排气系统的热端中的声学容积和隔音的制作方法

背景技术：

排气系统引导由发动机产生的热排气气体通过各种排气部件以减少排放、改善燃料经济性并控制噪声。短排气系统(诸如，举例来说混动车辆或后置发动机车辆中遇到的那些排气系统)通常不具有充分的体积和/或长度以达到所需的排气管噪声水平结合可接受的背压水平。此外，随着汽油颗粒过滤器(gpf)技术在市场上出现，将需要抵消排气系统背压中的相应增加，从而避免对燃油经济性或性能的不利影响。

除了解决由引入gpf技术所引起的问题以外，其它新兴动力总成技术也正要求行业提供更加严格的降噪效果需要衰减的频率被推到越来越低的频率，这些越来越低的频率是以前不必面对的问题。衰减这样的频率的一种传统解决方案是提供更多的内部容积；然而，由于紧凑的封装约束，因此无法获得这样的容积所需的空间。衰减这些较低的频率的另一解决方案是使用阀门；然而，阀以较低的每分钟转数驱动较高的背压，这并不总是能接受的。因此，需要独特的声学解决方案，该解决方案从容积角度来看更加高效，并且背压方面来看影响较小。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，车辆排气系统包括：部件壳体，部件壳体限定了内部腔体；以及定位在该内部腔体内的至少一个排气气体处理元件。谐振器容积经由至少一个谐振器元件与内部腔体并联连接，并且隔离材料位于谐振器容积内。

在上述的另一实施例中，谐振器容积形成在部件壳体的外表面与谐振器壳体的内表面之间，谐振器壳体至少部分地围绕部件壳体。

在上述任一项的另一实施例中，入口锥体位于部件壳体的一端处，而出口锥体位于部件壳体的相对端处，并且其中至少一个谐振器元件位于入口锥体和出口锥体中的一个处。

在上述任一项的另一实施例中，至少一个谐振器元件包括亥姆霍兹颈部或入口锥体和出口锥体中的至少一个的穿孔部分。

在上述任一项的另一实施例中，没有净流量流出谐振器容积。

在上述任一项的另一实施例中，第二排气气体处理元件位于内部腔体内，并且与第一排气气体处理元件轴向隔开一间隙，并且其中，部件壳体位于车辆排气系统的热端中，并紧接在发动机或涡轮增压机下游。

在上述任一项的另一实施例中，至少一个谐振器元件包括亥姆霍兹颈部和部件壳体的穿孔部分中的至少一个。

在上述任一项的另一实施例中，部件壳体包括封围至少一个气体处理元件的中心壳体部分、位于中心壳体部分的一端处的入口部分和位于中心壳体部分的相对端的出口部分，并且其中，至少一个谐振器元件包括与中心壳体部分、入口部分和出口部分中的至少一个相关联的管或穿孔部分中的至少一个。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器容积形成在部件壳体的外表面与完全围绕部件壳体的谐振器壳体的内表面之间，并且其中，隔离材料完全填充谐振器容积。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器元件位于入口部分中。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器容积形成在部件壳体的外表面与完全围绕部件壳体的谐振器壳体的内表面之间，并且其中，隔离材料仅部分填充谐振器容积，并且位于至少一个谐振器元件的位置处。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器元件位于入口部分中，并且包括穿孔挡板，穿孔挡板位于入口部分与中心壳体部分之间的位置处以将谐振器容积分成入口部分处的入口容积与剩余容积，并且其中隔离材料仅填充入口容积。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器元件位于入口部分中，并且包括穿孔挡板，穿孔挡板位于入口部分和中心壳体部分之间的位置处以将谐振器容积分成入口部分处的入口容积与剩余容积，并且其中，第一部分的隔离材料填充入口容积，第二部分的隔离材料包括附连到中心壳体部分的内表面的隔离材料层。

在上述任一项的另一实施例中，入口部分包括入口锥体，入口锥体具有连接到入口管的上游端和连接到中心壳体部分的下游端，并且其中，下游端的外部尺寸大于上游端的外部尺寸，并且其中出口部分包括出口锥体，出口锥体具有连接到中心壳体部分的上游端和连接到出口管的下游端，并且其中，上游端的外部尺寸大于下游端的外部尺寸。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器壳体与部件壳体隔开且提供谐振器容积，并且其中至少一个谐振器元件包括将部件壳体连接到谐振器壳体的管，并且其中隔离材料完全填充谐振器容积。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器壳体与部件壳体分开且提供谐振器容积，并且其中至少一个谐振器元件包括将部件壳体连接到谐振器壳体的管，以及其中隔离材料仅部分填充谐振器容积并位于与管的连接处。

在另一示例性实施例中，车辆排气系统包括至少一个排气气体处理元件和限定内部腔体的部件壳体。部件壳体包括封围至少一个排气气体处理元件的中心壳体部分、位于中心壳体部分的上游端的入口锥体和位于中心壳体部分的下游端的出口锥体。部件壳体位于车辆排气系统的热端中，并且紧接在发动机或涡轮增压机下游。谐振器容积经由至少一个谐振器元件与内部腔体并联连接，并且没有净流量从谐振器容积中流出。隔离材料位于谐振器容积内。

在上述任一项的另一实施例中，至少一个谐振器元件包括管和部件壳体的穿孔部分中的至少一个。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器壳体与部件壳体隔开且提供谐振器容积，并且其中至少一个谐振器元件包括将部件壳体连接到谐振器壳体的管，以及其中隔离材料至少部分填充谐振器容积。

在上述任一项的另一实施例中，谐振器壳体完全围绕部件壳体，从而在谐振器壳体的内表面与部件壳体的外表面之间设置谐振器容积，并且其中隔离材料至少部分地填充谐振器容积。

从以下说明书和附图中将能最佳地理解本申请的这些和其它特征，以下是简要的说明。

附图说明

图1示意性示出车辆排气系统。

图2示出图1所示的系统的热端部件的一个示例，并且其包括谐振器元件和隔离材料。

图3示出另一示例实施例。

图4示出另一示例实施例。

图5示出另一示例实施例。

图6示出另一示例实施例。

图7示出另一示例实施例。

图8示出另一示例实施例。

图9是传输损耗(db)与频率(hz)的曲线图，其包括具有谐振器元件和隔离材料的部件与没有隔离材料的部件的比较。

图10示出了针对以下部件的总背压(kpa)柱状图和尾管噪声(db)与速度(转/分钟)的曲线图：(a)没有谐振器元件和隔离材料的部件与对于下列部件的不同构造的比较：(b)具有谐振器颈部的部件；(c)具有隔离材料的穿孔锥体/谐振器，以及(d)具有不包括隔离材料的穿孔锥体/谐振器。

具体实施方式

图1示出车辆排气系统10的示意图，该车辆排气系统引导由发动机12产生的热排气气体通过各种排气部件，以如已知的那样减少排放并控制噪声。发动机12包括将发动机排气气体引导至可选的涡轮增压机16中的排气歧管14。排气系统10包括热端18，热端18紧接着位于排气歧管14下游，或如果包括则紧接着位于轮增压机16的下游，并且包括在热端18下游的冷端20。排气气体经有冷端20处的尾管22离开到大气中。

由于发动机12接近，热端18处的排气气体运行温度通常高于冷端20处的排气气体运行温度。在一个示例中，热端处的排气气体运行温度可在750-950摄氏度的范围内。在某些条件下，运行温度可能会超过1000摄氏度。在冷端20中，因为其比热端18位于发动机12更下游，所以排气气体运行温度较低，并且在一个示例中，通常低于650摄氏度。

热端18处的排气部件24可包括例如排气气体处理元件，诸如柴油氧化催化器(doc)、柴油颗粒过滤器(dpf)和选择性催化还原(scr)催化器或汽油颗粒过滤器(gpf)和一种或多种三元催化器(twc)，它们用于从排气气体气中如已知的那也移除污染物。冷端20中的排气部件26通常包括例如噪声衰减部件，诸如消声器、谐振器等。排气气体从热端18进入冷端20，并且经由尾管22离开排气系统10。所述排气部件可以根据车辆应用场合和可用的封装空间以各种不同的构造和组合进行安装。

通过测试和模拟已表明，亥姆霍兹谐振器，诸如在约二至四升的量级的、经由例如颈管与排气流连通的声学容积提供了对应用于冷端20中(排气系统10的后处理部段下游)的类似量容积的声学获益的约两倍的声学获益，其对背压影响很小或没有影响，该亥姆霍兹谐振器位于涡轮增压机与后处理元件之间的热端18，或在后处理元件之间。从尾管噪声的角度来看，将亥姆霍兹共振器放置为尽可能靠近发动机12可提供最佳声学性能。

本主题公开是在系统10的热端18中各个位置处封装一个或多个亥姆霍兹共振器。例如，(多个)共振器可以紧接在排气歧管或涡轮增压机出口之后但在后处理元件之前、位于后处理元件之间和/或紧接在后处理元件之后。下面讨论并在附图中示出了各种示构造。

图2示出了热端部件30的一个示例，该热端部件位于排气歧管14和/或涡轮增压机16下游(如果适用)。热端部件30包括限定内部腔体34的部件壳体32。一个或多个排气气体处理元件位于部件壳体32内。在一个示例中，第一排气气体处理元件36位于内部腔体34内，而第二排气气体处理元件38位于内部腔体34内，并在下游与第一排气气体处理元件36轴向隔开一间隙40。元件36、38由隔声垫(隔离垫)28保持在位。在一个示例中，第一排气气体处理元件36和第二排气气体处理元件38是scr基板。

封围在谐振器壳体44内的谐振器容积42经由例如包括亥姆霍兹谐振器的谐振器元件46联接为与内部腔体34并联。在一个示例中，谐振器壳体44围绕部件壳体32延伸。谐振器壳体44可以完全围绕或部分围绕部件壳体32。谐振器壳体44还可以与部件壳体32同轴或从部件壳体32偏移(非同轴)。

在一个示例中，附加材料48位于谐振器容积42内。附加材料48可以包括例如用于吸声和/或隔声的纤维材料。然而，可以使用任何类型的这样的材料，该材料应能够承受高排气气体温度和腐蚀性/恶劣的环境条件。这些材料的示例是多晶羊毛(pcw)、耐火陶瓷纤维(rcf)、碱性硅酸盐纤维、二氧化硅纤维、高温玻璃纤维或玻璃纤维。

由此，本发明公开是提供了阻尼谐振器，其包括具有纤维材料48的并联谐振器容积42，其位于紧邻谐振器元件46。使用该纤维材料抑制并加宽了亥姆霍兹谐振，使得衰减较弱但较宽，这在某些情况下比提供强而尖锐的衰减更好。附加地，纤维材料降低了外壳蒙皮温度并改善了排气气体处理元件中的热保持，这提供了改善的排放性能。

部件壳体32从入口管50接纳排气气体，并经由出口管52将经处理的排气气体引导至冷端20。在一个示例中，部件壳体32包括封围第一排气气体处理元件36和第二排气气体处理元件38的中心壳体部分54、位于中心壳体部分54的一端处并连接到入口管50的入口部分56以及位于中心壳体部分54的相对端处并连接到出口管52的出口部分58。在一个示例中，入口部分56和出口部分58包括入口锥体和出口锥体。

在一个示例中，部件壳体32限定中心轴线a，并且入口部分56、第一排气气体处理元件36、第二排气气体处理元件38和出口部分58与中心轴线a同轴。

在一个示例中，谐振器壳体44围绕部件壳体32延伸，使得谐振器容积42被封围在谐振器壳体44的内表面60与部件壳体32的外表面62之间。在一个示例中，谐振器壳体44包括围绕部件壳体32的中心壳体部分54的中心壳体部分64、位于中心壳体部分64的一端处以围绕部件壳体32的入口锥体的入口部分66以及位于中心壳体部分64的相对端处以围绕部件壳体32的出口锥体的出口部分68。因此，在该示例中，谐振器壳体44大致匹配部件壳体32的形状。壳体32、44可具有各种横截面形状，包括圆形、椭圆形、多边形等。

因此，在一些公开的实施例中，入口部分56、66和出口部分58、68包括入口锥体和出口锥体。部件壳体32的入口锥体56具有连接到入口管50的上游端和连接到中心壳体部分54的下游端，其中，下游端的外部尺寸大于上游端的外部尺寸。部件壳体44的入口锥体66具有连接到入口管50和/或入口锥体56的上游端和连接到中心壳体部分64的下游端，其中，下游端的外部尺寸大于上游端的外部尺寸。部件壳体32的入口锥体58具有连接到中心壳体部分54的上游端和连接到出口管52的下游端，其中，上游端的外部尺寸大于下游端的外部尺寸。部件壳体44的出口锥体68具有连接到中心壳体部分64的上游端和连接到出口管52和/或出口锥体58的下游端，其中，上游端的外部尺寸大于下游端的外部尺寸。

至少一个谐振器元件46以并联构造将谐振器容积42与内部腔体34的内部容积联接。在一示例中，谐振器元件46包括部件壳体32的穿孔部分和亥姆霍兹颈部或管中的至少一个。图2-8示出了用于谐振器容积42和谐振器元件46的不同构造的示例。在这些不同示例的每一个中，部件被密封以使得在谐振器中没有净流量。热发动机排气气体通过进气管50流入，随着气体行进通过进气锥体56而膨胀和减速，然后穿过排气气体处理元件36、38。排气气体离开排气处理元件36、38，并且然后在收缩和通过出口管52离开之前膨胀到出口锥体58中。

来自发动机的排气气体压力脉动向下穿过排气系统10，并且随着它们行进通过限制、反射和吸收的机理而改变。当脉动到达谐振器元件46的位置时，它们使谐振器元件46中的排气气体开始运动。对于低频，可以将这种气体视为集中质量。谐振器元件46中的气体的集中质量压缩或稀薄化周围谐振器容积42中的排气气体。随着气体的集中质量压缩谐振器容积42，容积压力增加。随着集中气体稀薄，容积压力降低。这种压力的结果是将集中质量沿与其行进方向相反的方向推动。以此方式，谐振器容积42用作弹簧，并为弹簧-质量系统提供调谐的频率。由于没有净流量通过谐振器，并且由于谐振器元件46包括侧分支布置，所以对背压的影响可忽略。谐振器容积中这种流动的缺乏也有利于保持隔离材料48。对进入主气体容积体积的对流也将产生正面影响。纤维材料将用来加宽谐振器的调谐频率。

在图2的示例中，谐振器元件46包括位于部件壳体32的入口部分56中的亥姆霍兹管或颈部70，并且谐振器壳体44完全围绕部件壳体32。在该示例中，谐振器容积42完全用隔离材料48填充。在另一示例中，谐振器容积42可仅部分用隔离材料48填充。材料48中的至少一些应紧邻谐振器元件46定位。

材料48的一个目的是吸收噪声，并且该吸收在高频下将特别有效。材料48的使用还将扩大亥姆霍兹谐振器的衰减，该衰减被调谐到低得多的频率。它将提供使谐振器壳体44与第一气体处理元件36和第二气体处理元件38的热量绝热的附加益处。这种热绝缘还将导致部件壳体32以及第一气体处理元件36和第二气体处理元件38的基板材料的温度升高，使得该材料可以在不那么费力的驱动过程中更有效地保持热量。

如果材料48需要额外的保持，则可以在颈部70上使用穿孔格栅72。穿孔格栅72包括具有多个开口的平坦结构，并且可覆盖颈部70的开口端。

图3与图2类似，然而，在该示例中，将声学谐振器容积42连接到内部腔体34中的流的谐振器元件46是穿孔的补片或开口74。在图3的示例中，该穿孔开口74位于入口部分56上，但是，孔开口74可以在间隙40处的基板之间位于中心壳体部分54中、在出口部分58中或在入口管50或出口管52中。穿孔开口74的使用可以提供比颈部的衰减稍宽的衰减。穿孔开口74由许多小的穿孔组成，这些穿孔可以看作是集中在一起而具有一定面积的短颈部，该面积等于总穿孔面积，并且以这种方式，它可以被当作亥姆霍兹共振器。

图4示出了与图2类似的构造，但是在该示例中，挡板76用于将纤维材料48容纳在谐振器容积42的有限区域中。纤维材料48应位于具有较高声速的位置处，以最大化其声学获益。通过定位纤维材料，可以在填充整个声学容积上实现成本获益；然而，热学获益将会减少。在该示例中，谐振器元件46位于入口部分56中并包括颈部70。穿孔的挡板76位于入口部分56与中心壳体部分54之间的位置处，以将谐振器容积42分隔成入口部分56处的入口容积78和剩余容积80。材料48仅填充入口容积78，而剩余容积80是敞开的。

图5示出了与图3类似的构造，但是如图4中一样，纤维材料48通过穿孔的挡板76定位在谐振器容积42的特定区域。在该示例中，谐振器元件46位于入口部分56中并包括穿孔补片或开口74。穿孔挡板76将谐振器容积42分成包括材料48的入口容积78和敞开的剩余空间80。

图6与图5相同，不同之处在于，在剩余容积80内在谐振器壳体44的内表面60上增加了纤维材料48a附加层。可选地，材料48a可以位于谐振器壳体44的外表面周围。该附加材料48a的目的比起隔声更多是用于绝热。在该示例中，材料48a的附加层附连到部件壳体32的中心壳体部分54。

图7和图8具有从部件壳体32周围移至壳体上方的谐振器容积42。谐振器容积42也可以相对于部件壳体32位于其它位置处；然而，由于后处理部件的顶部比底部更热，并且由于车身通常在壳体32上方，因此该位置使得谐振器容积42用作屏蔽件。在图7中，谐振器容积42完全用纤维材料48填充。在图8中，局部区域覆盖有纤维材料48的层。在两种构造中，纤维材料48都提供了声学获益和热学获益。

在图7和图8所示的示例中，谐振器壳体44与部件壳体32分离并提供谐振器容积42。谐振器元件46包括将部件壳体32连接到谐振器壳体44的亥姆霍兹管或颈部82。在该示例中，颈部82在径向上与间隙40重叠的位置处连接到中心壳体部分54。

图2至8出了谐振器元件46的不同示例。谐振器元件46可以按需以任意数量和以任何组合使用，以提供期望的声学效果。此外，可以按需改变谐振器元件46的位置。例如，谐振器元件可位于入口管、出口管、入口锥体、中心壳体部分或出口锥体或其任何组合中。在图2中可见元件46’的可选的位置。对于所公开的实施例，这些可选的位置可以以任何数量并以任意组合使用。谐振器元件46连接到包括纤维材料48的并联的谐振器容积42，以供改善的声学性能和热学性能。

图9示出了谐振器体容积和纤维材料48的组合的声学效果。虚线示出了不具有附加材料48的普通的亥姆霍兹谐振器。实线示出了具有附加材料48的谐振器。随着峰的高度减小，谐振被显著抑制。谐振也较宽，因为在远离谐振的较宽的频率范围内衰减更多。

图10示出了经由谐振器颈部(b)或经由穿孔锥体(c)(具有材料48)和经由穿孔锥体(d)(不具有材料48)连接到热端的声学容积的声学效果与基准热端(a)的比较(尾管噪声比较)。部分封装的声学性能(部分填充有材料48)几乎与完全包装的性能(完全填充有材料48)相同。这意味着材料48的量可以针对热学益处和成本优化。没有任何材料会带来声学上的益处，但也缺乏散热方面的益处。图10还显示了不同示例的情况下背压基本保持不变。

如上所述，与发动机紧密联接的谐振器腔体42比在排气系统的中部或后部添加到消声器的相同容积更高效和有效。通常，在热端添加3升或4升与在冷端添加6至8升同样有效。本主题公开是使用颈部或穿孔的壳体部分以在形成亥姆霍兹共振器的热端中提供声学容积。颈部尺寸(长度和直径)和声学容积决定了调谐频率。当容积围绕穿孔部分时，穿孔是亥姆霍兹谐振器的颈部。穿孔的调整范围比颈部的构造更宽。

随着亥姆霍兹谐振器被调谐到更低的频率(通过使谐振器的颈部直径更小或长度更长)，它们的谐振变得越来越尖锐。这使它们在逐渐减小的发动机速度范围内有用。声学容积中使用附加材料提供了抑制效果并减小了锐度效果。.除了声学益处之外，附加材料的使用还提供了热学益处。该材料可用于将基板保持就位以使基板绝热，从而使基板快速加热(有利于起燃)并以较少的热量输入保持温度，并降低部件的外部温度。

因此，本主题公开是将用于排气系统10热端18的部件中的声学衰减调谐谐振器元件46与位于谐振器容积42内的纤维材料48结合以提供进一步的声学益处和/或热学益处。这种结合导致改善的声学效率，而背压影响可忽略不计，从而引尾管噪声/声学容积改善。

尽管已经公开了各种实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些改型将落入本发明的范围内。为此原因，应研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。