CN111322276B - 包括用于衰减压缩机的噪声的消声器的涡轮增压器系统 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器包括用于衰减来自压缩机的噪声的消声器。所述消声器包括内部管道壁和外部管道壁，内部管道壁和外部管道壁在其间限定环形腔，所述外部管道比所述内部管道长。上游壁在上游端处界定所述环形腔并且限定用于流体穿过而进入所述内部管道中的入口孔口，并且下游壁与所述内部管道的下游端轴向间隔开以便限定流体连接到所述环形腔的膨胀室。所述下游壁限定用于所述流体的出口孔口。两个管道之间的分隔壁将所述环形腔分隔成轴向串联地布置的至少第一亥姆霍兹谐振器和第一四分之一波长谐振器，以及相对于所述第一亥姆霍兹谐振器周向串联地布置的第二四分之一波长谐振器。

Description

包括用于衰减压缩机的噪声的消声器的涡轮增压器系统

技术领域

本公开内容涉及涡轮增压器，并且更具体地涉及包括噪声处理的涡轮增压器，所述噪声处理用于衰减来自涡轮增压器的空气动力学生成的噪声。

背景技术

废气驱动的涡轮增压器是这种设备，其与内燃发动机结合地使用以用于通过压缩空气来增加发动机的动力输出，所述空气输送到发动机的空气进气口以便与燃料混合并且在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机壳体中的安装在轴的一端上的压缩机叶轮和在涡轮机壳体中的安装在轴的另一端上的涡轮机叶轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且还存在连接在涡轮机壳体与压缩机壳体之间的用于容纳所述轴的轴承的另一中心壳体。涡轮机壳体限定环绕涡轮机叶轮并且从发动机接收废气的大致环形室。涡轮机组件包括从所述室通向涡轮机叶轮的喷嘴。废气通过所述喷嘴从所述室流动到涡轮机叶轮，并且涡轮机叶轮由所述废气驱动。因此，涡轮机从废气提取动力并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气被压缩机叶轮压缩，并且然后从壳体排出到发动机空气进气口。

涡轮增压器通常采用离心（也称为“径向”）类型的压缩机叶轮，因为离心压缩机可以在紧凑的布置结构中实现相对高的压力比。压缩机的进入空气在大致轴向方向上在离心压缩机叶轮的进口段部分处被接收，并且在大致径向方向上在所述叶轮的出口段部分处被排出。来自叶轮的被压缩的空气被输送到蜗壳，并且所述空气从蜗壳供应到内燃发动机的进气口。

涡轮增压器压缩机往往产生空气动力学生成的噪声。通常，所述噪声包括各种频率的频谱，并且声压级在某些频率处比在其他频率处相对更大。涡轮增压器压缩机的噪声处理在大小上通常必须是紧凑的，因为车辆发动机舱室内可用的自由空间通常相当小。借助节省空间的噪声处理设备有效地衰减多个频率分量是本发明所涉及的挑战。

发明内容

本申请涉及一种包括被配置成衰减多个不同频率的噪声的消声器的涡轮增压器系统。根据本文中所描述的一个实施例，一种涡轮增压器系统包括：

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：包括涡轮机壳体的涡轮机以及包括压缩机壳体的压缩机，所述压缩机壳体限定用于将空气引导到所述压缩机中的空气入口以及用于将增压空气从所述压缩机中引导出来的排出管；以及

消声器，所述消声器耦接到所述压缩机的所述空气入口和所述排出管中的一者，所述消声器包括：

上游壁，所述上游壁在其中限定入口孔口；

下游壁，所述下游壁在其中限定出口孔口，所述入口孔口和出口孔口沿着流体流动所沿着的轴向方向间隔开距离D；

内部管道，所述内部管道用于引导通过入口孔口接收的流体，所述内部管道包括内部管道壁，所述内部管道壁支撑在所述上游壁上并且从所述上游壁向下游延伸达长度L，所述长度L小于D；

外部管道，所述外部管道包括在上游壁和下游壁之间延伸的外部管道壁，所述外部管道壁环绕所述内部管道壁，使得环形腔限定在所述内部管道壁和外部管道壁之间，膨胀室被界定在所述下游壁、所述外部管道壁与所述内部管道壁的下游端之间，并且其中所述环形腔在其下游端处通向所述膨胀室；以及

分隔壁，所述分隔壁在所述内部管道壁和外部管道壁之间延伸并且将所述环形腔分隔成至少第一亥姆霍兹谐振器以及通向所述膨胀室的至少第一四分之一波长谐振器和第二四分之一波长谐振器，所述内部管道壁限定从其穿过的至少一个孔，所述孔连接所述第一亥姆霍兹谐振器与所述内部管道的内部，其中所述第一四分之一波长谐振器和所述第一亥姆霍兹谐振器相对于彼此轴向串联地布置，并且所述第二四分之一波长谐振器和所述第一亥姆霍兹谐振器相对于彼此周向串联地布置。

根据本发明，这两个四分之一波长谐振器可以调谐到两个不同的频率，并且亥姆霍兹谐振器可以调谐到又另一不同的频率，使得消声器选择性地衰减三个不同频率的噪声分量。因此，在本发明的一个实施例中，所述第一四分之一波长谐振器和第二四分之一波长谐振器分别具有谐振器长度L1和L2，并且L1小于L2。在一些实施例中，L2可以等于L。

消声器可以被配置成衰减多于两个或三个不同频率的噪声。在一些实施例中，所述分隔壁将所述环形腔进一步分隔成第三四分之一波长谐振器和第二亥姆霍兹谐振器，所述内部管道壁限定从其穿过的至少一个孔，所述孔连接所述第二亥姆霍兹谐振器与所述内部管道的内部。所述第一四分之一波长谐振器、第二四分之一波长谐振器和第三四分之一波长谐振器相对于彼此周向串联地布置，并且所述第一亥姆霍兹谐振器和第二亥姆霍兹谐振器相对于彼此周向串联地布置。因此，消声器潜在地可以衰减多达五个不同频率的噪声。

在再其他实施例中，所述分隔壁将所述环形腔进一步分隔成第四四分之一波长谐振器和第三亥姆霍兹谐振器，所述内部管道壁限定从其穿过的至少一个孔，所述孔连接所述第三亥姆霍兹谐振器与所述内部管道的所述内部，并且其中所述第一四分之一波长谐振器、第二四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器和第四四分之一波长谐振器相对于彼此周向串联地布置，并且所述第一亥姆霍兹谐振器、第二亥姆霍兹谐振器和第三亥姆霍兹谐振器相对于彼此周向串联地布置。

在又其他实施例中，所述分隔壁将所述环形腔进一步分隔成第五四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器，其中所述第一四分之一波长谐振器、第二四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器、第四四分之一波长谐振器、第五四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器相对于彼此周向串联地布置。在这些实施例中，所述第三四分之一波长谐振器和所述第二亥姆霍兹谐振器可以相对于彼此轴向串联地布置，并且所述第五四分之一波长谐振器和所述第三亥姆霍兹谐振器可以相对于彼此轴向串联地布置。

所述第一四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器和第五四分之一波长谐振器均可以具有谐振器长度L1，其中L1小于L。所述第二四分之一波长谐振器、第四四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器均可以具有谐振器长度L2，其中L2大于L1。在一些实施例中，L2等于L。

附图说明

已经这样概括地描述了本发明，现在将对所附附图进行参考，所附附图未必按比例绘制，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器系统的等轴视图，所述涡轮增压器系统包括涡轮增压器和耦接到来自涡轮增压器压缩机的排出管的消声器；

图2是根据本发明的一个实施例的消声器的等轴视图；

图3是沿着图2中的线3-3贯穿消声器的截面视图；

图3A是沿着图3中的线3A-3A的截面视图；

图4是图2的消声器的分解视图；以及

图5是根据本发明的另一个实施例的涡轮增压器系统的等轴视图，所述涡轮增压器系统包括涡轮增压器和耦接到涡轮增压器压缩机的空气入口的消声器。

具体实施方式

现在将在下文中参考所附附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但非全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同形式体现并且不应该被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开内容将满足可适用的法律要求。在通篇中，相似数字指代相似元件。

在图1中示出了根据本发明的实施例的涡轮增压器系统。所述涡轮增压器系统包括与消声器100耦接的涡轮增压器10。涡轮增压器包括压缩机12和涡轮机22。压缩机包括包含压缩机叶轮（未示出）的压缩机壳体16，并且涡轮机包括包含涡轮机叶轮（未示出）的涡轮机壳体24。压缩机叶轮和涡轮机叶轮两者都安装在同一轴（未示出）上，所述轴由中心壳体20内的轴承支撑，所述中心壳体20设置在压缩机壳体16和涡轮机壳体24之间。供应到涡轮机壳体24中的发动机废气被导引到涡轮机叶轮中，所述涡轮机叶轮由所述废气可旋转地驱动，并且所述涡轮机叶轮驱动压缩机叶轮压缩空气以用于供应到发动机（未示出）。压缩机壳体可以包括限定用于将空气供应到压缩机叶轮的空气入口17的入口管道构件16d。压缩机壳体还包括用于将已经由压缩机叶轮增压的空气从压缩机壳体中引导出来以用于供应到发动机的排出管18。

在图1的实施例中，消声器100耦接到压缩机的排出管18。来自压缩机的增压空气穿过消声器，并且然后供应到发动机。

参考图2至图4，所示出的实施例中的消声器100包括彼此单独形成并且组装在一起以制成消声器的入口构件102和出口构件104。入口构件102包括上游壁106，所述上游壁106限定从其穿过的入口孔口108。入口管103接合到上游壁106以用于通过入口孔口108馈送空气。入口管的上游端限定安装凸缘102f。入口构件102还包括用于引导通过入口孔口108接收的流体的内部管道114，所述内部管道包括内部管道壁116，内部管道壁116支撑在上游壁106上并且从所述上游壁向下游延伸达长度L（图3）。

出口构件104包括下游壁110，所述下游壁110限定从其穿过的出口孔口112。出口管105接合到下游壁110以用于接收通过出口孔口112离开的流体。出口管的下游端限定安装凸缘104f。出口构件104还包括由下游壁110支撑的外部管道118。外部管道由外部管道壁120限定，外部管道壁120具有比内部管道壁116的直径更大的直径。入口构件102和出口构件104按“伸缩”方式组装在一起，外部管道壁120套装在内部管道壁116上方和周围。外部管道比内部管道长，并且外部管道壁120的自由端邻接上游壁106，从而导致在上游壁106和下游壁110之间存在间隔距离D，其中D大于内部管道114的长度L。因此，环形腔AC限定在外部管道和内部管道之间，并且膨胀室EC限定在下游壁110、外部管道壁120与内部管道114的下游端之间，如图3中最佳所见。所述环形腔在其下游端处通向所述膨胀室。

主要参考图3A和图4，消声器100包括分隔壁APW和CPW，所述分隔壁在内部管道壁和外部管道壁之间延伸并且将环形腔AC分隔成一系列声学谐振器以用于根据每一谐振器的特性尺寸来衰减某些频率的噪声。更具体地，所述分隔壁包括轴向和径向延伸的轴向分隔壁APW（即，每一轴向分隔壁关于具有与消声器的中心轴线重合的z轴的圆柱坐标系位于r-z平面中），以及周向和径向延伸的一个或多个周向分隔壁CPW（即，每一者位于圆柱坐标系的r-θ平面中）。所示出的实施例包括将所述环形腔分隔成九个谐振器的轴向和周向分隔壁，这九个谐振器中的六个是四分之一波长谐振器，并且这九个谐振器中的三个是亥姆霍兹谐振器。然而，更一般地，本发明并不限于任何特定数量的谐振器，除了根据本发明，分隔壁限定通向膨胀室EC的至少第一四分之一波长谐振器QW1和第二四分之一波长谐振器QW2，以及至少第一亥姆霍兹谐振器HH1。内部管道壁116限定从其穿过的至少一个孔115，所述孔115连接第一亥姆霍兹谐振器HH1与内部管道114的内部。根据本发明，第一四分之一波长谐振器QW1和第一亥姆霍兹谐振器HH1相对于彼此轴向串联地布置，亥姆霍兹谐振器在所述四分之一波长谐振器的上游，并且第二四分之一波长谐振器QW2和第一亥姆霍兹谐振器HH1相对于彼此周向串联地布置（在此说明书通篇中，关于上述圆柱坐标系定义术语“轴向地”、“周向地”和“径向地”）。因此，在此实施例（附图中未具体示出）中，存在周向间隔开达基于各种谐振器的所期望的声学谐振特性确定的量的两个轴向分隔壁APW，以及使第一亥姆霍兹谐振器与第一四分之一波长谐振器分开的单个周向分隔壁CPW。因此，第一亥姆霍兹谐振器沿轴向方向界定在上游壁106和周向分隔壁CPW之间、沿径向方向界定在内部管道壁116和外部管道壁120之间、并且沿周向方向界定在两个轴向分隔壁APW之间。

基于此概括性描述应理解的是，分隔壁可以限定任何所期望数量的谐振器。因此，例如，可以限定谐振器的任何以下配置，这些配置仅是示例性的，并且不作为限制：配置1：QW1-HH1-QW2；配置2：QW1-HH1-QW2-QW3-HH2；配置3：QW1-HH1-QW2-QW3-HH2-QW4-HH3；配置4：QW1-HH1-QW2-QW3-HH2-QW4-HH3-QW5-QW6。应理解的是，每一亥姆霍兹谐振器必须与膨胀室EC隔离，并且每一四分之一波长谐振器必须通向膨胀室。这用于限制可以如何轴向串联地布置不同类型的谐振器；更具体地，如果存在轴向串联布置的亥姆霍兹谐振器和四分之一波长谐振器，则四分之一波长谐振器必须是下游的谐振器，使得其可以通向膨胀室。然而，关于谐振器如何周向地布置，在这方面没有特别限制。现在，描述将集中在如先前所述的具有九个谐振器的所示出实施例（配置4）。

参考图3A和图4，在图3A和图4中顺时针方向行进描述各种谐振器。如所描述的，存在分开第一亥姆霍兹谐振器HH1与第一四分之一波长谐振器QW1的周向分隔壁CPW，并且存在界定这两个谐振器的周向范围的两个轴向分隔壁APW（其周向长度相等）。此周向分隔壁的轴向位置确定第一亥姆霍兹谐振器和第一四分之一波长谐振器的相对轴向长度。第二四分之一波长谐振器QW2由沿顺时针方向周向间隔开的另一个轴向分隔壁APW界定，第二四分之一波长谐振器延伸内部管道114的全长。接下来，沿顺时针方向，存在轴向串联地布置的第二亥姆霍兹谐振器HH2和第三四分之一波长谐振器QW3，后面跟随有第四（全长）四分之一波长谐振器QW4，并且然后是轴向串联地布置的第三亥姆霍兹谐振器HH3和第五四分之一波长谐振器QW5，并且最后是第六四分之一波长谐振器QW6。内部管道壁中的孔115从内部管道内部通向第一亥姆霍兹谐振器HH1，并且分别为第二亥姆霍兹谐振器和第三亥姆霍兹谐振器提供类似孔117和119。应理解的是，亥姆霍兹谐振器中的一者或多者可以具有多于一个孔。

各种谐振器的特性尺寸可以被选择成使得每一谐振器被配置成衰减特定噪声频率分量。如本领域的技术人员将认识到，亥姆霍兹谐振器被调谐到的频率主要是所述室的体积V、从主流体管道通向谐振器室的颈部的长度以及颈部的截面面积的函数。在本上下文中，颈部长度由内部管道壁116的径向厚度确定，并且因此没有太多余地改变此参数。然而，颈部面积由孔（115、117、119）的直径以及每一室此类孔的数量确定，并且室体积由内部管道壁和外部管道壁之间的径向间距、轴向分隔壁APW之间的周向间距以及上游壁106与每一室的周向分隔壁CPW之间的轴向间距确定。因此，可以根据需要选择各种亥姆霍兹谐振器的颈部面积和室体积以实现在消声器的特定安装中有问题的任何噪声频率的衰减。作为示例，在所示出的实施例中，所有三个亥姆霍兹谐振器具有相同室体积和和颈部尺寸，但是可替代地，它们可以通过合适地选择特性参数而被调谐到三个不同频率。

关于四分之一波长谐振器，本领域的技术人员将认识到，四分之一波长谐振器的目标频率由室的长度确定。在本上下文中，此长度是与膨胀室EC相邻的四分之一波长谐振器的开放端部与界定谐振器的相对轴向端部的周向分隔壁CPW或上游壁106 之间的轴向尺寸。因此，第一四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器和第五四分之一波长谐振器具有L1的长度（图4），并且因此将被调谐到第一频率，而第二四分之一波长谐振器、第四四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器具有L2的长度（等于内部管道的长度L），并且因此将被调谐到低于第一频率的第二频率。在本发明的范围内，可以通过根据需要修整四分之一波长谐振器的轴向长度、通过采用一个或多个额外周向分隔壁来界定四分之一波长谐振器中的一者或多者的上游端来将四分之一波长谐振器调谐到多于两个不同的频率。

根据本发明的消声器使得设计者能够使用单个设备选择性地衰减多个频率分量，所述单个设备节省空间并且对流过所述设备的流体几乎不引起总压力损失。

图5示出了另一个涡轮增压器系统，其类似于图1的涡轮增压器系统，除了消声器100布置在压缩机12的入口的上游、而非压缩机排出口的下游。因此，待供应到压缩机的入口管道16d的空气在穿过入口管道进入压缩机叶轮之前首先穿过消声器100。根据本发明，消声器并不限于所关注的流体处理系统内的任何特定位置。消声器的相对紧凑大小使得其适用于整个系统内的多个潜在位置中。

受益于在前述描述和相关联的附图中呈现的教导，这些发明所属领域的技术人员将想到本文中阐述的发明的许多修改和其他实施例。例如，虽然消声器的所示出的实施例具有九个声学谐振器，但是可替代地，消声器可以具有更少或更多数量的谐振器。可以作出如本文中具体描述的修改，并且还可以作出本文中未具体描述、但是对本领域的技术人员来说显而易见的其他修改。因此，应理解的是，本发明并不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然本文中采用特定术语，但是其仅以一般性和描述性意义、而非出于限制目的而使用。

Claims (12)

1.一种涡轮增压器系统，其包括：

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：包括涡轮机壳体的涡轮机以及包括压缩机壳体的压缩机，所述压缩机壳体限定用于将空气引导到所述压缩机中的空气入口以及用于将增压空气从所述压缩机中引导出来的排出管；以及

消声器，所述消声器耦接到所述压缩机的所述空气入口和所述排出管中的一者，所述消声器包括：

上游壁，所述上游壁在其中限定入口孔口；

下游壁，所述下游壁在其中限定出口孔口，所述入口孔口和出口孔口沿着流体流动所沿着的轴向方向间隔开距离D；

内部管道，所述内部管道用于引导通过所述入口孔口接收的所述增压空气，所述内部管道包括内部管道壁，所述内部管道壁支撑在所述上游壁上并且从所述上游壁向下游延伸达长度L，所述长度L小于D；

外部管道，所述外部管道包括连接在所述上游壁和所述下游壁之间的外部管道壁，所述外部管道壁环绕所述内部管道壁，使得环形腔限定在所述内部管道壁和外部管道壁之间，膨胀室界定在所述下游壁、所述外部管道壁与所述内部管道壁的下游端之间，并且其中所述环形腔在其下游端处通向所述膨胀室；以及

分隔壁，所述分隔壁在所述内部管道壁和外部管道壁之间延伸并且将所述环形腔分隔成至少第一亥姆霍兹谐振器以及通向所述膨胀室的至少第一四分之一波长谐振器和第二四分之一波长谐振器，所述内部管道壁限定从其穿过的至少一个孔，所述孔连接所述第一亥姆霍兹谐振器与所述内部管道的内部，其中所述第一四分之一波长谐振器和所述第一亥姆霍兹谐振器相对于彼此轴向串联地布置，并且所述第二四分之一波长谐振器和所述第一亥姆霍兹谐振器相对于彼此周向串联地布置。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述第一四分之一波长谐振器和第二四分之一波长谐振器分别具有谐振器长度L1和L2，其中L1小于L2。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器系统，其中L2等于L。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述分隔壁将所述环形腔进一步分隔成第三四分之一波长谐振器和第二亥姆霍兹谐振器，所述内部管道壁限定从其穿过的至少一个孔，所述孔连接所述第二亥姆霍兹谐振器与所述内部管道的所述内部，其中所述第一四分之一波长谐振器、第二四分之一波长谐振器和第三四分之一波长谐振器相对于彼此周向串联地布置，并且其中所述第一亥姆霍兹谐振器和第二亥姆霍兹谐振器相对于彼此周向串联地布置。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压器系统，其中所述分隔壁将所述环形腔进一步分隔成第四四分之一波长谐振器和第三亥姆霍兹谐振器，所述内部管道壁限定从其穿过的至少一个孔，所述孔连接所述第三亥姆霍兹谐振器与所述内部管道的所述内部，其中所述第一四分之一波长谐振器、第二四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器和第四四分之一波长谐振器相对于彼此周向串联地布置，并且其中所述第一亥姆霍兹谐振器、第二亥姆霍兹谐振器和第三亥姆霍兹谐振器相对于彼此周向串联地布置。

6.根据权利要求5所述的涡轮增压器系统，其中所述分隔壁将所述环形腔进一步分隔成第五四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器，其中所述第一四分之一波长谐振器、第二四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器、第四四分之一波长谐振器、第五四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器相对于彼此周向串联地布置。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器系统，其中所述第三四分之一波长谐振器和所述第二亥姆霍兹谐振器相对于彼此轴向串联地布置，并且其中所述第五四分之一波长谐振器和所述第三亥姆霍兹谐振器相对于彼此轴向串联地布置。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器系统，其中所述第一四分之一波长谐振器、第三四分之一波长谐振器和第五四分之一波长谐振器均具有谐振器长度L1，其中L1小于L。

9.根据权利要求8所述的涡轮增压器系统，其中所述第二四分之一波长谐振器、第四四分之一波长谐振器和第六四分之一波长谐振器均具有谐振器长度L2，其中L2大于L1。

10.根据权利要求9所述的涡轮增压器系统，其中L2等于L。

11.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述消声器耦接到所述空气入口。

12.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述消声器耦接到所述排出管。