用于内燃发动机的真空致动式多频四分之一波长谐振器的制作方法

本公开涉及一种具有可以由真空致动器选择性地改变的有效长度的噪声衰减(attenuation)装置。

背景技术：

内燃发动机在车辆内产生讨厌的进气噪声。虽然进气噪声取决于特定发动机配置和其他进气系统参数，但此类噪声由朝向进气系统的入口行进的压力波引起。因为混合动力车辆中的发动机重复地打开和关闭，在环境噪声的变化特别地显著时，进气噪声在混合动力车辆中是特别地有问题的。此外，混合动力装置趋向于操作具体发动机rpm，由于发动机转速不直接地与车辆速度相关且可以通过改变发电机速度(取决于动力传动系统架构)进行改变，所述具体发动机rpm最大化效率。

为了解决此类噪声，已知利用排气消声器减少发动机排气噪声以及消除排气脉冲。一些已知的消声器包括由管连接在一起的一系列变化长度的固定膨胀或谐振室。用此配置，排气噪声减少由用于个别固定膨胀室的尺寸和形状实现。尽管增加通道的数量可以进一步减少排气噪声，但此类配置要求在车辆内的附加包装空间，这限制了用于各种组件的设计选择。此外，尽管消声器传统地包括隔音材料，但此类材料仅抑制在十分窄范围的较高频率内的声音。

用于解决讨厌的噪声的另一种建议的解决方案是使用海姆霍兹(helmholz)谐振器或四分之一波长谐振器(quarter-waveresonator)。这些谐振器产生抵消主要发动机顺序噪声波的压力波。此类谐振器由固定容积的腔室组成，其通过连接件或颈状件连接到进气系统导管。然而，此类布置仅衰减在固定的窄频率范围内的噪声。

然而，与主要顺序的发动机噪声相关联的频率在不同操作水平下是不同的。因此，固定几何形状的谐振器将在衰减由发动机提供动力的车辆的正常操作期间遭遇的整个发动机转速范围的大多数上的主要顺序噪声方面是无效的。此外，此类常规谐振器系统提供一种衰减曲线，其不匹配噪声的曲线并产生不想要的随附边带放大。对于宽带噪声峰值，这是特别真实的。所述结果是当峰值在给定发动机转速下减小至噪声水平目标线时，在邻近速度下的噪声振幅高于目标线。虽然多个谐振器可以用于解决不同频率，但此类解决方案要求在车辆内的附加包装空间。

虽然不与上述被动装置一样普通，但主动噪声抵消系统也已经在车辆排气系统中采用。主动噪声抵消系统包括由微处理器驱动的一个或多个振动面板(例如，扬声器)。微处理器监控发动机操作和/或在排气管中传播的声音频率并启动面板，以产生与由发动机产生的噪声异相的声音，以最小化或消除发动机噪声。该原理类似于由噪声消除耳机使用的原理。然而，主动装置具有显著的缺点。一些主动装置定位在车辆的座舱内，并且因此需要充分的包装空间用于定位，同时维持美观。其他主动装置已经放置在汽车排气系统中。然而，在这些布置，麦克风和扬声器必须是更强大的，且能够承受汽车排气的强烈热和腐蚀环境。此外，对于许多车辆来说，主动装置经常受成本过高限制。

需要一种能够可变频率噪声降低的噪声衰减装置。

技术实现要素：

在第一示例性布置中，提供了一种车辆噪声衰减元件，其包括限定总管长度的至少两个管部件和具有阀构件的阀。该阀将管部件连接在一起，并包括开口，当该阀在打开配置中时该开口允许在管部件之间的连通。响应于穿过管部件的预定真空水平，阀构件关闭该开口，以限定小于总长度的管有效长度。

在第二示例性布置中，提供了用于车辆的噪声衰减元件，其包括由多个管部件限定的管单元、第一阀和第二阀。该管单元具有限定第一有效长度的总长度。第一阀设置在第一管部件和第二管部件之间，并由第一外部套装和第一阀构件限定。第一外部套装具有至少一个第一开口，当第一阀在打开配置中时该至少一个第一开口允许在第一管部件和第二管部件之间的连通。第二阀设置在第二管部件和第三管部件之间，并由第二外部套装和第二阀构件限定。第二外部套装具有至少一个第二开口，当第二阀在打开配置中时该至少一个第二开口允许在第二管部件和第三管部件之间的连通。穿过管单元的第一真空水平用于拉动第一阀构件紧贴(against)第一开口，以将第一阀构件移动到关闭配置中，从而选择性地限定小于第一有效长度的所述管的第二有效长度。

还公开了一种选择性地衰减车辆中的噪声的示例性方法。该方法包括响应于发动机操作参数，通过将阀从打开配置移动到关闭配置，使用被动致动系统，选择性地改变四分之一波长管(quarter-wavetube)的有效长度。

附图说明

图1是包括噪声衰减元件的第一示例性布置的用于内燃发动机的示例性进气系统的截面图；

图2是图1的噪声衰减元件的放大示意图，其说明设置在噪声衰减元件中的阀；

图3a是可以在噪声衰减元件中使用的在打开位置中的示例性隔膜阀的透视图；

图3b是在打开位置中的图3a的隔膜阀的侧视图；

图4a是在关闭位置中的图3a的隔膜阀的透视图；

图4b是在关闭位置中的图3a的隔膜阀的侧视图；

图5是噪声衰减元件的第二示例性布置的示意性截面图；

图6a至图6c是在车辆的操作期间的在各种位置中的噪声衰减元件的示意性截面图；

图7是噪声衰减元件的第三示例性布置的透视图；

图8是图7的四分之一波长管的透视图；

图9a是在打开位置中的图7的隔膜阀的平面图；

图9b是在关闭位置中的图7的隔膜阀的平面图；

图10是说明可以由图2的噪声衰减元件实现的频率的曲线图；以及

图11是说明可以用图5的噪声衰减元件的另一个示例性布置且不用四分之一波长谐振器实现的在各种发动机转速下的声压级的曲线图。

具体实施方式

如要求的，在本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解的是所公开的实施例仅是可以以各种且可替代形式体现的本发明的示例。附图不必按比例绘制；一些特征可以增大或最小化，以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应当理解为限制，但是仅理解为用于教导本领域的技术人员不同地采用本发明的代表性基础。

本公开涉及一种利用连接在一起的四分之一波长管部件(section)形成用于噪声衰减的四分之一波长管单元的噪声衰减元件。四分之一波长管单元的第一端是打开的，并且与进气通道等流体连通，而第二端通常是关闭的。典型地，由于其固定几何形状，四分之一波长管单元将衰减在给定的频率范围内的噪声。然而，四分之一波长管单元的长度的加长或缩短可以用于分别衰减在较低频率范围内或在较高频率范围内的噪声。在本文公开四分之一波长管单元的布置，其包括四分之一波长管单元，其可以选择性地设计有固定总体长度，但是也可以由安装在邻近管部件之间的一个或多个阀布置提供有多个有效长度。此配置提供一种可以调谐到若干不同频率的噪声衰减元件，但是仅要求在车辆内的包装空间用于单个谐振器。

参照图1，示出了内燃发动机10和相关联的进气系统12。进气系统12包括与发动机进气歧管16连通的进气通道14。空气净化器18可以经由进气通道20与大气流体连通。在一个示例性布置中，噪声衰减元件22在空气净化器18和发动机进气歧管16之间从进气通道14延伸。可替代地，噪声衰减元件22可以位于空气净化器18的上游。

噪声衰减元件22包括含有至少两个管部件26a、26b的四分之一波长管单元24，两个管部件可以由隔膜阀28选择性地连接在一起。四分之一波长管单元24由与进气通道14连通的打开端25(图2中所示)限定。至少一个隔膜阀28在四分之一波长管单元24内在邻近管部件26a、26b之间设置在预定位置处。例如，移除邻近的管部件26a、26b的侧壁27a、27b的一部分，并且阀体28设置在所移除的部分内，如在图3a至图4b中最好地看到。每个管部件26a、26b还包括合模面(land)面积29a、29b，其靠近不与阀体28相交的管部件26a、26b的区域。管部件26a的端部31关闭。

参照图3a至图4b，现在将描述隔膜阀28的细节。每个阀28包括外部套装30、阀盖32和选择性地可变形阀构件34。每个阀28的阀构件34具有不同的弹簧因子系数，如将在下面进一步详细解释的。外部套装30通常是中空的，并接收阀盖32和阀构件34在其中。阀盖32固定地连接到外部套装30的内壁36。阀盖32包括穿过其中的通气开口38。外部套装30还包括穿过其中的开口40，当阀体28如图3a和图3b中所示在打开配置中时，其允许在邻近管部件26a、26b之间的连通。当阀体28在关闭配置中(如在图4a至图4b中所示)时，不允许邻近管部件26a、26b之间的连通。

在操作中，当发动机10未操作或者在低操作条件(例如，空转)下操作时，阀28在图3a和图3b中所示的打开配置中。穿过外部套装30的开口40提供从四分之一波长管单元24的打开端25到关闭端31(如图1中所示)的连通，使得四分之一波长管单元24的第一有效长度等于四分之一波长管单元24的总体长度。在第一有效长度下，噪声衰减元件22将衰减在第一预定频率范围或频率带内的噪声。将理解的是第一预定频率水平可以基于四分之一波长管24的已知几何形状确定。阀盖32用作止动件，以阻止阀构件34从阀28冲出来。

当发动机10操作条件改变时，即当发动机转速增大时，要求更多的空气和燃料。干净的侧导管中的空气流的增大不仅将触发噪声频率水平的变化，而且将增加系统中的真空。阀构件34用预定弹簧因子系数构造，以便被校准，以在某一真空点处关闭阀，这取决于发动机的操作条件。关闭阀28将改变四分之一波长管单元24的有效长度，而不需要任何传感器或控制系统。

更具体地，当发动机转速增大到某一初始阈值水平时，由空气流的增加产生的真空将拉动阀28中的阀构件34紧贴外部套装30的内表面，从而覆盖开口40，以便使阀28处在如图4a至图4b中所示的关闭配置中。以这种方式，实现了四分之一波长管单元24的第二有效长度。第二有效长度小于第一有效长度。因此，在第二有效长度下，四分之一波长管单元24将衰减在第二预定频率范围或频率带内的噪声。因为第二有效长度小于第一有效长度，第二预定频率范围或频率带将是比第一预定频率更高的频率。因此，噪声衰减装置22可以选择性地被动地操作，以在两个不同峰值频率下衰减，但是仅使用单个四分之一波长管单元24且不需要任何传感器或其他主动控制系统。此配置允许包装低频长四分之一波长管，但是提供通过减小有效长度选择性地调谐四分之一波长管来衰减较高频率的能力，而无对附加包装空间的任何需要。

参照图5，示出了噪声衰减装置122的附加布置。噪声衰减装置122类似于噪声衰减装置22，除了噪声衰减装置122包括两个或更多个阀。用此布置，可以使用单个四分之一波长管单元124衰减两个以上的峰值频率和相关联频率范围或带宽。通常地，衰减的峰值频率的数量“n”将匹配由“n-1”个真空致动式阀提供的管部件的数量。

在一个示例性布置中，噪声衰减装置122包括第一阀128a和第二阀128b，每个阀具有与阀28相同的构造(即阀构件34、阀盖32、开口40)。为了便于说明，第一阀128a和第二阀128b的阀构件、阀盖和开口将由适当的字母名称指代。例如，阀构件34a设置在第一阀构件128a内。第一阀128a的第一阀构件34a具有第一弹簧因子系数k1，并且第二阀128b包括具有比第一弹簧因子系数k1更高的第二弹簧因子系数k2的第二阀构件34b。噪声衰减装置122还包括多个管部件126a、126b和126c。第一阀128a将第一管部件126a和第二管部件126b连接在一起。第二阀128b连接第二管部件126b和第三管部件126c。

在完全打开位置中(如在图6a中所示)，第一阀体128a是在打开配置中，允许在第一管部件126a和第二管部件126b之间的连通。类似地，第二阀体128b也是在打开配置中，允许在第二管部件126b和第三管部件126c之间的连通。

设置在第一阀128a和第二阀128b内的每个阀构件分别具有不同的弹簧因子系数。用此布置，第一阀128a和第二阀128b中的每个的阀构件将在不同的真空点处偏斜。更具体地，第一阀128a的阀构件34a具有第一弹簧因子系数k1。第二阀128b的阀构件34b具有大于第一弹簧常数k1的第二弹簧因子系数k2。例如，用此布置，第二阀128b的阀构件34b将远离第二阀128b的阀套装30b的开口40b定位，使得当第一阀128a的阀构件34a在关闭配置中，即，如图6b中所示阀构件34a紧贴开口40a拉动时，流体连通分别地在第二管部件126b和第三管极端126c之间是可能的。分别用于阀构件34a、34b的弹簧因子系数的关系可以表示如下：

k1＜k2

在操作中，当发动机10未操作或者在低操作条件(例如，空转)下操作时，第一阀128a和第二阀128b均在其打开配置中，使得相应的阀构件34a、34b不覆盖外部套装30a、30b的开口40。以这种方式，四分之一波长管单元124的第一有效长度qw1等于四分之一波长管单元124的总体长度(在图6a中最好地看到)。在第一有效长度qw1下，噪声衰减元件122将衰减在第一预定峰值频率下的噪声。将理解的是第一预定峰值频率可以基于四分之一波长管124的已知几何形状确定。然而，当第一阀128a、第二阀128b在其相应关闭位置中时，噪声衰减元件122的有效长度可以被选择性地减小至第二有效长度qw2和第三有效长度qw3，如分别在图6b至图6c中呈现。如可以看到的，第二有效长度qw2小于第一有效长度qw1，并且第三有效长度qw3小于第二有效长度qw2。用此配置，低频率可以在第一有效长度qw1下被衰减，而连续较高的频率可以在第二有效长度qw2和第三有效长度qw3下被衰减，如将在下面进一步详细解释。用此布置，噪声衰减装置122可以选择性地被动地操作以在可变峰值频率下衰减，但是仅使用单个四分之一波长管单元124，从而消除对附加包装空间的需要。

图6a至图6c呈现了四分之一波长管单元124的有效长度可以如何选择性地改变，以衰减不同的频率。更具体地，图6a示出噪声衰减元件122，其中两个阀均在打开配置中使得第一有效长度qw1等于四分之一波长管124的总体长度。在此位置中，发动机未操作或者正在低速度下操作，使得少的空气(由箭头a表示)正在移动穿过进气通道14。在此布置中，如果有也是少的真空力正紧贴阀128a、128b施加。在图6b中，rpm增大所凭借的操作条件的变化使中等量的空气流(由箭头a1表示)移动穿过进气通道14。在四分之一波长管单元124中产生的所得的真空力v1克服与第一阀128a的阀构件34a的弹簧因子系数k1相关联的弹簧力。以这种方式，将拉动阀构件34紧贴外部套装30a的开口40，由此将第一阀128a移动到关闭配置中。一旦第一阀128a在关闭配置中，在第一关部件126a和第二管部件126b之间的连通关闭，使得四分之一波长管单元124被减小至第二有效长度qw2。因为用于第一阀128a的阀构件34a的弹簧因子系数k1小于用于第二阀构件34b的弹簧系数k2，第二阀构件34b保持打开，直到第二预定的真空力克服相关联的弹簧力。

参照图6c，随着发动机rpm继续增大，空气流(a1)在进气通道14中进一步增加，由此在四分之一波长管单元124中产生较大真空v2(即v2＞v1)。在预定真空压力v2下，用于第二阀128b的阀构件34b的弹簧因子系数k2将被克服，从而将第二阀128b移动到关闭配置中。用此布置，四分之一波长管单元124被减小至第三有效长度qw3。

上述系统提供一种用于选择性地调整四分之一波长管单元124的有效长度但不要求由发动机进行的电子控制的被动致动系统。事实上，本布置包装单个四分之一波长管单元124，其能够与需要提供为个别峰值频率设计的多个四分之一波长管相比，衰减多个峰值频率。此外，本布置也允许四分之一波长管单元的频率选择性地改变，以避免不需要的边带。

上述系统也允许利用不同的管段或管部件，以及允许管段的添加或减去的选择性调整。更具体地，例如，本系统是一种针对不同车型或应用允许不同尺寸的管段或管部件与阀128a、128b选择性地配对的模块化单元。

参照图7至图9，可以看到噪声衰减装置222的进一步可替代布置。噪声衰减装置222类似于噪声衰减装置22和122，除了噪声衰减装置222包括由不同管段组成的单个四分之一波长管224代替四分之一波长管单元24、124。参照图8，提供了具有预定有效长度的四分之一波长管224。四分之一波长管224包括打开端225和关闭端231。在噪声衰减装置222中，四分之一波长管224可以被提供在用于在第一预选定的频率下的噪声衰减的预选定长度下。然而，通过在四分之一波长管224的侧壁上切割出开口并将阀228a、228b之一安置在其中，四分之一波长管224可以被选择性地修改，以提供在第二频率下的衰减。

更具体地，为了选择性地修改有效长度，至少一个孔233(图8中以虚线示出)可以在四分之一波长管224的侧壁中形成。至少一个阀构件228a/228b可以定位在在四分之一波长管224内形成的相应孔233内。

阀构件228a-228b在结构上类似于阀构件28、128，因为阀构件228a-228b均包括外部套装30、阀构件34、阀盖32和穿过外部套装30的开口40。参照图9a和图9b，当在平面视图中观看时，外部套装30还包括密封合模面(land)235，其可以至少部分地由密封构件237划定边界。如图7中所示，在形成孔233之后，阀构件228a或228b插入其中，使得外部套装30和密封合模面235选择性地在四分之一波长管224内产生障碍物。

例如，当阀构件228a、228b在图9a中所示的其相应打开位置中时，相应的阀构件34未覆盖外部套装30中的开口40。以这种方式，四分之一波长管224的第一有效长度qw1等于四分之一波长管224的总体长度。在第一有效长度qw1下，噪声衰减元件222将衰减在第一预定峰值频率下的噪声。将理解的是，第一预定峰值频率可以基于四分之一波长管224的已知几何形状确定。

然而，当阀构件在如图9b中所示的其相应关闭位置中时，如上解释，由于所述阀构件34由于预定真空压力而紧贴外部套装30的内表面拉动以有效地关闭在每个外部套装30内的开口40，噪声衰减元件222的有效长度可以被选择性地减小至第二有效长度qw2和第三有效长度qw3。用此布置，噪声衰减装置122可以选择性地被动地操作，以在可变峰值频率下衰减，但是仅使用单个四分之一波长管单元124，从而消除对附加包装空间的需要。此外，用此布置，现有四分之一波长管可以有效地修改或改装，以提供在不同可变峰值频率下的噪声衰减。图10以图形方式示出与简单四分之一波长管相比的噪声衰减装置122的实施例的有效性。例如，曲线50示出被配置为简单四分之一波长管的噪声衰减装置的性能，其中无阀布置在其中。在大约145hz频率下，简单的四分之一波长管将衰减大约17db的声压级(spl)，即噪声。

噪声衰减装置122由图10中的线52表示。更具体地，线52表示噪声衰减装置122的性能，其中，阀128a、128b均在打开配置中。如图10中所示，噪声衰减装置122的有效性类似于简单四分之一波长管的有效性。然而，阀128a、128b也使四分之一波长管124比原来更长。例如，在大约130hz频率下，线52正在执行，就好像四分之一波长管单元124比实际总体长度长大约10cm。这允许在130hz频率下的噪声的大约23db的衰减。

噪声衰减元件22和122的有效性现在将参照图10和11中的曲线图讨论。图10呈现了与已经调谐到72hz(图6a)、84hz(图6b)、96hz(图6c)和120hz的噪声衰减装置122的实施例相比较无四分之一波长谐振器的衰减特征。如图11所示，曲线300示出无谐振器的以分贝为单位的声压级(spl)。曲线302示出具有噪声衰减装置122的spl。噪声衰减装置122用于显著地减小spl。因此，图6a至图6c中所示的噪声衰减装置122的三个不同设置能够产生在四个不同的频率下的衰减。因此，随着被调谐到100hz以下的四分之一波长管124将衰减两个低于1000hz的附加频率，噪声衰减装置122可以用于衰减较高频率。

尽管在上面描述了示例性实施例，但它不意在这些实施例描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的词语是描述而不是限制的词语，并且应当理解的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变化。此外，各种实施的实施例的特征可以组合，以形成本发明的进一步实施例。