JP2014173598A - 排ガスターボチャージャーの消音器 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気された空気が消音器を通過する際の抵抗が小さく、また、可能な限り小型で軽量且つ廉価な構造を有する、排ガスターボチャージャーのコンプレッサの吸気側における消音器を提供する。
【解決手段】減衰手段が、気流方向において消音器ハウジングへとスライド挿入可能な減衰体（２，２１〜２６）を有し、該減衰体は気流方向において穿孔されており、従って気流方向に延在する複数の穴（２７）を有し、且つ、気流方向（Ｆ）において前後に並んで配置されている複数の減衰マット（２１〜２６）に分割されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給式の内燃機関の分野に属する。

本発明は、その種の内燃機関を過給するための、排ガスターボチャージャーのコンプレッサの吸気側における消音器、並びに、その種の消音器を備えている排ガスターボチャージャーに関する。

その種の消音器は一般的に、排ガスターボチャージャーのコンプレッサの吸気側において使用される。コンプレッサ内では燃焼空気が圧縮され、その圧縮された燃焼空気が続いて内燃機関の燃焼室へと供給される。コンプレッサは排ガスターボチャージャーの排ガスタービンによって駆動される。消音器にはフィルタが付加的に設けられることが多い。その場合、一般的にフィルタ消音器と称される。

ターボチャージャーのコンプレッサ流入側では騒音が生じ、この騒音は実質的に、いわゆる羽根通過周波数（コンプレッサホイールの回転羽根の数と乗算された回転数、「blade pass frequency」とも称される）と中間周波数のノイズとから成る。

この騒音を減衰させるために、吸気消音器が使用される。この消音器のタスクは、所定の周波数範囲にある騒音を減衰させ、気流を所望の気流プロフィールでコンプレッサに供給することである。

減衰させるべき高周波数は、その高周波数が通過することを阻止するために、減衰素子間の小さい間隙又は偏向部を必要とする。比較的低い周波数は、効果的な減衰が実現されるように、比較的厚い吸収体を必要とする。

従って従来から公知の消音器は、通流作用を妨げるために湾曲させることができる複数の減衰素子が挿入されるように実施されているか、又は、壁部と面一のライニング及び一つ以上の偏向部を有している。

つまり、例えば特許文献１にはフィルタ消音器が開示されており、このフィルタ消音器は鋳造モノブロックから構成されており、また、鋳造モノブロックの溝付きの放射状のリブ内には減衰素子が配置されている。取外し可能な穴板部分から成るフィルタフレームは、減衰素子が半径方向において外れることから保護されるように消音器を包囲している。穴板部分は結合素子を用いて消音器の周囲にリング状に配置されている。ディスク状の減衰素子は、四つの減衰セグメントから構成されており、それらの減衰セグメントは統合されて一つのリング面を表す。吸収素子は二つの穿孔穴板によって保持され、それにより一つの減衰セグメントを形成し、この減衰セグメントが鋳造モノブロックの上述のリブの溝に半径方向に挿入される。

特許文献２には、円筒状のフィルタ消音器が開示されており、このフィルタ消音器では、複数の減衰素子が、同様にモノブロックとして鋳造されたフィルタ消音器ハウジングの中心軸に対して平行に、ハウジング壁の溝内に配置されている。減衰素子は、吸収素子を包囲する一つの減衰板から構成されている。減衰板は、その減衰板に配置されている粗いフィルタセグメントと共に、フィルタ消音器の周囲に取り付けられた状態において、リング状のフィルタによって包囲されている粗いフィルタリングを形成する。

特許文献３には、入れ子状で同軸に配置されている複数の円筒状の減衰素子を有するフィルタ消音器が開示されており、それら複数の減衰素子では軸方向を通過する気流が流れ、またそれら複数の減衰素子は通流作用を妨げるために波状に形成されている。流入側の軸方向の端面にはフィルタ素子が配置されている。

特許文献４には、入れ子状で同軸に配置されている複数の円錐状の減衰素子を有するフィルタ消音器が開示されており、それら複数の減衰素子には軸方向に対して斜めの方向を通過する気流が流される。またフィルタ消音器は配向された気流管を有している。減衰素子は気流方向に対して垂直方向に延びる保持板によって保持される。流入側の端面にはフィルタ素子が配置されている。

EP 0574605 A1 EP 0740080 A2 JP 2002-4964 KR 2008-8664

本発明の課題は、吸気された空気が消音器を通過する際の抵抗が小さく、また、可能な限り小型で軽量且つ廉価な構造を有する、排ガスターボチャージャーのコンプレッサの吸気側における消音器を提供することである。

この課題は、本発明によれば、前面側の流入開口部と背面側の流出開口部との間の気流通路を包囲している管状の消音器ハウジングを有する消音器によって解決される。消音器を通過する気流の方向は、流入開口部の中心点から流出開口部の中心まで延びる方向として規定されている。消音器ハウジング内には、減衰手段を位置決めするための保持板が気流方向に配置されている。本発明によれば、減衰手段は、気流方向において消音器ハウジングへとスライド挿入可能な減衰体を有し、この減衰体は気流方向において穿孔されており、従って気流方向に延在する複数の開口部（以下では穴とも称する）を有している。減衰体は、気流方向において前後に並んで配置されている複数の減衰マットに分割されている。

オプションとして、消音器は複数の位置決め手段を有しており、それらの位置決め手段は、気流方向に対して垂直な方向において、消音器ハウジングに関する減衰体の角度位置を決定し、それにより、減衰体は消音器ハウジング内で所定の位置を取り、また特に、実装時に又は動作時にその位置からずれない。

複数の減衰マットが設けられている場合には、消音器はオプションとして、それらの減衰マットの位置を減衰マットの穴開き部に関して相互に相対的に決定する位置決め手段を有しており、それにより個々の減衰マットは気流方向において適切に相前後して配置され、それと共に複数の減衰マット層を通過する適切な気流が保証される。

前述の位置決め手段は、例えば、保持板及び／又は消音器ハウジングに固定されたピンと、そのピンのために設けられている、減衰体内又は減衰マット内の位置決め孔とを含む。

減衰体の穴開き部の穴は、オプションとして相互に異なる断面を有しており、その場合、オプションとして、気流通路の縁部領域の減衰体における穴は、気流通路の中心部の減衰体における穴よりも大きい又は小さい断面を有している。

オプションとして、減衰体における穴が半径方向にわたり平均的に、即ち均されて開けられている穴面を形成するように、穴は減衰体に形成及び／又は配置されており、そのような穴面は角度に関して均一に分布している。これによって、均一に分散されており、且つ、同一に形成されている円形の各穴が相互に６０°の角度で等間隔に設けられている、穴が最も密に詰められている配置構成よりも小さい消音器を、穴の総面積を維持したまま製造することができる。穴が最も密に詰められている配置構成から生じる６０°周期の対称性、並びに、半径方向にわたり平均的に開けられている穴の面積の角度に応じた不均一な分布により、羽根の６次励起（sixth order excitation）が生じる可能性がある。特に、半径方向にわたり平均的に開けられている穴の面積の角度に応じた不均一な分布によって、角度に応じて吸い込まれる媒体の量が変化し、これによって、コンプレッサホイールの回転羽根の不所望な励起が生じる可能性がある。

オプションとして、減衰体の穴開き部の複数の穴の内の少なくとも一つは、気流方向において可変の断面を有している。

オプションとして、減衰体の穴開き部の複数の穴の内の少なくとも一つは、その穴の流入開口部及び流出開口部が気流方向においてオーバーラップしないように気流方向からずらされている。

減衰体及び消音器ハウジングは減衰体の領域において、有利には、円形、楕円又は多角形の断面を有している。

有利には、消音器ハウジングは減衰体の領域において、消音器ハウジングの流出開口部の面積よりも大きい断面積を有している。

有利には、減衰体における穴開き部の全ての流入開口部の総面積は、少なくとも消音器ハウジングの流出開口部の面積に相当する。

有利には、減衰体は気流方向において、穴が開けられた保持板によってそれぞれ両側で保持される。

オプションとして、消音器ハウジングの流入開口部の領域において、気流通路を横断する方向にフィルタが配置されていることによって、消音器はフィルタ消音器として形成されている。

以下では図面に基づき本発明を詳細に説明する。

従来技術による、コンプレッサの前段に接続されている消音器を備えている排ガスターボチャージャーを概略的に示す。この図において、排ガス並びに新気の流入及び流出は矢印で示唆されている。 本発明により形成されている消音器の等測図を示す。この図において、複数の減衰マットから構成されている消音器の減衰体が部分的に切り取られており、また消音器のハウジングは部分的に透かしで表されている。 気流方向Ｆにおける、図２に示した消音器の流入開口部の平面図を示す。 気流方向Ｆに対向する、図２に示した消音器の、流出開口部が設けられている背面側の平面図を示す。 図４に示した消音器の線分Ｖ−Ｖに沿った気流方向Ｆにおける断面図を示す。 図２に示した消音器の側面図を示す。 図２に示した消音器の減衰体の実施の形態のオプションを示す。 図２に示した消音器の減衰体の実施の形態のオプションを示す。 気流方向における、図２に示した消音器の実施の形態のオプションの流入開口部の平面図であって、穴が最も密に詰められているパターンの一部を示す。 気流方向における、図２に示した消音器の実施の形態のオプションの流入開口部の平面図であって、本発明による穴の分布を示す。

冒頭で述べたように、この種の消音器は一般的に、排ガスターボチャージャーのコンプレッサの吸気側において使用される。図１にはその種の用途が概略的に示されている。コンプレッサ７においては、フィルタ消音器１を介して吸気された新気が圧縮される。参照番号７１によって表されている矢印はコンプレッサへと流入する空気を表す。圧縮された空気は続いて空気排出部７２を介して、内燃機関の燃焼室へと供給される。コンプレッサハウジングの内側にある、図示していないコンプレッサホイールは、同様に図示していないタービンホイールによって駆動される。タービンホイールには、内燃機関の燃焼室からガス流入部９１を介してタービンハウジング内に供給された高温の排ガスが印加される。タービンホイールの下流側では、排ガスがガス排出部９２を介して排気装置に供給される。

図２には、本発明による消音器の等測図が示されている。矢印でもって新気の流れが示唆されている。消音器の管状のハウジング１０は流入開口部１１及び流出開口部１２を有しており、それら二つの開口部は管状のハウジング１０の相互に対向する端面に配置されており、それによって動作時には、管方向（円形の断面を有している図示されている実施の形態においては、この方向は軸方向に相当する）を通過する気流が生じる。気流の偏向部が省略されているので、放射状の流入部を備えている従来の消音器よりも少ない圧力損失が達成される。

有利には、消音器ハウジングはワンピースの鋳造ハウジングとして実現されている。

流入開口部１１の領域には、動作時に空気流によって比較的大きい物体がコンプレッサ及び内燃機関の燃焼室へと到達することを防止する、上述のフィルタをオプションとして配置することができる。排出開口部側において、消音器は一般的に固定手段を有しており、この固定手段によって消音器とコンプレッサハウジングを結合することができる。固定手段として、例えば、周方向に延びる複数の突起部又はネジを挿入するための固定開口部が考えられる。消音器のハウジングを、一個所又は複数個所でコンプレッサハウジングに載置及び／又は固定することができる。

本発明によれば、消音器は減衰体２を有し、この減衰体２は図示されている実施の形態において複数の減衰マット２１〜２６から構成されている。図示されているマットの数は例示的なものであり、従って、減衰体を形成するマットの数は６個より多くても、又は少なくても良い。

減衰体２は気流方向に穴が開けられている。つまり減衰体２はホール状の複数の開口部２７を有している。従って、吸収材料は通路も消音壁も形成するように成形されている。

ワンピースの減衰体は有利には所望の形状に発泡成形され、その一方で穴開き減衰マットを、廉価に減衰材料のプレートから打抜くことができる。

減衰体２は本発明によれば、気流方向において、即ち、ハウジング断面が円形の場合には中心軸の方向において、消音器ハウジング１０に嵌め込まれる。その際、減衰体を、流入開口部１１を介してスライド挿入することができるか、又は、例えば消音器ハウジングが２ピースである場合には、反対の方向からもスライド挿入することができる。

穴開き保持板３１を用いて軸方向に減衰体が保持される。この保持板は管の断面全体に亘り広がっているか、又は、その一部のみを覆うことができる。保持板の穴を減衰体の穴と一致させることができるか、又は、保持板における一つの穴を減衰体における複数の穴にわたり延在させることによってメッシュ状にすることもできる。その種の保持板を減衰体の両側、即ち、排出開口部へと向かう下流側と流入側とに設けることができる。流入側においては保持板をフィルタと組み合わせることができ、それによって、流入開口部に張られているフィルタは減衰体の保持機能を担う。

消音器ハウジング１０は減衰体２の領域において、排出開口部の領域における下流側よりも大きい断面を有している。従って、気流をコンプレッサホイールに供給するために、ハウジングは消音器の下流側からコンプレッサ流入側へと先細りされている。

穴開き部の穴の断面、形状、ウェブ厚さ及び気流方向における減衰体の全長は、必要な減衰が達成されるように選定されている。穴の数及び形状並びに全ての穴の全体の断面は、体積流量及び許容圧力損失に応じて選定されている。

有利には、減衰体における穴の全ての流入開口部の総面積は、少なくとも消音器ハウジングの排出開口部の面積に相当する。

オプションとして、減衰体における穴を不規則に分散させることができる、及び／又は、減衰体における穴は異なる形状及び／又は異なる大きさの断面を有することができる。つまり、断面にわたり騒音レベル分布が異なることから、状況に応じて、減衰体の外側の領域における穴が、減衰体の中心の内側の部分における穴よりも大きい断面積を有していることは有利である場合もある。しかしながら、外側の穴が内側の穴よりも小さい断面積を有していることが有利である騒音ノイズレベル分布も考えられる。

オプションとして、減衰体における穴は気流方向において可変の断面を有していても良い。例えば、それらの穴を気流方向において収束するように延在させることができる。減衰体が複数の減衰マットによって形成される場合、図７に概略的に示されているように、穴がマット毎に種々の断面を有することができ、これによって、吸収面積を拡大することができる。

オプションとして、減衰体における穴を、図８に概略的に示されているように、気流方向においてその穴の流入開口部から排出開口部へと延びる見通し線が実現されないように、気流方向から偏向させて延在させることができる。この場合、各穴を湾曲させることができるか、又は各穴に折れ目を設けることができる。

複数の穴を減衰体内に配置するための別のヴァリエーションが図９ｂに概略的に示されている。このヴァリエーションの出発点は、図９ａに部分的に示されているように、円形の穴が相互に６０°の角度で等間隔に設けられている、穴が最も密に詰められている配置構成である。この配置構成によって、断面全体にわたり可能な限り大きい吸気断面（穴の割合）を保証することができ、それにもかかわらず消音器を小型に維持することができる。図９ｂに示したヴァリエーションに応じた、減衰体における穴の本発明による配置構成は、穴が最も密に詰められている配置構成では、６０°の角度の対称性が存在しており、且つ、半径方向にわたり平均的に開けられている穴の面積、つまり、減衰体の中心を起点として放射状に延びる線上にある穴の面積の割合が角度に応じて変化するという問題を解決する。６０°周期の対称性と組み合わされた穴面積分布のこのヴァリエーションでは、消音器後方のコンプレッサ羽根の６次励起が生じる可能性がある。６倍の励起は、流入する空気、又は流入する媒体の角度に応じた不均一な分布から生じる。つまり、そのような穴の配置構成によって、角度に応じて吸い込まれる媒体の量が変化し、その変化が部分的に非常に顕著であることが分かった。

図９ｂに示した本発明による穴の配置構成では、何よりも、消音器の半径方向にわたり平均的に開けられている面積、即ち、減衰体の中心を起点として放射状に延びる線上にある穴の面積の割合が角度に関して可能な限り一定であることに留意されたい。上述の図９ａによる穴が最も密に詰められている配置構成から出発して、吸気される空気を断面にわたり角度に関してより均一に分散させるために複数の穴が省略される。つまり穴の数が低減される。従って、このことは常に、半径方向において相互に最も近くに位置している穴に関係する。それらの穴は外側の縁部から内側に向かって省略され、省略される穴の数は消音器の大きさによって決定される。この省略によって励起が極端に低減され、見かけ上の僅かな再較正でもってその励起をほぼ完全に抑制することができる。この見かけ上の再較正には、例えば、省略された穴に隣接していた複数の穴を相互に接近させることが含まれる。図９ｂによる実施の形態においては、穴が最も密に詰められている配置構成から出発して、図９ａにおいて参照符号Ｘ及びＹが付されている三つの穴が外側から省略され、その一方で、矢印によって示唆されているように、隣接する各穴が相互に僅かに接近されている。参照符号Ｙが付されている三つ目の穴の個所には、比較的小さい直径を有する穴が再び設けられている。ここで、減衰体の中央から放射上に延びる線を考察すると、その線の各角度位置に関して、本発明により実質的に一定の値を有している穴の面積の割合が生じている。

図示した消音器は、中心軸を有する円形の断面形状を有している。しかしながら、消音器ハウジングの断面形状が部分的に、又は全長にわたり円形の形状とは異なっていることも考えられる。つまり、例えば、流入開口部及び減衰体の領域を楕円形、矩形又は、広義に多角形に形成することも可能である。

１ 消音器、 １０ 消音器ハウジング、 １１ 流入開口部、 １２ 流出開口部、 ２ 減衰体、 ２１−２６ 減衰マット、 ２７ 穴、穴開き部、 ３１，３２ 穴開き保持板、 ７ コンプレッサ、 ７１ コンプレッサの空気流入部、 ７２ コンプレッサの空気流出部、 ８ ベアリングハウジング、 ９ 排ガスタービン、 ９１ 排ガスタービンのガス流入部、 ９２ 排ガスタービンのガス流出部、 Ｆ 気流方向

Claims (15)

1. 前面側の流入開口部（１１）と背面側の流出開口部（１２）との間の気流通路を包囲している管状の消音器ハウジング（１０）を有する、排ガスターボチャージャーのコンプレッサの吸気側における消音器（１）であって、
   前記消音器を通過する気流は、前記流入開口部の中心点から流出開口部の中心点へと配向されている（Ｆ）、消音器（１）において、
   減衰手段が、気流方向において前記消音器ハウジングへとスライド挿入可能な減衰体（２，２１〜２６）を有し、該減衰体は気流方向において穿孔されており、従って気流方向に延在する複数の穴（２７）を有し、且つ、気流方向（Ｆ）において前後に並んで配置されている複数の減衰マット（２１〜２６）に分割されている、ことを特徴とする、消音器（１）。
2. 位置決め手段が、前記消音器ハウジング（１０）に関する前記減衰体（２）の角度位置を、前記気流方向（Ｆ）に対して垂直な方向において決定する、請求項１に記載の消音器（１）。
3. 位置決め手段が、前記減衰マット（２１〜２６）の位置を、該減衰マット（２１〜２６）の穴開き部に関して、相互に相対的に決定する、請求項１に記載の消音器（１）。
4. 前記位置決め手段は、前記消音器ハウジング内に前記減衰体を保持するための保持板に及び／又は前記消音器ハウジングに固定されたピン、並びに、該ピンのために設けられている、前記減衰体内又は前記減衰マット内の位置決め孔を含む、請求項２又は３に記載の消音器。
5. 前記穴（２７）は、前記減衰体において相互に異なる断面を有している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の消音器。
6. 前記気流通路の縁部領域の減衰体における穴は、前記気流通路の中心部の減衰体における穴よりも大きい断面を有している、請求項５に記載の消音器。
7. 前記気流通路の縁部領域の減衰体における穴は、前記気流通路の中心部の減衰体における穴よりも小さい断面を有している、請求項５に記載の消音器。
8. 前記穴（２７）は、前記気流通路の中心を起点として放射状に延びる線上で合算される穴の面積の割合が前記線の角度に依存せずに一定の値を有するように、前記減衰体に配置されている、及び／又は、前記減衰体において相互に異なる断面積を有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の消音器。
9. 前記減衰体における前記穴の内の少なくとも一つは、気流方向において可変の断面を有している、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の消音器。
10. 前記穴の内の少なくとも一つは、気流方向において、該穴の流入開口部から流出開口部へと延びる見通し線を有さないように、前記気流方向から偏向されて延在している、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の消音器。
11. 前記減衰体及び該減衰体の領域における前記消音器ハウジングは、円形、楕円形又は多角形の断面を有している、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の消音器。
12. 前記減衰体の領域における前記消音器ハウジングは、該消音器ハウジングの前記流出開口部の面積よりも大きい断面積を有している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の消音器。
13. 前記減衰体は、穿孔された少なくとも一つの保持板（３１，３２）によって、前記消音器ハウジング内に保持される。請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の消音器。
14. 前記消音器ハウジングはフィルタを有している、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の消音器。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の減衰体を有している、排ガスターボチャージャー。

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