ITMI20010873A1

ITMI20010873A1 - LOW NOISE AIR FILTERING DEVICE

Info

Publication number: ITMI20010873A1
Application number: IT2001MI000873A
Authority: IT
Inventors: Umberto Cornaglia; Alessio Tarabocchia
Original assignee: Cornaglia G Off Met Spa
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-10-26
Also published as: EP1253312B1; DE60203059D1; DE60203059T2; ITMI20010873A0; EP1253312A1; ATE290163T1

Abstract

Low-noise integrated air-filtering device, including a casing (2), which has an inlet pipe (3) and an outlet pipe (4), and a filter element (5), which is set inside said casing (2). The integrated device is further provided with a silencer device (7) including at least one resonator element (8) and one first damping element (10), which are set in series together and are contained inside said casing (2). Said resonator element (8) has a neck (12) having a length (L) that can be adjusted. <IMAGE>

Description

D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION

del brevetto per invenzione industriale of the patent for industrial invention

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo integrato di filtraggio dell'aria a bassa rumorosità . The present invention relates to an integrated low noise air filtering device.

Come è noto, la riduzione della rumorosità dei motori di tipo alternativo, specialmente dei motori a combustione interna per veicoli- di uso civile, è un'esigenza che sta assumendo sempre maggiore importanza. Tale rumorosità è causata principalmente da onde di pressione che si generano per il moto alternativo dei pistoni nei cilindri e si propagano lungo i condotti di aspirazione dell'aria e di scarico dei gas combusti. As is known, the reduction of the noise of reciprocating engines, especially of internal combustion engines for civil vehicles, is a requirement that is becoming increasingly important. This noise is mainly caused by pressure waves that are generated by the reciprocating motion of the pistons in the cylinders and propagate along the air intake and exhaust gas ducts.

Di conseguenza, per raggiungere lo scopo, vengono attualmente impiegati dispositivi silenziatori, quali, ad esempio, elementi a candela forata, che consentono di trasformare in calore una parte dell'energia associata alle onde di pressione. Normalmente, i dispositivi silenziatori sono collocati lungo il condotto di scarico e contribuiscono a ridurre in modo considerevole il livello di rumorosità complessivo del motore . Consequently, to achieve the purpose, silencing devices are currently used, such as, for example, elements with perforated candle, which allow a part of the energy associated with the pressure waves to be transformed into heat. Normally, the silencing devices are located along the exhaust duct and contribute to considerably reducing the overall noise level of the engine.

Spesso, però, ciò non è sufficiente e occorre utilizzare ulteriori accorgimenti. In particolare, è possibile aggiungere altri elementi silenziatori anche lungo il condotto di aspirazione, ad esempio a monte del filtro di aspirazione dell'aria. Often, however, this is not enough and further precautions must be used. In particular, it is possible to add other silencing elements also along the intake duct, for example upstream of the air intake filter.

Le soluzioni note, tuttavia, presentano alcuni inconvenienti, legati principalmente all'ingombro, dato che gli elementi silenziatori attualmente disponibili devono essere inseriti esternamente al filtro di aspirazione dell'aria, e alle caratteristiche di attenuazione del dispositivo silenziatore che può essere realizzato assemblando fra loro elementi a sé stanti . The known solutions, however, have some drawbacks, mainly related to the overall dimensions, since the silencing elements currently available must be inserted externally to the air intake filter, and to the attenuation characteristics of the silencing device which can be made by assembling one another. stand-alone elements.

Come è noto al tecnico del ramo, infatti, le prestazioni di un dispositivo silenziatore sono fortemente influenzate dalla geometria sia del dispositivo stesso, sia del flusso d'aria che convoglia il rumore da attenuare; d'altra parte, l'impiego di elementi silenziatori distinti e assemblati lungo il condotto di aspirazione non consente di ottenere una geometria ottimale e quindi la rumorosità viene ridotta solo in modo parziale. As is known to the skilled in the art, in fact, the performance of a silencing device is strongly influenced by the geometry of both the device itself and the air flow which conveys the noise to be attenuated; on the other hand, the use of separate silencing elements assembled along the intake duct does not allow to obtain an optimal geometry and therefore the noise is only partially reduced.

Inoltre, non è possibile modificare né le dimensioni, né le caratteristiche di attenuazione dei singoli elementi che formano il dispositivo silenziatore, che quindi non si presta a essere utilizzato su motori differenti, ad esempio, per cilindrata o per altri aspetti costruttivi. Occorre perciò realizzare elementi diversi a seconda del tipo di motore su cui gli stessi devono essere impiegati e ciò comporta elevati costi di produzione. Furthermore, it is not possible to modify neither the dimensions nor the attenuation characteristics of the individual elements that make up the silencing device, which therefore does not lend itself to being used on different engines, for example, in terms of displacement or other constructional aspects. It is therefore necessary to make different elements according to the type of engine on which they are to be used and this entails high production costs.

Scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo integrato di filtraggio dell'aria a bassa rumorosità che permetta di superare gli inconvenienti descritti e, inoltre, sia di semplice ed economica realizzazione . The object of the present invention is to provide an integrated low-noise air filtering device which allows to overcome the drawbacks described and, moreover, is simple and economical to manufacture.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo integrato di filtraggio dell'aria a bassa rumorosità, comprendente un involucro, avente un condotto di ingresso e un condotto di uscita, e un elemento filtrante, disposto all'interno di detto involucro, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo silenziatore includente almeno un elemento risonatore e un primo elemento smorzatore, disposti fra loro in serie e contenuti all 'interno di detto involucro. According to the present invention, an integrated low-noise air filtering device is provided, comprising a casing, having an inlet and an outlet duct, and a filtering element, arranged inside said casing, characterized by the fact that comprising a silencing device including at least one resonator element and a first damping element, arranged in series with each other and contained within said casing.

In questo modo, il dispositivo non solo risulta compatto e di ingombro ridotto, ma può anche essere realizzato con una geometria ottimale che permette di abbattere la rumorosità in maniera estremamente efficiente. In particolare, l'impiego di un elemento risonatore e di un elemento smorzatore, che agiscono sostanzialmente in bande di frequenza contigue, consente di ottenere un elevato effetto di smorzamento in un ampio spettro di frequenze. In this way, the device is not only compact and compact, but it can also be made with an optimal geometry that allows to reduce noise in an extremely efficient way. In particular, the use of a resonator element and a damper element, which act substantially in contiguous frequency bands, allows to obtain a high damping effect in a wide spectrum of frequencies.

Inoltre, il dispositivo forma un corpo unico che può essere agevolmente montato su motori diversi in sostituzione del tradizionale filtro di aspirazione dell 'aria. Furthermore, the device forms a single body that can be easily mounted on different motors in place of the traditional air intake filter.

Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, detto elemento risonatore, detto primo elemento smorzatore e detto elemento filtrante formano una sequenza assiale. According to a further aspect of the invention, said resonator element, said first damping element and said filter element form an axial sequence.

Inoltre, il dispositivo presenta un asse baricentrico di simmetria e detto elemento risonatore, detto primo elemento smorzatore e detto elemento filtrante definiscono un condotto lineare coassiale con detto asse baricentrico di simmetria. Furthermore, the device has a barycentric axis of symmetry and said resonator element, said first damping element and said filtering element define a coaxial linear duct with said barycentric axis of symmetry.

La geometria lineare e la simmetria del condotto rispetto a un asse baricentrico di simmetria permettono di ridurre efficacemente effetti di risonanza indesiderati dovuti ai modi trasversali di propagazione delle onde di pressione e quindi di migliorare ulteriormente l'attenuazione della rumorosità. The linear geometry and the symmetry of the duct with respect to a barycentric axis of symmetry allow to effectively reduce unwanted resonance effects due to the transverse modes of propagation of the pressure waves and therefore to further improve the noise attenuation.

Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne verrà di seguito descritta una forma di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, in cui: For a better understanding of the invention, an embodiment will be described below, purely by way of non-limiting example and with reference to the attached drawings, in which:

- la figura 1 mostra uno schema semplificato di un dispositivo integrato secondo la presente invenzione, sezionato secondo un piano longitudinale; e Figure 1 shows a simplified diagram of an integrated device according to the present invention, sectioned along a longitudinal plane; And

- la figura 2 mostra andamenti di grandezze relative al dispositivo di figura 1. - figure 2 shows trends in quantities relating to the device of figure 1.

Con riferimento alla figura 1, un dispositivo integrato di filtraggio dell'aria a bassa rumorosità, indicato nel suo complesso con 1, comprende un involucro 2, avente un asse longitudinale A di simmetria, un condotto di ingresso 3 e un condotto di uscita 4, coassiali con l'asse longitudinale A. All'interno dell'involucro 1 sono alloggiati una cartuccia filtrante 5, di un tipo di per sé noto, e un dispositivo silenziatore 7, includente almeno un elemento risonatore 8 e un primo elemento smorzatore 10. In dettaglio, l'elemento risonatore 8, il primo elemento smorzatore 10 e la cartuccia filtrante 5 sono disposti fra loro in serie e formano una sequenza assiale, in cui l'elemento risonatore 8 e il primo elemento smorzatore 10 sono disposti a monte della cartuccia filtrante 5. With reference to Figure 1, an integrated low-noise air filtering device, indicated as a whole with 1, comprises a casing 2, having a longitudinal axis A of symmetry, an inlet duct 3 and an outlet duct 4, coaxial with the longitudinal axis A. A filter cartridge 5, of a per se known type, and a silencing device 7, including at least one resonator element 8 and a first damper element 10, are housed inside the casing 1. detail, the resonator element 8, the first damper element 10 and the filter cartridge 5 are arranged in series with each other and form an axial sequence, in which the resonator element 8 and the first damper element 10 are arranged upstream of the filter cartridge 5.

Secondo l'invenzione, l'asse longitudinale A di simmetria è anche un asse baricentrico del dispositivo 1; inoltre, l'elemento risonatore 8, il primo elemento smorzatore 10 e la cartuccia filtrante 5 definiscono un condotto lineare 11 coassiale l'asse longitudinale A di simmetria. In particolare, il condotto lineare 11 è attraversato da un flusso d'aria aspirato verso il motore (non mostrato). Tale flusso d'aria convoglia onde di pressione che vengono generate dal motore stesso nel suo normale funzionamento e sono fonte della rumorosità che deve essere attenuata. According to the invention, the longitudinal axis A of symmetry is also a barycentric axis of the device 1; moreover, the resonator element 8, the first damper element 10 and the filter cartridge 5 define a linear duct 11 coaxial with the longitudinal axis A of symmetry. In particular, the linear duct 11 is crossed by a flow of air drawn in towards the engine (not shown). This air flow conveys pressure waves that are generated by the engine itself in its normal operation and are the source of the noise that must be attenuated.

Preferibilmente, l'elemento risonatore 8 è un risonatore di Helmholtz in linea e presenta un collo 12, avente una lunghezza L regolabile, e un volume V. In questo modo, l'elemento risonatore 8 è particolarmente adatto ad attenuare la rumorosità in una banda di frequenze medio-basse, fina a circa 300 Hz; inoltre, la frequenza di massima attenuazione può essere regolata, come spiegato nel seguito. Preferably, the resonator element 8 is an in-line Helmholtz resonator and has a neck 12, having an adjustable length L, and a volume V. In this way, the resonator element 8 is particularly suitable for attenuating the noise in a band of medium-low frequencies, up to about 300 Hz; moreover, the maximum attenuation frequency can be adjusted, as explained below.

In dettaglio, il collo 12 dell'elemento risonatore 8 presenta forma anulare ed è definito compreso fra un tratto di sbocco 3a del condotto di ingresso 3 e un primo tratto Ila del condotto lineare 11. In detail, the neck 12 of the resonator element 8 has an annular shape and is defined between an outlet portion 3a of the inlet duct 3 and a first portion 11a of the linear duct 11.

In particolare, il tratto di sbocco 3a del condotto di ingresso 3 à inserito assialmente scorrevole all'interno del primo tratto Ila del condotto lineare 11. In particular, the outlet portion 3a of the inlet conduit 3 is inserted axially sliding inside the first portion 11a of the linear conduit 11.

La posizione assiale del condotto di ingresso 3 rispetto al condotto lineare 11 (e quindi la lunghezza L del collo 12) può essere regolata tramite un dispositivo di attuazione comprendente, ad esempio, una cremagliera 13, portata solidale dal condotto di ingresso 3 e disposta longitudinalmente, e una ruota dentata 14, azionata da un motorino, di tipo noto e non mostrato . The axial position of the inlet duct 3 with respect to the linear duct 11 (and therefore the length L of the neck 12) can be adjusted by means of an actuation device comprising, for example, a rack 13, carried integral by the inlet duct 3 and arranged longitudinally , and a toothed wheel 14, driven by a motor, of a known type and not shown.

Opzionalmente, un setto 15 può essere inserito all <' >interno dell<' >involucro 2 al fine di ridurre di una quantità prefissata il volume V dell'elemento risonatore 8. Optionally, a septum 15 can be inserted inside the casing 2 in order to reduce the volume V of the resonator element 8 by a predetermined amount.

Il primo elemento smorzatore 10 è un elemento a candela forata a bassa densità di foratura, per attenuare la rumorosità in una banda di frequenze medio-alte, fino a circa 900 Hz. Ad esempio, la densità di foratura è compresa fra circa il 4% e il 5%. The first damper element 10 is a pierced candle element with a low drilling density, to attenuate the noise in a medium-high frequency band, up to about 900 Hz. For example, the drilling density is between about 4% and 5%.

Una regione anulare definita fra 1'involucro 2 e il primo elemento smorzatore 10 e, inoltre, assialmente delimitata da una prima e da una seconda parete 17a, 17b, forma una camera di espansione 17, che contribuisce ad attenuare la rumorosità generata dal motore, come verrà mostrato più avanti, con riferimento alla figura 2. An annular region defined between the casing 2 and the first damper element 10 and, moreover, axially delimited by a first and a second wall 17a, 17b, forms an expansion chamber 17, which helps to attenuate the noise generated by the engine, as will be shown later, with reference to Figure 2.

In una preferita forma di realizzazione dell'invenzione, il dispositivo integrato 1 comprende un secondo elemento smorzatore 18, disposto all'interno dell'involucro 2, a valle della cartuccia filtrante 5. Inoltre, il secondo elemento smorzatore 18 è coassiale con l'asse longitudinale A di simmetria ed è collegato con il condotto di uscita 4. In particolare, il secondo elemento smorzatore 8 è un elemento a candela forata ad alta densità di foratura, per attenuare la rumorosità in una banda di frequenze elevate, sostanzialmente superiori a 600 Hz. In a preferred embodiment of the invention, the integrated device 1 comprises a second damper element 18, arranged inside the casing 2, downstream of the filter cartridge 5. Furthermore, the second damper element 18 is coaxial with the axis longitudinal A for symmetry and is connected to the outlet duct 4. In particular, the second damper element 8 is a perforated candle element with a high drilling density, to attenuate the noise in a high frequency band, substantially higher than 600 Hz .

In figura 2 sono mostrate curve di attenuazione dell'elemento risonatore 8, del primo elemento smorzatore 10 e della camera di espansione 17, in una banda di frequenze comprese fra 0 e 1000 Hz . In dettaglio, la curva di attenuazione relativa all'elemento risonatore 8 è illustrata con linea a tratto continuo; la curva di attenuazione relativa al primo elemento smorzatore 10 è illustrata con linea a tratteggio; e la curva di attenuazione relativa alla camera di espansione 17 (ossia dovuta esclusivamente a una brusca variazione di sezione del condotto nel quale fluisce l'aria) è illustrata con linea a tratto e punto. Figure 2 shows attenuation curves of the resonator element 8, of the first damper element 10 and of the expansion chamber 17, in a frequency band between 0 and 1000 Hz. In detail, the attenuation curve relating to the resonator element 8 is illustrated with a solid line; the attenuation curve relating to the first damper element 10 is illustrated with a broken line; and the attenuation curve relating to the expansion chamber 17 (ie due exclusively to a sudden variation in the section of the duct through which the air flows) is illustrated with a dotted line.

Come accennato in precedenza, quando il motore su cui il dispositivo integrato 1 è in funzione, il condotto di ingresso 3, il condotto lineare 11 e il condotto di uscita 4 del dispositivo integrato 1 stesso sono attraversati da un flusso d'aria nel quale si propagano onde di pressione sostanzialmente periodiche, che sono fonte di rumorosità. As previously mentioned, when the motor on which the integrated device 1 is running, the inlet duct 3, the linear duct 11 and the outlet duct 4 of the integrated device 1 itself are traversed by an air flow in which they propagate substantially periodic pressure waves, which are a source of noise.

La rumorosità viene attenuata principalmente dall 'elemento risonatore 8 e dal primo elemento smorzatore 10. Il dispositivo integrato 1, nel suo complesso, è particolarmente efficace nello smorzamento dei modi trasversali di propagazione delle onde di pressione. Come è noto al tecnico del ramo, tale risultato può essere ottenuto quando il flusso d'aria si sviluppa sostanzialmente attorno a un asse baricentrico del dispositivo smorzatore (nel caso del dispositivo integrato 1, il flusso d'aria si sviluppa sostanzialmente attorno all'asse longitudinale A di simmetria, che è anche un asse baricentrico). In questo modo, infatti, è possibile spostare frequenze di risonanza secondarie presenti nei dispositivi smorzatori e di filtraggio dell'aria verso valori di frequenza elevati, al di fuori dello spettro di frequenze delle onde di pressione che generano la rumorosità. Tali frequenze di risonanza secondarie non vengono perciò eccitate e si evitano effetti di risonanza indesiderati. The noise is mainly attenuated by the resonator element 8 and by the first damper element 10. The integrated device 1, as a whole, is particularly effective in damping the transverse modes of propagation of the pressure waves. As is known to those skilled in the art, this result can be obtained when the air flow develops substantially around a barycentric axis of the damper device (in the case of the integrated device 1, the air flow develops substantially around the axis longitudinal A of symmetry, which is also a barycentric axis). In this way, in fact, it is possible to shift secondary resonance frequencies present in the damping and air filtering devices towards high frequency values, outside the frequency spectrum of the pressure waves that generate the noise. These secondary resonant frequencies are therefore not excited and unwanted resonance effects are avoided.

Inoltre, la frequenza massima di attenuazione dell'elemento risonatore 8 può essere regolata. In un risonatore di Helmholtz in linea, quale è l'elemento risonatore 8, tale frequenza massima di attenuazione corrisponde infatti alla frequenza di risonanza caratteristica FH, data dall'equazione: Furthermore, the maximum attenuation frequency of the resonator element 8 can be adjusted. In an in-line Helmholtz resonator, which is the resonator element 8, this maximum attenuation frequency corresponds in fact to the characteristic resonance frequency FH, given by the equation:

(1) (1)

in cui C è la velocità del suono, S è l'area di una sezione radiale del collo 12 dell'elemento risonatore 8, e LEFF è la lunghezza efficace del collo 12 stesso. Tale lunghezza efficace LEFF è a sua volta definita, in prima approssimazione, dall'espressione: where C is the speed of sound, S is the area of a radial section of the neck 12 of the resonator element 8, and LEFF is the effective length of the neck 12 itself. This effective length LEFF is in turn defined, as a first approximation, by the expression:

(2) Chiaramente, la possibilità di variare la posizione assiale del condotto di ingresso 3 rispetto al condotto lineare 11 permette di regolare la lunghezza L del collo 12 dell'elemento risonatore 8 e, di conseguenza, anche la sua frequenza di risonanza caratteristica FH. (2) Clearly, the possibility of varying the axial position of the inlet duct 3 with respect to the linear duct 11 allows to adjust the length L of the neck 12 of the resonator element 8 and, consequently, also its characteristic resonance frequency FH.

È inoltre evidente dall'equazione (1) che la frequenza di risonanza caratteristica FR può essere modificata anche variando il volume V dell'elemento risonatore 8. A tale scopo, come accennato in precedenza, è possibile inserire all'interno dell'involucro 2 il setto 15, che riduce il volume V di una quantità prefissata. In questo modo, il dispositivo integrato 1 può facilmente essere adattato alle caratteristiche di rumorosità di diversi motori. It is also evident from equation (1) that the characteristic resonance frequency FR can also be modified by varying the volume V of the resonator element 8. For this purpose, as previously mentioned, it is possible to insert inside the casing 2 the septum 15, which reduces the volume V by a predetermined amount. In this way, the integrated device 1 can easily be adapted to the noise characteristics of different motors.

Risulta infine evidente che al dispositivo integrato descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione . Finally, it is evident that modifications and variations can be made to the integrated device described, without departing from the scope of the present invention.

In particolare, la sequenza degli elementi all <1 >interno dell'involucro 2 può essere diversa da quella mostrata. Ad esempio, l'elemento risonatore 8 e il primo elemento smorzatore 10 possono essere disposti a valle della cartuccia filtrante 5; viceversa, il secondo elemento smorzatore 18 si può trovare a monte della stessa. In particular, the sequence of the elements inside the enclosure 2 can be different from that shown. For example, the resonator element 8 and the first damper element 10 can be arranged downstream of the filter cartridge 5; vice versa, the second damper element 18 can be found upstream thereof.

Claims

R IV E N D I C A C IO N I 1. Integrated low-noise air filtration device, comprising a housing (2), having an inlet duct (3) and an outlet duct (4), and a filter element (5), arranged inside said casing (2), characterized in that it comprises a silencing device (7) including at least one resonator element (8) and a first damping element (10), arranged in series with each other and contained within said casing (2) .

2. Device according to claim 1, characterized that said resonator element (8), said first damper element (10) and said filter element (5) form an axial sequence.

3. Device according to claim 2, characterized in that it has a barycentric axis of symmetry (A) and in that said resonator element (8), said first damper element (10) and said filter element (5) define a linear duct (11) coaxial with said barycentric axis of symmetry (A).

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that said resonator element (8) is an in-line Helmholtz resonator and said first damper element (10) is a low-density perforated candle element.

5. Device according to claim 4, characterized in that said resonator element (8) has a neck (12) having an adjustable length (L).

6. Device according to claim 5, characterized in that said neck (12) of said resonator element (8) has an annular shape and is defined between an outlet portion (3a) of said inlet duct (3), inserted in the inside of a first section (11a) of said linear duct (11), and said first section (11a) of said linear duct (11); said inlet conduit (3) also being axially slidable with respect to said linear conduit (11).

7. Device according to claim 6, characterized in that it comprises an expansion chamber (17) defined by an annular region comprised between said casing (2) and said first damper element (10) and, moreover, axially delimited by a first and from a second wall (17a, 17b).

8. Device according to any one of claims 3 to 7, characterized in that it comprises a second damper element (18), arranged inside said casing (2) downstream of said filter element (5); said second damper element (18) being coaxial with said barycentric axis of symmetry (A).

9. Device according to claim 7, characterized in that said second damper element (18) is a perforated candle element with a high drilling density.

10. Integrated low noise air filtering device, substantially as described with reference to the accompanying figures.