DE3733711C2 - Schalldämpfer für Gasströmung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen dissipativen Schalldämpfer für eine Gasströmung, insbesondere zur Anbringung am Auspuff eines Verbrennungsmotors.

Die bekannten dissipativen Schalldämpfer, die aus einer oder mehreren Röhren mit rundem Querschnitt bestehen, welche radial perforiert sind und im Inneren eines Gehäuses aus Blech angeordnet sind, das mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist, haben den Nachteil, daß sie nicht gleichzeitig in der Lage sind, gute akustische Dämpfungsleistung und gute fluiddynamische Leistung aufzuweisen, beispielsweise einen geringen Verlust der Kraft; im Falle der Verwendung am Auspuff eines Verbrennungsmo­ tors führt dieser Nachteil gewöhnlich zu einem scharfen Abfall der Motor­ leistung mit dem daraus resultierenden Nachteil der Leistungsverringerung und der Verbrauchserhöhung.

Aus der DE-OS 27 01 830 ist ein Schalldämpfer für eine Gasströ­ mung bekannt, welcher eine Leitung umfaßt, die ein Schalldämpfergehäuse durchsetzt und innenseitig mit einer aus Schalldämpfungsmaterial beste­ henden Isolierschicht versehen ist. Die Leitung weist in Richtung ihrer Längsachse, längs der das Gas strömt, Querschnitte mit einer Rechteckgeo­ metrie auf, bei der der Einlaßquerschnitt und der Auslaßquerschnitt qua­ dratisch sind. Die Wände der Leitung bestehen aus je einem Paar sich zur Mitte der Leitung hin verjüngenden und von dort aus sich spiegelbildlich wieder verbreiternden Wänden und einem Paar sich zur Mitte der Leitung hin verbreiternden und von dort aus bis zum Auslaß wieder verjüngenden Wänden, die ein Rechteck definieren, welches sich vom Einlaß bis zur Mit­ te als ein Rechteck mit zunehmender Breite und abnehmender Höhe und von der Mitte zum Auslaß als ein Rechteck mit zunehmender Höhe und abnehmen­ der Breite darstellt, wobei das Verhältnis von Höhe und Breite im Be­ reich des Einlasses und des Auslasses gleich eins ist. Angeflanschte Stützen führen den quadratischen Einlaß- bzw. Auslaßbereich in eine Öff­ nung mit Kreisquerschnitt über. Die Schallabsorption erfolgt bei diesem Schalldämpfer durch zwischen dem Gehäuse und der Leitung angeordnete, durch Trennwände voneinander getrennte Kammern.

Aus der DE-OS 17 72 417 ist eine Schalldämpfanordnung bekannt, die aus einem in unmittelbarer Nähe der Schallquelle angeordneten Teil­ schalldämpfer und einem in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Haupt­ schalldämpfer besteht. In dem Teilschalldämpfer ist ein akustischer Stör­ körper mit gelochten Mantelflächen eingebracht, welcher über eine zentra­ le Öffnung und über einen zwischen dem Störkörper und dem Gehäuse des Teilschalldämpfers definierten Ringspalt zwei Leitungsteile freigibt, längs derer das Gas strömen kann. Der Störkörper ist mit schallabsorbie­ rendem Material gefüllt. Der Hauptschalldämpfer besteht aus einem Gehäu­ se, welches ausgehend von einer kreisförmigen Öffnung für eine Abgaslei­ tung einen im wesentlichen ovalen Querschnitt aufweist, der sich in einem ersten Abschnitt stark verbreitert, in einem Zentralabschnitt, welcher etwa bis zur Mitte des Gehäuses reicht, eine konstante Breite aufweist und in einem dritten Abschnitt sich konisch auf ein kreisförmiges Aus­ trittsrohr hin verjüngt. In dem Gehäuse sind zwei Lochwandschalen ange­ ordnet. Die erste Lochwandschale folgt im wesentlichen der Kontur des Ge­ häuses unter Wahrung eines Abstands, während die zweite Lochwandschale, die in der ersten Lochwandschale angeordnet ist und von dieser einen im wesentlichen konstanten seitlichen Abstand hält, einen im wesentlichen rautenförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Höhe der Raute konstant ist, während die Breite im ersten Bereich zunimmt, im Zentralbereich kon­ stant bleibt und im hinteren Bereich abnimmt. Die einströmende Gasströ­ mung drängt zunächst in die innere Lochwandschale ein und muß über die Lochungen derselben und dann durch die Lochungen der äußeren Lochwand­ schale entlang der Gehäusewandung zur Austrittsöffnung hin strömen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen dissipativen Schalldämpfer ohne die genannten Nachteile zu schaffen derart, daß er hinsichtlich der akustischen Dämpfung gleich oder besser ist als die bekannten Schalldämp­ fer, jedoch mit einer Begrenzung der Leistungsverluste der Gasströmung, welche den Schalldämpfer durchströmt derart, daß kein merkbarer Verlust der Leistung eintritt, wenn die Anwendung bei Explosionsmotoren von Fahrzeugen erfolgt.

Ausgehend von einem dissipativen Schalldämpfer für eine Gasströ­ mung, insbesondere für das Einfügen längs des Abgassammlers eines Explo­ sionsmotors eines Fahrzeugs, der Bauart, die ein mit Schall absorbierendes Gehäuse sowie eine Leitung umfaßt, die dieses Gehäuses, eingebettet in das schallabsorbierende Material, durchsetzt und mit einer Mehrzahl von radia­ len Löchern versehen ist, welche das Innere der Leitung mit dem Inneren des Gehäuses verbindet, wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lei­ tung 3 in Richtung ihrer Längsachse, längs der das Gas strömt, Quer­ schnitte mit einer elliptischen Geometrie aufweist, wobei das Verhältnis der Längen in Richtung der Ellipsenhauptachsen (längere Achse X bzw. kürze­ re Achse Y) sich kontinuierlich ändert von einem Maximum gleich eins im Be­ reich eines Einlaßquerschnitts 4 und eines Auslaßquerschnitts 5 , die kreisförmig sind, und einem Minimum im Bereich eines Zentralabschnitts 10 , dessen Querschnitt konstant ist, daß der Zentralabschnitt 10 kon­ stanten Querschnitts der Leitung ohne Unterbrechung der Kontinuität mit dem Einlaßquerschnitt 4 mittels eines ersten Verbindungsabschnitts 11 der Leitung verbunden ist, der in der Ebene, in der die größere Hauptachse X des Querschnitts des Zentralabschnitts selbst liegt, von einem Profil 14 begrenzt ist entsprechend, in Längsrichtung, einer divergierenden Venturia­ nordnung, und in der Ebene, in der die kürzere Hauptachse Y des Quer­ schnitts des Zentralabschnitts selbst liegt, von einem Profil entsprechend, in Längsrichtung, einer konvergierenden Venturianordnung, und daß der Zen­ tralabschnitt 10 konstanten Querschnitts der Leitung ohne Unterbrechung der Kontinuität mit dem Auslaßquerschnitt 5 über einen zweiten Verbin­ dungsabschnitt 12 der Leitung verbunden ist, der in der Ebene, in der die größere Hauptachse X des Zentralabschnitts selbst liegt, begrenzt wird von einem Profil 16, das in Längsrichtung einer konvergierenden Ventu­ rianordnung entspricht, und in der Ebene, in der die kürzere Hauptachse Y des Zentralabschnitts selbst liegt, von einem Profil 18, das in Längs­ richtung einer divergierenden Venturianordnung entspricht.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfin­ dung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen na­ her erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt in der Mitte eines Schall­ dämpfers gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt in einer Ebene II-II des Schalldämpfers nach Fig. 1 und

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt in einer Ebene gemäß III-III durch den Schalldämpfer nach Fig. 1.

In Fig. 1, 2 und 3 ist der Schalldämpfer vom dissipativen Typ in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnet, der dazu bestimmt ist, in Längsrichtung bezüglich der Strömungsrichtung eines Gasflusses angeordnet zu werden, um die Schallwellen zu absorbieren oder zu dämpfen, die in dieser Strömung er­ zeugt werden und insbesondere dazu bestimmt ist, in Serienschaltung an den Auspuff eines Explosionsmotors eines Fahrzeugs an sich bekannten Typs ange­ schlossen zu werden, das aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt ist. Der Schalldämpfer 1 umfaßt ein Gehäuse 2 mit vorzugsweise zylindri­ scher Form aus Metallblech, ein gerades Rohrstück 3, das sich durch das Ge­ häuse 2 koaxial zu dem letzteren erstreckt und mit entsprechenden Einlaß­ querschnitten 4 bzw. Auslaßquerschnitten 5 versehen ist, um in bekannter Weise an den bekannten Auspuff des nicht dargestellten Motors mittels ent­ sprechender Verbindungsstücke 4a bzw. 5a angeschlossen zu werden, sowie ei­ ne Füllung aus schallabsorbierendem Material 6, das schematisch durch Schraffur angedeutet ist und vollständig das Gehäuse 2 ausfüllt und in das die Rohranordnung 3 eingebettet ist. Das schallabsorbierende Material 6 ist von an sich bekanntem Typ und im Falle der Verwendung an einem Explosions­ motor des Schalldämpfers 1 muß es auch hitzebeständig sein. Zu diesem Zweck verwendet man vorzugsweise aufbereitete Mineralwolle, die in Position ge­ halten wird von einem metallischen Netz mit feinen Maschen 6a irgendeines bekannten Typs, wodurch das Phänomen der Austragung in die Gasströmung ver­ hindert wird. Die Rohranordnung 3, die vorzugsweise ebenfalls aus Blech hergestellt wird, ist auf ihrer gesamten seitlichen Oberfläche mit einer Mehrzahl von radialen durchgehenden Löchern 8 versehen, die das Innere der Leitung 3 mit dem Inneren des Gehäuses 2 verbinden, um so das schallabsor­ bierende Material 6 in Kommunikation mit dem Durchtrittsquerschnitt zu bringen, der der Gasströmung zur Verfügung steht, deren Einlaß- und Auslaß­ fronten schematisch in der Darstellung nach Fig. 2 in Ausfluchtung mit den Querschnitten 4 und 5 dargestellt ist; gemäß der Erfindung weist die Lei­ tung 3, anstatt zylindrisch zu sein wie die bekannten Schalldämpfer, eine ganz besondere Geometrie auf, die sich überraschenderweise als in der Lage herausgestellt hat, eine verbesserte akustische Absorption zu gewährlei­ sten, sowohl bezüglich der normalen Bauart wie auch bezüglich der Tangen­ tialbauart, wie auch eine verbesserte Absorption im Geräuschbereich niedri­ ger Frequenzen. Im einzelnen weist die Leitung 3 längs ihrer eigentlichen Längsachse, in Richtung der Gasströmung, die durch den Pfeil angedeutet ist, einen Querschnitt variabler Geometrie auf, indem sie einen Zentralab­ schnitt 10 mit einem elliptischen Querschnitt konstanten Profils umfaßt, dessen Länge unkritisch ist, um das Ziel der Erfindung zu erreichen und die dimensioniert werden kann gemäß den auf diesem Gebiet üblichen Techniken und mit bekannten Parametern (offensichtlich wird mit zunehmender Länge der Leitung 3 auch die Absorption zunehmen wie auch der Leistungsverlust der Gasströmung), sowie zwei einander gegenüberliegende Verbindungsabschnitte 11 und 12 mit elliptischem kontinuierlich variablem Querschnitt, welche den zentralen Abschnitt 10 mit dem Einlaßquerschnitt 4 bzw. Auslaßquerschnitt 5 der Leitung 3 verbinden, die ihrerseits gemäß der Erfindung runde Form auf­ weisen und auf diese Weise leicht ohne irgendwelche Probleme anschließbar sind, beispielsweise über die genannten Anschlußstücke 4a bzw. 5a, an ir­ gendeine existierende Auspuffleitung, welche üblicherweise sämtlich runde Form aufweisen. Unter strikt geometrischem Gesichtspunkt ist ein rundes Profil ein Sonderfall eines elliptischen (bekanntlich ist ein Kreis nichts anderes als eine Ellipse mit Hauptachsen gleicher Länge oder mit einem Ver­ hältnis zueinander, das gleich 1 ist) und so ergibt sich, daß die Leitung 3 gemäß der Erfindung durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß sie in Rich­ tung der fortschreitenden Gasströmung Querschnitte aufweist, die sämtlich eine elliptische Geometrie besitzen, jedoch ein Verhältnis der Längen ihrer Hauptachsen, der größeren und der kleineren (in Fig. 1 mit den Buchstaben X bzw. Y bezeichnet), aufweisen, das kontinuierlich variabel ist von einem Maximum gleich eins im Bereich der Abschnitte 4 und 5, die demgemäß rund sind und einem Minimum entsprechend dem zentralen Abschnitt 10 des konstan­ ten Querschnitts; der letztere ist erfindungsgemäß ohne Unterbrechung der Kontinuität mit dem Einlaßquerschnitt 4 und dem Auslaßquerschnitt 5 über die Verbindungsabschnitte 11 bzw. 12 verbunden, welche sich einander entge­ gensetzt in Richtung der Achsen X und Y verjüngen. Im einzelnen, wie gut in Fig. 2 erkennbar, wird der Verbindungsabschnitt 11 in der Ebene, die durch die Hauptachse X des elliptischen Querschnitts des Abschnitts 10 definiert ist, von einem symmetrischen Profil 14 begrenzt, das in Längsrichtung ei­ ner divergierenden Venturianordnung entspricht und in der Ebene, definiert durch die kleinere Achse Y des elliptischen Querschnitts des Abschnitts 10, von einem symmetrischen Profil 15, das in Längsrichtung einer konvergieren­ den Venturianordnung entspricht. Umgekehrt, wie am besten in Fig. 3 erkenn­ bar, wird der Verbindungsabschnitt 12 in der Ebene, die durch die größere Achse X verläuft, von einem symmetrischen Profil 16 begrenzt, entsprechend in Längsrichtung einer konvergierenden Venturianordnung und in der durch die kleinere Achse Y festgelegten Achse durch ein symmetrisches Profil 18, das in Längsrichtung einer divergierenden Venturianordnung entspricht.

Demgemäß umfaßt die Leitung 3 konvergierende und divergierende Abschnitte entsprechend den betrachteten Längsschnittebenen, und diese Ab­ schnitte, welche der seitlichen Oberfläche der Leitung 3 zugehören, sind offensichtlich mit Bohrungen 8 versehen und die infolgedessen ermöglichen, die gelochten Oberflächenabschnitte zu definieren, welche derart angeordnet sind, daß das schallabsorbierende Material 6 gleichzeitig der Front der akustischen Welle ausgesetzt ist, die sich mit der Gasströmung längs des Schalldämpfers 1 ausbreitet, sowohl in Normalrichtung in Ausfluchtung mit den Einlaß- und Auslaßquerschnitten 4 bzw. 5 wie auch in Tangentialrichtung in Übereinstimmung mit den eingeschnürten Verbindungsabschnitten 11 und 12, um so gemäß der Erfindung die Absorption der akustischen Welle unter varia­ blen Auftreffwinkeln zu bewirken, je nach der Axialposition der Front der Gasströmung längs der Längsachse des Schalldämpfers 1. Im Bereich der Quer­ schnitte 4 und 5 und der eingeschnürten Abschnitte 11 und 12 wird die Ab­ sorption entweder in Normalrichtung parallel zur Achse der Leitung 3 erfol­ gen oder in Tangentialrichtung senkrecht zur Achse der Leitung 3, während längs des elliptischen Querschnitts des Abschnitts 10 mit konstantem Quer­ schnitt der Leitung 3 die Absorption nur in Tangentialrichtung erfolgt, wie an sich bekannt, jedoch über einen Durchtrittsquerschnitt für die Gasströ­ mung in stark abgeplatteter Ellipsenform, wodurch sich ein maximal mögli­ ches Verhältnis zwischen dem Umfang des Querprofils der Leitung 3 und der Durchtrittsfläche ergibt, die der Gasströmung zur Verfügung steht und von jener begrenzt wird; demgemäß findet auch in der zentralen Zone, wie vom Anmelder durchgeführte Untersuchungen gezeigt haben, eine erhöhte akusti­ sche Absorption statt, höher als jene, die sich bei bekannten Schalldämp­ fern ergibt.

Die erwähnten Experimente haben ferner ergeben, daß zum Errei­ chen des besten Ergebnisses der Absorption mit minimalem Leistungsverlust der Gasströmung es erforderlich ist, daß nicht nur die eingeschnürten Ver­ bindungsabschnitte, von Venturiprofilen begrenzt werden sollen, was, wie festgestellt wurde, dasjenige Profil ist, das den geringsten Leistungsver­ lust zu erreichen gestattet, sondern daß außerdem der Abschnitt 11 der Lei­ tung 3 eine größere Länge als der Abschnitt 12 haben soll und insbesondere derart, daß Verbindungsprofile 14 und 16 sich über eine Länge erstrecken, die um etwa 50% größer ist als diejenige der Verbindungsprofile 15 und 18. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Schallabsorption insbesondere im Be­ reich tiefer Frequenzen proportional ist zur Länge der Verbindungsab­ schnitte 11 und 12 wie auch offensichtlich von der Dicke der Schicht schal­ labsorbierenden Materials 6, enthalten im Gehäuse 2. Obwohl das letztere vorzugsweise mit einem runden Querschnitt ausgeführt wird, könnte man es auch gemäß einer möglichen, aber aus Gründen der Vereinfachung nicht darge­ stellten Variante mit einer Querschnittsform herstellen, die ebenfalls el­ liptisch ist mit Hauptachsen, die zusammenfallen mit den jeweiligen Haupt­ achsen X und Y des elliptischen Querschnitts des Abschnitts 10; dies ermög­ licht eine bevorzugte Absorption im Bereich aller mittleren und tiefen Fre­ quenzen, wie auch die Erreichung eines Vorteils bezüglich der äußeren Er­ scheinung des Schalldämpfers 1 in seiner Gesamtheit. Insgesamt wird die Leitung 3 gemäß der Erfindung derart ausgeführt, daß sie Querschnitte auf­ weist, welche alle denselben Durchtrittsbereich für die Gasströmung aufwei­ sen oder eine konstante Fläche bei variablem Profil besitzt und um eine schnelle und ökonomische Herstellung des Schalldämpfers 1 zu ermöglichen, werden sowohl das Gehäuse 2 als auch die Leitung 3 mittels Falzung der ent­ sprechenden spiegelbildlichen Halbelemente 22, 23 aus Blech hergestellt.

Aus vorstehender Erläuterung ergeben sich klar die durch die Er­ findung erzielbaren Vorteile; mittels der beschriebenen Geometrie erhält man ein optimales Verhältnis zwischen dem Umfang des schallabsorbierenden Abschnitts und der Durchtrittsfläche der Gasfront, die die zu absorbierende Schallwelle mit sich führt mit der Konsequenz maximaler akustischer Absorp­ tion in Verbindung mit minimalem Leistungsverlust; darüberhinaus ist der beschriebene Schalldämpfer einfach und wirtschaftlich herzustellen und be­ sitzt einen besseren akustischen Absorptionswirkungsgrad bezüglich niedri­ ger Frequenzen im Vergleich mit den dissipativen Schalldämpfern, die gegen­ wärtig auf dem Markt erhältlich sind.

Claims (7)

1. Dissipativer Schalldämpfer (1) für eine Gasströmung, insbeson­ dere zum Längseinbau in den Auspuff eines Explosionsmotors eines Fahrzeugs, mit einer Bauart, die ein mit schallabsorbierendem Material (6) gefülltes Gehäuse und eine dieses durchsetzende, in das schallabsorbierende Material eingebettete und mit einer Mehrzahl von radialen Löchern (8) versehene Lei­ tung (3) umfaßt, welche Löcher das Innere der Leitung mit dem Inneren des Gehäuses (2) verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (3) in Richtung ihrer Längsachse, längs der das Gas strömt, Querschnitte mit einer elliptischen Geometrie aufweist, wobei das Verhältnis der Längen in Rich­ tung der Ellipsenhauptachsen (längere Achse X bzw. kürzere Achse Y) sich kontinuierlich ändert von einem Maximum gleich eins im Bereich eines Ein­ laßquerschnitts (4) und eines Auslaßquerschnitts (5), die kreisförmig sind, und einem Minimum im Bereich eines Zentralabschnitts (10), dessen Quer­ schnitt konstant ist, daß der Zentralabschnitt (10) konstanten Querschnitts der Leitung ohne Unterbrechung der Kontinuität mit dem Einlaßquerschnitt (4) mittels eines ersten Verbindungsabschnitts (11) der Leitung verbunden ist, der in der Ebene, in der die größere Hauptachse (X) des Querschnitts des Zentralabschnitts selbst liegt, von einem Profil (14) begrenzt ist ent­ sprechend, in Längsrichtung, einer divergierenden Venturianordnung, und in der Ebene, in der die kürzere Hauptachse (Y) des Querschnitts des Zentral­ abschnitts selbst liegt, von einem Profil entsprechend, in Längsrichtung, einer konvergierenden Venturianordnung, und daß der Zentralabschnitt (10) konstanten Querschnitts der Leitung ohne Unterbrechung der Kontinuität mit dem Auslaßquerschnitt (5) über einen zweiten Verbindungsabschnitt (12) der Leitung verbunden ist, der in der Ebene, in der die größere Hauptachse (X) des Zentralabschnitts selbst liegt, begrenzt wird von einem Profil (16), das in Längsrichtung einer konvergierenden Venturianordnung entspricht, und in der Ebene, in der die kürzere Hauptachse (Y) des Zentralabschnitts selbst liegt, von einem Profil (18), das in Längsrichtung einer divergie­ renden Venturianordnung entspricht.

2. Schalldämpfer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verbindungsabschnitt (11) der Leitung (3) eine Länge aufweist, die größer ist als die des zweiten Abschnitts (12) der Leitung und daß die Verbindungsprofile (14, 16) zwischen dem kreisförmigen Einlaßquerschnitt (4) und dem elliptischen Querschnitt des Zentralabschnitts (10) der Leitung (3) eine Längenerstreckung aufweist, die etwa 50% größer ist als diejenige der Verbindungsprofile (15, 18) zwischen dem elliptischen Zentralabschnitt (10) und dem kreisförmigen Auslaßquerschnitt (5) der Leitung (3).

3. Schalldämpfer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er im Bereich des Einlaßquerschnitts (4) und des Auslaßquerschnitts (5) der Leitung eine akustische Absorption vom Normaltyp, abweichend vom Tangen­ tialtyp aufweist.

4. Schalldämpfer (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die akustische Absorption im Bereich tiefer Frequenzen proportio­ nal der Länge des genannten ersten (11) und zweiten (12) Verbindungsab­ schnitts ist.

5. Schalldämpfer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitung (3) derart ausgebil­ det ist, daß er eine Durchtrittsfläche für die Gasströmung aufweist, die im wesentlichen konstant ist.

6. Schalldämpfer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das schallabsorbierende Material (6), daß das Ge­ häuse (2) füllt, aufbereitete Mineralwolle umfaßt, hinter einem zugeordne­ ten Metallgitter (6a) mit feinen Maschen.

7. Schalldämpfer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) und die Leitung (3) mittels Fal­ zung entsprechender Halbelemente (22, 23) aus Blech hergestellt sind.