DE19838314A1 - Vorrichtung zur Reduzierung des Lärms in gasführenden Rohrleitungen - Google Patents

Abstract

Zur Reduzierung des Lärms, der von den eine Rohrleitung (1) durchströmenden Gasen erzeugt wird, wird in die Rohrleitung ein Körper (11) eingesetzt, der eine Vielzahl von parallelen Strömungskanälen besitzt, die so ausgebildet sind, dass die Gasströmung wenigstens am Umfang laminarisiert wird. DOLLAR A Die Vorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, den Lärm zu reduzieren, der entsteht, wenn ein turbulenter Gasstrahl aus einem Rohr in die freie Atmosphäre ausströmt.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Reduzierung des Lärms, der von den eine Rohrleitung durchströmenden Gasen erzeugt wird, insbesondere in Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In gasführenden Rohren stellt sich entweder ein laminares, ein turbulentes oder auch ein gemischtes Strömungsprofil ein. Turbulente Strömungen führen zu erhöhten Strömungswiderständen und zu erhöhter Geräuschbildung. Turbulente Strömungsprofile entstehen, wenn Rohrgeometrie und Strömungsgeschwindigkeit ungünstige Werte aufweisen. Zusätzliche Turbulenzen entstehen, wenn die Rohrleitung Einbauten, sprunghafte Querschnittsänderungen, Krümmungen und Knicke aufweist.

Treten Gasströmungen aus einem Rohrende als Freistrahl in die Umgebung aus, so ist der Geschwindigkeitsgradient senkrecht zur Strömungsrichtung am Rande des Freistrahl zunächst hoch. Es entsteht eine sogenannte Scherschicht, in der es zur Bildung von Wirbeln kommt. Diese Wirbel stellen Schallquellen dar und erhöhen das sogenannte Mündungsgeräusch. Diesen Effekt beobachtet man besonders stark bei Gasturbinen oder Düsentriebwerken, aber auch am Endrohr von Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren.

Es versteht sich, dass es das Bestreben der Entwickler ist, die nachteiligen Effekte der turbulenten Strömungen zu beseitigen. Dies gelingt am einfachsten dadurch, dass turbulente Strömungen entweder von vornherein vermieden oder nachträglich wieder laminarisiert werden. Bekanntestes Beispiel sind die Mantelstrom-Triebwerke für Düsenjets. Bei diesen wird um den heißen und turbulenten Abgasstrahl herum ein ringförmiger Gasstrahl erzeugt, der die Ausbildung einer Scherschicht behindert und die geräuscherzeugende Wirbelbildung wenigstens teilweise unterdrückt.

Vergleichbare Konstruktionen gibt es aber auch für die Endrohre von Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge. Man vergleiche DE 73 32 971 U, DE 36 40 290 A, DE-G 84 18 958, DE-G  92 14 001, DE 41 24 204 C2, DE-G 93 18 864 oder DE 41 27 634 C2. Es ist allerdings nicht bekannt geworden, dass eine dieser konstruktiven Einrichtungen zur Reduzierung des durch die Gasströmung erzeugten Lärms Eingang in die Praxis gefunden hätte. Für eine Reduzierung des im Inneren der gasführenden Rohrleitungen entstehenden Lärms sind diese Konstruktionen sowieso völlig ungeeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, die eine gute schallreduzierende Wirkung hat, einfach und preiswert herzustellen und zu montieren ist und deren Wirkung leicht auf die jeweiligen Bedürfnisse abgestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine gasführende Rohrleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird direkt in das gasführende Rohr eingebaut und beeinflußt so die Gasströmung unmittelbar. Beim Durchdringen der Kanäle werden die Turbulenzen gedämpft und die Strömung laminarisiert. Dies bedeutet jedoch noch nicht, dass die aus den Kanälen austretende Strömung über den vollen Rohrquerschnitt ein parabelförmiges, laminares Strömungsprofil besitzt. Vielmehr müssen die Geschwindigkeiten der Strömung in den einzelnen Kanälen so beeinflußt werden, dass sich nach dem Austritt der Strömung aus den Kanälen über den gesamten Rohrquerschnitt ein laminares Strömungsprofil einstellt. Dies wird erfindungsgemäß durch die spezielle Formgestaltung des die Strömung laminarisierenden Körpers erreicht. Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die so laminarisierte Gasströmung das laminare Profil auch dann beibehält, wenn sie das Endrohr einer Abgasanlage verläßt und als Freistrahl in die Umgebung austritt. Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach herstellbar.

Geeignete Grundkörper sind als metallische oder keramische Trägerkörper für Abgaskatalysatoren bereits handelsüblich.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die der Rohrwandung benachbarten Strömungskanäle enger und/oder länger als die zentralen Strömungskanäle. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die der Rohrwand benachbarten Bereiche der Gasströmung am stärksten zur Wirbelbindung und Geräuschbildung tendieren und dass ein laminares Strömungsprofil seine größte Geschwindigkeitskomponente im Zentrum besitzt.

Durch die kürzeren und/oder weiteren Kanäle im Zentrum wird der Abgasgegendruck reduziert, ohne dass die Wirbel- und Geräuschbildung dadurch verstärkt werden. Dies kann sogar so weit getrieben werden, dass das Zentrum des Körpers frei von Strömungskanälen bleibt.

Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Länge der Strömungskanäle des die Gasströmung laminarisierenden Körpers stufenförmig oder kontinuierlich zu ändern. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Wirkung in weiten Grenzen an die Bedürfnisse anzupassen.

Es ist bekannt, dass Knicke in gasführenden Rohrleitungen zu einer verstärkten Wirbelbildung führen und dass die Strömung sich hinter dem Knick auf der Knickinnenseite von der Rohrwandung ablöst. Es entsteht eine große Wirbelzone mit den bekannten Nachteilen. Dank des erfindungsgemäßen Körpers besteht nun die Möglichkeit, das Strömungsprofil der Gasströmung vor dem Knick so zu verzerren, dass sich hinter dem Knick ein wesentlich kleineres Ablösegebiet einstellt, verbunden mit einem gleichmäßigen, nahezu laminaren Strömungsprofil. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Strömungskanäle des Körpers an der Innenseite länger sind als an der Knickaußenseite.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen rein schematisch

Fig. 1 die Strömungsverhältnisse beim Austritt einer Gasströmung aus einem Rohr in die freie Umgebung ohne strömungsbeeinflussende Vorrichtungen,

Fig. 2 die Strömungsverhältnisse nach dem Einbau eines laminarisierenden Körpers in das Rohr,

Fig. 3 die Wirkung des Einbaus eines laminarisierenden Körpers mit stufenweise veränderter Länge,

Fig. 4 ein Endrohr mit eingebauten laminarisierendem Körper, dessen Länge kontinuierlich variiert ist,

Fig. 5 die Wirkungsweise eines laminarisierenden Körpers, dessen Kanäle unterschiedliche Querschnitte besitzen,

Fig. 6 die Strömungsverhältnisse im Inneren eines Rohrs mit scharfem Knick ohne strömungsbeeinflussende Einbauten und

Fig. 7 die Strömungsverhältnisse im Inneren des Rohrs der Fig. 6 nach Einbau eines laminarisierenden Körpers.

Fig. 1 zeigt der Austritt einer Gasströmung 2 aus dem Ende eines Rohrs 1 in die freie Umgebung. Im Inneren des Rohrs 1 besitzt die Gasströmung 2 ein im wesentlichen turbulentes Strömungsprofil 3. Nach dem Austritt aus der Rohrleitung 1 bildet sich an der Außenseite des Freistrahls 4 unter der Wirkung des Geschwindigkeitsgradienten eines Scherschicht 5, deren Wirbel ebenso wie die Wirbel des turbulenten Strömungsprofils 3 selbst Schallwellen erzeugen und das sogenannte Mündungsgeräusch erhöhen.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Verbesserung der Situation. In das Rohr 1 ist ein Körper 10 eingebracht, der mit einer Vielzahl von parallelen Strömungskanälen versehen ist. Der Körper 10 füllt den Rohrquerschnitt voll aus. Beim Durchströmen der Kanäle des Körpers 10 wird die turbulente Gasströmung 2 laminarisiert. Da die Gasströmung in allen Kanälen gleich behandelt werden, bleibt das vor dem Körper 10 existierende, turbulente Strömungsprofil 3 auch hinter dem Körper 10 unverändert turbulent. Beim Austritt ins Freie entsteht daher wieder die turbulente Scherschicht 5.

Fig. 3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Die parallelen Strömungskanäle eines in das Rohr 1 eingesetzten Körpers 11 sind randseitig deutlich länger als im Zentrum, wobei die Längenänderung in einer Stufe erfolgt. Aus dem zunächst turbulenten Strömungsprofil 3 wird nach Durchströmen des Körpers 11 ein teils laminares, teil turbulentes Strömungsprofil 6.1 mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten am Rand, welches sich im Freistrahl 4 zu im wesentlichen laminaren Strömungsprofilen 6.2, 6.3 vergleichmäßigt. Dadurch wird die Ausbildung einer Scherschicht weitestgehend unterbunden.

Fig. 4 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel einen die Gasströmung 2 laminarisierenden Körper 12 mit parallelen Strömungskanälen, deren Länge vom Rand zum Zentrum hin kontinuierlich abnimmt.

Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Körpers 13 mit einer Vielzahl von parallelen Strömungskanälen. Dabei besitzen die zentralen Strömungskanäle einen erheblich größeren Querschnitt als die randseitigen Strömungskanäle. Das turbulente Zentrum des Freistrahls 4 ist von einer stark laminarisierten Gasströmung 7 umgeben, die wie die bekannten Mantelströme die Ausbildung der unerwünschten Scherschicht verhindert und die Wirbel- und Lärmbildung unterdrückt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen, dass es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Körpers möglich ist, auch die Gasströmungen im Inneren von Rohrleitungen zu beeinflussen.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine Rohrleitung 1 mit einem scharfen Knick 8, wobei die Knickinnenseite mit 8.1, die Knickaußenseite mit 8.2 gekennzeichnet sind. Im Bereich der Knickaußenseite 8.2 löst sich die Gasströmung von der Rohrwand ab und es entsteht eine Wirbelzone 9.2. An der Knickinnenseite 8.1 kommt es hinter dem Knick 8 ebenfalls zu einer Ablösung der Gasströmung mit Ausbildung einer sehr langen Wirbelzone 9.1. Aufgrund dieser Effekte wird aus dem achssymmetrischen, turbulenten Strömungsprofil 3 ein sehr unsymmetrisches, stark turbulentes Strömungsprofil 6.4, 6.5, 6.6, welches sich erst in erheblichem Abstand hinter dem Knick 8 wieder egalisiert.

Die Wirbelzonen 9.1, 9.2 sowie die Ausbildung der stark unsymmetrischen und turbulenten Strömungsprofile 6.5, 6.5, 6.6 führt zu einem erheblichen Druckverlust und gleichzeitig zu Lärmbildung.

Fig. 7 zeigt dieselbe Rohrleitung 1 nach Einbau eines Körpers 14 mit einer Vielzahl von parallelen Strömungskanälen vor dem Knick 8. Die Strömungskanäle auf der Knickinnenseite 8.1 sind erheblich länger als auf der Knickaußenseite 8.2, so dass die Strömung an der Knickinnenseite 8.1 erheblich stärker verzögert wird. Bei korrekter Abstimmung der Länge und des Querschnitts der parallelen Strömungskanäle im Körper 14 ergibt sich hinter dem Knick 8 ein Strömungsprofil 6.7, welches in wesentlich geringerem Maße zur Ausbildung von Ablösezonen 8.2, 9.1 und Wirbeln neigt. Die Ablösezone 9.1' auf der Knickinnenseite 8.1 ist erheblich kleiner geworden. Druckabfall und Lärmbildung sind entsprechend reduziert.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Reduzierung des Lärms, der von den eine Rohrleitung (1) durchströmenden Gasen erzeugt wird, insbesondere in Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus einem mit einer Vielzahl von parallelen Strömungskanälen versehenen Körper (10, 11, 12, 13, 14) besteht, der den Rohrquerschnitt wenigstens teilweise ausfüllt und die Gasströmung wenigstens am Umfang laminarisiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Rohrwand benachbarten Strömungskanäle des Körpers (11, 12, 13) enger und/oder länger sind als die zentralen Strömungskanäle.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Strömungskanäle des Körpers (11) sich stufenförmig ändert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Strömungskanäle des Körpers (12) sich kontinuierlich ändert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Körpers (13) frei von Strömungskanälen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (1) einen Knick hat und dass die Strömungskanäle des Körpers (14) an der Knickinnenseite (8.1) länger sind als an der Knickaußenseite (8.2).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10 . . . 14) auf der Basis eines keramischen oder metallischen Trägerkörpers von Abgaskatalysatoren hergestellt ist.