CN107636272A - 用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器、使用该衰减器的声学衰减系统和阻尼发动机排气系统中的压力振动的方法 - Google Patents

用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器、使用该衰减器的声学衰减系统和阻尼发动机排气系统中的压力振动的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器(10)，该声学衰减器包括：本体(16)，该本体在其相对两端处设置有气体入口(18)和气体出口(20)；和气体通过管道(24)，该气体通过管道在所述本体内布置在所述入口和所述出口之间，其中所述本体包围第一谐振器腔室和第二谐振器腔室。所述本体设置有与所述第一谐振器腔室和所述第二谐振器腔室(36，38)连通的公共入口(34)，并且所述谐振器腔室(36，38)被布置成从所述公共入口(34)朝向所述本体(16)的相对两端(25)延伸。

Description

用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器、使用 该衰减器的声学衰减系统和阻尼发动机排气系统中的压力振 动的方法
技术领域
本发明涉及一种用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器，该声学衰减器包括：本体，该本体在其相对两端处设置有气体入口和气体出口；和气体通过管道，该气体通过管道在所述本体内布置在所述入口和所述入口之间，其中所述本体包围第一谐振器腔室和第二谐振器腔室。
本发明还涉及使用该衰减器的声学衰减系统和阻尼发动机排气系统中的压力振动的方法。
背景技术
内燃发动机产生与其排气相关的相当大的噪音。当从发动机气缸排出排气时产生压力振动和噪音并且在排气通道中发生压力振动和噪音。通过发动机排气系统发出的噪音至少是令人讨厌的，并且在大多数情况下对环境有害。因此，已经研发了布置到排气系统的各种不同的衰减装置。
排气系统中发生的噪音可以通过使用不同类型的阻尼技术来减小。例如，一种衰减器类型为电抗式衰减器(reactive attenuator)，另一种是电阻式衰减器(resistiveattenuator)。
电抗式衰减器通常由于多个较大腔室互连的管道区段等构成。电抗式衰减器的噪音减小机理是，区域不连续给沿着管道传播的噪声波提供了阻抗失配。这种阻抗失配导致噪声波的一部分朝向来源反射或在腔室之间来回反射。消音器腔室和管道(通常被称为谐振器)的反射效果基本防止了一些噪声波元件经过消音器传递。电抗式消音器在低频比在高频更有效，并且广泛用来衰减内燃发动机的排气噪音。
WO 2014/076355 A1公开了一种包括至少两个电抗式衰减腔室的排气噪音衰减器单元。该至少两个衰减腔室中的第一衰减腔室在纵向方向上的第一位置处布置成与管道区段流动连接，并且该至少两个衰减腔室中的第二衰减腔室在纵向方向上的第二位置处布置成与管道区段流动连接。
还已知在同一个衰减器单元中布置电抗式元件和电阻式元件两者。这种元件的示例在WO2005/064127 A1中描述，WO 2005/064127 A1描述了用于减小来自于高功率内燃发动机的噪音的声音减小系统。该声音减小系统包括一元件，该元件包括第一电抗部分、电阻部分和第二电抗部分。该元件在低频中的衰减效果主要通过电抗部分实现。每个元件的高频区域中的衰减效果主要由电阻部分实现。该电阻部分作为反射衰减器还有助于低频区域中的衰减效果。
本发明的目的是提供一种声学衰减器，该声学衰减器提供高效的噪音衰减，但是仍然允许节省与内燃发动机排气系统相关的安装空间。
发明内容
本发明的目的基本通过一种用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器实现，该声学衰减器包括：本体，该本体在其相对两端处设置有气体入口和气体出口；和气体通过管道，该气体通过管道在所述本体内布置在所述入口和所述出口之间，其中所述本体包围第一谐振器腔室和第二谐振器腔室。
本发明的特征在于，所述本体设置有与所述第一谐振器腔室和所述第二谐振器腔室连通的公共入口，并且所述谐振器腔室被布置成从所述公共入口朝向所述本体的相对两端延伸。
这样就提供了高效的噪音衰减，但是仍然允许节省与内燃发动机排气系统相关的安装空间。根据本发明的声学衰减器通过集成到同一个本体内的两个谐振器来减小从内燃活塞发动机到排气系统的噪音传播。这两个谐振器的尺寸设置成在利用单个元件无法获得的更宽频带上产生衰减。该改进涉及两个谐振器的谐振器空间分离以及利用用于两个腔室的公共单个连接入口。
根据本发明的一个实施方式，所述气体通过管道由笔直气体管道形成，并且所述谐振器腔室围绕所述管道环形地布置，其中所述衰减器包括从所述气体通过管道径向地延伸至所述本体的套筒部分的两个纵向间隔开的中间壁，并且其中所述公共入口纵向地布置在所述中间壁之间。
这样，该结构通过简单地改变构造(例如，改变套筒部分的直径和/或长度、和/或改变中间壁的位置)来调节其特性而变成非常多样化。
根据本发明的一个实施方式，在所述衰减器中，所述谐振器腔室经由端口与所述公共入口连接，所述端口布置到所述中间壁并且由所述中间壁支撑。
根据本发明的一个实施方式，所述气体通过管道由笔直气体管道形成，并且所述谐振器腔室围绕所述管道环形地布置，其中所述衰减器包括从所述气体通过管道径向地延伸至所述本体的套筒部分的两个纵向间隔开的中间壁，并且其中所述公共入口纵向地布置在所述中间壁之间，并且在所述谐振器中，所述谐振器腔室经由端口与所述公共入口连接，所述端口布置到所述中间壁并且由所述中间壁支撑。
与之前的单个单元相比，由于直通式流动设计，这使得排气系统的背压减小，从而导致发动机或发电厂系统效率更高、排放更低。
根据本发明的一个实施方式，所述气体通过管道与所述本体的纵向轴线平行地指向，并且所述端口与所述本体的纵向轴线平行地布置。
有利地，所述端口为由所述中间壁支撑的管状构件。
本发明的目的基本通过一种声学衰减系统实现，该声学衰减系统包括用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的两个声学衰减器，其中每个声学衰减器均包括：本体，该本体在其相对两端处设置有气体入口和气体出口；和气体通过管道，该气体通过管道在所述本体内布置在所述入口和所述出口之间，其中所述本体包围第一谐振器腔室和第二谐振器腔室，并且进一步，所述本体设置有与所述第一谐振器腔室和所述第二谐振器腔室连通的公共入口，并且所述谐振器腔室被布置成从所述公共入口朝向所述本体的相对两端延伸。
本发明的特征在于，所述气体通过管道在用于所述声学衰减系统中的第一声学衰减器和第二声学衰减器的公共入口之间具有预定长度。
根据本发明的一个实施方式，所述声学衰减器在内燃发动机的排气系统中接连地联接，从而将用于所述第一声学衰减器和所述第二声学衰减器的公共入口之间的距离确定成控制所述声学衰减器之间的声波相位差。
根据本发明的一个实施方式，所述声学衰减器在内燃发动机的排气系统中接连地联接，从而使用如下公式确定用于所述第一声学衰减器和所述第二声学衰减器的公共入口之间的距离：
其中：
C0＝排气的声音速度[m/s]；
FGA＝相邻连续调谐频率的几何平均值，例如，图5中的频率F4和F2；FGA＝√(F4*F2)。
根据本发明的一个实施方式，所述谐振器腔室被布置成使得所述第一衰减器的第一谐振器腔室被调谐成衰减第一频率，所述第一衰减器的第二谐振器腔室被调谐成衰减第二频率，并且所述第二衰减器的第一谐振器腔室被调谐成衰减第三频率，所述第二衰减器的第二谐振器腔室被调谐成衰减第四频率，并且所述谐振器腔室被调谐成衰减不同的频率，其中最接近于彼此的两个调谐频率被布置成能从分开的声学衰减器获得。
根据本发明的一个实施方式，所述谐振器腔室被布置成使得所述第一衰减器的第一谐振器腔室被调谐成衰减第一频率，所述第一衰减器的第二谐振器腔室被调谐成衰减第二频率，并且所述第二衰减器的第一谐振器腔室被调谐成衰减第三频率，所述第二衰减器的第二谐振器腔室被调谐成衰减第四频率，并且调谐频率被选择成使得所述第三频率＞所述第二频率＞所述第四频率＞所述第一频率。
所述声学衰减器的尺寸被设置成且空间分离成在比利用单个元件可获得的更宽的频带上产生衰减。该衰减是通过利用空间和频率分离来控制分布元件之间的声波相位差而获得的。所获得的衰减能力比之前在这种应用中获得和利用的衰减能力具有更高幅度和更宽频率范围。
本发明的目的基本通过一种阻尼发动机排气系统中的压力振动的方法实现，该方法包括如下步骤：经由排气系统将排气从内燃发动机引导至声学衰减器。本发明的特征在于，通过将产生振动的排气布置成经由从所述衰减器的气体通过管道到两个分开的谐振器腔室的公共入口与所述两个分开的谐振器腔室连通而对排气的压力振动进行阻尼。
本发明具有若干综合效益。首先，使得衰减器可以接近噪声源即发动机安装，因而减小发动机的声音或噪音辐射并因而由于总体较低振动水平而对排气系统的机械构造产生(有利)影响。其次，根据本发明的衰减器总体仅需要较小空间。与之前的单个单元相比，该衰减器由于直通式流动设计还使排气系统的背压减小，从而导致发动机或发电厂系统效率更高、排放更低。
在升级应用中，简单地通过切割现有排气管道以安装设置有端口的中间壁、套筒部分及其端板，则可以将根据本发明的衰减器容易地安装到现有工厂中。
该衰减器还以更宽的频率范围对低频噪音提供了高效的衰减，低频噪音是往复式内燃发动机的特征。
该衰减器还提供了高效的构造模块化装置，并且以增加的制造能力利用类似的零部件。
利用所述公共入口在制造角度来看也能够使得尺寸紧凑、结构简单，同时仍然维持高幅度和低频声波的衰减。
附图说明
在下文中，将参照示例性实施方式和示意图描述本发明，在图中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的与内燃活塞发动机有关的声学衰减器；
图2示出了图1中的衰减器的剖视图II-II；
图3示出了图1中的衰减器的剖视图III-III；
图4示出了根据本发明的一个实施方式的与内燃活塞发动机有关的声学衰减系统；以及
图5示出了图4的声学衰减系统的示例性效果。
具体实施方式
图1示意性地描绘了根据本发明的一个实施方式的声学衰减器10。该衰减器适合于衰减内燃活塞发动机的排气噪音，并且在图1中，该衰减器被布置在内燃活塞发动机14的排气系统12处。
声学衰减器包括本体16，该本体16设置有供排气进入和退出声学衰减器的入口18和出口20。本体16为关于其中心轴线22旋转对称的长形结构。入口18和出口20在中心轴线22上布置在本体16的相对两端处。入口18和出口具有相等横截面面积(当为管状时具有相同直径)，并且该入口和出口通过沿着中心轴线22延伸穿过本体16的气体通过管道24彼此连接。气体通过管道是将其中心线与本体16的中心轴线22重合布置的气体通过管道。
本体16设置有套筒部分26，该套筒部分26在中心轴线22的方向上的一段长度上包围气体通过管道24。在套筒部分26和气体通过管道之间布置有环形间隙，在套筒部分26的末端处通过端部28用端板25将该环形间隙封闭。这样，在该环形间隙内布置封闭谐振器空间。
套筒部分26的横截面面积大于气体通过管道的横截面面积。具体地说，当衰减器为圆形横截面时，套筒部分26的直径大于气体通过管道24的直径，并且套筒部分和气体通过管道同轴地布置。
本体16进一步设置有两个中间壁30、30’。中间壁30、30’被布置成从气体通过管道24径向延伸至套筒部分26，并且环绕气体通过管道24，从而为套筒部分26和气体通过管道之间的环形间隙形成气密壁。换言之，该中间壁为将套筒部分26和气体通过管道之间的间隙关闭的环状板或法兰状结构。这样，在相应的中间壁30和端板25之间的环形间隙内布置有两个封闭的谐振器腔室36、38。中间壁30、30’在纵向方向上即在中心轴线22的方向上以彼此间隔开的距离布置。气体通过管道24布置有开口32，该开口32在纵向方向上位于两个中间壁30、30’之间。中间壁还用作本体部分16的支撑结构。
以套筒部分26、中间壁30、30’和气体通过管道24的壁为边界的空间与气体通过管道24中的开口32一起形成了用于气体通过管道的公共入口34，从而使得该气体通过管道经由本体中的该公共开口34与第一谐振器腔室36和第二谐振器腔室38流体连通。谐振器腔室36、38被布置成在纵向方向上从该公共入口朝向本体的相对两端延伸。
该衰减器设置有：至少一个端口40，该至少一个端口40布置在每个中间壁30、30’中并由每个中间壁30、30’支撑，该端口使谐振器腔室36、38和公共入口34之间的连通敞开，即公共入口34经由端口40与谐振器腔室36、38流体连通地布置。端口40为具有中心轴线42的管状构件。端口40及其中心轴线42与本体16的纵向轴线平行地布置。端口管40的直径和长度分别基于衰减器的期望衰减效果来确定尺寸。在本发明的衰减器中，通过改变管状端口的尺寸而使得精确调谐变得直截了当。这样，无需改变本体部分的尺寸就能够对调谐进行调节，这在实践中是有利的。
中间壁之间的距离尺寸设置成适合于制造过程。最小距离由声波运动物理特性限定，以允许经由管状端口将主管道有效地连接到腔室内。
图2和图3描绘了图1中的剖视图II-II和III-III。如能够看到的，可以与每个谐振器腔室36、38相关地设置一个或多个平行管状端口40。气体通过管道24中的开口32通过从气体通过管道的壁移除区段42而形成。该区段被布置成使得气体通过管道24具有实体壁部分，该实体壁部分在中间壁30、30’之间的距离上延伸，从而在圆周方向上环绕或部分地覆盖气体通过管道。
实体壁部分44是可选特征，该可选特征具有清除中间壁之间的滞留气体容积以减少气体积累的好处。然而，这对于衰减器的声学性能来说并非必不可少。另外，衰减器10可以设置有封闭板45，该封闭板45在实体壁部分和本体16的套筒部分26之间径向地延伸，并且在中间壁30、30’之间纵向地延伸。这在附图中以虚线示出，表示该特征的可选特性。
图4示出了包括两个如图1至图3所示的声学衰减器10.1和10.2的声学衰减系统100。声学衰减器10.1、10.2在发动机的排气系统12中接连地联接，从而气体通过管道24在用于系统100中的第一声学衰减器和第二声学衰减器的公共入口34之间具有预定距离L。衰减器10.1和10.2的尺寸大小设置成以及在纵向上分离成使得在可利用单个元件获得的更宽频带处产生衰减。在气体通过管道24中串联地接连联接的声学衰减器10.1、10.2进行的衰减通过以空间和频率分离来控制分布元件之间的声波相位差来获得。所获得的衰减能力比在这种应用中之前获得和使得的衰减能力具有更高幅度和更宽的频率范围。
衰减器10.1、10.2均设置有如在图1中公开的两个谐振器腔室36.1、38.1和36.2、38.2。这些腔室被调谐，从而以如下方式衰减噪音即衰减振动。第一衰减器10.1的第一谐振器腔室36.1被调谐成衰减作为中心频率的第一频率F1，而第一衰减器10.1的第二谐振器腔室38.1被调谐成衰减作为中心频率的第二频率F2，并且相应地第二衰减器10.2的第一谐振器腔室36.2被调谐成衰减作为中心频率的第三频率F3，而第二衰减器10.2的第二谐振器腔室38.2被调谐成衰减作为中心频率的第四频率F4。调谐频率被选择成使得第三频率F3＞第二频率F3＞第四频率F4＞第一频率F1。这样，以最佳的方式利用这些衰减器。在实践上，频率是指使其衰减性能在一定限度以上的一定范围。
当关系到到由箭头A所示的气体流动方向来考虑该系统时，谐振器腔室以如下顺序布置：第一衰减器10.1的第一谐振器腔室36.1、第一衰减器10.1的第二谐振器腔室38.1、第二衰减器10.2的第一谐振器腔室36.2和第二衰减器10.2的第二谐振器腔室38.2。
在图5中，示出了系统100在传输损失方面的组合效果的示例。传输损失被定义为入射到声学衰减器上的功率与从该衰减器向下游传输到无回声终止处的功率之间的差。有四个传输损失峰值，它们代表第一声学衰减器的第一谐振器腔室36.1的中线调谐F1、第二声学衰减器的第二谐振器腔室38.2的中心调谐F4、第一声学衰减器的第二谐振器腔室36.2的中心调谐F2以及第二声学衰减器的第一谐振器腔室38.1的中心调谐F3。适合于大型内燃活塞发动机的典型调谐频率例如如下：F1＝12.5Hz，F2＝25Hz，F3＝37.5Hz，F4＝20Hz。使F2/F1和F3/F4的比率最大是有利的。
根据本发明的一个实施方式，这些谐振器腔室被调谐成衰减不同的频率，并且这些频率被选择成使得最接近彼此的两个调谐频率与分开的声学衰减器10.1、10.2相关地布置或者可从分开的声学衰减器10.1、10.2获得。
现在，通过系统100中的用于第一声学衰减器和第二声学衰减器的公共入口34之间的预定距离L的气体通过管道24与第一衰减器10.1和第二衰减器10.2的组合效果，可以将大约23Hz的传输损失曲线的底部值39’显著地增加至相邻连续的调谐频率F4和F2之间的点39。另外，频率F4+F4的组合峰值被加宽。在图5中，实线底部39’表示通过单独衰减器获得的传输损失，而虚线表示由两个衰减器10.1、10.2以及在两个衰减器10.1、10.2之间具有预定长度L的气体通过管道24构成的调谐系统的效果。这清楚地表明了如何在更宽的频率范围上扩展更高水平的传输损失。
系统100形成了频带截止滤波器，其中通过衰减器之间的声学相位控制由调谐分布的衰减器获得衰减。举例来说，该系统的尺寸大小设置成使得用于第一声学衰减器和第二声学衰减器的公共入口之间的距离使用如下公式确定：
其中：
C0＝排气的声音速度[m/s]＝500m/s；
FGA＝相邻连续调谐频率的几何平均值，例如，频率F4＝20Hz，而F2＝25Hz；
因而L＝5.6m。
这样，在气体通过管道24中提供了反谐振，这被调节至相邻连续的调谐频率之间。这增强了相邻谐振器的操作或技术效果。
尽管本文中通过示例以当前认为最优选的实施方式描述了本发明，但是要理解的是，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改以及包含在如所附权利要求中限定的本发明的范围内的多种其它应用。当这种组合在技术上可行时，以上与任何实施方式相关地提到的细节都可以与另一个实施方式相关地使用。

Claims (12)

1.一种用于阻尼发动机排气系统中的压力振动的声学衰减器(10)，该声学衰减器包括：本体(16)，该本体(16)在其相对两端处设置有气体入口(18)和气体出口(20)；和气体通过管道(24)，该气体通过管道(24)在所述本体内布置在所述入口和所述出口之间，其中所述本体包围第一谐振器腔室和第二谐振器腔室，其特征在于，
所述本体设置有与所述第一谐振器腔室和所述第二谐振器腔室(36，38)连通的公共入口(34)，并且所述谐振器腔室(36，38)被布置成从所述公共入口(34)朝向所述本体(16)的相对两端(25)延伸。
2.根据权利要求1所述的声学衰减器(10)，其特征在于，所述气体通过管道(24)是笔直气体管道，并且所述谐振器腔室(36，38)围绕所述管道环形地布置，其中所述衰减器包括从所述气体通过管道(24)径向地延伸至所述本体(16)的套筒部分(26)的两个纵向间隔开的中间壁(30，30’)，并且其中所述公共入口(34)纵向地布置在所述中间壁(30，30’)之间。
3.根据权利要求1或2所述的声学衰减器(10)，其特征在于，所述谐振器腔室经由端口(40)与所述公共入口(34)连接。
4.根据权利要求3所述的声学衰减器(10)，其特征在于，所述端口(40)布置到所述中间壁(30，30’)并且由所述中间壁(30，30’)支撑。
5.根据权利要求3所述的声学衰减器(10)，其特征在于，所述气体通过管道(24)与所述本体(16)的纵向轴线平行地指向，并且所述端口(40)与所述本体(16)的纵向轴线平行地布置。
6.根据权利要求4所述的声学衰减器(10)，其特征在于，所述端口(40)是由所述中间壁支撑的管状构件。
7.一种声学衰减系统(100)，该声学衰减系统(100)使用根据前述权利要求1至5中任一项所述的两个声学衰减器(10.1，10.2)，其特征在于，在该声学衰减系统中，所述声学衰减器(10.1，10.2)在内燃发动机(14)的排气系统(12)中接连地联接，并且所述气体通过管道(24)在用于所述声学衰减系统(100)中的第一声学衰减器和第二声学衰减器(10.1，10.2)的公共入口(34)之间具有预定长度(L)。
8.根据权利要求7所述的声学衰减系统(100)，其特征在于，用于所述第一声学衰减器和所述第二声学衰减器的公共入口之间的距离被确定成控制所述声学衰减器(10.1，10.2)之间的声波相位差。
9.根据权利要求7所述的声学衰减系统(100)，其特征在于，使用如下公式确定用于所述第一声学衰减器和所述第二声学衰减器的公共入口之间的距离：
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mn>4</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>G</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：
C0＝排气的声音速度[m/s]；
FGA＝相邻连续调谐频率的几何平均值。
10.根据权利要求7所述的声学衰减系统(100)，其特征在于，所述谐振器腔室被布置成使得所述第一衰减器(10.1)的第一谐振器腔室(36.1)被调谐成衰减第一频率(F1)，所述第一衰减器(10.1)的第二谐振器腔室(38.1)被调谐成衰减第二频率(F2)，并且所述第二衰减器(10.2)的第一谐振器腔室(36.2)被调谐成衰减第三频率(F3)，所述第二衰减器(10.2)的第二谐振器腔室(38.2)被调谐成衰减第四频率(F4)，并且所述谐振器腔室被调谐成衰减不同的频率，其中最接近于彼此的两个调谐频率被布置成能从分开的声学衰减器(10.1，10.2)获得。
11.根据权利要求10所述的声学衰减系统(100)，其特征在于，所述第三频率(F3)＞所述第二频率(F2)＞所述第四频率(F4)＞所述第一频率(F1)。
12.一种阻尼发动机排气系统中的压力振动的方法，该方法包括如下步骤：经由排气系统(12)将排气从内燃发动机(14)引导至声学衰减器(10)，其特征在于，通过将产生振动的排气布置成经由从所述衰减器的气体通过管道(24)到两个分开的谐振器腔室(36，38)的公共入口(34)与所述两个分开的谐振器腔室(36，38)连通而对排气的压力振动进行阻尼。
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