DE69007807T2

DE69007807T2 - Einlassleitungssystem für Kraftmaschine mit mehreren Zylindern.

Info

Publication number: DE69007807T2
Application number: DE69007807T
Authority: DE
Inventors: Koichi Nagamoto; Mikio Nakata
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1989-01-24
Filing date: 1990-01-15
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2010-01-16
Also published as: JP3034258B2; EP0379926B1; KR930004966B1; JPH02196157A; EP0379926A1; DE69007807D1; US5002021A; KR900011979A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Maschine und insbesondere auf ein Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Maschine, die ein Maschinen-Ansauggeräusch-Unterdrückungssystem besitzt, um Geräusche zu unterdrücken, die durch den Ansaughub erzeugt werden.

Beschreibung des bekannten Standes der Technik

Seit einiger Zeit werden in hohem Maß geräuscharme Motoren gefordert. Um dieser Forderung gerecht zu werden, sind unterschiedliche Versuche unternommen worden, um das Ansauggeräusch zu unterdrücken, das durch Resonanz bei einer besonderen Frequenz erzeugt wird, die durch Pulsieren der Luft in der Ansaugleitung verursacht wird.
Es ist z.B. vorgeschlagen worden, einen Resonanz-Schalldämpfer zwischen dem Luftfilter und den Ansaugeinlässen mit der Ansaugleitung zu verbinden, wobei der Resonanz- Schalldämpfer eine Resonanzfrequenz besitzt, die der Frequenz der Schwingung entspricht, die in der Ansaugleitung erzeugt wird, wie in der Japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. 54(1979)-9317 offenbart ist. Ferner ist vorgeschlagen worden, einen Resonanz-Schalldämpfer stromaufseitig vom Luftfilter mit der Ansaugleitung zu verbinden, wobei der Resonanz-Schalldämpfer eine Resonanzfrequenz besitzt, die der Frequenz der Schwingung entspricht, die in der Ansaugleitung erzeugt wird, wie in der Japanischen ungeprüften Patentanmeldung 58(1983)- 172451 und in der Japanischen ungeprüften Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 61(1986)-192560 offenbart ist. Herkömmlicherweise besitzt der Luftfilter ein relativ großes Volumen und reduziert das Ansauggeräusch. Folglich werden die obenbeschriebenen Vorkehrungen für die Resonanz getroffen, die in der Ansaugleitung stromaufseitig vom Luftfilter oder in der Ansaugleitung stromabseitig von demselben auftreten.
Mit Steigerung der maximalen Ausgangsleistung der Maschinen ist jedoch der Platzbedarf der Einzel-Ansaugleitungen, die die jeweiligen Zylinder mit der gemeinsamen Ansaugleitung verbinden, im Motorraum erhöht worden, ferner ist das Volumen des Luftfilters verkleinert worden. Besonders in den Motoren vom Typ mit Kraftstoffeinspritzung kann ein Luftfilter mit geringem Volumen verwendet werden. Wenn das Volumen des Luftfilters, der als Ausgleichs-Schalldämpfer funktioniert, gering ist, können die Ansauggeräusche im niederfrequenten Bereich nicht reduziert werden.
Bei dem Ansaugsystem gemäß EP-A 192 457, welches mit den Merkmalen des ersten Teils von Anspruch 1 übereinstimmt, sind eine Resonator-Kammer zur Dämpfung von Geräuschen im niederfrequenten Bereich und zusätzlich eine seitlich abzweigende Staubodenröhre zur Verminderung der hochfrequenten Geräusche, mit der Luft-Ansaugleitung stromaufseitig vom Luftfilter verbunden, der eine Kammer größeren Volumens bildet. Da jedoch beide Resonatoren zur Ansaugleitung geöffnet sind, besteht ein erhöhtes Risiko, daß eine Resonanz auftreten könnte, z.B. bei einer Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die zu unterdrückende Frequenz. Das bedeutet, daß durch die Resonator-Kammer, die dazu bestimmt ist, niederfrequente Geräusche zu unterdrücken, zusätzliche Geräusche in einem Zwischenfrequenzbereich erzeugt werden.
Ferner ist bei dem Ansaugsystem gemäß EP-A 376 299 (welches gemäß Art. 54 (3)EPÜ den bekannten Stand der Technik bildet) ein erster Resonator zur Beseitigung niederfrequenter Geräusche zwischen einem Sammelbehälter und einem Luftfilter angebracht, während ein zweiter Resonator zur Beseitigung von Geräuschen mit höheren Frequenzen stromaufseitig vom Luftfilter angebracht ist, wobei beide Resonatoren direkt mit dem Luft-Ansaugrohr verbunden sind.
Im Hinblick auf die vorhergehenden Beobachtungen und die Beschreibung ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, in dem die Maschinen-Ansauggeräusche über einen breiten Frequenzbereich reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Ansaugsystem der gattungsgemäßen Art erreicht, das die Merkmale aufweist, die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben sind.
Allgemein gilt, daß die Dämpfungswirkung des Schalldämpfers umso größer ist, je weiter stromabwärts ein Resonanz-Schalldämpfer, welcher das Ansauggeräusch dämpft, das eine Frequenz entsprechend der Grund-Resonanzfrequenz einer Ansaugleitung besitzt, in die Ansaugleitung mündet. Wenn der Schalldämpfer jedoch stromabseitig vom Luftfilter und vom Luftmengenmesser in die Ahsaugleitung mündet, wird der Einbau des Schalldämpfers schwierig, ferner kann eine Wasserabflußbohrung kann nicht gebildet werden, da die Luftundurchlässigkeit des Schalldämpfers sichergestellt sein muß.
Wenn folglich gemäß einer bevorzugten Realisierung der Erfindung der Schalldämpfer in den Luftfilter mündet, kann ein Dämpfungseffekt erhalten werden, welcher am größten in dem Bereich ist, in dem die Luftundurchlässigkeit des Schalldämpfers nicht gesichert sein muß.
Ferner beinhaltet das Ansauggeräusch niederfrequente Geräusche, welche durch Resonanz der gesamten Ansaugleitung erzeugt werden, zwischenfrequente Geräusche, welche durch Resonanz der Einzel-Ansaugleitungen erzeugt werden, und hochfrequente Geräusche, welche Luftstrom-Geräusche sind; es ist nicht vorteilhaft, daß die anderen Geräusche verstärkt werden, wenn die niederfrequenten Geräusche gedämpft werden. Wenn ein Resonanz-Schalldämpfer wie im herkömmlichen Ansaugsystem in die Ansaugleitung mündet, werden die zwischenfrequenten Geräusche durch Resonanz des Abschnittes der Ansaugleitung auf der gegenüberliegenden Seite des Resonanz-Schalldämpfers verstärkt, obwohl die niederfrequenten Geräusche unterdrückt werden können. Unter der Annahme, daß das Ansaugsystem einen Sammelbehälter 100, der durch den Abschnitt der Zusammenführung der Einzel-Leitungen 101 gebildet wird, einen stromabseitgen Abschnitt 102 einer gemeinsamen Ansaugleitung, einen Luftfilter 103 und einen stromaufseitigen Abschnitt 104 der gemeinsamen Ansaugleitung umfaßt, wird eine stehende Welle (zwischenfrequente Schwingung) mit Knoten am Sammelbehälter 100, dem Luftfilter (Kammer größeren Volumens) und dem stromaufseitigen Ende des stromaufseitigen Abschnittes 104 (bei welchem der stromaufseitige Abschnitt 104 zur Umgebung hin geöffnet ist) erzeugt. Daher verstärkt der Resonanz-Schalldämpfer die Schwingung, die eine doppelt so hohe Frequenz besitzt wie die Schwingung, welche der Resonanz-Schalldämpfer unterdrückt. Folglich verstärkt der Resonanz-Schalldämpfer die in Fig. 5 gezeigte stehende Welle, wenn der Resonanz- Schalldämpfer in die Ansaugleitung mündet. Das heißt, wenn das zu unterdrückende Geräusch eine niedrige Frequenz besitzt, ist die Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die niedrige Frequenz, eine Zwischenfrequenz, weshalb das Zwischenfrequenzgeräusch verstärkt wird, wenn sich der Resonanz-Schalldämpfer in die Ansaugleitung mündet. Andererseits kann das Zwischenfrequenzgeräusch nicht verstärkt werden, wenn der Resonanz-Schalldämpfer dort in den Luftfilter (Kammer vergrößerten Volumens) mündet, wo die stehende Welle wie in der vorliegenden Erfindung einen Knoten besitzt.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besitzt die Ansaugleitung ein Drosselventil, welches nahe des Abschnittes der Zusammenführung der Einzel-Ansaugleitungen im stromaufseitgen Ansaugsystem angeordnet ist, und einem weiteren (zweiten) Resonanz-Schalldämpfer, welcher mit einer Kammer größeren Volumens verbunden ist, die im Ansaugsystem stromabseitig vom Drosselventil gebildet ist und eine Resonanz-Frequenz besitzt, welche der Grundresonanz-Frequenz des stromaufseitgen Ansaugsystems entspricht.
Allgemein gilt, wie oben beschrieben, daß die Dämpfungswirkung des Schalldämpfers umso größer ist, je weiter stromabseitig ein Resonanz-Schalldämpfer, welcher das Ansauggeräusch dämpft, das eine Frequenz entsprechend der Grund-Resonanzfrequenz einer Ansaugleitung besitzt, in die Ahsaugleitung mündet. Ferner, je größer die Kapazität des Dämpfers ist, desto größer ist die Dämpfungswirkung.
Wenn jedoch ein Resonanz-Schalldämpfer mit einer großen Kapazität stromabseitig vom Drosselventil angeordnet ist, kann die Maschinenleistung nicht rasch auf das Öffnen der Drosselklappe reagieren, so daß sich die Fahrleistung des Fahrzeugs verschlechtert. Folglich kann, wenn ein Resonanz-Schalldämpfer, der eine solche Kapazität besitzt, die die Fahrleistungen nicht verschlechtert, in das Ansaugsystem stromaufseitig vom Drosselventil mündet und ein weiterer Resonanz-Schalldämpfer, der eine große Kapazität besitzt, in eine Kammer vergrößerten Volumens mündet, die im Ansaugsystem stromaufseitig vom Luftfilter gebildet ist und den Luftfilter umfaßt, das Maschinen-Ansauggeräusch, das eine Grund-Resonanzfrequenz des stromaufseitigen Ansaugsystems besitzt, unterdrückt werden, ohne die Fahrleistungen nachteilig zu beinflussen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Vierzylinder-Reihenmotor zeigt, der mit einem Ansaugsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist, zeigt,
Fig. 2 ist ein Graph, welcher die Schalldruckpegel-Frequenz-Kennlinie des Motors zeigt,
Fig. 3 ist ein Graph, welcher die Drehmoment-Drehzahl Kennlinie des Motors zeigt,
Fig. 4 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Schalldruckpegel und der Frequenz bei einer Maschine zeigt, die mit einem Ansaugsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist, und
Fig. 5 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung der Entstehung stehender Wellen eines Ansaugsystems.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1 besitzt eine Maschine die ersten bis vierten Zylinder 2a bis 2d, welche je mit den Ansaugeinlässen 3a bis 3d und den Abgasauslässen 4a bis 4d versehen sind. Obwohl nicht gezeigt, werden die Ansaugeinlässe 3a bis 3d und die Abgasauslässe 4a bis 4d durch Einlaßventile und Auslaßventile geöffnet und geschlossen.
Die Ansaugeinlässe 3a bis 3d stehen mit einem Sammelbehälter 6 je über die Einzel-Ansaugleitungen 5a bis 5d in Verbindung. Ein Kraftstoffeinspritzventil 7 ist in jedem der Einzel-Ansugleitungen 5a bis 5d angeordnet. Ein erster Abschnitt 8 einer gemeinsamen Ansaugleitung ist an den Sammelbehälter 6 an seinem stromabseitigen Ende und an einen Luftfilter 9 an seinem stromaufseitigen Ende angeschlossen. Der Luftfilter 9 bildet eine Kammer vergrößerten Volumens. Eine Drosselklappe 10 ist im ersten Abschnitt 8 der gemeinsamen Ansaugleitung nahe des Sammelbehälters 6 angebracht, ferner ist ein Luftmengenmesser 11 im ersten Abschnitt 8 nahe dem Luftfilter 9 angebracht. Ein zweiter Abschnitt 12 der gemeinsamen Ansaugleitung steht mit dem Luftfilter 9 an seinem stromabseitigen Ende in Verbindung und öffnet sich an seinem stromaufseitigen Ende (einer Öffnung 12a) in die Umgebung. Der erste und zweite Abschnitt 8 und 12 der gemeinsamen Ansaugleitung und der Luftfilter 9 bilden ein stromaufseitiges Ansaugsystem 13.
Ein erster Resonator 15, welcher von der Art eines seitlich abzweigenden Staubodens ist, ist an einem Ende mit dem Luftfilter 9 verbunden. Das andere Ende des ersten Resonators 15 ist geschlossen. Die Resonanz-Frequenz f des stromaufseitigen Ansaugsystems 13 ist durch die folgende Formel gegeben.
f=c/λ , λ=I/4 (1)
worin I die Gesamtlänge des stromaufseitigen Ansaugsystems darstellt, c die Schallgeschwindigkeit darstellt (angenähert 360mm/sec/50ºC) und λ die Wellenlänge der Schallwelle darstellt. Unter der Annahme, daß die Gesamtlänge I des stromaufseitigen Ansaugsystems 1m ist, ist die Grundresonanz-Frequenz fo der Viertelwellen-Schwingung, welche einen Knoten bei dem stromaufseitigen Ende des stromaufseitigen Ansaugsystems 13 und einen Schwingungsbauch bei dem stromabseitigen Ende besitzt, gleich 360/4 (90Hz). Da bei einem Vierzylinder-Reihenmotor bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle zwei Ansaugtakte erfolgen, beträgt die Frequenz des Pulsierens der Ansaugluft, das im stromaufseitigen Ansaugsystem auftritt, 90Hz, wobei Resonanzschall erzeugt wird, wenn die Motordrehzahl 2700 min&supmin;¹ beträgt, d.h. wenn der Motor 45 Umdrehungen in der Sekunde macht. Der erste Resonator 15 besitzt eine unterste Resonanzfrequenz, welche im wesentlichen gleich der Grundresonanz-Frequenz fo ist.
Allgemein ist die Resonanzfrequenz fp des Resonators von der Art eines seitlich abzweigenden Staubodens durch folgende Formel gegeben.
f = { (2n-1)/4} (c/L) (2)
worin L die Länge des Resonators darstellt und n eine positive ganze Zahl darstellt. Im Falle der untersten Resonanzfrequenz ist n gleich 1. Folglich ist, wenn die Länge L 1m beträgt, die Resonanzfrequenz f gleich 90Hz.
Ein zweiter Resonator 16 , welcher ein Helmholtz-Resonator ist, der eine Resonanzfrequenz von 90Hz hat, ist mit dem Sammelbehälter 6 verbunden.
Die Resonanzfrequenz f des Helmholtz-Resonators ist durch die folgende Formel gegeben.
f = (c/2π) [S / VL] (3)
worin V das Volumen der Resonanz-Kammer 16a des Resonators 16 darstellt, S die Querschnittsfläche des Halses 16b des Resonators 16 darstellt und L die Länge des Halses 16b darstellt.
Ferner ist ein dritter Resonator 17 nach dem Helmholtz- Prinzip mit einem Mittelabschnitt des ersten Abschnittes 8 der gemeinsamen Ansaugleitung verbunden. Der dritte Resonator 17 besitzt eine Resonanz-Kammer 17a, welche mit dem ersten Abschnitt 8 durch eine Öffnung 17b in Verbindung steht. Die Länge des ersten Abschnittes 8 beträgt ungefähr 45cm, während die Resonanzfrequenz des dritten Resonators 17 ungefähr 330Hz beträgt, welche der Resonanzfrequenz des ersten Abschnittes 8 entspricht.
In Fig. 2 stellt die durchgehende Linie die Beziehung zwischen dem Schalldruck-Pegel und der Frequenz im Ansaugsystem dieser Ausführungsform dar (d.h. in dem Ansaugsystem mit dem ersten bis dritten Resonator 15 bis 17), während die gestrichelte Linie diejenige im Ansaugsystem ohne die Resonatoren 15 bis 17 darstellt. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, ist die Schalldruck-Pegelspitze bei der Resonanzfrequenz des stromaufseitigen Ansaugsystems, welche ohne den ersten und zweiten Resonator 15 und 16 bei A' (ungefähr 90dB) läge, durch die Resonatoren 15 und 16 auf A (ungefähr 75dB) reduziert. Ferner ist das Schalldruck-Pegelmaximum bei der Resonanzfrequenz des ersten Abschnittes, welche ohne den dritten Resonator 17 bei B' wäre, durch den Resonator 17 auf B reduziert. Obwohl ein Maximum C durch den dritten Resonator 17 erzeugt wird, ist das Maximum C niedrig und die nachteilige Wirkung des Resonators 17 ist zu vernachlässigen. Die Resonanz des zweiten Abschnittes 12 der gemeinsamen Ansaugleitung erzeugt ein Maximum D.
Ferner ist entdeckt worden, daß das Ansaugsystem dieser Ausführungsform zur Verbesserung der Motordrehzahl-Drehmoment-Kennlinie beiträgt. Das bedeutet, daß, wenn die Länge der Einzel-Ansaugleitungen und andere Faktoren des Ansaugsystems so gewählt werden, daß sowohl im Motordrehzahl-Bereich als auch im hohen Motordrehzahl-Bereich ein Trägheitsvorverdichtungseffekt erreicht werden kann, eine Drehmoment-Kennlinie, wie sie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt ist erreicht wird, wenn das Ansaugsystem nicht mit den Resonatoren 15 und 16 versehen ist. Auf der anderen Seite wird bei dem Ansaugsystem dieser Ausführungsform (mit den Resonatoren 15 und 16), die Drehmomentbasis nahe bei 2700 min&supmin;¹ angehoben, ferner wird eine glatte Drehmoment-Kennlinie erreicht.
Obwohl das Ansaugsystem in der obenbeschriebenen Ausführungsform mit den drei Resonatoren ausgestattet ist, kann das Ansaugsystem mit nur einem Resonator versehen sein, solange dieser in die Kammer vergrößerten Volumens mündet, die im Ansaugsystem stromaufseitig vom Luftfilter gebildet ist und den Luftfilter umfaßt, und eine Resonanzfrequenz besitzt, welche der Grundresonanz-Frequenz des stromaufseitigen Ansaugsystems entspricht, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, in welcher die durchgehende Linie die Beziehung zwischen dem Schalldruck-Pegel und der Frequenz in einem Ansaugsystem mit einem einzelnen Resonator darstellt, welcher in den Luftfilter mündet und die unterbrochene Linie diejenige in einem Ansaugsystem ohne jeglichen Resonator darstellt.

Claims

1. Ansaugsystem für eine Mehrzylinder-Maschine mit einer Mehrzahl von Einzel-Ansaugleitungen (5a bis 5d), die jeweils mit dert Zylindern (2a bis 2d) der Maschine über ihre stromabseitigen Enden verbunden sind und an ihren stromaufseitigen Enden in einen Sammelbehälter (6) übergehen, mit einer gemeinsamen Ansaugleitung (8, 12), die an ihrem stromabseitigen Ende mit dem Sammelbehälter (6) und über ihr stromaufseitiges Ende (12a) mit der Atmosphäre in Verbindung steht, wobei das Ansaugsystem ein stromaufseitiges Ansaugsystem (13), das den Teil des Ansaugsystems stromauf von dem Sammelbehälter (6) ausmacht und einen stromaufseitigen Ansaugabschnitt (9, 12) mit einem Luftfilter (9) enthält, sowie einen Resonanz-Schalldämpfer (15) umfasst, der mit dem stromaufseitigen Ansaugabschnitt (9, 12) des stromaufseitigen Ansaugsystems (13) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz-Schalldämpfer (15) eine Resonanzfrequenz entsprechend der Grundfrequenz des stromaufseitigen Ansaugsystems (13) hat und von einer Kammer (9) grösseren Volumens abzweigt, die den grössten Querschnitt in dem stromaufseitigen Ansaugsystem (13) hat.

2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (9) grösseren Volumens das Gehäuse des Luftfilters ist.

3. Ansaugsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem stromaufseitigen Ansaugsystem (13) nahe dem Sammelbehälter (6) ein Drosselventil (10) angeordnet ist und daß ein zweiter Resonanz-Schalldämpfer (16) mit einer zweiten Kammer (6) grösseren Volumens verbunden ist, welche in dem stromaufseitigen Ansaugsystem (13) stromab von dem Drosselventil (10) ausgebildet ist und eine Resonanzfrequenz entsprechend der Grundfrequenz des stromaufseitigen Ansaugsystems (13) hat, wobei die erste und die zweite Kammer (9, 6) grösseren Volumens einen grösseren Querschnitt als die übrigen Teile des stromaufseitigen Ansaugsystems (13) haben.

4. Ansaugsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (6) grösseren Volumens der Sammelbehälter ist.

5. Ansaugsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonanz-Schalldämpfer (15) von der Art eines seitlich abzweigenden Staubodens und der zweite Resonanz- Schalldämpfer (16) ein Helmholtz-Schalldämpfer ist.