用于实现车辆排气系统中的封装空间减小的方法和设备与流程

车辆排气系统将由发动机产生的热排气引导通过各种排气部件以减少排放物、改善燃料经济性并控制噪音。新兴的动力传动技术正在要求行业提供甚至更严格的噪音降低。需要被衰减的频率正在被推向先前没有解决的越来越低的量级。使这些频率衰减的一种传统解决方案是提供更多的内部容积；然而，车辆的电气化对可用于排气系统部件的封装空间带来了增大的压力。此外，该行业针对改善燃料经济性的不断推动增加了进一步的设计挑战来减轻排气系统重量并改善空气动力学。

这些相互冲突的领域——例如需要更大的容积来使较低的频率降低与由于电池组所需的空间而需要使可用于排气部件的封装空间减小之间的矛盾——表明了存在对从容积的角度来看更有效且不会不利地影响燃料经济性和发动机性能的独特的声学解决方案的需要。

技术实现要素：

在一个示例性实施方式中，车辆排气系统包括热端部和冷端部，热端部具有对由发动机产生的排放物进行处理的一个或更多个热端部排气部件，冷端部包括使噪音衰减的至少一个冷端部部件。至少一个声学容积部与热端部并联或串联以使噪音衰减。

在另一示例性实施方式中，车辆排气系统包括热端部和冷端部，热端部包括对由发动机产生的排放物进行处理的一个或更多个热端部排气部件，冷端部包括使噪音衰减的至少一个冷端部部件，其中，所述至少一个冷端部部件包括阀、无共振管或主动噪音消除件中的至少一者。所述至少一个声学容积部包括在发动机的下游连接至热端部的并联的或串联的容积部。

在以上实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，热端部对排放物进行处理并以从发动机出口延伸至对排放物进行处理的最后的排气部件的第一总操作长度限定，并且冷端部提供声学处理并以从对排放物进行处理的最后的排气部件延伸至位于一个或更多个尾管处的排气系统出口的第二总操作长度限定。

在以上实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，热端部部件包括三元催化器、选择性催化还原催化器、氧化催化器或微粒过滤器中的至少一者。

在以上实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，所述至少一个冷端部部件仅包括无共振管和一个阀。

在以上实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，所述至少一个冷端部部件仅包括一个阀。

在以上实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，热端部中的所述至少一个声学容积部包括热端部中的至少两个声学容积部。

在以上实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，所述至少一个冷端部部件仅包括主动噪音消除件，并且其中，热端部中的所述至少一个声学容积部包括热端部中的至少两个声学容积部。

在另一示例性实施方式中，提供封装空间减小的排气系统的方法包括：提供热端部，该热端部包括对由发动机产生的排放物进行处理的一个或更多个热端部排气部件；提供冷端部，冷端部包括使噪音衰减的至少一个冷端部部件，其中，所述至少一个冷端部部件包括阀、无共振管或主动噪音消除件中的至少一者；以及提供至少一个声学容积部，所述至少一个声学容积部与热端部并联或串联以使噪音衰减，并且与所述至少一个冷端部部件组合以排除使用一个或更多个冷端部消声器和/或共振器并减小冷端部的总长度。

本申请的这些及其他特征将通过以下的说明和附图来最佳地理解，以下所附的是简要描述。

附图说明

图1示意性地示出了车辆排气系统并且示出了由该系统产生的压力驻波。

图2示出了包括本发明的图1的系统的热端部部件的一个示例。

图3示出了另一示例实施方式。

图4示出了另一示例实施方式。

图5a示出了另一示例实施方式。

图5b示出了另一示例实施方式。

图5c示出了另一示例实施方式。

图6a示出了另一示例实施方式。

图6b示出了另一示例实施方式。

图6c示出了另一示例实施方式。

图7示出了另一示例实施方式。

图8是在热端部中具有声学容积部的减小封装的排气系统的一个示例的示意性表示。

图9是在热端部中具有声学容积部的减小封装的排气系统的另一示例。

图10是在热端部中具有声学容积部的减小封装的排气系统的另一示例。

具体实施方式

图1示出了被表示为长管的车辆排气系统10的示意性代表图，车辆排气系统10如已知的那样将由发动机12产生的热排气引导通过各种排气部件以减少排放物并控制噪音。各种排气部件可以包括以下各者中的一者或更多者：管、过滤器、阀、催化器、消声器等。排气系统10包括紧接在发动机12的下游定位的热端部14和位于热端部14的下游的冷端部16。长管被认为在发动机端18处是封闭的且在相对端20处是敞开的，发动机排气在穿过各种排气部件之后在该相对端20处离开排气系统10进入大气。

热端部14包括排气系统10的具有后处理部件的部分。热端部14处的排气部件可以例如包括用于如已知的那样从排气去除污染物的排气处理部件，比如柴油氧化催化器(doc)、柴油微粒过滤器(dpf)、汽油微粒过滤器(gpf)、三元催化器(twc)和选择性催化还原(scr)催化器。热端部14从发动机出口，例如排气歧管或涡轮增压器延伸通过后处理部件并且刚好终止于最后的后处理部件之后。排气穿过这些热端部部件并进入冷端部16，在该冷端部16处，排气经由一个或更多个尾管而经由排气系统出口离开系统10。冷端部16包括排气系统10的下述部分：该部分位于后处理部件的下游且包括用于排气系统10的声学处理的部件。冷端部16可以例如包括诸如消声器、共振器、管、阀以及一个或更多个尾管之类的部件。冷端部16从最后的后处理部件延伸通过声学部件并终止于所述一个或更多个尾管的出口处。凸缘接头通常将热部分14与冷部分16连接在一起。因此，热端部14包括后处理/排放部件，而冷端部16包括声学部件。所描述的排气部件可以根据车辆应用和可用的封装空间而以各种不同的构型和组合进行安装。

如上所讨论的，图1示出了被示意性地图示为在发动机端18处封闭且在相对端20处向大气敞开的长管的排气系统。声波将从声波的源——该源是发动机12——沿着管然后沿着排出口向下行进至大气。当声波遇到某种形式的边界，例如阻抗变化时，波的一部分则将被沿波发出的路径往回反射，而其余部分将继续行进。在比如图1所示的封闭-敞开管的情况下，这种反射发生在管的排出口处。反射波与入射波发生干涉并且在作为管的长度的函数的某些频率处有益地干涉以增大波的水平而且还使波看上去静止。这种波被称为驻波，并且在封闭-敞开管的情况下，这种波的频率可以用下面的方程来计算。

fn＝(nc)/(4l)，其中：

fn＝驻波n的共振频率(hz)

n＝驻波的序数

c＝声速(m/s)

l＝封闭-敞开管的长度(m)

图1的图表示出了长度为4米的封闭-敞开管的前三个压力驻波。在该示例中，共振发生在22hz、65hz和108hz处。如所示出的，对于每个驻波而言，压力在封闭的发动机端18处为最大(波腹)且在通向大气的敞开端20处为最小(波节)。对于亥姆霍兹共振器而言的理想位置是位于压力波腹处。因此，对于共振器而言的最佳位置是位于发动机出口处；然而，亥姆霍兹共振器传统地是不用在排气系统10的热端部14中的。本发明将亥姆霍兹共振器设置在热端部14中，从而相比布置在冷端部16中的相同的共振器提供了改进的声学益处，这是由于本发明的共振器更靠近所有系统声共振的波腹。

已经通过测试和模拟表明了定位在涡轮增压器的出口与转换器之间或转换器与后处理部件之间的热端部14中的亥姆霍兹共振器——比如经由颈管与排气流连通的量级为2l至4l的声学容积部——在没有对背压的影响的情况下提供了声学益处，所提供的该声学益处为应用在冷端部16(后处理部件的下游)中的类似容积量所提供的声学益处的约两倍。从尾管噪音的角度来看，将亥姆霍兹共振器尽可能靠近发动机12定位提供最佳的声学性能。

本发明提出将一个或更多个亥姆霍兹共振器封装在系统10的热端部14中的一个或更多个位置处。例如，共振器可以位于歧管或涡轮增压器的出口之后但转换器之前，位于转换器之间，以及/或者位于转换器之后。下面论述各种示例构型并在附图中示出这些示例构型。

图2示出了位于排气歧管和涡轮增压器的下游的热端部部件30的一个示例。热端部部件30包括限定内部腔34的部件壳体32。第一排气处理部件36定位在内部腔34内，并且第二排气处理部件38定位在内部腔34内并且位于第一排气处理部件36的下游且与第一排气处理部件36轴向地间隔开间隙40。围封在共振器壳体43内的共振器容积部42与内部腔34连通。共振器壳体43至少部分地包围部件壳体32。

入口锥形部44将流引导到第一排气处理部件36中。入口锥形部44接收来自入口管46的热的发动机排气。出口锥形部48将离开第二排气处理部件38的经处理的排气流引导到出口管50中。在该示例中，部件壳体32限定中心轴线a，并且入口锥形部44、第一排气处理部件36、第二排气处理部件38和出口锥形部48关于中心轴线a同轴。

至少一个共振器连接部52与共振器壳体43内的共振器容积部42连通。共振器壳体43包括围封第一气体处理部件36和第二气体处理部件38的中央壳体部分54、在中央壳体部分54的一个端部处以包围入口锥形部44的方式定位的入口部分56、以及在中央壳体部分54的相对端部处以包围出口锥形部48的方式定位的出口部分58。至少一个共振器连接部52与共振器容积部42连通。在图2所示的示例中，共振器连接部52包括定位在间隙40处且与亥姆霍兹共振器容积部42连通的亥姆霍兹颈部。可选地或者除此之外，共振器连接部52的连接点可以位于入口锥形部44或出口锥形部48处，如图2中的虚线所示。

在这些不同构型中的每一种中，该构型是被密封的，使得亥姆霍兹共振器中没有净流(netflow)。热的发动机排气通过入口管46流入，随着气体行进通过入口锥形部44而膨胀并减慢，穿过第一排气处理部件36，并且然后膨胀进入到第一排气处理部件36与第二排气处理部件48之间的间隙40中。亥姆霍兹共振器连接部52和共振器容积部42与在间隙40处连接的流并联。排气收缩然后并穿过第二排气处理部件38，并且然后在收缩并通过出口管50离开之前膨胀到出口锥形部48中。

来自发动机的排气压力脉动向下行进通过排气系统10并且随着排气压力脉动行进通过限制机构、反射机构和吸收机构而改变。当脉动到达间隙40时，脉动使共振器颈部/连接部52中的排气开始移动。对于低频率而言，这种气体可以被认为是集中质量。共振器颈部52中的气体的集中质量使周围的共振器容积部42中的排气压缩或稀释。在气体的集中质量使共振器容积部42压缩时，容积部的压力增大。在气体的集中质量使共振器容积部42变稀时，容积部的压力减小。这种压力的结果是将集中质量沿与该集中质量所行进的方向相反的方向推动。以这种方式，共振器容积部42用作弹性件并且提供具有调谐频率的弹性件-质量系统。由于没有通过亥姆霍兹共振器的净流，并且由于共振器颈部52包括侧分支设置，因而对背压的影响是可忽略的。

在图2所示的示例中，共振器容积部42形成在共振器壳体43的内表面与部件壳体32的外表面之间。共振器容积部42与中心轴线a同轴，使得共振器壳体43和共振器容积部42完全地且完整地包围第一气体处理部件36和第二气体处理部件38的外周。图3示出了与图2类似但包括偏移构型的示例。在该示例中，共振器容积部42’相对于部件壳体32偏移成使得共振器壳体43和共振器容积部42’仅部分地包围第一气体处理部件36和第二气体处理部件38的外周。

图4示出了另一示例构型。在该示例中，共振器容积部60从部件30移除并且通过至少一个管62连接至部件壳体32。共振器容积部60围封在共振器壳体64内，并且管62将共振器壳体64连接至部件30。由此，共振器壳体64和容积部60位于部件壳体32的外部。

在一个示例中，共振器壳体64包括一个或更多个附加部件。在另一示例中，现有的车辆结构用于提供密封的容积部，参见例如转让给本申请的受让人且通过参引并入本文的申请号为15/874,288的专利申请。在一个公开的示例中，车辆框架构件提供了并联地连接至排气系统流的密封的共振器容积部60。

在图4所示的示例中，管62将共振器壳体64连接至部件壳体32的入口部分44。管62还可选地连接至出口部分48；然而，入口部分44是优选的，这是因为入口部分44定位得更靠近发动机12。可选地或者除此之外，附加管或从管62的分支部可以将容积部60连接至入口部分44或出口部分48中的一者以及中央壳体部分。

图5a示出了外部容积部60连接至入口管46的示例。图5b示出了外部容积部60连接至中央壳体部分并且与间隙40连通的示例。图5c示出了外部容积部60连接至出口管50的示例。

图6a至图6c示出了与第一排气处理部件36和第二排气处理部件38串联的内部共振器容积部70的示例。图6a示出了容积部70位于第一排气处理部件36的上游的示例。图6b示出了容积部70位于第二排气处理部件38的上游且间隙40的下游的示例。图6c示出了容积部70位于第二排气处理部件38的下游的示例。

在图7所示的另一示例中，第一气体处理部件36和第二气体处理部件38围封在共同的壳体80内。在这种构型中，第一排气处理部件36和第二排气处理部件38是非同轴且彼此平行的并且通过间隙82连接，使得：排气离开第一排气处理部件36，进入间隙82，并且然后进入第二排气处理部件38。壳体80内设置有多个共振器容积部84。还设置有多个共振器连接部86。壳体80包括挡板88，其中，入口共振器容积部90联接至入口管92并且出口共振器容积部94联接至出口管96。壳体80还包括第二挡板98以限定间隙82处的共振器容积部。

共振器连接部86的可能的位置在入口共振器容积部90处、出口共振器容积部94处、以及间隙82处的共振器容积部处。在间隙82处相关联的共振器连接部86可以位于部件36、38之间的位置处、第一排气处理部件36的出口处、以及/或者第二排气处理部件38的进口处。共振器连接部86可以根据提供期望的声学效果的需要而以任何数目和任何组合使用。

在这些不同的并联构型中的每种并联构型中，内部声学容积部被密封并且与通过排气系统的排气流并联，使得亥姆霍兹共振器中没有净流。热的发动机排气通过进气管流入到部件中，随着气体行进通过入口锥形部而膨胀并减慢，穿过排气处理部件，并且然后在离开而进入出口管中之前收缩并穿过出口锥形部。颈部将内部声学容积部与通过部件的流并联连接以提供亥姆霍兹共振器。

因此，具有声衰减的主要功能的调谐部件在比传统构型更靠近发动机排气出口处的压力波腹的位置处与排气系统10的热端部14中的部件组合。这在可以忽略的背压影响的情况下提供了改善的声学效率，从而导致尾管噪音/声学容积改善。此外，通过在已有的发动机子框架结构内包括声学容积部，显著减少了封装问题。

图8至图10示出了排气系统10的示例，排气系统10利用热端部14中的一个或更多个声学容积部100与冷端部16中的至少一个噪音衰减部件102组合来提供减小的封装构型。排气系统10的冷端部16例如包括传统地已经以各种构型使用来减小噪音的消声器、阀、共振器和尾管等。热端部部件104例如包括呈各种构型来减少排放物的三元催化器、选择性催化还原催化器、氧化催化器、柴油或气体微粒过滤器等。所述至少一个噪音衰减部件102例如包括阀102a、无共振管102b或主动噪音消除系统102c中的至少一者。本发明使用冷端部16中的噪音衰减部件102与热端部14中的至少一个声学容积部100的组合而排除使用传统的冷端部部件，比如共振器和消声器，这显著地减小了排气系统10所占用的区域的量。

阀102a例如可以是具有下述阀瓣的被动阀：该阀瓣被弹性地偏置到关闭位置并且运动仅受流动路径内的排气压力的变化的控制。阀102a也可以是主动控制阀，在该主动控制阀中，阀瓣的运动受致动器和控制系统的控制。可选地，阀102a可以是被动控制和主动控制的组合。

无共振管(rfp)102b可以包括例如用于使噪音衰减的一个或更多个排放孔。在一个示例中，排放孔沿着管的长度定位在预定位置处以降低共振频率噪音。排放孔可以被网状的或微穿孔的材料覆盖以根据需要进一步降低噪音。

主动噪音消除(anc)系统102c包括以已知的方式操作以使排气系统10的冷端部16内的噪音衰减/消除的控制器c、麦克风m和扬声器s。

图8示出了在与传统的排气系统构型相比时冷端部16的部件的数目显著减少的示例。发动机12引导热排气通过管106和热端部14的热端部部件104而进入到冷端部16中的管108中。在该示例中，热端部14包括仅与冷端部16中的一个阀102a和无共振管102b一起使用的一个声学容积部100。阀102a位于无共振管102b上游的冷端部管108中。无共振管102b可以包括例如与阀102a结合作用以使噪音衰减到期望水平的一个或更多个排放孔110。冷端部16中不需要其他消声器或共振器来使噪音衰减。与传统构型相比，这显著地减小了冷端部16的长度。

图9示出了热端部14包括仅与冷端部16中的一个阀102a一起使用的两个声学容积部100的示例。在该示例中，阀102a布置在冷端部16的上游端处。该示例为冷端部16提供了甚至更短的长度。

图10示出了热端部14包括仅与冷端部16中的主动噪音消除系统102c一起使用的两个声学容积部100的示例。该示例为冷端部16提供了比图9的长度甚至更短的长度。这种构型也具有非常小的背压。

如图8至图10的示例中的每个示例中所示，热端部14以第一总操作长度l1限定，并且冷端部16以第二总操作长度l2限定。在一个示例中，根据车辆的长度和后处理部件的数量，第一总操作长度l1与第二总操作长度l2的比在1:2至1:4的范围内。热端部声学容积部100位于热端部14的最后的基板部件的上游，并且气流与声学容积部100并联。通过将热端部声学容积部100与冷端部16中的阀102a、rfp102b和/或anc系统102c组合使用，封装空间减小的量被最大化。

尽管已经公开了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到一些修改将落入本发明的范围内。因此，应研究所附权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。