DE4330129C2 - Abgasanlage einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine nach dem Ober­ begriff des ersten Anspruchs.

Derartige Abgasanlagen werden serienmäßig eingesetzt und ermöglichen einen geringen Geräuschpegel.

Aus der DE 36 41 942 C2 ist eine derartige Abgasanlage beispielhaft bekannt. Sie zeigt einen einzigen Absorptionsabgasschalldämpfer mit einem parallel geschalte­ ten Resonator, wobei der Helmholtz-Resonator aus einem gemeinsamen gasfüh­ renden Volumen innerhalb des Schalldämpfers bzw. Schalldämpfergehäuses abge­ zweigt wird. Hierdurch ergibt sich eine Reflexionsstelle ohne jegliche Abstimmmög­ lichkeit.

Aus der DE 20 28 056 A ist ein weiteres Abgassystem bekannt, bei dem ein als Rohrkupplung ausgebildeter durchströmter Schalldämpfer mit zwei weiteren Schall­ dämpfern kombiniert ist, die als Sackräume vor und hinter dem vorgenannten Schalldämpfer an dessen Abgasrohr angeschlossen sind und dementsprechend als Helmholtz-Resonatoren ausgebildet sein können.

Die Anforderungen, die im Hinblick auf die Schallemission vom Brennkraftmaschi­ nen bzw. von durch Brennkraftmaschinen angetriebenen Kraftfahrzeugen gestellt werden, steigen stetig.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Abgassystem mit weiter verbesserter Schalldämpfung zu schaffen, wobei mit geringen Abwandlungen eine Anpassung an unterschiedliche Motoren eines Kraftfahrzeugtypes möglich sein sollen.

Diese Aufgabe der erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, sowohl ein vom Abgas durchströmten Abgasanlage einer Brennkraftmaschine Vorschalldämpfer als auch einen vom Abgas durchströmten Nachschalldämpfer jeweils mit einem Helmholtz- Resonator zu versehen, um die Schalldämpferwirkung zu optimieren. Während ein Helmholtz-Resonator eine besonders starke Schalldämpfung innerhalb eines relativ schmalen Frequenzbandes ermöglicht, zeichnen sich durchströmte Schalldämpfer durch eine frequenzmäßig breitbandige, wenn auch etwas schwächere Schall­ dämpfung aus. Damit ist eine Anpassung an die Geräuschemission typischer Verbrennungsmotoren vergleichsweise leicht möglich, da diese neben geringeren Geräuschen in einem weitem Frequenzbereich verstärkte Geräusch in schmaleren Frequenzbändern anregen können. Hierzu trägt ebenfalls bei, dass die Anbindung des jeweiligen Helmholtz-Resonators mit Hilfe eines vor dem jeweiligen Schall­ dämpfer abzweigenden Rohrstückes erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Helmholtz-Resonatoren als im wesentlichen eigenständige, lediglich eine Eintrittsöffnung aufweisende Schalldämpfer­ töpfe ausgebildet, um eine weitgehende thermische Entkopp­ lung der Helmholtz-Resonatoren von den vom heißen Abgas durchströmten Schalldämpfern gewährleisten zu können. Dadurch kann vermieden werden, daß sich das Frequenzver­ halten der Helmholtz-Resonatoren aufgrund starker Erwärmung übermäßig ändert. Denn die Eigenfrequenz eines Helmholtz- Resonators ist auch von der stark temperaturabhängigen Dichte der vom Helmholtz-Resonator aufgenommenen Gase abhängig.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene eigenständige Bau­ weise der Helmholtz-Resonatoren werden diese thermisch deutlich weniger beaufschlagt und weisen dementsprechend eine deutlich geringere Eigenfrequenz-Drift auf. Auch die im wesentlichen eigenständige Anordnung der Helmholtz- Resonatoren bietet grundsätzlich die Möglichkeit, daß ein Helmholtz-Resonator und der zugeordnete vom Abgas durch­ strömte Schalldämpfer eine gemeinsame Trennwand besitzen und dementsprechend eine gemeinsame herstellbare Einheit bilden - und somit auch gemeinsam am Fahrzeug verbaut bzw. aufgehängt werden können. In diesem Fall kann die gewünschte begrenzte Erwärmung des Helmholtz-Resonators dadurch gewährleistet werden, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der gemeinsame Trennwand-Bereich weniger als etwa ein Siebtel der Oberfläche des Gehäuses des Helmholtz-Resonators aus­ macht. Auch dann erwärmt sich der Helmholtz-Resonator beim Betrieb der Brennkraftmaschine deutlich geringer als der vom Abgas durchströmte Schalldämpfer, da der Helmholtz- Resonator als Sackraum lediglich beim Start der Brennkraft­ maschine einmalig mit einem Gaspolster befüllt wird und sich beim Dauerbetrieb praktisch nur durch Wärmeleitung erwärmen kann, welche durch die geringe Größe der gemein­ samen Trennwand deutlich beschränkt ist. Hierbei wird eine Erwärmung des Helmholtz-Resonators auch dadurch vermindert, daß über dessen Oberfläche Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Vorteilhafterweise kann das Gehäuse des Helmholtz-Resonators aufgrund der begrenzten Erwärmung gegebenenfalls aus weniger temperatur-resistenten Werkstoffen hergestellt sein, beispiels­ weise aus einer unter Gewichtsaspekten optimalen Leichtmetall­ legierung.

Noch eine weitere Abstimmöglichkeit mit dem Ergebnis einer zusätzlich verbesserten Schalldämpfung liegt vor, wenn zu­ mindest einer der Helmholtz-Resonatoren als Tonraum ausge­ bildet ist. Hierzu kann dieser Helmholtz-Resonator in zumindest zwei Kammern unterteilt sein, die durch eine Übertrittsöffnung, in der sich bevorzugt ein kurzes Rohrstück befindet, miteinander verbunden sind. Ein derartiger als Tonraum ausgebildeter Helm­ holtz-Resonator wirkt in der Theorie der Schalldämpfung als Feder-Masse-Feder-System und erlaubt es, durch Abstimmung der einzelnen Komponenten, nämlich der Feder, die durch das in einem abgeschlossenen Behälter aufgenommene Gas gebildet wird, sowie der Masse, die die Gasmasse im Rohrstück darstellt, die optimale Schalldämmwirkung in den jeweils benötigten Fre­ quenzbereich zu legen.

Vorzugsweise sind die Helmholtz-Resonatoren jeweils strom­ aufwärts der durchströmten Schalldämpfer am Abgasrohr ange­ schlossen, um die durchströmten Schalldämpferräume soweit als möglich von Pulsationen des Abgases zu entlasten. Hierdurch wird die Gefahr einer Anregung von Körperschallschwingungen vermindert. Im übrigen wird dadurch im Falle der Anordnung durchströmter Absorptionsdämpfer die Lebensdauer des Absorptionsmaterials erhöht.

Um eine schwingungsmäßig besonders gute Ankopplung der Helmholtz-Resonatoren an das das Abgasrohr durchströmende Abgas bei einfacher Rohrkonstruktion gewährleisten zu können, ist vorgesehen, das Abgasrohr an den Anschlüssen der Helmholtz-Resonatoren als spitzwinklige Rohrgabelung mit in Strömungsrichtung weisenden Gabelenden auszubilden. Damit münden die Anschlüsse der Helmholtz-Resonatoren praktisch entgegen der Strömungsrichtung des Abgases in den Abgasstrom.

Auch wenn ein Helmholtz-Resonator mit einem vom Abgas durch­ strömten Schalldämpfer in einem gemeinsamen Gehäuse ange­ ordnet wird, ist zum Anschluß der beiden Gehäuseteile zweck­ mäßigerweise eine solche Rohrgabelung außerhalb des Gehäuses vorgesehen. Dadurch wird einerseits die thermische Belastung des Helmholtz-Resonators vermindert. Andererseits kann durch unterschiedliche Längen der gegabelten Rohrstücke eine zusätz­ liche frequenzmäßige Abstimmung, insbesondere des Helmholtz- Resonators, erzielt werden.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläu­ terung einer besonders bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung verwiesen.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht des Abgassystems,

Fig. 2 die zugehörige Seitenansicht und

Fig. 3 eine konstruktivere Darstellung des Vorschall­ dämpfers in Draufsicht.

Das dargestellte Abgassystem besitzt einen Vorschall­ dämpfer 1 und einen Nachschalldämpfer 2. Der Vorschall­ dämpfer 1 sowie der Nachschalldämpfer 2 sind durch ein Abgasrohr 3 miteinander verbunden, welches auch die Abgase einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine in den Vorschalldämpfer 1 einführt. Über ein Endrohr 4 ge­ langen die Abgase schließlich aus dem Nachschalldämpfer 2 nach außen.

Sowohl stromauf des Vorschalldämpfers 1 als stromauf des Nachschalldämpfers 2 zweigt vom Abgasrohr 3 jeweils ein kurzes Rohrstück 5 ab, welches zu jeweils einem Helmholtz- Resonator 6a bzw. 6b führt. Diese beiden Helmholtz-Resonatoren sind als im wesentlichen eigenständige Schalldämpfertöpfe ausgebildet, die lediglich eine dem Mündungsbereich des Rohrstückes 5 angepaßte Eintrittsöffnung aufweisen. Während der Helmholtz-Resonator 6b völlig eigenständig aufgehängt ist, besitzt der Helmholtz-Resonator 6a eine gemeinsame Trennwand 7 mit dem zugeordneten Vorschalldämpfer 1.

Der Helmholtz-Resonator 6b ist als sogenannter Tonraum ausgebildet und weist intern eine Trennwand 8 auf, die mit einer Übertrittsöffnung 9 mit einem darin eingesteckten Rohrstück 10 versehen ist. Somit ist dieser dem Nachschall­ dämpfer 2 zugeordnete Helmholtz-Resonator 6b in zwei Kammern 11a und 11b unterteilt.

Gemäß Fig. 3 besitzen der Helmholtz-Resonator 6a und der Vorschalldämpfer 1 ein gemeinsames Gehäuse, welches in Draufsicht etwa V-förmig mit bogenförmigem Übergang zwischen den V-Schenkeln ausgebildet ist. Wie aus der Fig. 1 erkenn­ bar wird, besitzt der Übergangsbereich zwischen den V-Schen­ keln einen besonders geringen Querschnitt, welcher sich zu den Enden der V-Schenkel hin erweitert. Das Gehäuse kann in grundsätzlich bekannter Weise aus zwei Halbschalen zu­ sammengesetzt sein.

Nahe einer vertikalen Mittelebene ist innerhalb des Gehäuses die Trennwand 7 angeordnet. Beidseitig dieser Trennwand 7 münden das Abgasrohr 3 bzw. das Rohrstück 5 in jeweils eine Gehäusehälfte ein, wobei der Rohrstück 5 nur ein be­ grenztes Stück in den Innenraum der zugehörigen Gehäuse­ hälfte hineinragt und den Innenraum dieser Gehäusehälfte mit dem Abgasrohr 3 verbindet.

Zur Versteifung kann die dem Rohrstück 5 zugeordnete Gehäuse­ hälfte mit einer perforierten Querwand 12 versehen sein.

Das Abgasrohr 3 ist durch die ihm zugeordnete Gehäusehälfte, etwa in dessen Längsrichtung, hindurchgeführt und mit dem Innenraum dieser Gehäusehälfte über Perforationen in seiner Wandung verbunden. Zur Versteifung dieser Gehäusehälfte dient eine Querwand 13, die als Schiebesitz für das Abgas­ rohr 3 ausgebildet ist.

Im Bereich der Perforationen ist das Abgasrohr 3 innerhalb der zugehörigen Gehäusehälfte mit Chromstahlwolle umhüllt. Im übrigen ist die genannte Gehäusehälfte mit Basaltstein­ wolle ausgefüllt. Damit bildet der Vorschalldämpfer 1 einen sogenannten Absorptionsdämpfer, welcher sich durch eine breitbandige Dämpfung von Geräuschen auszeichnet. Die für einen derartigen Dämpfer notwendige Füllung aus Chromstahl- bzw. Basaltsteinwolle od. dgl. bietet im vorliegenden Falle den zusätzlichen Vorteil, daß die heißen Abgase die Wandung des Vorschalldämpfers 1 sowie die Trennwand 7 nur mit ver­ minderter Intensität beaufschlagen können, wodurch eine verminderte thermische Kopplung zwischen dem Vorschall­ dämpfer 1 und dem Helmholtz-Resonator 6a bewirkt wird. Im übrigen wird der Wärmeübergang zwischen dem Vorschall­ dämpfer 1 und dem Helmholtz-Resonator 6a auch dadurch wirk­ sam begrenzt, daß der Gehäusequerschnitt im Bereich der Trennwand 7 vergleichsweise gering ist und der Helmholtz- Resonator 6a mittels des Rohrstückes 5 auch von seinem Anschlußbereich am Abgasrohr 3 einen größeren Abstand hat. Außerdem kann das Abgasrohr 3 innerhalb des Vorschall­ dämpfers 1 nahe der Trennwand 7 keine bzw. vergleichsweise wenige Perforationen aufweisen, während in größerer Entfernung von der Trennwand 7 und insbesondere in Strömungs­ richtung hinter der Querwand 13 Perforationen in erhöhter Anzahl vorhanden sind.

Das den Vorschalldämpfer 1 sowie den Helmholtz-Resonator 6a umfassende Gehäuse kann ohne gesonderte Gehäusebefestigungen am Fahrzeug allein durch das Abgasrohr 3, gehaltert sein, wobei die Aufhängungen des Abgasrohres 3 in größerer Ent­ fernung vom Vorschalldämpfer 1 angeordnet sein können.

Die Gehäuse des Nachschalldämpfers 2 sowie des Helmholtz- Resonators 6b besitzen weitestgehend ähnliche Form und können dementsprechend mit ähnlichen Halteelementen am Fahrzeug befestigt sein. Gleichzeitig wird damit die Mög­ lichkeit geboten, die Plätze von Nachschalldämpfer 2 und Helmholtz-Resonator 6b auszutauschen, um ohne größeren konstruktiven Aufwand eine veränderte frequenzmäßige Ab­ stimmung des Abgassystems zu ermöglichen. Bei einer derart vertauschten Anordnung wird einerseits der Strömungsweg zwischen Vorschalldämpfer 1 und Endrohr 4 verkürzt. Anderer­ seits ist dann der Helmholtz-Resonator 6b mit deutlich längerem Rohrstück 5 an das Abgasrohr 3 angeschlossen.

Der Helmholtz-Resonator 6b wird thermisch besonders wenig belastet, so daß sein Gehäuse für eine Herstellung aus Leichtmetall besonders geeignet ist. Hierbei kann gegebenen­ falls vorgesehen sein, den mit dem Rohrstück 5 verbundenen Gehäuseboden wie das Rohrstück 5 bzw. das Abgasrohr 3 aus Stahl herzustellen und nur den übrigen Gehäuseteil aus Leichtmetall zu fertigen.

Claims (19)

1. Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasrohr (3), welches das Abgas nacheinander durch zumindest einen vom Abgas durchströmten Vorschall­ dämpfer (1) sowie zumindest einen vom Abgas durchströmten Nachschalldämpfer (2) führt, dadurch gekennzeichnet, daß vom Abgasrohr (3) sowohl vor dem Vorschall­ dämpfers (1) als auch vor dem Nachschalldämpfer (2) jeweils ein zu einem Helm­ holtz-Resonator (6a, 6b) führendes Rohrstück (5) abzweigt.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (6a, 6b) als ein im wesent­ lichen eigenständiger, lediglich eine Eintrittsöffnung aufweisender Schalldämpfer-Topf ausgebildet ist.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Helmholtz-Resonatoren (6a, 6b) jeweils annähernd gleiches Volumen wie der benachbarte Vorschalldämpfer (1) bzw. Nachschalldämpfer (2) aufweisen.

4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschalldämpfer (1) sowie der zugeordnete Helmholtz-Resonator (6a) ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.

5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachschalldämpfer (2) sowie der zugeordnete Helmholtz-Resonator (6b) getrennte Gehäuse aufweisen.

6. Abgasanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den den Vorschalldämpfer (1) und den zugeordneten Helmholtz-Resonator (6a) bildenden Teilen des gemeinsamen Gehäuses ein vergleichsweise geringer Wärmeübergang auftritt.

7. Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile durch eine gemeinsame Trennwand (7) voneinander abgetrennt sind, deren Fläche weniger als ein Siebtel der Oberfläche des Gehäuseteiles des Helmholtz-Resonators (6a) ausmacht.

8. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Helmholtz-Resonatoren (6b) als Tonraum ausgebildet ist und hierzu in zumindest zwei Kammern (11a, 11b) unterteilt ist, die durch eine Übertrittsöffnung (9) mit einem Rohrstück (10) mit­ einander verbunden sind.

9. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in Draufsicht etwa V-förmige gemeinsame Gehäuse des Vorschalldämpfers (1) sowie des zuge­ ordneten Helmholtz-Resonators (6a) durch die gemein­ same Trennwand (7) im Übergangsbereich der V-Schenkel unterteilt ist.

10. Abgasanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (3) vor dem Übergangsbereich zwischen den V-Schenkeln des gemeinsamen Gehäuses gegabelt ist und die Gabelenden beidseitig der Trennwand in die zugeordneten Gehäuseteile ein­ münden.

11. Abgasanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der den Vorschalldämpfer (1) bildende Gehäuse­ teil im wesentlichen in Längsrichtung - von der V-Spitze zum Ende des V-Schenkels hin - durchströmt wird.

12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschalldämpfer (1) als Absorptionsdämpfer ausgebildet ist und von einem perforierten Teil des Abgasrohres (3) durchsetzt wird.

13. Abgasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Perforationen eine erste Um­ mantelung aus Metallwolle, insbesondere Chromstahlwolle, angeordnet ist und daß das Gehäuse des Vorschall­ dämpfers (1) im übrigen mit Mineralstoffwolle, insbesondere Basaltsteinwolle, ausgefüllt ist.

14. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der den Vorschalldämpfer (1) bildende Gehäuse­ teil durch eine Querwand (13) mit einem Schiebesitz für das diesen Gehäuseteil durchsetzende Abgasrohr (3) verstärkt ist.

15. Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (13) perforiert ist.

16. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Abgas durchströmte Nachschalldämpfer (2) im wesentlichen als Reflexionsdämpfer mit mehreren durchströmten Resonatoren ausgebildet ist.

17. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusetöpfe des Nachschalldämpfers (2) sowie des zugeordneten Helmholtz-Resonators (6b) nebeneinander angeordnet sind und das Abgasrohr (3) nahe eines der Gehäusetöpfe gegabelt ist und dementsprechend Gabelteile mit unterschiedlichen Längen vorhanden sind.

18. Abgasanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Helmholtz-Resonator (6b) am kürzeren Gabelzweig angeordnet ist.

19. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Helmholtz-Resonatoren (6a, 6b), inbesondere der dem Nachschalldämpfer (2) zugeordnete Helmholtz- Resonator (6b), zumindest teilweise aus Leichtmetall bestehende Gehäuse besitzen.