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INTEGRIERTER RESONATOR UND FILTERVORRICHTUNG - Dokument DE69709082T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69709082T2 02.05.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0894190
Titel INTEGRIERTER RESONATOR UND FILTERVORRICHTUNG
Anmelder Donaldson Co., Inc., Minneapolis, Minn., US
Erfinder GILLINGHAM, R., Gary, Prior Lake, US;
RISCH, T., Daniel, Burnsville, US;
TOKAR, C., Joseph, Apple Valley, US;
WAGNER, M., Wayne, Apple Valley, US;
MATTHYS, A., Bernard, Apple Valley, US;
STEINBRUECK, A., Edward, Eden Prairie, US
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Aktenzeichen 69709082
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.04.1997
EP-Aktenzeichen 979213915
WO-Anmeldetag 25.04.1997
PCT-Aktenzeichen US9707003
WO-Veröffentlichungsnummer 9741345
WO-Veröffentlichungsdatum 06.11.1997
EP-Offenlegungsdatum 03.02.1999
EP date of grant 12.12.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.05.2002
IPC-Hauptklasse F02M 35/14

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine integrierte Filter- und Resonator- Vorrichtung zum Filtern von Luft und Reduzieren von Geräusch, und insbesondere auf eine Vorrichtung, die sich in eine Leitung innenseitig einsetzen lässt.

Systeme zum Filtern von Luft und Systeme zum Reduzieren von Geräusch an Maschinen wie z.B. Verbrennungskraftmaschinen sind wohlbekannt. Verbrennungskraftmaschinen haben typischerweise Leitungen zum Einleiten von Luft in die Maschine, die üblicherweise einen Einlass-Schnorchel, einen Luftfilter, eine Einlass-Leitung und einen Einlass-Stutzen aufweisen. Zusätzlich befindet sich ein Drosselmechanismus oder ein Drosselkörper an Funken-gezündeten Verbrennungskraftmaschinen.

Die Luftfilter-Komponente hat sich aus Filtern entwickelt, bei denen dem Filtermedium Öl zugegeben wurde, um so Partikeln in Filtern ringförmiger Konfiguration zu fangen, die oben auf der Maschine angeordnet waren. Filter, die typischerweise in heutigen Automobilen eingesetzt werden, sind Lagen-Filter, die so konfiguriert sind, dass sie in reichlich gefüllte Bauräume von kleinen Motorräumen passen. Es ist aber erkennbar, dass noch effizientere und kleinere Filter bei gegenwärtigen und zukünftigen Fahrzeug-Konstruktionen gebraucht werden, die sich in einer Leitung innenseitig platzieren lassen.

Helmholtz-Resonator-Vorrichtungen erfordern ein großes Volumen, das eine Resonator-Kämmer bildet und eine Verbindung zur Geräuschquelle. Das erforderliche große Volumen aber nimmt wertvollen Bauraum im Motorraum ein, was ein primärer Gesichtspunkt in heutigen Automobilkonstruktionen ist. Zusätzlich lässt sich, nachdem die Resonator-Kammer typischerweise ein großes Volumen erfordert, diese von der Geräuschquelle abseits platzieren, wodurch Leitungswege erforderlich werden, die zu der Kammer führen und zusätzliches Volumen in Anspruch nehmen.

Nachdem Filter und Resonatoren typischerweise jeweils eine vergrößerte Kammer zur zufriedenstellenden Funktion erfordern, ist erkennbar, dass das vergrößerte Volumen sich kombinieren ließe, um so das für die separate Filter- und Resonator-Vorrichtung erforderliche Gesamtvolumen zu verringern. Zusätzlich zu dem für zwei separate Vorrichtungen erforderlichen Volumen ist das zusätzliche Volumen erforderlich für Leitungswege für zwei Vorrichtungen mehr als für eine einzelne kombinierte Vorrichtung.

Integrierte Resonator-Filter-Vorrichtungen sind aus der FR 1.586.317, DE 26.16.861 A und FR 1.207.490 bekannt. Alle diese Resonator-Filter- Vorrichtungen offenbaren ein zylindrisches Filterelement mit einem offenen Filter- Inneren. Der Luftfluss ist von außerhalb des Filterelements in das offene Filter- Innere in Richtung des Resonators gerichtet. Dementsprechend erfordern Resonator-Filter-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik Gehäuse mit größeren Durchmessern als die jeweiligen Filterelemente und gewährleisten nicht einen innenseitigen durchgängigen Fluss. Außerdem weisen die Gehäuse Lufteinlässe auf, die rechtwinklig zu den jeweiligen Luftauslässen sind und lassen sich z.B. nicht platzsparend direkt in eine Leitung einsetzen.

Es lässt sich daraus ableiten, dass eine neue verbesserte Resonator- und Filter- Vorrichtung gebraucht wird, die weniger Volumen als herkömmliche Vorrichtungen einnimmt. Eine derartige Vorrichtung soll den Gebrauch eines einzelnen Volumens gewährleisten können zur Unterbringung sowohl der Resonator- als auch der Filter-Vorrichtung. Zusätzlich sollte die Filter-Vorrichtung einen im Wesentlichen innenseitigen, gerade durchgängigen Fluss gewährleisten können, der in eine Resonator-Vorrichtung führen kann. Die Vorrichtung sollte außerdem direkt innenseitig in eine Leitung oder eine andere Kammer einsetzbar sein und dabei weniger Volumen einnehmen. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf all dies ebenso wie auf andere mit Filter- und Resonator-Vorrichtungen verbundene Einzelheiten.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine integrierte Resonator-Filter- Vorrichtung zum Filtern von Fluid und zum Reduzieren von Geräusch. Die Vorrichtung weist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein kannuliertes Filterelement auf. Stromabwärts von dem Filterelement ist eine Resonator-Vorrichtung in dasselbe Gehäuse integriert. Ein Helmholtz-Resonator mit einer Einschließung mit einem geraden Rohr von solchen Abmessungen, dass die Einschließung bei einer einzigen Frequenz in Resonanz schwingt, die von der Geometrie des Resonators festgelegt ist, findet in verschiedenen Ausgestaltungen Anwendung. Die Resonator-Vorrichtung ist allgemein direkt mit einer Leitung gekoppelt, die in einen Motorraum oder eine andere Geräuschquelle führt. Der Resonator und der Filter sind in einer integral ausgebildeten Vorrichtung untergebracht und teilen sich in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Gehäuse, das sich in eine Leitung kontinuierlich integrieren lässt und so als Abschnitt der Leitung dient.

Diese Merkmale von Neuheit und verschiedene andere Vorzüge, die die Erfindung kennzeichnen, sind im Einzelnen in den hier angefügten Ansprüchen aufgezeigt und bilden einen Teil hiervon. Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und der Ziele, die durch ihre Verwendung erreicht werden, seien die Zeichnungen in Betracht zu ziehen, die einen weiteren Teil hiervon bilden, sowie die beigefügte Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt und beschrieben ist.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugslettern und -ziffern zusammengehörige Elemente in den unterschiedlichen Ansichten:

Fig. 1 zeigt eine räumliche Ansicht eines zweiseitigen kannulierten Filtermediums für die Filtervorrichtung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A-2B zeigen schematische Ansichten des Verfahrens der Herstellung des Filtermediums gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine räumliche Ansicht des kannulierten Filtermediums, das zu einer Blockgestalt entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung geschichtet ist;

Fig. 4 zeigt eine detaillierte räumliche Ansicht einer Schicht eines einseitigen Filtermediums für das Filterelement gemäß Fig. 3;

Fig. 5 zeigt eine räumliche Ansicht des Filtermediums, das in eine zylindrische Gestalt gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung als Spirale gewickelt ist;

Fig. 6 zeigt eine detaillierte räumliche Ansicht eines Abschnitts des zu einer Spirale gewickelten kannulierten Filtermediums für das Filterelement gemäß Fig. 5;

Fig. 7 zeigt eine stirnseitige Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Resonator- und Filter-Vorrichtung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 zeigt eine teilweise geschnittene Draufsicht der Resonator- und Filter- Vorrichtung gemäß Fig. 7;

Fig. 9 zeigt eine seitliche, geschnittene Ansicht der Resonator- und Filter- Vorrichtung entlang der Linie 9-9 in Fig. 8;

Fig. 10 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausgestaltung einer Resonator- und Filter-Vorrichtung;

Fig. 11 zeigt eine teilweise geschnittene Draufsicht der Resonator- und Filter-Vorrichtung gemäß Fig. 10;

Fig. 12 zeigt eine stirnseitige Ansicht einer dritten Ausgestaltung einer Resonator- und Filter-Vorrichtung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 zeigt eine Seitenansicht entlang der Linie 13-13 in Fig. 12;

Fig. 14 zeigt eine stirnseitige Ansicht einer vierten Ausgestaltung einer Resonator- und Filter-Vorrichtung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 zeigt eine geschnittene Ansicht der Resonator- und Filter- Vorrichtung entlang der Linie 15-15 in Fig. 14;

Fig. 16 zeigt eine geschnittene Ansicht entlang der Linie 16-16 des Resonators der Resonator- und Filter-Vorrichtung gemäß Fig. 15;

Fig. 17 zeigt eine stirnseitige Ansicht einer fünften Ausgestaltung einer Resonator- und Filter-Vorrichtung entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 18 zeigt eine Seitenansicht der Resonator- und Filter-Vorrichtung entlang der Linie 18-18 in Fig. 17;

Fig. 19 zeigt eine räumliche Ansicht eines modularen Filters/Resonators, der an einem Einlass-Stutzen einer typischen Verbrennungsmaschine angebracht ist;

Fig. 20 zeigt eine räumliche Ansicht einer integrierten Filter-Resonator- Vorrichtung, die in den Einlass-Stutzen einer Verbrennungskraftmaschine integriert ist;

Fig. 21 zeigt eine räumliche Ansicht einer integralen Resonator- und Filter- Vorrichtung, bei der das Resonator-Volumen in den Einlass-Stutzen stromabwärts des Filterelementes integriert ist; und

Fig. 22 zeigt eine grafische Darstellung der Geräuschverminderung über der Frequenz für die Resonator-Vorrichtung gemäß Fig. 14.

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Schicht eines zweiseitigen, durchlässigen, Kanal-Filtermediums gezeigt, das insgesamt mit 22 bezeichnet ist. Das Kanal-Filtermedium 22 weist eine Vielzahl von Kanälen 24 auf, die ein modifiziertes welliges Material bilden. Die Kanalkammern 24 sind von einer mittigen Kanallage 30 gebildet, die alternierend Wellenberge 26 und Wellentäler 28 bilden und zwischen Seitenlagen 32 angebracht sind, die eine erste Seitenlage 32A und eine zweite Seitenlage 328 umfassen. Die Wellentäler 28 und Wellenberge 26 teilen die Kanäle in eine obere Reihe und eine untere Reihe. In der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration bilden die oberen Kanäle Kanalkammern 36, die an dem stromabwärts gerichteten Ende verschlossen sind, während am stromaufwärts gerichteten Ende geschlossene Kanäle 34 die untere Reihe der Kanalkammern bilden. Die Kanalkammern 34 sind von einem ersten Abschlusspfropf 38 verschlossen, der einen Abschnitt des stromaufwärts gerichteten Endes des Kanals zwischen der Kanallage 30 und der zweiten Seitenlage 32 ausfüllt. Ähnlich verschließt ein zweiter Abschluss 40 das stromabwärts gerichtete Ende der alternierenden Kanäle 36. Klebstoffspuren 42 verbinden die Wellenberge 26 und Wellentäler 28 der Kanäle 24 mit den Seitenlagen 32A und 32B. Die Kanäle 24 und die Abschlüsse 38 und 40 liefern ein Filterelement, das ohne ein Gehäuse strukturell selbsttragend ist.

Beim Filtern kommt ungefiltertes Fluid in die Fluidkammern 36, deren stromaufwärts gerichtetes Ende offen ist - wie durch die schattierten Pfeile angedeutet. Beim Eindringen in die Kanalkammern 36 wird der ungefilterte Fluidfluss von dem zweiten Abschluss 40 behindert. Demzufolge wird das Fluid gezwungen, durch die Kanallage 30 oder die Seitenlagen 32 seinen Weg fortzusetzen. Beim Durchdringen durch die Kanallage 30 oder die Seitenlagen 32 des ungefilterten Fluids wird das Fluid durch die Filtermedium-Schichten gefiltert - was durch die nicht schattierten Pfeile angedeutet ist. Das Fluid kann dann frei durch die Fluidkammern 34 hindurchgehen, deren stromaufwärts gerichtetes Ende verschlossen ist, und an dem stromabwärts gerichteten Ende aus dem Filtermedium 22 ausströmen. Bei der dargestellten Konfiguration lässt sich das ungefilterte Fluid durch die Kanallage 30, die obere Seitenlage 32A oder die untere Seitenlage 32B in eine Kanalkammer 34 filtern, die auf ihrer stromabwärts gerichteten Seite offen ist.

Mit Bezug auf Fig. 2A und 2B ist der Herstellungsprozess des Kanal- Filtermediums dargestellt, das zum Bilden von Filterelementen gestapelt oder gerollt sein kann, was im Folgenden erläutert werden wird. Es ist erkennbar, dass dann, wenn das Filtermedium geschichtet oder spiralförmig geformt wird und dabei einander benachbarte Schichten miteinander in Berührung stehen, nur eine Seitenlage 32 erforderlich ist, weil sie als Oberseite einer Kanalschicht dienen kann und die untere Lage für eine weitere Kanalschicht. Folglich ist erkennbar, dass die Kanallage 30 nur an einer Seitenlage 32 angebracht werden muss.

Wie in Fig. 2A dargestellt ist, kommt eine erste Filtermedium-Lage 30 aus einer Serie von Rollen zu gegenüberliegenden Krempelrollen, die eine zusammenwirkende Einheit bilden. Die Rollen 44 haben ineinander kämmende gewellte Oberflächen zum Krempeln der ersten Lage 30, während sie zwischen den Rollen 44 und 45 eingezwängt ist. Wie in Fig. 2B dargestellt ist, werden die erste nun gewellte Lage 30 und eine zweite flache Filtermedium-Lage 32 zusammen in eine zweite zusammenwirkende Einheit zugeführt, der zwischen der ersten der Krempelrollen 44 und einer gegenüberliegenden Rolle 45 angeordnet ist. Ein Dichtmittel-Applikator 47 bringt Dichtmittel 46 entlang einer oberen Oberfläche der zweiten Lage 32 vor einem Eingriff zwischen der Krempelrolle 44 und der gegenüberliegenden Rolle 45 auf. Zu Beginn eines Produktionslaufes fallen die Lagen weg, während die erste Lage 30 und die zweite Lage 32 durch die Rollen 44 und 45 hindurchgehen. Während aber das Dichtungsmittel 46 aufgebracht wird, bildet das Dichtungsmittel 46 erste Abschlusspfropfen 38 zwischen der Kanallage 30 und der Seitenlage 32. Die Täler 28 haben Befestigungsstellen 42, die in zueinander beabstandeten Intervallen in ihrem Scheitelpunkt angebracht sind oder anderwärtig an der Seitenlage 32 befestigt sind, um so Kanalkammern 34 zu bilden. Die sich ergebende Struktur der Seitenlage 32, die an einer Kante mit der Kanallage 30 abgedichtet ist, ist ein einseitiges, schichtbares Filtermedium 48 gemäß Fig. 4.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist erkennbar, dass die einseitige Filtermedium-Schicht 48 mit einer einzelnen Rückenlage 32 und einem einzelnen Endabschluss 38 sich schichten lässt und so ein blockartiges Filterelement bildet, das insgesamt mit 50 bezeichnet ist. Ein zweiter Abschluss 40 wird auf einer gegenüberliegenden Kante außerhalb der Kanäle abgelegt, so dass benachbarte Schichten 48 dem Block 50 zugefügt werden können. Auf diese Weise werden die ersten Endabschlüsse 38 zwischen der Oberseite der Seitenlage und der Unterseite der Kanallage 30 abgelegt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, während der Abstand zwischen der Oberseite der Kanallage 30 und der Unterseite der Seitenlage 32 einen zweiten Abschluss 40 aufnimmt. Zusätzlich werden die Wellenberge 26 an dem Boden der Seitenlage 32 befestigt und bilden so Kanäle 36. Auf diese Weise ergibt sich ein Block eines Filtermediums mit Kanälen unter Verwendung der Kanalschichten 48 gemäß Fig. 4. Das Filterelement 50 umfasst benachbarte Kanäle mit alternierenden ersten geschlossenen Enden und zweiten geschlossenen Enden zum Sicherstellen von im Wesentlichen durchgängigem Fluss des Fluids zwischen dem stromaufwärts liegenden Fluss und dem stromabwärts liegenden Fluss.

Nun mit Bezug auf Fig. 5 und 6 ist erkennbar, dass das in Fig. 4 dargestellte einseitige Filtermedium 48 sich spiralförmig wickeln lässt, um so ein zylindrisches Filterelement 52 zu bilden. Das zylindrische Filterelement 52 ist um eine Mittelspule 54 oder ein anderes Element gewickelt, das ein Anbringungsteil zum Wickeln darstellen kann, welches abnehmbar sein kann oder in der Mitte stecken bleibt. Es ist erkennbar, dass unrunde Wickel-Mittelteile verwendbar sind zur Herstellung anderer Formen des Filterelementes wie z.B. eines Filterelementes mit einem länglichen oder ovalen Profil. Wenn der erste Abschluss 38 gemäß Fig. 4 schon auf der Filtermedium-Schicht 48 abgelegt ist, wird es erforderlich, mit der Abdichtungsvorrichtung 47 einen zweiten Abschluss 40, wie in Fig. 5 dargestellt, am oberen Ende auf der Oberseite der Kanalschicht 30 abzulegen. Dazu dient die Seitenlage 32 sowohl als innere Seitenlage als auch als äußere Seitenlage, was im Detail in Fig. 6 erkennbar ist. Auf diese Weise ist eine einzelne in Schichten gewickelte Seitenlage 32 das einzig erforderliche zum Bilden eines zylindrischen Kanal-Filterelementes 52. Es ist erkennbar, dass der äußere Umfang des Filterelementes 52 geschlossen sein muss, um so zu verhindern, dass die Spirale sich abwickelt, und um ein Element zu liefern, das sich gegen ein Gehäuse oder eine Leitung abdichten lässt. Obwohl in der dargestellten Ausgestaltung die einseitigen Filtermedium-Schichten 48 mit ihrer flachen Seite 32 nach außen gewickelt sind, sind Verwendungen denkbar, bei denen die flache Seite 32 auf der Innenseite der gewellten Lage 30 gewickelt ist.

Nun mit Bezug auf Fig. 7-9 ist eine erste Ausgestaltung einer integrierten Filter- und Helmholtz-Resonator-Vorrichtung dargestellt, die insgesamt mit 60 bezeichnet ist. Die Filter- und Geräusch-Steuerungsvorrichtung 60 umfasst Filterelemente 62, die als parallele Fluid-Fließwege ausgebildet sind. In der bevorzugten Ausgestaltung sind die Filterelemente 62 spiralförmige Kanal-Filterelemente, wie sie in Fig. 5 und 6 erkennbar sind. Luft gelangt in die Elemente 62 durch einen vergrößerten Einlass 64 und verlässt sie durch einen reduzierten Auslass 66. Ein Gehäuse 68 hält die Elemente in einer Anordnung Seite an Seite, und ein koaxiales Helmholtz-Resonator-Rohr 70 ist zwischen und mit Abstand. von den Filterelementen 62 angeordnet und im Wesentlichen mit dem Auslass 66 ausgerichtet. Dichtungen 72 und 74 halten die Filterelemente in einer abgedichteten Konfiguration, welche das Fluid durch die Elemente zwingt und Unreinigungen daran hindert, an den Filterelementen 62 vorbeizuströmen. Obwohl die Filter- und Resonator-Vorrichtung 60 einzeln dargestellt ist, ist erkennbar, dass zusätzliche Leitung sich an dem Einlass 64 anschließen lässt, um so Fluid von anderer Stelle herzuleiten.

Zusätzlich zu dem koaxialen Resonator-Rohr 70 schafft das Volumen, welches das Filterelement 62 umgibt, ein Helmholtz-Resonator-Volumen, das sich so einstellen lässt, dass es induziertes Geräusch steuert, welches von der betriebenen Maschine erzeugt wird. Die Anordnung des koaxialen Resonator-Rohres 70 liegt auf der Auslass-Seite des Filterelementes 62, um so Geräusch zu steuern, das direkt von einer stromabwärts liegenden Maschine kommt. Das koaxiale Design verbessert den Verbindungspfad des Helmholtz-Resonators mit dem Maschinengeräusch, das sich direkt durch den Hohlraum zur stromabwärts gerichteten Seite des Filterelementes 62 fortleitet.

Nun mit Bezug auf Fig. 10 und 11 ist eine zweite Ausgestaltung der integrierten Filter/Helmholtz-Resonator-Vorrichtung dargestellt, die insgesamt mit 80 bezeichnet ist. Die Resonator- und Filter-Vorrichtung 80 weist ein Gehäuse 82 mit einem Filterelement 84 auf, ein Helmholtz-Resonator-Volumen 81 und ein koaxiales Helmholtz-Resonator-Rohr 86. In der in Fig. 10 und 11 dargestellten Ausgestaltung ist das Filterelement 84 ein im Wesentlichen blockartiges Filter unter Verwendung des Kanal-Filtermediums 50 gemäß Fig. 3. Fluid gelangt durch einen Einlass 88 in das Gehäuse 82 und verlässt es bei einem Auslass 90. Der Auslass 90 stellt in einer bevorzugten Ausgestaltung eine direkte Verbindung zu einem Ansaug-Hohlraum einer Maschine her. Obwohl das dargestellte Filterelement 84 ein quadratisches Querschnittsprofil aufweist, ist erkennbar, dass dieses Profil in geeigneter beliebiger Gestalt geformt sein kann zur Optimierung des Filterbereichs und Ausnutzung des verfügbaren Raumes.

Der von dem Filterelement 84 stromabwärts gerichtete Bereich weist eine sich verengende Kammer 92 auf, die das koaxiale Helmholtz-Resonator-Rohr 86 umgibt. Das koaxiale Resonator-Rohr erstreckt sich im Wesentlichen mit der vorherrschenden Stromrichtung und biegt sich aufwärts an seinem stromaufwärts gerichteten Ende in einen Eingriff mit einer Öffnung in der Wand der sich verengenden Kammer 92. Es ist erkennbar, dass das Volumen zwischen dem Gehäuse 82 und der Kammer 92 das Helmholtz-Resonator-Volumen 81 bildet.

Mit Bezug auf Fig. 12 und 13 ist nun eine dritte Ausgestaltung einer integralen Filter- und Helmholtz-Resonator-Vorrichtung dargestellt, die insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Die Resonator- und Filter-Vorrichtung 100 umfasst einen Tandern- Helmholtz-Resonator 102 und einen Filterabschnitt 104, der sich stromaufwärts von dem Resonatorabschnitt 102 befindet. Ein Gehäuse 106 weist einen Einlass 108 im Bereich des Filters 104 auf sowie einen Auslass 110 stromabwärts von dem Resonatorabschnitt 102. Der Helmholtz-Resonator 102 weist ein Volumen 112 und ein koaxiales Rohr 114 auf, das im Wesentlichen koaxial mit dem Auslass 110 ist und einen stromaufwärts gerichteten Endabschnitt 116 aufweist, der zu seiner radialen Erstreckung gebogen ist, um so eine Öffnung in der Wand einer Resonations-Volumenkammer zu erreichen. Der Filter 104 kann eine radiale Dichtung 120 aufweisen, die eine Abdichtung um den Umfang des Filters 104 mit dem Gehäuse 106 bildet. Die Abdichtung 120 ist mit dem Körper des Filterelementes 104 in einer bevorzugten Ausgestaltung integral geformt. In der bevorzugten Ausgestaltung ist das Filter 104 ein Kanal-Filterelement gemäß Fig. 5 und 6. Der Auslass 110 ist bei Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine direkt mit einem Maschinenansaughohlraum verbunden.

Es ist erkennbar, dass mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 12 und 13 der Tandern- Helmholtz-Resonator/Filter-Apparat 100 mit einer Einlassleitung oder einem Schnorchel gekoppelt sein kann, um so sehr wenig zusätzliches Volumen des Motorraums zu beanspruchen. Auf diese Weise kann die Maschine einen Einlass haben, der außerhalb des Maschinenraums angeordnet ist, während der Tandem-Resonator- und Filterapparat 100 in dem Maschinenraum angeordnet ist.

Mit Bezug auf Fig. 14 bis 16 ist eine vierte Ausgestaltung einer integralen Filter- und Helmholtz-Resonator-Vorrichtung dargestellt, die insgesamt mit 120 bezeichnet ist. Wie bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 12 und 13 weist die Resonator- und Filter-Vorrichtung 120 einen Helmholtz-Resonator 122 und einen Filterabschnitt 124 auf. Ein Gehäuse 126 weist einen Einlass 128 und einen Auslass 130 auf. Der Filter kann eine Dichtung 132 aufweisen, die eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 126 und dem Umfang eines Filterelementes 134 bildet. Die Dichtung 132 sorgt dafür, das stromaufwärts gerichtete Ende des Gehäuses 126 zu entfernen und das Filterelement 134 zu ersetzen.

Der Helmholtz-Resonator 122 weist ein ringförmiges Rohr 136 auf, das sich von dem Auslass 130 stromaufwärts in den Resonatorabschnitt 122 erstreckt. Zusätzlich erstreckt sich ein koaxiales Rohr 138 stromabwärts in das ringförmige Rohr 136. Das ringförmige Rohr 136 öffnet sich an seinem stromaufwärts gerichteten Ende zwischen einem sich erweiternden Bereich 140 des koaxialen Rohres 138 und dem Helmholtz-Resonator-Volumen 142. Zusätzlich öffnet sich das koaxiale Rohr 138 an seinem stromabwärts gerichteten Ende zu dem ringförmigen Rohr 136. Demzufolge bildet sich eine offene ringförmige Passage zwischen dem Auslass 130 am stromabwärts gerichteten Ende und dem Helmholtz-Resonator- Volumen 1142 an seinem stromaufwärts gerichteten Ende. Durch Dimensionierung der Verbindungsbereiche, des Helmholtz-Rohres, das von den Rohren 136 und 138 geschaffen ist, und des Resonators 142 zum Anpassen an die Wellenlängen der gegebenen Geräuschfrequenzen lässt sich das Geräusch mittels der vorliegenden Erfindung wesentlich reduzieren. Zusätzlich bleiben die zuvor genannten Vorteile der anderen Ausgestaltungen mit Bezug auf die Positionierung des Einlasses und des erforderlichen Volumens erhalten. Wie in Fig. 16 dargestellt, kann das koaxiale Rohr abgeflachte Seitenabschnitte 144 aufweisen, die die Größe der Passage zwischen dem koaxialen Rohr 136 und dem ringförmigen Rohr 138 weiter reduzieren. Auf diese Weise werden zwei einander gegenüberliegende Kammern - eine obere und eine untere gemäß Fig. 16 - in dem Helmholtz-Verbindungsrohr zum Resonator-Volumen 142 geschaffen. Dies sorgt für zusätzliche Geräuschreduktion und eine bessere Präzision bei der Anpassung an die angepeilten Geräusch-Wellenlängen.

Mit Bezug auf Fig. 17 und 18 ist eine fünfte Ausgestaltung einer integralen Helmholtz-Resonator/Filter-Vorrichtung dargestellt, die insgesamt mit 150 bezeichnet ist. Die integrale Resonator/Filter-Vorrichtung 150 weist einen Helmholtz- Resonator 152 und einen Filterbereich 154 auf. Ein Gehäuse 156 umfasst einen Einlass 158 und einen Auslass 160.

In der bevorzugten Ausgestaltung ist ein Filterelement 162 ein zylindrisches Kanal-Filterelement gemäß Fig. 5 und 6. Das Kanal-Filterelement 162 weist vorzugsweise eine Dichtung 164 auf, die zwischen dem Filterelement 160 und dem Gehäuse 156 liegt. Wie bei den anderen Ausgestaltungen ist ein Helmholtz- Resonator 152 stromabwärts von dem Filterelement 162 angeordnet. Der Helmholtz-Resonator 152 weist ein Verbindungsrohr 166 auf, das sich in ein Volumen 168 stromaufwärts des Verbindungsrohres 166 erstreckt. Das Verbindungsrohr erstreckt sich in den Auslass 160. Eine zweite Resonationsstruktur umfasst verbundene Kammern mit einer Verbindungskammer 170 am Auslass 160, in dem sich das Verbindungsrohr 166 teilweise erstreckt. Zusätzlich erstreckt sich die Verbindungskammer 170 stromabwärts über das Verbindungsrohr 166 hinaus und nimmt Strömung aus dem Auslass 160 auf. In dem Gehäuse 156 ist eine Resonationskammer 172 angeordnet, die den vergrößerten Abschnitt des Helmholtz-Volumens 168 umgibt. Die unterschiedlichen Resonator-Strukturen sorgen für eine Geräuschverminderung über einen großen Frequenzbereich. Die unterschiedlichen Elemente können so konfiguriert sein, dass bestimmte Frequenzen in dem weiten Bereich sich genau einstellen lassen.

Mit Bezug auf Fig. 19 bis 21 sind Ausgestaltungen einer Filtervorrichtung dargestellt, die in einem Einlass-Stutzen angeordnet sind. Wie in Fig. 19 erkennbar ist, weist eine integrale Filter/Resonator-Vorrichtung 200 einen Resonator-Abschnitt 202 auf mit einem Filterabschnitt 204, der aus getrennten modularen Komponenten bestehen kann, die zusammengesetzt sind und so die integrale Resonator/Filter-Einheit 200 bilden. Die Resonator/Filter-Vorrichtung 200 ist stromaufwärts des Maschinenstutzens 206 und des Drosselkörpers 208 montiert. Eine Leitung 210 verbindet den Drosselkörper mit der Auslass-Seite des Resonators 200, so dass der Resonator sich in direkter Fluidverbindung mit der Geräuschquelle an dem Stutzen 206 befindet. Es ist erkennbar, dass in der dargestellten Ausgestaltung die Resonator/Filter-Vorrichtung 200 einen Bereich der Leitung stromaufwärts des Stutzens 206 bildet. In dieser Anordnung ist zusätzlicher Bauraum oder zusätzliche Leitung zur Verbindung mit einer beabstandeten Vorrichtung zum Filtern oder zur Geräuschverminderung nicht erforderlich. Es ist außerdem erkennbar, dass zusätzliche Leitung an dem Filterelement 204 angeschlossen werden kann, um so Luft von einer entfernten Stelle anzusaugen.

Mit Bezug auf Fig. 20 nun ist eine zweite Ausgestaltung einer Resonator/Filter- Vorrichtung 220 dargestellt, die einen Filterabschnitt 222 und einen Resonatorabschnitt 224 aufweist, die zusammengesetzt sind, um so die Filter/Resonator- Einheit 220 zu bilden. Die Resonator/Filter-Vorrichtung 220 ist stromaufwärts von dem Einlass-Stutzen 226 und dem Drosselkörper 228 montiert und ist direkt mittels einer Leitung 230 verbunden. In der dargestellten Ausgestaltung sind die Filter- und Resonator-Vorrichtung Teil der Leitung, die sich durch das Innere des Stutzens so erstreckt, dass kein zusätzlicher Bauraum erforderlich ist. Die Stutzenläufer bilden die äußere Schicht der Resonatorkammer 224 und bieten so Abstützung, während sie das von dem Resonatorabschnitt 224 abgestrahlte Geräusch reduzieren. Es ist erkennbar, dass der Resonatorabschnitt 224 durch die Leitung 230 in direkter Verbindung zur Geräuschquelle steht, um so die Geräuschverminderung weiter zu verbessern. Es ist außerdem erkennbar, dass zusätzliche Leitung an dem Einlass angeschlossen werden kann, um so Luft aus einer entfernten Quelle anzusaugen.

Gemäß Fig. 21 ist eine weitere Ausgestaltung einer Resonator/Filter-Vorrichtung 240 dargestellt. Die Resonator/Filter-Vorrichtung ist in den Einlass-Stutzen 248 integriert. In der dargestellten Ausgestaltung umfasst der Helmholtz-Resonator 242 ein großes Volumen in dem Bogen der Stutzenläufer. Auf diese Weise bilden die Stutzenläufer die äußere Schicht des Resonator-Volumens und bieten außerdem Abstützung, während sie das von der Schale des Volumens abgestrahlte Geräusch reduzieren. Ähnlich zu anderen Ausgestaltungen verbindet das Helmholtz-Resonator-Rohr die Einlassleitung zwischen dem Filter 240 und dem Drosselkörper 250. Folglich ist das Resonator-Rohr integral mit dem Einlass- Hohlraum 252. Der Filterabschnitt 244 ist über ein Rohr 246 mit dem Resonatorabschnitt 242 verbunden. Der Filter und der Resonator sind stromaufwärts von dem Stutzen 248 und dem Drosselkörper 250 und über einen Einlass-Hohlraum 252 verbunden. In der dargestellten Konfiguration ist das Filterelement 244 direkt stromaufwärts von dem Hohlraum 252 und dem Stutzen 248 angeordnet. Es ist erkennbar, dass der Bauraum auf der Innenseite des Stutzens 248 als Resonator-Volumen verwendet wird, so dass sehr wenig zusätzlicher Bauraum erforderlich ist. Darüber hinaus ist in der Leitung stromaufwärts von dem Hohlraum 252 das Filterelement 244 integriert, so dass kein zusätzlicher Bauraum für das Filter erforderlich ist.

Mit Bezug auf Fig. 22 ist ein typischer Kurvenverlauf einer Geräuschverminderung in Dezibel über einen Frequenzbereich entsprechend der Helmholtz- Resonator-Struktur dargestellt. Erkennbar ist die Verminderung beträchtlich, insbesondere im Bereich zwischen 70 und 100 Hz. Die Kurve gilt für die Helmholtz- Resonator-Filtervorrichtung 120 gemäß Fig. 14 bis 16. Durch Einstellung der Resonator-Struktur 122 zur Anpassung an bestimmte Wellenlängen von Geräusch in entsprechenden Frequenzen wird das Gesamtgeräusch wesentlich reduziert. Variationen von Volumina, Längen, Durchmessern und relativen Anordnungen sorgen für die Elimination von angepeilten Wellenlängen.

Wenn die Länge des Resonator-Verbindungsrohres und sein Volumen insgesamt einen konstanten Bereich haben und nicht Erweiterungen oder Verengungen ausgesetzt sind, lässt sich die maximale Geräuschverminderungs-Frequenz des Helmholtz-Resonators unter Verwendung der folgenden Gleichung abschätzen:

TAN ((2 π fr It)/C) TAN ((2 π fr Iv)/C) = At/Av

wobei TAN die trigonometrische Tangenzfunktion ist,

π = 3.14159,

C = Schallgeschwindigkeit,

It = Verbindungsrohrlänge,

Iv = Länge des Volumens, durch das Schall hindurchgeht,

At = Fläche des Verbindungsrohres,

Av = Querschnittfläche des Volumens und

fr = maximale Geräuschverminderungs-Frequenz.

Die genannte Gleichung lässt sich auf die Ausgestaltungen 60, 80, 100, 120 und 180 anwenden.

Wenn das Resonator-Verbindungsrohr oder -volumen seine Querschnittsfläche entlang der Länge der Schallausbreitung, wie z.B. Ausgestaltung 150, verändert, lässt sich die zuvor genannte Formel nicht direkt anwenden. In diesem Fall ist das Rohr, das Volumen und das Luftfilter mit einem Computer zu modellieren und sein Verhalten zu evaluieren, um die Resonanzfrequenz genau zu bestimmen. Die zuvor genannte Gleichung liefert eine Annäherung der Resonanzfrequenz für ein gegebenes Volumen und Verbindungsrohr. Eine alternative Methode gegenüber der Computermodellierung ist eine Prototypen-Konstruktion, Test und Evaluation.

Wenn die Länge des Verbindungsrohres und des Volumens kleiner sind als 1/10 der Wellenlänge der Geräuschfrequenz der maximalen Minderung, lassen sich die. Helmholtz-Gleichungen, die dem Fachmann wohlbekannt sind, verwenden, um die Verbindungsrohrlänge und -fläche, das Volumen und die Resonanzfrequenz miteinander in Beziehung zu setzen. Diese Bedingung ist aber allgemein von den Verbindungsrohrlängen der dargestellten Ausgestaltungen und dem Frequenzbereich verletzt, auf den sich das Interesse richtet.

Die Verminderung in Dezibel lässt sich nicht genau schätzen, weil sie von Strömungsverlusten in dem Verbindungsrohr und den Zugängen zwischen dem Rohr und dem Volumen abhängt. Eine Testvorrichtung ist zu konstruieren und die Verminderung zu messen.

Es ist erkennbar, dass trotz der Darstellung zahlreicher Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der vorangegangenen Beschreibung zusammen mit Details der Struktur und Funktion der Erfindung die Offenbarung nur illustrativ zu verstehen ist und dass Veränderungen im Detail, insbesondere in Bezug auf die Gestalt, Größe und Anordnung der Teile innerhalb des Wesens der Erfindung in dem vollen Umfang vorgenommen werden können, der von der breiten, generellen Bedeutung der Formulierung dargestellt ist, die für die beigefügten Ansprüche gewählt wurde.


Anspruch[de]

1. Eine in eine Leitung integrierbare (in-line) Resonator- und Filter-Vorrichtung (60) für ein Gehäuse mit einer Strömung, die dort hindurch von stromaufwärts nach stromabwärts geht, mit

einem Filtermittel (52),

einer Resonationskammer, die in dem Gehäuse stromabwärts des Filtermittels im Bereich offener stromabwärts gerichteter Enden angeordnet ist;

einem Rohr (70), das in der Resonationskammer angeordnet ist;

wobei der Resonator und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet sind, dass

das Filtermittel in-line in dem Gehäuse angeordnet ist, das Filtermittel eine Kanallage (30) und mindestens eine Seitenlage (32) aufweist, welche Kanalkammerwände bilden, die eine Vielzahl von Kanalkammern (34) umgrenzen, die sich in Längsrichtung erstrecken, mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende, wobei benachbarte Kammern alternierend einander gegenüberliegende offene und geschlossene Enden aufweisen, wobei Strömung in offene stromaufwärts gerichtete Enden und durch die Kanalkammerwände und aus offenen stromabwärts gerichteten Enden hinausfließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filtermittel (52) und die Resonationskammern integral in einem einzelnen Gehäuse (68) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rohr (70) sich längs in dem Gehäuse erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das kanulierte Filtermittel ein erstes Filterelement (62) und ein zweites Filterelement (62) aufweist, die Seite an Seite in dem Gehäuse angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Resonationskammer (68) die Filterelemente (62) umgibt.

6. In-line Resonator- und Filter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung an einer Maschine anbringbar ist, wobei die Maschine einen Ansaugstutzen (206) aufweist, mit bogenförmigen Läufern, wobei die Resonationskammer (224) mit dem Einlass-Stutzen in Verbindung steht, der in einem von den Bogenteilen ausgebildeten Raum angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filterelement (84) einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filtermittel ein Filtermodul (204) aufweist und die Resonationskammer in einem Resonator-Modul (202) ausgebildet ist, das zum Kontakt mit dem Filtermodul konfiguriert ist.

9. In-line Resonator- und Filter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kanulierte Filtermittel erste und zweite parallele Filterelemente (62) aufweist, die sich längs in dem Gehäuse erstrecken.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Rohr (70) koaxial mit einem Auslass (66) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei jedes der Filterelemente (62) zugeordnete Dichtungsmittel (64) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Filterelemente (62) zylindrisch sind.

13. In-line Resonator- und Filter-Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich mit:

einer ringförmigen Rohrbaugruppe mit einem ersten Rohr (138), das mit der stromabwärts gerichteten Seite des Filterelementes in Verbindung steht, und einem zweiten Rohr (136), das sich koaxial mit dem ersten Rohr radial nach außen von dem ersten Rohr erstreckt und sich an einem stromaufwärts gerichteten Ende zu der Resonationskammer (142) öffnet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich mit ersten und zweiten Resonatoren (172, 168), die koaxial mit dem Gehäuse (156) ausgerichtet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der erste Resonator (172) eine Kammer aufweist, mit einem rohrförmigen Bereich (166), der sich in die Kammer von dem stromabwärts gerichteten Ende erstreckt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der zweite Resonator (168) eine Kammer aufweist, die den ersten Resonator umgibt und Fluidströmung aus dem Filterelement (162) aufnimmt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Auslass einen Bereich einer stromabwärts gerichteten Leitung (252) aufweist mit einem reduzierten Querschnitt, und wobei der rohrförmige Abschnitt sich mindestens teilweise in den Auslass erstreckt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Filtermittel und die Resonationskammer koaxial ausgerichtet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 oder 18, wobei das Gehäuse (82) einen Einlass (88) aufweist sowie einen Auslass (90), der koaxial mit dem Einlass ist.







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