专利名称：用于内燃机排气系统中消声的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机排气系统中消声的装置。这种装置例如用来衰减用于内燃机或例如用它驱动的汽车的一个或多个特别关键的频率。
背景技术：
在汽车制造中已知许多用于消声的装置和方法。这里常常需要衰减例如导致汽车零件共振的特别关键的频率。为此采取部分地非常复杂的结构上的措施。特别是常常需要附加构件。
发明内容
由此出发本发明的目的是，在内燃机排气系统中用净化废气的蜂窝体基本上不用额外的元件而实现特别是对于关键频率消声。
这个目的通过一按权利要求1特征的蜂窝体、一按权利要求5特征的排气系统和一按权利要求9特征的消声方法来实现。可以单独或以组合形式出现的有利结构在各从属权利要求中说明。
例如由EP 0 245 737 B1或EP 0 430 945 B1已知这种蜂窝体的一种基本结构。但是本发明也可以以其它结构形式，例如螺旋形卷绕的结构形式实现。例如由WO 99/56010还已知沿一个方向的圆锥形的结构形式。用于蜂窝体的已知制造方法也可以用于本发明。关于单元几何形状的新的发展促进了微结构在通道壁内的应用，例如由WO 90/08249和WO 99/31362所知。这种新发展也可以附加地用于本发明。一般来说用来制造这种蜂窝体和改善这种蜂窝体效果的已知措施也可以用于本发明。
按本发明的用于内燃机排气系统中消声的装置包括一个这种蜂窝体。该蜂窝体有一轴向长度，并具有基本上相互隔开的可由废气流过的通道。这些通道分类成至少一个第一分通道组和一第二分通道组。两个分通道组的至少一个的横截面积在蜂窝体轴向长度上这样地变化，使得在不同分通道组内废气的行进时间是不同的。
在内燃机排气系统中用一蜂窝体来消声是有意义的，因为蜂窝体大量应用在例如净化废气的催化器中，因此已经存在于汽车排气系统中。这使得可以降低排气系统内的噪声，而不必在排气系统中引入其它部件。从而提供一种结构简单和成本低廉的消声可能性。
在一具有变化横截面积的通道内气流的速度与横截面积成反比。因此如果在蜂窝体轴向长度上通道的横截面积变大，则气流减慢。相反如果在蜂窝体轴向长度上通道的横截面积减小，则气流加速。按照本发明进入蜂窝体内的废气流分成至少两个分量废气，它们分别流过一分通道组。如果蜂窝体在主流动方向z具有一轴向长度L，具有与z有关的速度v的气流的行进时间t(L)可以计算如下t(L)=L∫oLdz∂v∂z]]>这样由于可通过通道横截面积变化的影响速度函数v(z)，以及气流通过通道的行进时间一方面取决于通道长度，另一方面取决于与适用于该通道中的速度函数，因此可非常精确地调整在通道内的行进时间。
应用两个分通道组现在得到按本发明的可能性，在流过两个分通道组的分量废气之间形成行进时间差。如果废气是声波载体，那么可通过此时间差在两个分通道组的声波之间造成一相位差。在相应地选择行进时间差的情况下这促使衰减一定波长的声波。
如果希望衰减一种波长λ、一种相速率c和一种圆频率ω的声波，那么优选地如下式这样选择流过第一分通道组的第一分量废气的行进时间t1和流过第二分通道组的第二分量废气的行进时间t2之间的行进时间差
|t1-t2|=2n+12λc,]]>其中n是自然数。按照蜂窝体的一种有利的结构第一分通道组分别具有一第一入口横截面积和一第一出口横截面积，第二分通道组在其轴向长度上分别具有一第二入口横截面积和第二出口横截面积。按照本发明第一入口横截面积与第一出口横截面积之比不同于第二入口横截面积与第二出口横截面积之比。也就是说在这种情况下第一分通道组和第二分通道组横截面积以不同的方式变化。这引起在流过两个分通道组的两个分量废气的速度变化，因此引起行进时间差。
按照蜂窝体的又一种有利的实施形式，至少一个分通道组的横截面积沿主流动方向z变大，优选单调增加，并特别优选严格单调增加，和/或另一个分通道组的横截面积沿主流动方向减小，优选单调减小，特别优选严格单调减小。单调是指，通道的一部分或全部通道在轴向长度L上具有完全相同的横截面积。对于严格单调的变化这是不可能的，这里横截面积必须在轴向长度上连续地变大或缩小。特别优选的是蜂窝体的另一种有利的实施形式，其中至少一个分通道组锥形逐渐扩大和/或至少另一分通道组锥形地逐渐变小。因此按照本发明第一分通道组在轴向长度上横截面积可以保持不变，而第二分通道组锥形逐渐扩大或逐渐变小，或者按另一种方式方法横截面积沿主流动方向z单调增加或减小。根据本发明还可以，第一分通道组锥形地逐渐扩大，而第二分通道组锥形地逐渐变小。这使得本发明的蜂窝体具有非常简单的结构设计。
按照蜂窝体的另一种有利的实施形式分通道组设计成使得不同分通道组在轴向长度上具有不同的横截面积积分。这使得通道可以有利地设置空腔、扩大部或收缩部，并由此可以考虑例如在要求的压力损失和流通横截面，以及结构条件或限制上的要求。在轴向长度L比较短时也可以形成大的行进时间差。
按照本发明的方案还推荐内燃机的一种排气系统。这种排气系统具有至少一个具有废气可流过的通道和一轴向长度的蜂窝体。废气的第一分量的流动路径由第一分通道组形成，而废气的第二分量的流动路径由一第二分通道组形成。两个分通道组中的至少一个的横截面积在蜂窝体的轴向长度上是变化的。这引起两个废气分量之间的行进时间差。由此这里通过相应地选择分通道组的尺寸也可以衰减废气中声波的至少一个频率。这里特别优选的是，第一分通道组分别具有一第一入口横截面积和一第一出口横截面积，第二分通道组分别具有一第二入口横截面积和第二出口横截面积，并且第一入口横截面积与第一出口横截面积之比不同于第二入口横截面积与第二出口横截面积之比。
按照排气系统的一种有利的实施形式，至少一个分通道组的横截面积沿主流动方向z变大，最好单调增加，特别优选严格单调增加，和/或至少另一个分通道组的横截面积沿主流动方向z减小，尤其是单调减小，特别优选严格单调减小。这里单调是指，一通道的部分或整个通道的横截面积不必变化，但是不能出现这样的情况，即例如一个通道开始时扩大，以后又重新减小。严格单调增加是指，对于沿主流动方向的每个坐标值z存在不同的横截面积，该面积随着坐标值z的变大而增加，亦即进行连续的变大。相应地对于单调或严格单调下降的变化也适用。在这种情况下特别优选的是排气系统的这样一种有利的实施形式，其中至少一个蜂窝体的至少一个分通道组锥形地扩大，和/或至少另一个分通道组锥形地变小。从而可以是，第一分通道组锥形地扩大或变小，而第二分通道组在轴向长度上不改变其横截面积。也可以第一分通道组锥形扩大，而第二分通道组锥形变小。这有利地允许排气系统具有结构上简单的设计。不仅可以形成沿主流动方向z的锥形的横截面积变化，而且可以形成任何单调的横截面积变化，并属于本发明的范围。
按照排气系统又一种有利的结构，不同分系统的通道在轴向长度L上具有不同的横截面积积分，这使得可以形成例如空腔、扩大部或收缩部，利用这些结构尽管例如存在结构限制仍可以达到良好的消声。
此外按照本发明的方案推荐一种用于在内燃机排气系统中消声的方法。这里排气系统具有至少一个具有废气可流过的通道并有一轴向长度的蜂窝体。废气的第一分量通过第一分通道组被引导，废气的第二分量通过第二分通道组被引导。两个分通道组中的至少一个的横截面积在蜂窝体的轴向长度上是变化的，从而形成在不同分通道组内的废气行进时间差。废气分量在所述至少一个蜂窝体之后重新汇合。按照本发明这种方法允许，至少衰减在废气中存在的一个确定频率的声波。
按照本方法的一种有利的方案，第一分通道组分别具有一第一入口横截面积和一第一出口横截面积，而第二分通道组分别具有一第二入口横截面积和一第二出口横截面积。第一入口横截面积与第一出口横截面积之比不同于第二入口横截面积与第二出口横截面积之比。这里特别有利的是，至少一个分通道组横截面积沿主流动方向z变大，尤其是单调增加，特别优选严格单调增加，而第二分通道组的横截面积可选地或附加地变小，尤其是单调和特别优选严格单调变小。这允许以优良地简单的方式实施该用于消声的方法。
按照本方法另一种有利的实施形式，废气流过至少一个它具有至少一个锥形地扩大的分通道组和/或另外至少一个锥形地变小的分通道组的蜂窝体。这简化了行进时间差的计算和调整。
按照本方法另一种有利的实施形式，废气流过不同的在轴向长度上具有不同的横截面积积分的分通道组。这允许实施本方法，即使例如在困难的几何条件和限制下。
按照本方法又一种有利的方案，准确地这样地选择废气分量的行进时间差，使得在所述至少两个分量汇合时至少局部地存在对于至少一个频率的破坏性的干涉。为此第一分量废气的行进时间和第二分量废气的行进时间之间的行进时间差对于圆频率ω，波长λ和相速率c的声波准确地调整成|t1-t2|=2n+12λc]]>其中n为自然数。这要求波动方程中的另一相位因数，它对于第一分量废气中的幅值A1和第二分量废气中的幅值A2可以表示如下
(z)＝exp(iωt1+ikz)[A1+A2exp(-i(2n+1)π)]幅值A1和A2可通过第一分通道组的第一入口横截面积与第二分通道组的第二入口横截面积之比调整。如果两个幅值A1、A2正好相等，那么具有圆频率ω的波便完全消除。存在破坏性的干涉。
如果第一分量废气的幅值A1和第二分量废气的幅值A2不同，那么在任何情况下都造成对声波和相应高次谐波的衰减。
按照本方法又一种优良的方案，准确地对关键频率形成破坏性干涉。这允许衰减例如对于内燃机本身或对于由它驱动的汽车是关键的频率。例如这里可以是出现共振效应的频率。这种频率通常是不希望的，因为它表现为较高的材料负荷。
按照本方法再一种优良的方案，废气分量的行进时间差这样选择，使得在至少两个分量汇合时至少局部地存在对于至少两个频率的破坏性干涉。这有利地允许衰减多个关键频率。
下面借助于附图较详细地说明本发明的其它优点和特别优选的结构，这里本发明并不局限于所示实施形式。附图表示图1根据本发明的蜂窝体通道系统的示意图；图2根据本发明的蜂窝体第一实施例的局部端侧视图；图3用来制造根据本发明的蜂窝体的第一实施例的波纹板层；图4根据本发明的蜂窝体第二实施例的局部端侧视图；图5用来制造本发明蜂窝体的第二实施例的形成(波纹)结构的板层。
具体实施例方式
图1以示意图表示本发明蜂窝体1的一部分的纵剖视图。废气流3通过入口侧2流入蜂窝体1，并通过出口侧4离开蜂窝体。蜂窝体包含两个分通道组，它们相互之间的区别在于在通道轴向长度L上通道横截面积的变化。第一分通道组由扩大的具有一朝向入口侧2的第一入口横截面积6和一较大的朝向蜂窝体1的出口侧4的第一出口横截面积7的通道5组成。第二分通道组由逐渐变小的具有一朝向入口侧2的第二入口横截面积9和一较小的朝向蜂窝体1的出口侧4的第二出口横截面积10的通道8组成。在本实施例中一方面第一入口横截面积6相当于第二出口横截面积10，另一方面第二入口横截面积9相当于第一出口横截面积7。因此第一入口横截面积6和第一出口横截面积7之比是第二入口横截面积9和第二出口横截面积10之比的倒数。
在每个通道5和8中横截面积变化严格单调地进行。在两个分通道组中的通道数目一样大。第一分量废气流过第一分通道组，由另一半(废气)形成的第二分量废气流过第二分通道组。在两个分通道组下游的混合区11内两个分量废气混合，并通过出口侧4离开蜂窝体1。
如果现在废气流3包含波长λ和相速率c的声波，那么通常在流过蜂窝体1出口侧4时的声波强度不同于流入蜂窝体1时的声波强度。两个分气流的每一个由于通道横截面积的变化改变其速率。对于这里所考察的例子，废气沿主流通方向z的速度v与流通横截面积是反比关系，因此第一分量废气在逐渐扩大的通道5内减慢，而第二分量废气在逐渐变小的通道8内加速。对于两个分量废气的每一股在流过两个分通道组时速度连续地变化。这样对于第一分量废气的行进时间t1和第二分量废气的行进时间t2有t1/2=L∫OLdz∂v∂z]]>其中对于两个分量废气，速度函数v(z)各不相同。也就是说，第一分量废气流过第一分通道组需要时间t1，第二分量废气流过第二分通道组需要时间t2。对于流过两个分通道组5和8所得到的两个分量废气之间的行进时间差t1-t2符合|t1-t2|=2n+12λc]]>
n为整数，那么得到一附加的相位因数(Phasenfaktor)。总的波方程可以表示为(z)＝exp(iωt1+ikz)[A1+A2exp(-i(2n+1)π)]其中ω表示波的圆频率，而A1和A2表示在第一和第二分量废气中的波的幅值。如果废气流3分成两个相同的分量废气流，也就是说A1＝A2，那么声波完全消失。如果第一分量废气的幅值A1和第二分量废气的幅值A2不相等，那么在任何情况下都造成对具有波长λ的声波和相应高次谐波的衰减，这种状态可以充分用于不仅衰减废气流3中一种波长的声波，而是衰减多种波长的声波。为此废气流不只通过两个分通道组被引导，而是通过相应更多的分通道组被引导，其通道必须相应地设计。
图2表示按本发明的蜂窝体1的一种实施形式的入口侧2的局部端侧视图。此蜂窝体具有一由逐渐扩大通道5形成的第一分通道组和一由逐渐变小的通道8形成的第二分通道组。逐渐扩大的通道5分别具有一较小的第一入口横截面积6，而逐渐变小的通道8分别具有较大的第二入口横截面积9。在本实施例中在两个分通道组内在蜂窝体轴向长度L上的横截面积变化严格单调地进行。蜂窝体由交替设置的光滑板层12和波纹板层13构成。
图3表示一波纹板层13的实施例。此波纹板层13的波纹高度沿纵轴方向严格单调地变化，这导致由波纹板层13和相邻的光滑板层12构成的通道的横截面积沿纵轴方向严格单调地变化。通过与相邻光滑板层12的组合一方面形成具有第一入口横截面积6的通道，另一方面形成具有第二入口横截面积9的通道。如果蜂窝体做成使得与光滑板层12相邻的波纹板层13相对于中心线14相互转过180°地安装，那么可以有利地形成一圆柱形蜂窝体1，它具有逐渐扩大的通道5和逐渐变小的通道8。逐渐扩大的通道5和逐渐变小的通道8分层地相互交替，逐渐扩大的通道5的横截面积从第一入口横截面积6到第一出口横截面积7严格单调地变大，而逐渐变小的通道8的横截面积从第二入口横截面积9到第二出口横截面积10严格单调地下降。这种蜂窝体1由于其相互交替的逐渐扩大的通道5和逐渐变小的通道8的分层结构没有相对于其纵轴的优选方向，从而在安装蜂窝体1时不必注意安装方向。
图4表示本发明的蜂窝体6的第二种实施例的示意性局部端侧视图。蜂窝体6由基本上光滑的板层12和形成(波纹)结构的板层13构成，并且有一由逐渐扩大的通道5组成的第一分组和由逐渐变小的通道8组成的第二分组。逐渐扩大的通道5具有一第一入口横截面积6。由于逐渐扩大的通道5沿主流动方向z的逐渐扩大沿这个方向通道横截面积也变大。逐渐变小的通道8具有一第二入口横截面积9。通道横截面积沿主流动方向z的方向变小。
图5表示一如在图4中所示的蜂窝体具有的形成(波纹)结构的板层13。这种形成(波纹)结构的板层13的特征是，定义为两个相邻的结构最大值的距离的结构重复长度15在与形成(波纹)结构的板层13的纵轴一致的主流动方向z上连续地变化。这造成两个分通道组，它由形成(波纹)结构的板层13与一相邻的未画出的基本上光滑的板层12构成。一个分通道组由逐渐变小的通道8组成，而另一个分通道组由逐渐扩大的通道5组成。如上所述，当形成(波纹)结构的板层13具有相应结构时这造成对至少一个频率的声波的衰减。
通过本发明达到，用简单的方式将在排气系统中反正已经存在的蜂窝体用来有目的地消声。
附图标记表1 蜂窝体2 入口侧3 废气流4 出口侧5 逐渐扩大的通道6 第一入口横截面积7 第一出口横截面积 8 逐渐变小的通道9 第二入口横截面积 10 第二出口横截面积11 混合区12 光滑板层13 波纹板层 14 中轴线15 结构重复长度 16 结构最大值A1第一分气流中的声波幅值A2第二分气流中的声波幅值c 相速度L 轴向长度λ 波长 n 自然数ω 声波的圆频率 v 速度通过第一分通道组的行进 通过第二分通道组的行进t1时间 t2时间z 主流动方向
权利要求
1.用于内燃机排气系统中的蜂窝体(1)，其中蜂窝体(1)具有基本上相互隔开的废气可流过的通道(5，8)和一轴向长度(L)，其特征为蜂窝体(1)具有至少一个第一分通道组(5)和一个第二分通道组(8)，两个分通道组(5，8)中的至少一个的横截面积(6，7，9，10)在蜂窝体(1)的轴向长度(L)上是变化的，因此废气(3)在不同分通道组(5，8)内的行进时间是不同的。
2.按权利要求1所述的蜂窝体(1)，其特征为第一分通道组(5)分别具有一第一入口横截面积(6)和一第一出口横截面积(7)，第二分通道组(8)具有一第二入口横截面积(9)和一第二出口横截面积(10)，并且第一入口横截面积(6)与第一出口横截面积(7)之比不同于第二入口横截面积(9)与第二出口横截面积(10)之比。
3.按上述权利要求之任一项所述的蜂窝体(1)，其特征为至少一个分通道组(5，8)的横截面积沿主流动方向(z)变大，优选是单调增加，特别优选严格单调增加，和/或至少一个另外的分通道组(5，8)的横截面积沿主流动方向(z)下降，优选是单调下降，特别优选严格单调下降。
4.按上述权利要求之任一项所述的蜂窝体(1)，其特征为至少一个分通道组(5，8)锥形扩大，和/或至少另一分通道组(5，8)锥形变小。
5.按权利要求1或2所述的蜂窝体，其特征为对于不同分通道组在轴向长度(L)上的面积积分是不相同的。
6.内燃机的排气系统，具有至少一个具有由废气(3)可流过的通道(5，8)和一轴向长度(L)的蜂窝体(1)，其特征为废气第一分量的流动路径由第一分通道组(5)形成，废气第二分量的流动路径由第二分通道组(8)形成，其中两个分通道组(5，8)中的至少一个的横截面积(6、7、9、10)在蜂窝体(1)的轴向长度(L)上是变化的，从而废气(3)在不同分通道组(5，8)内的行进时间是不相同的。
7.按权利要求6所述的排气系统，其特征为，第一分通道组(5)分别具有一第一入口横截面积(6)和一第一出口横截面积(7)，第二分通道组(8)分别具有一第二入口横截面积(9)和一第二出口横截面积(10)，并且第一入口横截面积(6)与第一出口横截面积(7)之比不同于第二入口横截面积(9)与第二出口横截面积(10)之比。
8.按权利要求6或7所述的排气系统，其特征为至少一个分通道组(5，8)的横截面积沿主流动方向(z)变大，优选是单调增加，特别优选严格单调增加，和/或至少一个另外的分通道组(5，8)的横截面积沿主流动方向(z)下降，优选是单调下降，特别优选严格单调下降。
9.按权利要求6至8之任一项所述的排气系统，其特征为所述至少一个蜂窝体(1)的至少一个分通道组(5，8)锥形扩大和/或至少另一分通道组(5，8)锥形变小。
10.按权利要求6或7之任一项所述的排气系统，其特征为对于不同分通道组在轴向长度(L)上的面积积分是不相同的。
11.用于在一内燃机排气系统中的消声的方法，其中排气系统包括至少一个蜂窝体(1)，它具有废气(3)可流过的通道(5，8)和一轴向长度(L)，其特征为废气的第一分量被引导通过第一分通道组(5)，废气的第二分量被引导通过第二分通道组(8)，其中两个分通道组(5，8)中的至少一个的横截面积(6，7，9，10)在蜂窝体(1)的轴向长度(L)上是变化的，从而形成废气(3)在不同的分通道组(5，8)内的行进时间上的一个差别，并且在所述至少一个蜂窝体(1)之后废气分量重新汇合。
12.按权利要求11所述的方法，其特征为第一分通道组(5)分别具有一第一入口横截面积(6)和一第一出口横截面积(7)，第二分通道组(8)分别具有一第二入口横截面积(9)和一第二出口横截面积(10)，并且第一入口横截面积(6)与第一出口横截面积(7)之比不同于第二入口横截面积(9)与第二出口横截面积(10)之比。
13.按权利要求11或12所述的方法，其特征为至少一个分通道组(5，8)的横截面积沿主流动方向(z)变大，尤其是单调增加，特别优选严格单调增加，和/或至少一个另外的分通道组(5，8)的横截面积沿主流动方向(z)下降，优选是单调下降，特别优选严格单调下降。
14.按权利要求11至13之任一项所述的方法，其特征为废气流过至少一个蜂窝体(1)，它具有至少一个锥形扩大的分通道组(5，8)和/或至少一个另外的锥形变小的分通道组(5，8)。
15.按权利要求11或12所述的方法，其特征为对于不同分通道组在轴向长度上的面积积分是不同的。
16.按权利要求12至15之任一项所述的方法，其特征为这样选择废气分量的行进时间差，使得在至少两个分量汇合时至少局部地存在对于至少一个频率的破坏性干涉。
17.按权利要求16所述的方法，其特征为对于关键频率出现破坏性干涉。
18.按权利要求12至15之任一项所述的方法，其特征为这样选择废气分量行进时间差，使得在至少两个分量汇合时至少局部地存在对于至少两个频率的破坏性干涉。
全文摘要
用于内燃机排气系统的蜂窝体(1)，其中蜂窝体(1)具有基本上相互隔开的废气(3)可流过的通道(5，8)和一轴向长度(L)。蜂窝体(1)具有至少一个第一分通道组(5)和一第二分通道组(8)。两个分通道组(5，8)中至少一个的横截面积(6，7，9，10)在蜂窝体的轴向长度(L)上是变化的，从而废气(3)在不同分通道组(5，8)内的行进时间是不相同的。废气(3)在不同分通道组(5，8)之间的这种行进时间差可以特别有利地用来衰减一个或几个波长的声波，从而以有利的方式利用用来净化废气的蜂窝体在排气系统内不采用附加的结构部件而实现排气系统内的消声。
文档编号F01N1/00GK1604989SQ02825298
公开日2005年4月6日 申请日期2002年12月13日 优先权日2001年12月17日
发明者R·布吕克 申请人:排放技术有限公司