DE60203059T2

DE60203059T2 - Geräuscharmer integrierter Luftfilter

Info

Publication number: DE60203059T2
Application number: DE60203059T
Authority: DE
Inventors: Umberto Cornaglia; Alessio Tarabocchia
Original assignee: CORNAGLIA G OFF MET SpA; Officine Metallurgiche G Cornaglia SpA
Current assignee: CORNAGLIA G OFF MET SpA; Officine Metallurgiche G Cornaglia SpA
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: EP1253312B1; DE60203059D1; ITMI20010873A1; EP1253312A1; ATE290163T1; ITMI20010873A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rauscharme integrierte Luftfiltervorrichtung.
Wie bekannt, ist eine Geräuschreduzierung bei Motoren des hin- und herlaufenden Typs, speziell bei inneren Verbrennungsmaschinen für Fahrzeuge für einen nicht militärischen Gebrauch eine Anforderung, von der man annimmt, dass sie von stetig wachsender Bedeutung ist Das Geräusch wird hauptsächlich verursacht durch Druckwellen, die wegen der hin- und herlaufenden Bewegung der Kolben, in den Zylindern erzeugt werden und welche sich entlang der Luftansaug- und Abgasrohre ausbreiten.
Folglich werden, um das Ziel zu erreichen, Dämpfungsvorrichtungen, wie kerzenartige gelochte Elemente gegenwärtig verwendet, die eine Umwandlung eines Teils der Energie, die mit den Druckwellen verknüpft ist in Wärme ermöglichen. Normalerweise sind die Dämpfungsvorrichtungen entlang des Abgasrohres angebracht und tragen dazu bei, den gesamten Geräuschpegel des Motors beträchtlich zu reduzieren (siehe zum Beispiel GB 1507247 , JP 6048386 , US 2553326 ).
Oft jedoch ist dies nicht ausreichend und es ist notwendig, zusätzliche Lösungen heranzuziehen. Speziell ist es möglich des weiteren Dämpfungselemente auch entlang des Luftansaugrohres zum Beispiel stromauf des Luftansaugfilters hinzuzufügen.
Die bekannten Lösungen bieten jedoch eine Anzahl von Nachteilen, die hauptsächlich mit der Baugröße verbunden sind insofern, als die momentan verfügbaren Dämpfungselemente außen an den Luftansaugfilter eingefügt werden müssen und die dann zu den geräuschdämpfenden Eigenschaften der Dämpfungsvorrichtung verbunden werden, was geschehen kann durch Zusammenbau von getrennten Elementen.
Wie einem Fachmann bekannt ist wird die Leistung einer Dämpfungsvorrichtung tatsächlich beträchtlich durch die Geometrie sowohl der Vorrichtung selbst als auch durch die des Luftstroms beeinflusst, welcher das Geräusch befördert, das gedämpft werden soll.
Andererseits ermöglicht die Verwendung von getrennten Dämpfungselementen, die entlang des Luftansaugrohrs angeordnet sind keine optimale Geometrie und somit wird einen Geräusch nur teilweise reduziert.
Ferner ist es nicht möglich, entweder die Dimensionen oder die Eigenschaften der Geräuschdämpfung der einzelnen Elemente, welche die Dämpfungsvorrichtung bilden zu modifizieren, was sie folglich ungeeignet macht für eine Verwendung bei Motoren, die sich unterscheiden, zum Beispiel im Sinne einer Versetzung oder im Sinne von anderen Konstruktionseigenschaften. Es ist somit notwendig verschiedene Elemente in Übereinstimmung mit dem Motortyp zu liefern, bei dem die Elemente verwendet werden sollen und dies zieht hohe Produktionskosten nach sich.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt dann eine rauscharme integrierte Luftfiltervorrichtung zu liefern, die es ermöglicht, die oberen genannten Nachteile zu überwinden und die darüber hinaus eine einfache und billige Implementierung besitzt.
Es wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine rauscharme integrierte Luftfiltervorrichtung entsprechend Patentanspruch 1 geliefert.
Auf diese Weise ist die Vorrichtung nicht nur kompakt und besitzt reduzierte Gesamtabmessungen, sondern kann auch mit einer optimalen Geometrie gebaut werden, welche eine Geräuscherniedrigung auf eine extrem wirksame Weise ermöglicht. Speziell macht es die Verwendung eines Resonatorelements und eines Dämpfungselements, die im Wesentlichen in angrenzenden Frequenzbändern arbeiten möglich, einen hohen Dämpfungseffekt über ein breites Frequenzspektrum zu erreichen.
Zusätzlich bildet die Vorrichtung einen einzelnen Körper aus, der passend auf verschiedene Motoren als ein Ersatz für den traditionellen Luftansaugfilter montiert werden kann.
Die lineare Geometrie und die Symmetrie des Rohrs hinsichtlich einer baryzentrischen Symmetrieachse ermöglichen eine effektive Reduzierung der unerwünschten Resonanzeffekte auf Grund der transversalen Ausbreitungsmoden der Druckwellen und ermöglichen somit eine weitere Verbesserung bezüglich der Geräuschdämpfung.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird eine Ausführung davon im Folgenden beschrieben, nur durch ein nicht begrenzendes Beispiel und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, bei denen:
1 eine vereinfachte Skizze einer integrierten Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer Längsschnitt-Sicht ist; und
2 Diagramme von Größen hinsichtlich der Vorrichtung von 1 zeigt.
Mit Bezug auf 1 umfasst eine rauscharme integrierte Luftfiltervorrichtung, insgesamt bezeichnet als 1, einen Mantel 2, der eine Längssymmetrieachse A besitzt, ein Einlassrohr 3 und ein Auslassrohr 4, die zu der Längsachse A koaxial sind. Eingebaut in dem Mantel 2 sind eine Filterkartusche 5 eines an sich bekannten Typs und eine Dämpfungsvorrichtung 7, welche zumindest ein Resonatorelement 8 und ein erstes Dämpfungselement 10 enthält. Im Detail werden das Resonatorelement 8, das erste Dämpfungselement 10 und die Filterkartusche 5 zusammen in Reihe angebracht und bilden eine axiale Abfolge, bei welcher das Resonatorelement 8 und das erste Dämpfungselement 10 stromauf der Filterkartusche 5 eingesetzt sind.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die Längssymmetrieachse A auch eine baryzentrische Achse der Vorrichtung 1. Zusätzlich definieren das Resonatorelement 8, das erste Dämpfungselement 10 und die Filterkartusche 5 ein lineares Rohr 11 koaxial zu der Längssymmetrieachse A. Speziell wird das lineare Rohr 11 von einem Luftstrom durchquert, der in Richtung des Motors (nicht gezeigt) gesaugt wird. Der Luftstrom befördert Druckwellen, welche durch den Motor selbst während seines normalen Betriebs erzeugte werden und welche die Quelle des Geräusche sind, das gedämpft werden muss.
Vorzugsweise ist der Resonator 8 ein eingepasster Helmholtz-Resonator und besitzt einen Hals 12, der eine einstellbare Länge L und ein Volumen V besitzt Auf diese Weise ist das Resonatorelement 8 speziell geeignet zur Dämpfung von Geräusch in einem mittleren bis niedrigen Frequenzband hinauf bis etwa 300 Hz. Zusätzlich kann die Frequenz der maximalen Dämpfung eingestellt werden, wie im Folgenden erklärt werden wird.
Im Detail besitzt der Hals 12 des Resonatorelements 8 eine ringförmige Form und ist so definiert, dass er zwischen einem Auslassabschnitt 3a des Einlassrohrs 3 und einem ersten Abschnitt 11a des linearen Rohrs 11 enthalten ist.
Speziell wird der Auslassabschnitt 3a des Einlassrohrs 3 ins Innere des ersten Abschnitts 11a des linearen Rohrs 11 auf eine axial verschiebbare Weise eingeführt.
Die axiale Position des Einlassrohrs 3 kann hinsichtlich des linearen Rohrs 11 (und somit die Länge L des Halses 12) durch eine Stellvorrichtung angepasst werden, welche zum Beispiel eine Zahnstange 13, die integral durch das Einlassrohr 3 gehalten wird und longitudinal eingesetzt ist und ein Getriebe 14 umfasst, das durch einen Motor eines bekannten Typs, der nicht dargestellt ist angetrieben.
Auf Wunsch kann eine Membrane 15 ins Innere des Mantels 2 eingeführt werden, um das Volumen V des Resonatorelements 8 um einen vorgegebenen Betrag zur reduzieren.
Das erste Dämpfungselement 10 ist ein kerzenartiges gelochtes Element mit einer niedrigen Lochdichte zur Dämpfung des Geräuschs in einem mittleren bis hohen Frequenzband hinauf bis etwa 900 Hz. Zum Beispiel liegt die Lochdichte etwa zwischen 4% und 5%.
Ein ringförmiges Gebiet, dass zwischen dem Mantel 2 und dem ersten Dämpfungselement 10 definiert ist und das darüber hinaus axial durch eine erste Wand 17a und eine zweite Wand 17b begrenzt ist, bildet eine Expansionskammer 17, welche zur Dämpfung des durch den Motor erzeugten Geräusches beiträgt, wie später mit Bezug auf 2 erklärt werden wird.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst die integrierte Vorrichtung 1 ein zweites Dämpfungselement 18 eingesetzt ins Innere des Mantels 2, stromab der Filterkartusche 5. Zusätzlich ist das zweite Dämpfungselement 18 koaxial zu der Längssymmetrieachse A und ist mit dem Auslassrohr 4 verbunden. Speziell ist das zweite Dämpfungselement 18 ein kerzenartiges gelochtes Element mit einer hohen Lochdichte zur Geräuschdämpfung in einem Hochfrequenz-Band, im Wesentlichen mit Frequenzen höher als 600 Hz.
2 zeigt Dämpfungskurven des Resonatorelements 8, des ersten Dämpfungselements 10 und der Expansionskammer 17 in einem Frequenz-Band zwischen 0 und 1000 Hz. Im Detail ist die Dämpfungskurve für das Resonatorelement 8 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt; die Dämpfungskurve für das erste Dämpfungselement 10 ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt; und die Dämpfungskurve für die Expansionskammer 17 (d.h. ausschließlich herrührend von einer deutlichen Änderung in dem Gebiet des Rohrs, in welchem die Luft strömt) ist mit einer Strich-Punkt Linie dargestellt.
Wie vorher erwähnt, werden, wenn der Motor, auf den die integrierte Vorrichtung 1 einwirkt, läuft das Einlassrohr 3, das lineare Rohr 11 und das Auslassrohr 4 der integrierten Vorrichtung 1 selbst von einem Luftstrom durchquert in welchem sich im Wesentlichen die periodischen Druckwellen ausbreiten, welche eine Geräuschquelle sind.
Das Geräusch wird hauptsächlich gedämpft durch das Resonatorelement 8 und durch das erste Dämpfungselement 10. Die integrierte Vorrichtung 1 ist als Ganzes speziell wirksam bei einer Dämpfung von transversalen Moden der Ausbreitung der Druckwellen. Wie einem Fachmann bekannt ist, kann das Ergebnis erhalten werden, wenn sich der Luftstrom im Wesentlichen um eine baryzentrische Achse der Dämpfungsvorrichtung entwickelt (in dem Fall der integrierte Vorrichtung 1 entwickelt sich der Luftstrom im Wesentlichen um die Längssymmetrieachse A, welche eine baryzentrische Achse ist). Auf diese Weise ist es tatsächlich möglich sekundäre Resonanzfrequenzen, welche bei den Dämpfungs- und Luftfiltervorrichtungen vorhanden sind in Richtung Hochfrequenzwerte zu verschieben, nämlich solche, welche außerhalb des Frequenzspektrums der Druckwellen, die Geräusch erzeugen liegen. Die sekundären Resonanzfrequenzen werden deshalb nicht angeregt und unerwünschte Resonanzeffekte werden somit verhindert.
Zusätzlich kann die maximale Dämpfungsfrequenz des Resonatorelements 8 eingestellt werden. Bei einem eingepassten Helmholtz-Resonator wie dem Resonatorelement 8 entspricht die maximale Dämpfungsfrequenz tatsächlich der charakteristischen Resonanzfrequenz F_R, welche durch die folgende Gleichung gegeben ist:
Wobei C die Schallgeschwindigkeit, S das Gebiet des Kreisabschnitts des Halses 12 des Resonatorelements 8 und L_EFF die effektive Länge des Halses 12 ist. Die effektive Länge L_EFF ist wiederum entsprechend einer ersten Näherung durch den folgenden Ausdruck definiert: LEFF = L + 0,8√S (2)
Die Möglichkeit einer Variation der axialen Position des Einlassrohrs 3 hinsichtlich des linearen Rohrs 11 ermöglicht klar eine Anpassung der Länge L des Halses 12 des Resonatorelements 8 und folglich auch seiner charakteristischen Resonanzfrequenz F_R.
Es ist darüber hinaus aus Gleichung (1) klar einsichtig, dass die charakteristische Resonanzfrequenz F_R auch durch Veränderung des Volumens V des Resonatorelements 8 verändert werden kann. Zu diesem Zweck ist es, wie vorhier erwähnt, möglich ins Innere des Mantels 2 die Membrane 15 einzuführen, welche das Volumen V um einen vorgegebenen Betrag reduziert. Auf diese Weise kann die integrierte Vorrichtung 1 ohne weiteres an die Geräuscheigenschaften von verschiedenen Motoren angepasst werden.
Speziell kann die Abfolge der Elemente im Inneren des Mantels 2 sich von der dargestellten unterscheiden. Zum Beispiel können das Resonatorelement 8 und das erste Dämpfungselement 10 stromab von der Filterkartusche 5 eingesetzt sein; andererseits kann das zweite Dämpfungselement 18 stromauf der Filterkartusche 5 eingesetzt sein.

Claims

Rauscharme integrierte Luftfiltervorrichtung (1), die einen Mantel (2), der ein Einlassrohr (3) und ein Auslassrohr (4) aufweist, einen Filtereinsatz (5), der in den Mantel (2) eingesetzt ist, und eine Dämpfungsvorrichtung (7) einschließlich eines Resonatorelements (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Dämpfungsvorrichtung (7) ferner ein damit kombiniertes erstes Dämpfungselement (10) enthält, wobei das Resonatorelement (8) und das Dämpfungselement (10) hintereinander eingesetzt sind und in dem Mantel (2) enthalten sind, (ii) wobei das Resonatorelement (8), das erste Dämpfungselement (10) und der Filtereinsatz (5) eine axiale Folge bilden und so angeordnet sind, dass sie ein geradliniges Rohr (11) definieren, das von einem Luftstrom durchquert wird und koaxial zu einer Symmetrieachse (A) des Mantels (2), die eine baryzentrische Achse der Vorrichtung (1) ist, angeordnet ist, sodass das Einlassrohr (3) und das Auslassrohr (4) ebenfalls koaxial zu der Symmetrieachse (A) sind, (iii) das Resonatorelement (8) ein in das Rohr eingepasster Helmholtz-Resonator ist und das erste Dämpfungselement (10) ein kerzenartiges gelochtes Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Resonatorelement (10) ein kerzenartiges gelochtes Element mit einer niedrigen Lochungsdichte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorelement (8) einen Hals (12) mit einer Länge (L), die eingestellt werden kann, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hals (12) des Resonatorelements (8) eine ringförmige Form hat und zwischen einem Auslassab schnitt (3a) des Einlassrohrs (3), der in einem ersten Abschnitt (11a) des geradlinigen Rohrs (11) eingefügt ist, und dem ersten Abschnitt (11a) des geradlinigen Rohrs (11) definiert ist, wobei das Einlassrohr (3) in Bezug auf das geradlinige Rohr (11) außerdem axial verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Expansionskammer (17) umfasst, die durch einen ringförmigen Bereich definiert ist, der zwischen dem Mantel (2) und dem ersten Dämpfungselement (10) eingeschlossen ist, und der außerdem durch eine erste Wand (17a) und eine zweite Wand (17b) axial abgegrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zweites Dämpfungselement (18) umfasst, das auf der Auslassseite des Filtereinsatzes (5) in dem Mantel (2) eingesetzt ist, wobei das Resonatorelement (18) koaxial zu der baryzentrischen Symmetrieachse (A) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dämpfungselement (18) ein kerzenartiges gelochtes Element mit einer hohen Lochungsdichte zur Geräuschdämpfung in einem Hochfrequenzband, im Wesentlichen mit Frequenzen höher als 600 Hz, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dämpfungselement (18), das durch das kerzenartige gelochte Element mit niedriger Lochungsdichte gebildet wird, eine Lochungsdichte zwischen etwa 4 % und 5 % aufweist, sodass es das Geräusch in einem Mittel- bis Hochfrequenzband bis zu etwa 900 Hz abschwächen kann.