的相对表面份额。所有凹槽的整体通过点S/F＝1表征为一个表面份额1。在相同大小的凹槽情况下产生一条直线分布。但优选地是表面相对凹槽数为一种次线性分布，如在该直线下方的曲线上可看出。在一个比例为0.4情况下产生一个表面份额为0.1。这意味着，本发明凹槽的25％占有一个比本发明凹槽之整个凹槽表面的0.1稍少的表面份额。在一个数值为F/S＝0.85时获得一个表面份额为0.6。这意味着，接近75％的凹槽占有一个0.6的表面份额。

有利的是，单个凹槽5，6，7的面积相对所有凹槽5，6，7的整个面积具有比一个多于平均值之50％的偏差量。

另外有利的是，相对于壳体表面2整个表面来说单个凹槽5，6，7表面的按百分比的分布是非直线的。

在凹槽5，6，7的一个按照目的要求的布置中，在壳体表面2的两个相反对置的上、下壳体上这些凹槽是相互非对称的，如从图1和2的视图对比中可明显看出。

在凹槽和壳体表面2之间的过渡区域中，于本发明的凹槽情况下设置了可以具有为了减小噪声反射之不均匀性的阶梯。当凹槽达到或超过一定的预先给定的深度时，具有一个与壳体表面2基本平行的底部是优选的。但是也设置具有一种倾斜底部的凹槽，特别地对于较少深度的凹槽。

图8示例性地示出了一个本发明消声器作为一发动机转速函数的噪声反射。功能表面8将消声器壳体1分开为三个区域。它们分别具有凹槽。其中曲线a₀，a₁表达了消声器壳体1左边区域的噪声反射，b₀，b₁表达了右边区域的噪声反射，c₀，c₁表达了中间区域的噪声反射。噪声反射在到消声器壳体1的一定距离上确定，该距离要足以按声学原理将消声器的不同区域区别开，其中一个噪声反射以一个在250Hz左右的混合频率产生。该曲线簇a₀，b₀，c₀由一个设有一般常用凹槽的消声器获得。所有三个曲线随着平均发动机转数增长而单调地爬升，例如a₀，b₀在这个例子中于1000和50001/min之间时从约70爬升至最大100dB，其中中间的区域产生一个比那两个其噪声反射大致相同大的端部区域小约5dB的噪声反射。

如果一个相同形式的消声器壳体结构被设有本发明的凹槽5，6，7，则显示噪声反射明显减小。噪声反射按照曲线簇a₁，b₁，c₁比具有公知凹槽的曲线簇a₀，b₀，c₀的平均值要小约10dB。为了产生一个可比的噪声反射水平的阻尼作用，本发明的一消声器具有一个相比典型实施方案的消声器较少数目的底部结构就能满足了。这样就能简化生产制造，同时相应地具有在制造成本、加工时间和工具方面的节约潜能。作为优选，底部9的数目与一个具有规律性凹槽的布置相比较可以减少至少一个底部9。另一方面在相同数目的底部情况下，借助本发明凹槽5，6，7可以明显减小噪声反射。

Claims

1.消声器，具有一个消声器壳体(1)和用于废气的至少一个进气口(3)和至少一个排气口(4)，其中该壳体表面(2)具有一个或多个凹槽(5，6，7)，其特征在于：

该凹槽(5，6，7)的构型和布置具有不均匀性以用于减小噪声反射，该不均匀性涉及凹槽(5，6，7)外围曲线的弯曲分布。

2.按权利要求1所述的消声器，其特征在于：

5％到100％之间的凹槽(5，6，7)在平行于壳体表面(2)的截平面中相对于它们在该截平面中的包络曲线是无对称线的或无对称点的。

3.按权利要求1或2所述的消声器，其特征在于：

5％到100％之间的凹槽(5，6，7)具有一个连续分布的包络曲线的弯曲结构。

4.按权利要求1或2所述的消声器，其特征在于：

该凹槽(5，6，7)在上边和下边的壳体表面(2)上的布置是不同的。

5.按权利要求1或2所述的消声器，其特征在于：

单个凹槽(5，6，7)的面积相对于所有凹槽(5，6，7)的总面积具有多于平均值的50％的偏差量。

6.按权利要求1或2所述的消声器，其特征在于：

所有凹槽(5，6，7)的总面积占据壳体表面(2)的面积的份额最大为30％或50％。

7.按权利要求1或2所述的消声器，其特征在于：

在壳体表面(2)中设置限定底部(10)的功能表面(8)。

8.按权利要求7所述的消声器，其特征在于：

在单个的、由功能表面(8)限定的底部(10)上，凹槽面积的份额在壳体(1)的相应外表面面积的5％到60％之间。

9.按权利要求1或2所述的消声器，其特征在于：

单个凹槽(5，6，7)的面积为壳体表面(2)的面积的0.05％到10％之间的值。

10.按权利要求9所述的消声器，其特征在于：

单个凹槽(5，6，7)的面积为壳体表面(2)的面积的0.1％到5％之间的值。