DE10243884A1

DE10243884A1 - Resonatorschalldämpfer

Info

Publication number: DE10243884A1
Application number: DE10243884A
Authority: DE
Inventors: Helmut Spannbauer
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2002-09-21
Filing date: 2002-09-21
Publication date: 2004-04-01
Also published as: DE50307856D1; EP1400662A1; ATE369485T1; EP1400662B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer, insbesondere einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei wenigstens ein schallführendes Element wenigstens eine Resonatorkammer enthält, die durch ein Lochblech vom korrespondierendem Strömungskanal getrennt ist und dadurch nach dem Prinzip eines Helmholtz Resonators aufgebaut ist, wobei das Lochblech im direkten Bereich der darin angeordneten Löcher an wenigstens einem Loch eine veränderte Wandstärke aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 198 18 873 ist ein Schalldämpfer für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und nachgeordnetem Ladeluftkühler bekannt. Dieser basiert auf dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators und enthält wenigstens eine Kammer, die durch ein Lochblech vom zugeordneten Strömungskanal getrennt ist. Dabei kann dieser Schall dämpfer im Abgasturbolader oder in den zu- oder abführenden Strömungskanälen angeordnet sein. Die Lochtiefe und damit die wirksame Resonatorhalslänge wird allein über die konstante Blechdicke des Lochblechs bestimmt. Hier ergibt sich der Nachteil, dass bei dem gewünschten zu dämpfenden Frequenzbereich auf Grund des oft sehr geringen zur Verfügung stehenden Bauraums und der durch die durch die Stärke des Lochblechs fest vorgegebene Resonatorhalslänge ein Kompromiss eingegangen werden muss.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die oben aufgeführten Nachteile zu vermeiden und einen Schalldämpfer zu schaffen, der leicht herzustellen ist, einen geringen Bauraum einnimmt und eine sehr große Variabilität bei dem zu dämpfenden Frequenzbereich besitzt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer arbeitet nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators, wobei wenigstens ein schallführendes Element dieses Schalldämpfers wenigstens eine Resonatorkammer enthält, die durch ein Lochblech vom korrespondierenden Strömungskanal getrennt ist. Das Lochblech kann hierbei in Form einer Röhre oder sonstigen in Sich geschlossenen Elementes oder auch nur als Fragment geeignet zur Trennung von Resonatorkammer und strömungsführendem Kanal ausgeführt sein. Hierbei weist das Lochblech im direkten Bereich der darin angeordneten Löcher an wenigstens einem Loch eine im Vergleich zur restlichen Wanddicke des Lochblechs veränderte Wandstärke auf. Auf diese Weise lässt sich der zu dämpfende Frequenzbereich besser steuern, ohne die Dauer und Schwingfestigkeit des Lochblechs nennenswert zu beein flussen. Ebenso vorteilhaft ist hier, dass mit nur einem Lochblech viele verschiedene Schalldämpfer mit entsprechenden Dämpfungscharakteristiken realisiert werden können. So lässt sich die veränderte Wandstärke an wenigstens einem Loch des Lochblechs durch nachträgliche Maßnahmen, wie z. B. Senken, Schleifen und sonstige im Stand der Technik bekannte Maßnahmen realisieren. Das Lochblech kann hierfür aus Metall sein; es ist jedoch auch denkbar, dass es aus einem spritzgießfähigen Material besteht und die veränderten Wandstärken im Bereich wenigstens eines Loches durch entsprechende Auslegung des Spritzgießwerkzeuges hergestellt wird. Die Querschnittsform der im Lochblech angeordneten Löcher kann unabhängig von der veränderten Wandstärke gewählt und ausgeführt werden. Dadurch, dass die Resonatorhalslänge, also die Tiefe des Loches im Vergleich zur Lochblechstärke variiert wird, lässt sich so auf geringstem Raum ein breiter zu dämpfender Frequenzbereich realisieren. Vorzugsweise lässt sich dieser Schalldämpfer in einer Brennkraftmaschine, speziell einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einsetzen. Es ist aber durchaus denkbar, diesen Schalldämpfer in weiteren im Stand der Technik bekannten schallführenden Leitungen bzw. Vorrichtungen anzuordnen. Hier sind als Beispiel Druckluftleitungen zu nennen.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers zeichnet sich dadurch aus, dass die veränderte Wandstärke durch eine kegelförmige Senkung mit einem definierten Winkel zwischen den Senkflächen realisiert ist. Hierbei ist die gedämpfte Frequenz ab hängig vom Winkel zwischen den Senkflächen. Je größer der zwischen den Senkflächen eingeschlossene Winkel ist, desto höher ist die zu dämpfende Frequenz. Die Senkung kann auf der zur Kammer hin führenden Seite oder auf der zum Strömungskanal führenden Seite des Lochblechs angeordnet sein. Bevorzugt ist sie in Richtung der Resonatorkammer ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Veränderung der Wandstärke im direkten Bereich der darin angeordneten Löcher durch eine, wenigstens eine Stufe umfassende, stufenweise Verringerung der Wandstärke realisiert werden. Die Anzahl der Stufen hierbei kann beliebig gewählt werden und ist abhängig von dem gewünschten zu dämpfenden Frequenzbereich und der im Lochblech vorhandenen Wandstärke. In der bevorzugten einstufigen Variante der Verringerung der Wandstärke ergibt sich der Vorteil einer exakt definierten neuen Resonatorhalslänge.

Weiterhin lässt sich eine Verringerung der Wandstärke in einer weiteren Ausgestaltung durch eine im wesentlichen halbkugelförmige Senkung realisieren. Durch empirische Versuche lässt sich der wirksame Frequenzbereich des Dämpfers in Abhängigkeit des Kugeldurchmessers feststellen.

Die oben dargestellten Verringerungen der Wandstärke im direkten Bereich wenigstens eines Loches im Lochblech sind durch die einfache Realisierung durch im Stand der Technik bekannte Senkmittel oder durch besondere Ausformung des Spritzgießwerkzeuges gekennzeichnet. Ebenso lässt sich jedoch eine Ausgestaltung der Erfindung realisieren, die durch eine gezielte Materialanhäufung im Bereich der im Lochblech angeordneten Löcher gekennzeichnet ist. Auch durch eine Vergrößerung der Wandstärke im Bereich der Resonatorlöcher lässt sich eine Verschiebung des wirksamen Frequenzbereiches erreichen. Die Wandmaterialanhäufung kann durch eine besondere Ausformung des Spritzgießwerkzeuges oder sonstigen Stand der Technik bekannte Maßnahmen in der Metallverarbeitung zur lokalen Verstärkung von Wandbereichen realisiert werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Wandstärke im interessierenden Lochbereich zu verändern, ist eine lochkongruente Ummantelung oder Einbindung wenigstens eines weiteren Lochblechs. Hierbei muss das weitere Lochblech eine zum ersten Lochblech korrespondierende Form aufweisen und wird direkt mit exakter Lochüberdeckung mittels Klebeverfahren, Schweißverfahren, Clipsverfahren oder über sonstige im Stand der Technik bekannten Verbindungsarten mit dem ersten Lochblech verbunden. Als vorteilhaft erweist sich hier die damit verbundene Nachrüst- bzw. Umrüstmöglichkeit eines vorhandenen Schalldämpfers.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Schalldämpfer in eine Strömungsleitung einer Brennkraftmaschine zwischen einem Abgasturbolader und einer Ladeluftkühlung angeordnet. Hier wird der Schalldämpfer bevorzugt nahe der größten Schall abgebenden Quelle, nämlich dem Abgasturbolader angeordnet. Vorzugsweise besitzt der Schalldämpfer hier den gleichen Querschnitt wie die Strömungsleitung und wird zwischen Abgasturbolader und Strömungsleitung zum Ladeluftkühler eingesetzt. Alternativ lässt sich denken, dass der erfindungsgemäße Schalldämpfer die Strömungsleitung zwischen Abgasturbolader und Ladeluftkühler selbst darstellt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Schalldämpfer in einem schallführenden Element im Inneren eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine angeordnet. Hier ist eine Nutzung in oder an sämtlichen schallführenden Teilen des Abgasturboladers denkbar und möglich. Beispielsweise sind hier Ein- oder Auslass des Verdichters inklusive der damit verbundenen Leitungen oder auch Ein- oder Auslass der Turbine mit den damit zusammengehörenden Leitungen zu nennen. Hierbei kann der Schalldämpfer einzeln oder in Kombination mit weiteren Schalldämpfern in verschiedenen Positionen eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Schalldämpfer in einem schallführenden Element in einer abgasseitigen Leitung der Brennkraftmaschine angeordnet. Da abgasseitig ebenfalls Schallwellen in bestimmten Frequenzbereichen zu dämpfen sind, ist es ebenso möglich, diesen Schalldämpfer an einem oder mehreren Punkten im Abgasleitungssystem anzuordnen. Dabei kann der Schalldämpfer als Flanschverbindung zwischen zwei Leitungsteilen dienen oder aber in die Leitung integriert sein. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Schalldämpfer in Kombination mit sonstigen im Stand der Technik bekannten Schalldämpfern kombiniert werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer mit einer Kombination von Lochreihen mit unterschiedlichen Wandstärken des Lochblechs zur breitbandigeren Schalldämpfung versehen ist. Durch die unterschiedlichen Wandstärken im Bereich einzelner Löcher oder auch Lochreihen lässt sich ein besonders breites Spektrum von Frequenzen dämpfen. Die unterschiedlichen Wandstärken können wie oben beschrieben durch nachträgliche Bearbeitung oder schon im Herstellprozess des Lochblechs erzielt werden. Vorzugsweise wird der Schalldämpfer hier Kombinationen von Lochreihen mit jeweils unterschiedlichen Wandstärken des Lochblechs bei den Lochreihen aufweisen.

Eine alternative Lösung ist darin zu sehen, einen Schalldämpfer insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader, wobei wenigstens ein schallführendes Element wenigstens eine Kammer enthält, die durch ein Lochblech vom korrespondierenden Strömungskanal getrennt ist und dadurch nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators aufgebaut ist, vorzusehen. Erfindungsgemäß weist das Lochblech im direkten Bereich der darin angeordneten Löcher bei jedem Loch eine kegelförmige Senkung auf, wobei der Winkel zwischen den Senkflächen zwischen 60 und 150 ° beträgt. Weiterhin erfolgen die Senkungen aus Richtung der Resonatorkammer. Hierbei ist das Resonatorrohr aus Metall und die Senkungen werden mechanisch von außen eingebracht.

In einer weiteren Ausgestaltung dieses Schalldämpfers beträgt die Wandstärke des Lochblechs in den nicht angesenkten Bereichen zwischen 0,5 und 5 mm und der Lochdurchmesser zwischen 1 und 20 mm.

Es ist vorteilhaft, den radialen Abstand zwischen Lochblech und einer äußeren Begrenzungswand zwischen 1 und 40 mm betragen zu lassen.

Ebenso vorteilhaft ist es, bei diesem Schalldämpfer das Verhältnis zwischen Kammervolumen und Summe der Lochblechen zwischen 4 und 40 cm³ pro cm² betragen zu lassen.

Die Veränderung der Wandstärke des Lochblechs ergibt eine Änderung der wirksamen Resonatorhalslänge. Allerdings hat sich gezeigt, dass eine zu geringe Wandstärkenänderung nur eine sehr geringe Veränderung der zu dämpfenden Frequenz ergibt. Bei den bisher bekannten Lösungen durfte die Wandstärke nicht zu weit herabgesetzt werden um das Lochblech nicht zu stark zu schwächen und keinen Ausfall vorzuprogrammieren. Durch die nur partiell vorgenommene Verringerung der Wandstärke durch eine Senkung im Lochbereich wird dieser Nachteil vermieden und es lassen sich so sehr kleine Resonatorhalslängen realisieren und dementsprechend der zu dämpfende Frequenzbereich in Richtung der höheren Frequenzen verschieben.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer wird vorteilhaft in einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Abgasturbolader eingesetzt, wobei er dort ansaugseitig und/oder abgasseitig eingesetzt werden kann.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt

1 Schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers in einer besonderen Ausführungsform

2 Darstellung der Korrelation zwischen Senkwinkel und Resonatorhalslänge

3 Darstellung des Einflusses des Senkwinkels auf das Dämpfungsmaß Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt wird ein Schalldämpfer 10, bestehend aus einem Lochblech 11 und einer Resonatorkammerwand 14. Das Lochblech 11 weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf und trennt den im Innern des Lochblechs 11 verlaufenden Strömungskanal von zwei Resonatorkammern 13. Diese werden durch die, das Lochblech 11 im radialen Abstand umgebende, Resonatorkammerwand 14 gebildet, wobei die Kammern 13 durch eine Trennwand 15 voneinander getrennt werden. Im Bereich der Resonatorkammern 13 weist das Lochblech 11 Aussparungen 12 auf, welche zur Erzeugung des Helmholtz-Effekts dienen und über den gesamten Umfang verteilt sind. Die Ausparungen 12 sind im Lochblech 11 in Richtung der Resonatorkammerwand 14 angesenkt wobei die beiden Lochreihen jeweils einen unterschiedlichen Senkwinkel aufweisen. Hierdurch ergibt sich eine breitbandige Dämpfung des emittierten Schalls, da durch die unterschiedlichen Senkwinkel unterschiedliche Resonatorhalslängen erzielt werden. In der dargestellten Figur ist das Lochblech 11 aus Metall mit Möglichkeiten an den jeweiligen Enden mit weiterführenden Leitungsteilen oder Einem Abgasturbolader verbunden zu werden. Die Resonatorkammerwand besteht aus einem Kunststoff, wie z.B. Polyamid 6.6 (PA 6.6) und wird mit dem Lochblech dichtend über Verklebung oder sonstige im Stand der Technik bekannten Verbindungsverfahren verbunden. Die Senkungen der Ausparungen 12 werden vor der Verbindung von Lochblech 11 und Resonatorkammerwand 14 mechanisch, mit definierten Senkwinkeln, eingebracht. Durch die Senkungen weicht die wirksame Resonatorhalslänge von der ursprünglichen Resonatorhalslänge, nämlich der Lochblechwandstärke s, ab.

Die 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Senkwinkel α und Resonatorhalslänge s. Der 1 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In der 2 sind 3 Schnitte des Lochblechs 11 im Bereich der Aussparungen 12 mit jeweils unterschiedlichen Senkungen und unterschiedlichen Senkwinkeln α_i zu erkennen. Der untere Ausschnitt zeigt ein Lochblech 11 im Bereich einer Aussparung 12, welches keine Senkung aufweist, was dem Stand der Technik entspricht, und wobei die wirksame Resonatorhalslänge s; der Wandstärke s des Lochblechs 11 entspricht. Ein Weg die zu dämpfende Frequenz anzuheben, ist die wirksame Resonatorhalslänge s_i zu veringern. Der mittlere Ausschnitt der 2 zeigt widerum ein Lochblech 11 im Bereich einer Aus sparung 12 mit einer Senkung unter dem Senkwinkel α₂. Hieraus resultiert eine Veringerung der Resonatorhalslänge zur wirksamen Resonatorhalslänge s₂. Im oberen Ausschnitt ist der Senkwinkel α_i gegenüber dem mittleren Ausschnitt noch zu einem Senkwinkel α₁ vergrößert worden. Aufgrund des vergrößerten Senkwinkels α₁ ergibt sich wiederum eine veringerte Resonatorhalslänge s,. Es ist also zu erkennen, dass eine Senkung im Bereich der Aussparungen 12 des Lochblechs 11 zu einer Reduzierung der wirksamen Resonatorhalslänge s_i führt, wobei eine Vergrößerung des Senkwinkels α_i zu weiterer Reduzierung Reduzierung der wirksamen Resonatorhalslänge s_i führt. So läßt sich also eine Resonatorhalslängenreduzierung bei im wesentlichen gleichbleibender Wandstärke s des Lochblechs 11 ohne nennenswerte Schwächung desselben erzielen.

Die Auswirkungen der Reduzierung der wirksamen Resonatorhalslänge s_i auf die zu dämpfende Frequenz F ist in 3 dargestellt. Deutlich ist die grundsätzliche Wirkung von Helmholtz-Resonatoren mit einem Dämpfungsmaß über 20 dB gegenüber einer Leitung mit gleichem Durchmesser ohne Schalldämpfer zu erkennen. Weiterhin zeigt sich eine Verlagerung der gedämpften Frequenzen bei unterschiedlichen bzw. keinen Senkungen im Bereich der Aussparungen 12 des Lochblechs 11. Der getestete Schalldämpfer weist eine vollumfängliche Lochreihe mit einer ebenso vollumfänglichen, konzentrischen Resonatorkammer auf. Bei einer Anwenkung der Ausparungen gegenüber den nicht angesenkten Aussparungen verschiebt sich die gedämpfte Frequenz in Richtung der höheren Frequenzen. Vergrößert man nun den Senkwinkel α_i, so ergibt sich eine weitere Verschiebung der Dämpfungsfrequenz in Richtung der höheren Frequenzen. Dieses bestätigt die zu 2 getroffene Aussage einer Veringerung der wirksamen Resonatorhalslänge s_i bei Vergrößerung des Senkwinkels α_i. Über die in Testreihen gewonnenen Ergebnisse und durch die Anwendung mehrerer Lochreihen mit unterschiedlichen Senkwinkeln läßt sich so ein exakt auf das zu dämpfende Frequenzspektrum abgestimmter Breitbandresonator mit geringem Platzbedarf und Herstellungskosten realisieren.

Claims

Schalldämpfer, insbesondere einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei wenigstens ein schallführendes Element wenigstens eine Resonatorkammer enthält, die durch ein Lochblech vom korrespondierendem Strömungskanal getrennt ist und dadurch nach dem Prinzip eines Helmholtz Resonators aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech im direkten Bereich der darin angeordneten Löcher an wenigstens einem Loch eine veränderte Wandstärke aufweist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Wandstärke durch eine kegelförmige Senkung mit einem definierten Winkel zwischen den Senkflächen realisiert ist
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Wandstärke durch eine wenigstens eine Stufe umfassende stufenweise Verringerung der Wandstärke realisiert ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Wandstärke durch eine, im wesentlichen halbkugelförmige Senkung realisiert ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Wandstärke durch eine gezielte Wandmaterialanhäufung in diesem Bereich realisiert ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Wandstärke durch eine lochkongruente Verbindung mit wenigstens einem weiteren Lochblech realisiert ist.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer in einer Strömungsleitung einer Brennkraftmaschine zwischen einem Abgasturbolader und einer Ladeluftkühlung angeordnet ist.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer in einem schallführendem Element im Innern eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer in einem schallführenden Element in einer abgasseitigen Leitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer mit einer Kombination von Lochreihen mit unterschiedlichen Wandstärken des Lochblechs zur breitbandigeren Schalldämpfung versehen ist.
Schalldämpfer, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader, wobei wenigstens ein schallführendes Element wenigstens eine Kammer enthält, die durch ein Lochblech vom korrespondierendem Strömungskanal getrennt ist und dadurch nach dem Prinzip eines Helmholtz Resonators aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech im direkten Bereich der darin angeordneten Löcher bei jedem Loch eine kegelförmige Senkung enthält und wobei der Winkel zwischen den Senkflächen zwischen 60° und 150° beträgt.
Schalldämpfer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Lochblechs in den Bereichen die nicht angesenkt sind zwischen 0,5 und 5 mm beträgt und der Lochdurchmesser zwischen 1 und 20 mm beträgt.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand zwischen Lochblech und einer äußeren Begrenzungswand zwischen 1 und 40 mm beträgt.
Schalldämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Kammervolumen und Summe der Lochflächen zwischen 4 und 40 cm³/cm² beträgt.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Lochblechwandstärke eine Änderung der wirksamen Resonatorhalslänge ergibt.
Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorhanden ist.