DE3224224A1

DE3224224A1 - Schalldaempfer

Info

Publication number: DE3224224A1
Application number: DE19823224224
Authority: DE
Inventors: Bengt Roland Johansson; Göte Valdemar Dipl.-Ing. Kungsängen Norrbrand; Hans Lennart Dipl.-Ing. Sollentuna Slycke
Original assignee: ANTIPHON AB
Current assignee: ANTIPHON AB
Priority date: 1981-07-02
Filing date: 1982-06-29
Publication date: 1983-01-20
Also published as: GB2104148B; ES513651A0; ES8305087A1; BR8203838A; IT1151815B; CA1184127A; JPS5828503A; IT8222077A1; FR2508972A1; GB2104148A; DE3224224C2; US4458779A; IT8222077A0; FR2508972B1

Description

HOFFMAKN · KITLE Oc PARTNER

. PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl PL.-I N G. W. EITLE · D R. RER. N AT. K. H O FFMAN N . D I Pl.-I N G. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 ■ D-8000 MONCH EN 81 · TELE FON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

'ζ, 37 125

Antiphon AB
Sundbyberg / Schweden

Schalldämpfer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalldämpfer mit einem oder mehreren schallabsorbierenden Teilen aus keramischem Material.

In seiner einfachsten Form umfaßt ein Schalldämpfer lediglich einen sogenannten Reaktionsteil, der aus Kammern unterschiedlicher Größe besteht, die mittels Leitungen verschiedener Längen miteinander verbunden sind. Die Leitungen oder Rohre und Trennwände zwischen den Kammern können ebenfalls perforiert sein. In diesem Fall besteht der gesamte Schalldämpfer normalerweise aus Blech.

Um eine geringere Geräuschentwicklung zu ermöglichen, werden Schalldämpfer immer mehr mit sogenannten Absorptionsteilen versehen. In den Absorptionsteilen werden, um die gewünschte Schallabsorption zu erhalten, die verschiedensten Fasermaterialien verwendet.

Das Fasermaterial ist jedoch hohen chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen infolge der strömenden Gase und der hohen Temperatur ausgesetzt.

Die in Schalldämpfern verwendeten Glasfasermaterialien und Mineralfasermaterialien sind aufgrund ihres schnellen Verschleißes, dem sie ausgesetzt sind, und dem chemischen Zerfall des Materials nicht geeignet. Im Fall von Material auf Faserbasis ist die freie oder spezifische Oberfläche in bezug auf das Volumen äußerst groß. Aufgrund dieser großen spezifischen Oberfläche wird das Material infolge der chemischen Wirkung schnell spröde, bei der u.a. ein Ionenaustausch stattfindet, wenn beispielsweise Glas in einer sau^ren Umgebung, insbesondere bei hoher Temperatur, angeordnet wird. Leicht bewegbare Wasserstoffionen können die Alkali- und Alkalierdionen in der amorphen, nichtkristallinen Struktur des Glases ersetzen. Dieser Ionenaustausch ist insbesondere im Fall von kleinen Abmessungen, wie beispielsweise bei Mineralfasern und Glasfasern, schädlich. Aufgrund dieser Verminderung der Festigkeit werden die Fasern gelöst und werden von den Abgasen mit abgeführt. Dies führt weiter zu einer verminderten Schallabsorption im Schalldämpfer, was zu einem höheren Geräuschpegel führt.

Weiter besteht die Gefahr, daß die mit den Abgasen abgeführten Fasern von Menschen und Tieren eingeatmet werden. Die schlechten chemischen und mechanischen Eigenschaften der Fasermaterialien führten dazu, daß die Schalldämpferhersteller die Fasermaterialien mechanisch geschützt haben.

Dies wird oft mit Hilfe eines perforierten Blechrohres erreicht. Die mechanischen Schutzeinrichtungen sind jedoch nicht geeignet, die Fasermaterialien so zu schützen, daß sie nicht in einer kurzen Zeitdauer zerbrechen und aus dem Auspuffsystem ausgetragen werden, wenn es ganz normal ver-0 wendet wird. Praktische Versuche haben gezeigt, daß das Fasermaterial bei Schalldämpfer für in Massenproduktion hergestellten Personenkraftwagen praktisch vollständig nach 10 000 Fahrkilometern verschwunden ist. Das heißt, daß der Schalldämpfer während der größeren Zeit seiner Lebensdauer ohne das schallabsorbierende Material arbeitet. Der Schall-

dämpfer erzeugt somit einen größeren Geräuschpegel als bei der Konstruktion beabsichtigt war. Dieses Problem ist in jenen Fällen noch schwerwiegender, wenn man einen Schalldämpfer mit einer langen Lebensdauer bauen will. 5

Ein weiteres Problem, das den heute vielfach verwendeten vorverdichteten Fasermaterialien anhaftet, ist, daß sie filzig werden und daher bei ungünstigen Temperaturbedingungen leicht kondensierendes Wasser absorbieren. Das Wasser ist oft sauer. Entsprechend werden, sowohl das Absorptionsmittel, als auch sein Gehäuse, in dieser Umgebung stark angegriffen.

Gemäß der Erfindung wurden die oben aufgezählten Probleme gelöst und ein Schalldämpfer geschaffen, der ein oder mehrere schallabsorbierende Teile aus keramischem Material aufweist.

Der Schalldämpfer ist dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material porös ist, und daß die schallabsorbierenden Teile selbsttragend sind und einen spezifischen Wi-

3 7 2 derstand gegenüber einer Luftströmung von 10 - 10 Pa/m ,

4 6 2
vorzugsweise von 10 - 10 Pa/m , und eine Druckfestigkeit

von mindestens 40 kN/m , vorzugsweise von mindestens

2
400 kN/m , aufweist. Der spezifische Widerstand gegenüber der erwähnten Luftströmung ist so groß, daß die strömenden Gase nicht die Teile in irgendeinem wesentlichen Ausmaß durchdringen.

0 Das keramische schallabsorbierende Material soll ein regelmäßiges Porensystem mit in Verbindung stehenden Zellen aufweisen. Die Poren oder Zellen haben normalerweise eine durchschnittliche Größe von 0,05 - 20 mm, vorzugsweise von 0,5-5 mm, und stehen miteinander über öffnungen in den Zellwänden in Verbindung. Diese öffnungen sind häufig kreisförmig.

Das gesamte Zellvolumen (die Porosität) des Materials beträgt 50 - 95%, vorzugsweise 70 - 90%. Das Zellvolumen und die Zellgröße können auf die verschiedensten Weisen eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Fermentationsverfahren durch Hinzufügen eines Fermentationsmittels verwendet werden. Andere geeignete Verfahren sind die, bei denen Gas in das Material eingeblasen wird, oder bei denen das Material in Verbindung mit einem Schäummittel gerührt wird. Ebenfalls kann mechanisches Rühren in allen Fällen 10.angewendet werden.

Nach dem Formen und Trocknen des Materials erhält man ein selbsttragendes, hochporöses keramisches Material.

Das getrocknete Material wird häufig einer Hochtemperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 50 0⁰C unterworfen.

Die schallabsorbierenden Teile können ebenfalls durch Sintern eines keramischen, porösen oder nichtporösen, festen Materials bei einer Temperatur von beispielsweise 900 - 13 00⁰C erhalten werden.

Die Dichte des keramischen Materials beträgt 100

3 3

- 2500 kg/m , vorzugsweise 200 - 1650 kg/m .

Die schallabsorbierenden Teile haben eine Biegefestigkeit

3 3

über 10 kN/m , vorzugsweise über 100 kN/m , und einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von maximal 20 . 10~⁶ K~¹.

Der Schalldämpfer gemäß der Erfindung soll allgemein in Verbindung mit strömenden Gasen verwendet werden.

Die schallabsorbierenden Teile können auf unterschiedliche Weise geformt werden. So können sie mit einer oder mehreren durchgehenden Öffnungen für den Durchgang der strömenden Gase versehen sein. Beispielsweise können die öffnungen einen Durchmesser von 5-300 mm, gewöhnlich von 10 - 200 mm, aufweisen. Die Öffnungen können jedoch ebenfalls beträchtlich größer sein.

Die schallabsorbierenden Teile können eine solche Form und so im Inneren des Schalldämpfers eingebaut sein, daß die strömenden Gase längs der Außenseite der Teile entlangströmen.

Gewöhnlich werden die schallabsorbierenden Teile als Einsätze in einen Schalldämpfer aus Blech ausgebildet.

Der Schalldämpfer ist besonders für Verbrennungskraftmaschinen geeignet. Praktische Versuche haben nämlich gezeigt, daß das obige keramische Material thermischen, mechanischen und chemischen Beanspruchungen widersteht, wenn es in einem Schalldämpfer für Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird. Beispielsweise war keramisches, poröses Material in einem Schalldämpfer eines privaten Personenkraftwagens nach 10 000 Fahrkilometern praktisch nicht angegriffen.

Das regelmäßige Porensystem des Materials dient ebenfalls als Entleerung für irgendein vorhandenes Abgaskondensat. Dies vermindert ebenfalls die Korrosionsgefahr des Schalldämpfers.

Die thermische, mechanische und chemische Widerstandsfähigkeit des Materials macht das Vorsehen von irgendwelchen Schutz- oder Stützeinrichtungen in dem Schalldämpfer,

beispielsweise in Form von perforierten Rohren o.a., zwischen der Abgasströmung und dem Material überflüssig.

Im Gegensatz zum Fasermaterial ist es möglich, hochporöses, keramisches Material als selbsttragendes Konstruktionsmaterial zur gesteigerten Schallabsorption in verschiedenen Schalldämpfern zu verwenden. Hierdurch besteht ein größerer Freiheitsgrad und eine größere Veränderungsmöglichkeit bei der Konstruktion der Schalldämpfer als bei der Verwendung von Fasermaterial. Die Eigenschaften des hochporösen, keramischen Materials sind im allgemeinen so gut, daß der Schalldämpfer sehr nahe an der Verbrennungskraftmaschine (der Schallquelle) angeordnet werden kann. Wie oben erwähnt, hat das keramische Material bei der Verwendung in Schalldämpfern eine sehr hohe Festigkeit.

Sollte jedoch irgendein Teil des schallabsorbierenden Materials von den Abgasen mitgeführt werden, werden die Um-0 gebung, einschließlich Mensch und Tier, nicht beeinflußt. Dies beruht auf der Tatsache, daß das Material nicht faserförmig ist. Weiter kann die Zusammensetzung des Materials mit natürlichen Mineralien verglichen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Kurven zur Darstellung, wie der Schallabsorptionskoef fizientc£ sich mit der Frequenz der Luftschwingung (des Luftschalls) bei zwei unterschiedlichen verwendeten keramischen Materialien ändert;

Fig. 2 eine Vergleichskurve zur Darstellung, wie sich

der Schallabsorptionskoeffizient <c mit der Luftschallfrequenz in einer Platte aus Mineralwolle ändert;
5

Fig. 3, 4, 5, 6 verschiedene Ausführungsformen eines Schalldämpfers;

Fig. 7 Kurven zur Darstellung der Ergebnisse von Extraktionsversuchen des keramischen Materials im Vergleich zu Versuchen, bei denen Mineralwolle verwendet wurde.

Fig. 8 Kurven zur Darstellung der Gewichtsverminderung eines keramischen Schalldämpfereinsatzes und

eines bekannten Mineralwolleeinsatzes in Beziehung zur Anzahl der gefahrenen Kilometer eines Personenkraftwagens, der diesen Schalldämpfer aufwies;
20

Fig. 9 weitere Ausführungsformen eines Schalldämpfers, und 10

Beispiel 1 25

Eine Platte aus geschäumtem, keramischem Material mit einer Dicke von 30 mm und einem spezifischen Widerstand

4 ² gegenüber einer Luftströmung von 3-10 Pa/m und einer Dichte von 520 kg/m wurde an einer schallreflektierenden Fläche befestigt und die Luftschallabsorption gemessen. Das Ergebnis ist mittels der voll ausgezogenen Linie in Fig. 1 dargestellt.

Beispiel 2

Eine Platte aus geschäumtem keramischem Material mit einer Dicke von 30 mm und einem spezifischen Widerstand gegen-

5 2 über einer Luftströmung von 1,9-10 Pa/m und einer

Dichte von 340 kg/m wurde an einer schallreflektierenden Fläche befestigt und die Luftschallabsorption gemessen. Das Ergebnis ist mittels gestrichelter Linien in Fig. 1 dargestellt.
10

Beisniel

Eine Platte aus Mineralwolle mit einer Dicke von 30 mm und einem spezifischen Widerstand gegenüber einer Luft-

4 2
strömung von 6,7 · 10 Pa/m und einer Dichte von

140 kg/m wurde an einer schallreflektierenden Fläche befestigt und die Luftschallabsorption gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt.
20

Beispiel 4

Das poröse keramische Material wurde entsprechend der Form gewöhnlichen Fasermaterials, wie sie bei Schalldämpfern verwendet wird, ausgebildet. Figuren 3 und 9 zeigen derartige Konstruktionen. Im Gegensatz zu den Fasermaterialien erfordert das keramische Material jedoch keinen Schutz mittels Abdeckblechen und perforierten Metal!rohren.

Beispiel 5

Aufgrund seiner mechanischen Festigkeit ermöglicht das keramische Material, daß die Schalldämpfer vollständig unterschiedlich zu Schalldämpfern konstruiert werden können/ die gewöhnliches Fasermaterial verwenden. Fig. 4, 5, 6 und 10 zeigen eine Anzahl derartiger Ausführungsbeispiele.

Beispiel 6

Ein zellförmiges keramisches Material wurde einem Extraktionstest in einem künstlichen Abgaskondensat unterworfen. Die verwendete Extraktionslösung hatte folgende Zusammensetzung:

PbCl,

CuCl₂ · 2

0 FeCl₃ - 6

NH.Cl

328 mg/1

2,95 mg/1

9,2 mg/1

153 mg/1

in destilliertem Wasser

Der pH-Wert wurde mit HCL während des Versuches jeden Tag auf 2,3 eingestellt. Alle drei Probenkörper mit einem Volumen von etwa 20 cm wurden in zwei Litern Lösung angeordnet und in einer Wärmekammer bei +90⁰C gelagert. Vor dem Einsetzen in die Lösung wurden die Proben gewogen, gewaschen und getrocknet und dann wieder nach 1 , 3, 10 und 30 Tagen gewogen. Der durchschnittliche Wert der Gewichtsänderung der Proben ist in Fig. 7 als relative Gewichtsabnahme zur Extraktionszeit in logarithmischem Maßstab aufgetragen.

Beispiel 7

Der Versuch entsprechend Versuch 6 wurde mit Mineralwolle wiederholt. Das Ergebnis ist in Fig. 7 dargestellt. 5

Beispiel 8

Es wurde ein schallabsorbierender Einsatz aus zellförmigem keramischem Material hergestellt und in einem Schalldämpfer für einen Personenkraftwagen eingebaut, der mit einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Der Einsatz wurde vor dem Einbau in den Schalldämpfer und nach 1000, 4000 und 8000 Fahrkilometern gewogen. Das Ergebnis ist in Fig. 8 als relative Gewichtsänderung in Beziehung zu dem zurückgelegten Weg aufgetragen.

Beispiel
20

Es wurde ein schallabsorbierender Einsatz aus Mineralwolle in einem Schalldämpfer für einen Personenkraftwagen eingebaut, der mittels einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Die Mineralwolle wurde gegen die Abgasströmung mittels einem perforierten Blechrohr geschützt. Der Einsatz wurde vor dem Einbau in den Schalldämpfer und erneut nach 1000, 4000 und 8000 Fahrkilometern gewogen. Das Ergebnis ist in Fig. 8 als relative Gewichtsänderung in bezug auf die zurückgelegte Strecke dargestellt.

Leerseite

Claims

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HOFFMANN · ISlTTJE- & P4RTNER

PAT E N TAN WÄLT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL-I NG. W. EITLE · DR. RER. N AT. K. HOFFMAN N · D I Pl.-1 NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M D NCH EN 81 · TE LE FON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

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Antiphon AB
Sundbyberg / Schweden

Schalldämpfer

Patentansprüche

(1 ·/ Schalldämpfer mit einem oder mehreren schallabsorbierenden Teilen aus keramischem Material, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Material porös ist, und daß die schallabsorbierenden Teile selbsttragend sind und einen spezifischen Widerstand gegenüber einer

3 7 2

Luftströmung von 10 - 10 Pa/m , vorzugsweise von 10 - 10 Pa/m , und eine Druckfestigkeit von mindestens

2 2

40 kN/m , vorzugsweise von mindestens 400 kN/m , aufweisen.
2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das keramische Material miteinander in Verbindung stehende Poren aufweist.
3. Schalldämpfer nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Poren in dem keramischen Material eine durchschnittliche Größe von 0,05 - 20 mm, vorzugsweise von 0,5 - 5 nun, aufweist.

_ 2 —
4. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die schallabsorbierenden Teile einer Hochtemperaturbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 500⁰C unterworfen wurden.
5. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die gesamte Porosität des keramischen Materials 50 - 95%, vorzugsweise 70 - 90%, beträgt.
6. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Material eine Dichte von 100 - 2500 kg/m , vorzugs-

3
weise 200 - 1650 kg/m , aufweist.
7. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das poröse keramische Material zellförmige Struktur hat.
8. Schalldämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische zellförmige Material mittels eines Fermentationsverfahrens aufgeschäumt ist.
9. Schalldämpfer nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η ■ zeichnet, daß das keramische zellförmige Material mittels Rühren aufgeschäumt ist.
10. Schalldämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische zellförmige Material 0 mittels Einblasen eines Gases in das Material aufgeschäumt ist.
11. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die schallabsorbierenden, porösen Teile durch Sintern eines kerami-

sehen, porösen oder nichtporösen, festen Materials erhalten werden.
12. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennz eichnet , daß die schallab-

2 sorbierenden Teile einen Biegewiderstand über 10 kN/m ,

2
vorzugsweise über 100 kN/m , aufweisen.
13. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet , daß die schallabsorbierenden Teile einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von maximal 20-10 K aufweisen.
14. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennz eichnet , daß der Schalldämpfer für strömende Gase verwendet wird.
15. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennz eichnet , daß der Schalldämpfer für Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird.
16. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die schallabsorbierenden Teile aus porösem keramischem Material einen so hohen spezifischen Widerstand gegenüber Luftströmung aufweisen, daß die strömenden Gase die Teile nicht zu irgendeinem materiellen Maß durchdringen.
17. Schalldämpfer nach irgendeinem der Ansprüche 14 0 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die schallabsorbierenden Teile mit einer oder mehreren durchgehenden Öffnungen für den Durchgang der strömenden Gase versehen sind.
18. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennz eichnet / daß die schallabsorbierenden Teile eine solche Form aufweisen und so im Inneren des Schalldämpfers angeordnet sind, daß die strömenden Gase längs der Außenseite der Teile strömen.
19. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennz eichnet , daß die schallabsorbierenden Teile in einen Schalldämpfer aus Blech einsetzbar sind.