CN102482979A - 管状的隔音元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(2)的排气设备(4)，该排气设备由多个组件组成并且用于连接在弯管(3)上。排气设备(4)具有至少一个沿流动方向间接或直接地设置在弯管(3)之后的第一部件(41)和沿流动方向连接在第一部件上的第二部件(42)，其中，两个部件(41、42)通过机械脱耦元件(40)相互连接。大于600Hz范围内的共振应在排气设备(4)中减少多于15dB并且同时排气设备(4)应具有足够大的刚度并且是自承式的以及持久地气密。为此规定，沿流动方向在第一部件(41)之前或者在第一部件(41)之中，单层壁式并且自承式的隔音元件(1)集成在排气设备(3)中，其中，隔音元件(1)具有至少一个内部接管(10)和至少一个沿相对于中轴线(13)的径向向外错移的外部接管(15)，分别设置有一个布置在两个接管(10、15)之间的、连接两个接管(10、15)的被镦压的中间部分(12)，该中间部分(12)在横截面中形成U形或者S形的弯折部(120)。

Description

管状的隔音元件
本发明涉及一种用于内燃机的排气设备，该排气设备用于连接在弯管上。排气设备具有至少一个沿流动方向间接或直接地设置在弯管之后的第一部件和沿流动方向连接在第一部件上的第二部件，其中，两个部件通过机械脱耦元件相互连接。
通过脱耦元件使排气设备机械脱耦，从而车辆长度具有一定的灵活性。在排气设备的两个部件之间使用非自承式的弹性连接元件，例如波纹管或者弹性软管作为机械脱耦元件。由于波纹管或者弹性软管不是自承式的，它们需要被支承。波纹管或者弹性软管由于刚性较低并且具有弹性以及固有特性需要在规定程度上减弱一定频率范围内的振动。这种弹性的隔音元件例如在US 5,456,291A和EP 1 431 538 B1中描述。
为了对排气设备的两个管状凸缘或者壳体凸缘进行机械铰链式的脱耦(这允许排气设备相对弯曲)，也在两个部件之间使用具有铰链式弹性的被镦压的连接元件。在DE 198 12 611 C2或者在JP 199789173A(Hei9-89173)中描述的脱耦元件成型为被镦压的管件，从而在纵剖面上形成S形的弹簧。该连接元件由于相对于波纹管减少了波浪形状而刚性较大，但为此是自承式的。为了提高弹性，它们可以按照DE 198 12 611 C2纵向切槽。
已知的是，由于排气设备和内燃机的各种不同的现代构造方式，尽管进行机械脱耦，但仍由于不同构件中的共振越来越多地产生了可听到范围内的振动。消音器更扁平的形状、在柴油机中使用薄壁式的、空气缝隙绝缘的板式弯管和涡轮增压器以及燃烧过程中的变化导致结构中的附加振动并且进而导致附加的固体声。
这种形式的固体声可以通过排气设备中的减震元件或者也可以通过排气设备各构件中较大的声阻抗失配直接在结构中削减。
声阻抗失配按照DE 10 2006 040 980 A1通过减震元件实现，该减震元件的横截面具有径向扩宽部，这些径向扩宽部以管箍的形式套装在管子上。
在DE 20 2004 005 526 U1中描述了一种刚性的凸缘连接来减小固体声，该凸缘连接通过围绕管轴线或凸缘轴线沿周向的线形贴靠而削弱振动的进一步传递。
本发明所要解决的技术问题在于，使排气设备中高于600Hz范围内的共振减弱多于15dB并且同时将排气设备设计为刚度足够大并且是自承式以及持久气密的。
该技术问题按本发明这样解决，即，与机械脱耦元件相结合地沿流动方向在第一部件之前或者在第一部件之中，将单层壁式并且自承式的隔音元件集成在排气设备中，其中，隔音元件具有至少一个内部接管和至少一个沿相对于中轴线的径向向外错移的外部接管，并且分别设置有一个布置在两个接管之间的、连接两个接管的、沿中轴线的方向在长度上被镦压的中间部分，该中间部分在横截面中形成U形或者S形的弯折部。
已经通过声学测量得出，对于在高于600Hz的频率范围内尤其是在3000Hz至6000Hz之间的振动，已知的形式为具有S形弯折部的被镦压管件的、弹性的自承式机械脱耦元件具有意想不到的隔音性能，该性能减小了在接下来的排气设备中的相互作用和重要数量级固体声的产生。在尽可能大地隔音这方面采取的几何学上的和结构设计上的措施带来这种认知，即，即使S形的脱耦元件刚度相对较大并且自承式地设计，也能实现非常好的隔音效果。
为此有利的是，管状的隔音元件沿中轴线的方向设计得尽可能短并且因此达到足够的抗弯刚度，以便能够作为自承式的隔音元件使用。在隔音元件集成到排气设备的区域中，该隔音元件不需要实现机械脱耦的功能并且抗弯刚度可以设计得相对较大。
为此也可能重要的是，嵌入的深度在5mm至16mm之间，最大为30mm。
按照本发明可以这样进一步改善隔音性能，即隔音元件直接连接在真正在后续构件中产生共振的那个构件之前或者之上。内部圆弧半径和外部圆弧半径的大小以有利的方式在6mm至30mm之间，然而这两个圆弧半径的大小彼此不同。
对此可能有利的是，内部接管沿中轴线的方向相对于外部接管错移地布置和/或两个接管以大小为5mm至30mm的嵌入深度e重叠。嵌入深度e的长度是外部接管沿中轴线方向突伸出内部接管的大小。在该长度中，设置在内部圆弧半径和外部圆弧半径之间的管状部分和两个圆弧半径自身均包括在嵌入深度e的大小内。嵌入深度e越短，通过该元件达到的隔音效果越大。
此外有利的是，内部接管的基本直径比外部接管的直径至少小20％，最多小40％。通过两个接管的两个端部几何形状可以决定性地影响隔音，因为振动在从较小接管转移到较大接管时的特性明显与作为输入接管的内部接管和作为输出接管的外部接管大小相同时可能实现的振动特性不同。
在隔音性能方面还可能有利的是，连接两个管状的接管的中间部分具有至少一个连接在外部接管上的外部圆弧半径(外圆弧段)和连接在内部接管上的内部圆弧半径(内圆弧段)以及连接两个圆弧半径的管状部分，其中，所述管状部分的管壁平行于中轴线或者与中轴线成2.5°至15°之间的角度a地布置。该影响隔音效果的另一种可能性也具有这样的优点，即在内部或者外部接管的连接几何形状已经存在时可以改变两个圆弧半径的大小，也就是说，在圆弧半径非常小时，该管状部分与中轴线围成更大的角度a。另一个优点是，通过角度a的变化可以增大或者减小内部接管和外部接管的连接几何形状。
对此可能有利的是，单层壁式的隔音元件由板件或者金属铸件构成并且该隔音元件在沿着所述工件的方向上具有1mm至2.8mm之间的，尤其是1.2mm至1.9mm之间的连续增大或者跳跃式增大的壁厚。通过不断减小的壁厚实现的隔音尤其在2000Hz以上至6000Hz的频率范围内具有有利的效果。就在将外部接管的直径从较小尺寸校对为较大尺寸时壁厚总归会变薄而言，这点是有利的。相应地，应将具有基本直径的圆柱体形管与输出侧的内部接管匹配地调校为外部接管的直径尺寸。
附加地可以有利地规定，隔音元件沿流动方向S在内部接管之后具有比基本直径小的内径。通过这种措施在从内部接管到中间部分的过渡区域中形成了逐渐变细的结构，通过该逐渐变细的结构尤其在隔音方面影响存在于排气管中的振动。
对于本发明特别有意义的是，隔音元件由定径的管件形成，并且该隔音元件在输入侧的基本直径在45mm至85mm之间而输出侧直径在55mm至115mm之间以及沿中轴线的方向具有230mm至420mm之间的绝对长度。基本直径与直径的这种关系决定性地影响了元件的隔音性能。
与按本发明的设计和布置相关联地有利的是，隔音元件集成在用于微尘滤清器或转换器或消声器的板材壳体的端壁中，其中，端壁的至少一部分沿相对于中轴线的径向与内部接管和/或外部接管连接。由此可以将隔音元件集成到排气设备内现有的、本身已连接有排气管的构件中。集成到端壁中还具有的优点是，使得元件的结构长度增大并且进而也使其刚度得到提高，这对隔音性能有决定性影响。
此外可能有利的是，隔音元件布置在用于涡轮增压器的壳体的出口处。因为涡轮增压器对排气设备中600Hz至6kHz之间范围内的固体声的产生具有较大贡献，所以这种隔音元件直接与涡轮增压器连接地定位很重要，通过这种布置也使在外部接管区域内进行校准的较大直径可以更简单地集成到排气设备的几何形状中，因为该外部接管直接连接在壳体上，并且可能需要的将直径再次减小到为其它排气管而设的相当于内部接管的直径大小不是必须的。
此外，用于排气设备的机械脱耦元件在600Hz至6kHz之间的频率范围内对排气设备进行隔音的应用可能有利的是，隔音元件具有至少一个内部接管和至少一个沿相对于中轴线的径向向外错移的外部接管，并且分别设置有一个布置在两个接管之间的、连接两个接管的被镦压的中间部分，该中间部分在横截面中形成U形或者S形的弯折部。
本发明的其它优点和细节在权利要求书和说明书中阐述并且在附图中示出。在附图中：
图1示出连接在发动机上的排气设备；
图2示出集成在排气设备的两个构件之间的隔音元件的横截面；
图3示出隔音元件横截面的上面部分，该隔音元件具有比基本直径小的内径；
图4示出隔音元件的横截面，该隔音元件具有相对于中轴线进行了调整的管状部分；
图5示出隔音元件集成在壳体端面中；
图6示出按照图5的构造方式，其中隔音元件沿径向相对于端面居中地布置；
图7示出按照图6的布置，其中隔音元件具有U形弯折部；
图8示出隔音元件集成在板材壳体的锥形端面中。
图1示出了排气设备4，其由第一部件41和第二部件42组成。第一部件41由转换器45和分别连接在转换器45两侧的排气管47构成。第二部件42由微尘滤清器44和消声器46组成，其中，微尘滤清器44和消声器46通过排气管47相互连接。在微尘滤清器44上游同样设有排气管47，其上连接机械脱耦元件40，两个部件41、42通过该机械脱耦元件相互连接。机械脱耦元件40主要还用于确保排气设备4在其整个长度上具有一定的运动自由度。
整个排气设备4通过隔音元件1连接在涡轮增压器5的输出口上，该涡轮增压器5进一步地通过弯管3将排气设备4与内燃机2连接。通过废气流和涡轮增压器5传导至排气设备4中的振动通过隔音元件1在600Hz至6kHz的范围内很大程度地隔绝，因此转换器45、微尘滤清器44和消声器46的固体声传播减小。同时，仍存在于排气设备4的第一部件41中的振动同样受到机械脱耦元件影响，并且也部分被减弱，因此，将通过隔音元件1的隔音和通过机械脱耦元件40的减振相结合使得排气设备4的第二部件42中的固体声减小。
图2示出了具有S形弯折部120的隔音元件1的示意横截面。隔音元件1具有内部接管10和沿相对于中轴线13的径向向外错移的外部接管15。外部接管15沿相对于中轴线13的轴向突伸出内部接管10。外部接管15与内部接管10的连接部分构成中间部分12，该中间部分12具有横截面为S形的弯折部。中间部分12由连接在外部接管15上的外部圆弧半径152和连接在内部接管10上的内部圆弧半径102以及连接这两个圆弧半径102、152的管状部分14构成。
外部接管15突伸出内部接管10的伸出部分称为嵌入深度e，该嵌入深度e由管状部分14的尺寸和两个圆弧半径102、152的和构成。隔音元件1沿中轴线13方向的长度L从内部接管10的入口处计算到外部接管15的出口处。
如图2所示，在内部接管10上沿流动方向S前置于隔音元件1连接有排气管47。沿流动方向S在隔音元件1之后，示意性示出的排气元件48连接在隔音元件1上。在图5至图8中通过板材壳体43示出了这种排气元件48的例子。
S形弯折部120可以在不同的未示出的实施例中具有45mm至85mm之间的输入侧的基本直径101和55mm至115mm之间的输出侧直径151以及沿中轴线13的方向具有230mm至420mm之间的绝对长度L，其中，直径101、151和长度L的关系可以选择成，使得
a)在平均输入频率的固有频率为350Hz时平均轴向直通隔音为至少-18dB并且
b)在平均输入频率的固有频率为600Hz时平均轴向直通隔音为至少0dB并且
c)在平均输入频率的固有频率为1000Hz时平均轴向直通隔音为至少8dB并且
d)在平均输入频率的固有频率为3000Hz时平均轴向直通隔音为至少20dB。
通过几何形状的这些参数，可以使固有频率相对于圆柱体形排气管在400Hz至700Hz的范围内变化，其中，从600Hz起或者从900Hz起可实现主动隔音。此外，可实现在600Hz至6kHz之间最大为30dB的隔音。
图3示出S形弯折部120的一种特殊的实施形式，其中，设置在两个圆弧半径102、152之间的管状部分14相对于中轴线13成角度a地设置。可以看出，例如像图3所示的那样，管状部分14由此不平行于中轴线13布置。通过改变角度a，可以使内部接管10的基本直径101和外部接管15的直径151相对变化。尤其是当隔音元件1由圆柱体形管(其基本上具有与内部接管10的基本直径101一致的管直径)制成并且校准后，将外部接管15校准定径一定的量。相应于所需的几何尺寸并且在对于外部接管起决定性作用的壁厚方面，可以尤其在内部和外部圆弧半径102、152需要具有固定大小时通过改变角度a来改变外部接管15的直径151。在该实施形式中，嵌入深度e也由两个圆弧半径102、152的尺寸和管状部分沿中轴线13方向的长度L决定。
在图4中示出了相对图3进行了改变的实施形式，其中，在内部圆弧半径102的区域中，内径103比内部接管10的基本直径101小。由此沿流动方向S实现了废气流的压缩并且同时对在内部接管10中延伸的声波进行影响。
图5示出一种优选的实施例，其中，隔音元件1集成在排气设备4的板材壳体43的端壁430中。尤其在绕组消音器
Figure BDA0000137095370000061
中，端面430沿中轴线13的方向安装在板材壳体43中，因此可以在为壳体绕线之前将隔音元件1安装到端面430中。为此，隔音元件1通过外部接管15焊入端壁430的相应开口中。直径151比内部接管10明显更大的外部接管15可以说构成了沿流动方向S流动的废气的输出侧，因此废气或废气流在隔音元件1之后进一步在板材壳体43内沿径向扩展。这还具有这样的优点，即也许当废气在直径大约与内部接管10的直径相同的排气管道内继续导引时，可以通过减小外部接管15的直径151避免逐渐变细的结构。
图6中示出了一种在隔音元件在板材壳体43的端壁430中的定位方面与图5相似的实施形式。然而在这种情况下，S形的隔音元件1沿相对于中轴线13的径向大致布置在端壁430的中央，因此从安装在端壁430中的排气管47出发，首先是端壁430沿径向的第一部分形成与隔音元件1的连接，并且端壁430的第二部分沿径向连接在隔音元件1上地形成与布置在周围的板材壳体43的连接和接合部。在该实施例中，内部接管10和外部接管15设计得非常短，并且邻接的构件不是像之前实施例中的那样沿相对于中轴线13的轴向与隔音元件1邻接地布置，而是沿径向布置。
在图7中示出了与图6相似的实施例，其中，隔音元件1的横截面不是S形而是U形120。U形的隔音元件1只具有一个圆弧半径，其称为内部圆弧半径102并且由于几何结构只能够设置在其它构件沿相对于中轴线13的径向连接在隔音元件1的区域中。
图8示出了一种实施例，其中隔音元件1构成排气管47和板材壳体43之间的连接，其中，板材壳体43具有锥形的端面。在此，外部接管15相对于内部接管10的较大直径151也有利地通过在板材壳体43上的连接实现，因此不需要使外部接管15的直径152逐渐变细为较小的尺寸。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(2)的排气设备(4)，该排气设备由多个组件组成并且用于连接在弯管(3)上，所述排气设备(4)具有至少一个沿流动方向S构成起点的第一部件(41)和沿流动方向连接在所述第一部件上的第二部件(42)，其中，所述两个部件(41、42)通过机械脱耦元件(40)相互连接，其特征在于，沿流动方向S在所述第一部件(41)之前或者在第一部件(41)之中，将单层壁式并且自承式的隔音元件(1)集成在所述排气设备(4)中，其中，所述隔音元件(1)具有至少一个内部接管(10)和至少一个沿相对于中轴线(13)的径向向外错移的外部接管(15)，并且分别设置有一个布置在所述两个接管(10、15)之间的、连接所述两个接管(10、15)的、沿中轴线(13)的方向在长度(L)上被镦压的中间部分(12)，该中间部分(12)在横截面中形成U形或者S形的弯折部(120)。
2.按权利要求1所述的元件(1)，其特征在于，所述内部接管(10)沿中轴线(13)的方向相对于所述外部接管(15)错移地布置和/或所述两个接管(10、15)以大小为5mm至30mm的嵌入深度(e)重叠。
3.按权利要求1或2所述的元件(1)，其特征在于，所述内部接管(10)的基本直径(101)比所述外部接管(15)的直径(151)至少小20％，最多小40％。
4.按前述权利要求之一所述的元件(1)，其特征在于，连接所述两个管状的接管(10、15)的中间部分(12)具有至少一个连接在所述外部接管(15)上的外部圆弧半径(152)和连接在所述内部接管(10)上的内部圆弧半径(102)以及连接所述两个圆弧半径(102、152)的管状部分(14)，其中，所述管状部分(14)的管壁平行于所述中轴线(13)或者与中轴线(13)成2.5°至15°之间的角度a地布置。
5.按前述权利要求之一所述的元件(1)，其特征在于，所述单层壁式的隔音元件(1)由板件或者金属铸件构成并且在沿着所述工件的方向上具有1mm至2.8mm之间的，尤其是1.2mm至1.9mm之间的连续增大或者跳跃式增大的壁厚。
6.按前述权利要求之一所述的元件(1)，其特征在于，所述隔音元件(1)沿流动方向S在所述内部接管(10)之后具有比所述基本直径(101)小的内径(103)。
7.按前述权利要求之一所述的元件(1)，其特征在于，所述隔音元件(1)由定径的管件形成，并且该隔音元件具有45mm至85mm之间的输入侧的基本直径(101)和55mm至115mm之间的输出侧直径(151)以及沿所述中轴线(13)的方向具有230mm至420mm之间的绝对长度(l)。
8.按前述权利要求之一所述的元件(1)，其特征在于，所述隔音元件(1)集成在用于微尘滤清器(44)或转换器(45)或消声器(46)的板材壳体(43)的端壁(430)中，其中，所述端壁(430)的至少一部分沿相对于中轴线(13)的径向与所述内部接管(10)和/或所述外部接管(15)连接。
9.按权利要求1至7之一所述的元件(1)，其特征在于，所述隔音元件(1)布置在用于涡轮增压器(5)的壳体的出口处。
10.一种用于排气设备(4)的机械脱耦元件(40)的应用，用于在600Hz至6kHz之间的频率范围内对所述排气设备(4)进行隔音，其中，隔音元件(1)具有至少一个内部接管(10)和至少一个沿相对于中轴线(13)的径向向外错移的外部接管(15)，并且分别设置有一个布置在所述两个接管(10、15)之间的、连接所述两个接管(10、15)的、沿中轴线(13)的方向在长度(L)上被镦压的中间部分(12)，该中间部分(12)在横截面中形成U形或者S形的弯折部(120)。
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