WO1998019054A1 - Schalldämpfer - Google Patents

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WO1998019054A1
WO1998019054A1 PCT/EP1997/006018 EP9706018W WO9819054A1 WO 1998019054 A1 WO1998019054 A1 WO 1998019054A1 EP 9706018 W EP9706018 W EP 9706018W WO 9819054 A1 WO9819054 A1 WO 9819054A1
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helical
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PCT/EP1997/006018
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Burkhard Gelhar
Henrik Kluge
Dieter Lohmann
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/08—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling
    • F01N1/12—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling using spirally or helically shaped channels
    • F01N1/125—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling using spirally or helically shaped channels in combination with sound-absorbing materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/08—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling
    • F01N1/12—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling using spirally or helically shaped channels

Definitions

  • the invention relates to a silencer for internal combustion engines.
  • a silencer device for engines, compressors etc. which has a perforated outlet pipe that allows the passage of outlet gases and is arranged in an annular casing.
  • the space between the outlet pipe and the casing is filled with a sound wave absorbing material.
  • a helical or helical sheet is arranged in the outlet pipe, which forces the outlet gas to move in a helical manner, whereby it nestles very closely against the perforated wall of the outlet pipe. The exit movement is thus guided in the direction of the helical wall.
  • CH 313 645 discloses a sound attenuation device with two coaxially arranged tubes within a housing. The tubes have perforated walls.
  • a screw is inserted between the inner and outer tube, the inner tube being filled with a refractory fiber material.
  • the exit gas therefore flows helically through the annular space created between the outer and inner tube, part of the gas penetrating into the layer of refractory material provided between the housing and the outer tube and another part into the fiber material in the inner tube. This expands the gas.
  • the object of the invention is to provide improved sound damping for internal combustion engines.
  • This object is achieved in that helical internals are provided in the silencer duct, and in that the duct is surrounded by an outer ring duct, the outer ring duct being filled with a gas. Further developments of the invention are defined in the subclaims.
  • Helical internals also have the advantage of creating helical channels, so that compared to silencer designs without a helix, the same volume can be accommodated in a smaller outer container. This not only saves material and makes the silencer lighter, it also has the other advantages of lower external volume.
  • the helical internals create a more uniform flow, especially in comparison to chamber systems, which leads to a reduction in flow resistance and thus to lower losses.
  • the outer ring channel is filled with a gas, particularly preferably with air.
  • the combustion gas emerging from the channel can therefore enter the outer ring channel unhindered, as a result of which the sound waves can also be conducted away unhindered. This leads to the desired sound attenuation.
  • helical internals can be provided in a variety of different shapes. Depending on the pitch of the helical screw, an optimal back pressure can be generated for a specific air flow.
  • the ratio of pitch to diameter of the helical screw is less than 20 and greater than 1, it is particularly preferred if the ratio is 6.
  • the pitch is the length of the screw for one period, measured on the axis. Such conditions can still be achieved by bending a surface area and at the same time are highly effective as damping.
  • a very low back pressure can also be set by a specific choice of the use of the helical surfaces.
  • the pitch of the helical screw is constant.
  • the material used for example the sheet metal, warps somewhat.
  • the constant pitch would fluctuate around an average or remain essentially constant.
  • Fig. 1 is a perspective, partially sectioned illustration of an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration through a silencer from FIG. 1.
  • Fig. 1 shows the essential components of the silencer according to the invention.
  • An internal combustion engine (not shown, for example a 2-cylinder aircraft engine) with two cylinders discharges its exhaust gases via two ports 1 and 2, from right to left in the illustration.
  • Exhaust manifolds 3 and 4 begin at connections 1 and 2. These feed the exhaust gas to the actual silencer 7 via compensators 5 and 6.
  • the muffler 7 has an outer casing 10.
  • the casing 10 is fastened to the fuselage (not shown) in this example by means of a schematically indicated fastening 11.
  • the outer jacket 10 forms an outer annular channel 12. This can have a circular cross section, but is oval in the exemplary embodiment shown.
  • the inner tubes 20 and 21 each surround an inner channel 22 and 23, respectively. This should be given special consideration in the following with regard to the invention.
  • helical internals 30 are provided in the two inner channels 22 and 23.
  • the helical internals 30 consist of one of the external requirements of the exhaust gas resistant material, in particular a corresponding metal.
  • the helical internals 30 form a helical screw with a ratio of pitch to diameter of less than 20 and more than 1, in particular 6. They are obtained by bending a metallic surface piece.
  • the inner tubes 20 and 21 themselves can be made of a similar material and have perforations (not shown).
  • the inner channels 22 and 23 are connected to the outer ring channel 12 through these perforations.
  • the outer ring channel 12 is filled with a gas, in particular with air.
  • each of the helical internals 30 is used from both sides at the same time as a boundary wall of the flow, unlike with separate chambers and constrictions or also with baffle-like internals. Not only the internals, but also the flow is helical. Since the flow resistance to the exit from the perforations into the outer ring channel is low, depending on their dimensions and in comparison, low sound insulation can be achieved.

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Abstract

Ein Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren besitzt einen Kanal (22, 23), durch den die Abgase geführt werden. Im Kanal (22, 23) sind helikale Einbauten (30) vorgesehen, die zu einer Lärmminderung der Abgasgeräusche führen. Der Kanal (22, 23) ist von einem äusseren, mit einem Gas gefüllten Ringkanal (12) umgeben.

Description

Schalldämpfer
Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren.
Verbrennungsmotoren sind regelmäßig mit Schalldämpfern ausgerüstet; dies gilt für Kraftfahrzeuge, für Flugzeuge und auch für andere Verbrennungsmotoren. Es ist wünschenswert, die von dem Abgas des Motors ausgehende Lärmerzeugung möglichst gering zu halten. In bekannten Schalldämpfern für Verbren- nungsmotoren werden hierzu unstetige Strömungsumlenkungen, Durchmessersprünge und Widerstände im Schalldämpferkanal vorgesehen, um die Geschwindigkeit des durchströmenden Abgases zu ändern und so Schallminderungen zu erreichen. Bei Flugzeugen ist im Regelfall im Schalldämpfer eine Kammer (also vergrößerter Durchmesser) und anschließend in Strömungsrich- tung eine Verengung vorgesehen.
Problematisch ist dabei unter anderem, daß bei einer Bildung des Gegendrucks im Abgasrohr, also im Schalldämpfer, ein damit verbundener Strömungswiderstand durchaus leistungsmindernd auf den Motor wirken kann. Zusätzliche Ein- bauten führen auch zu nachteiligen Gewichtserhöhungen des Gesamtsystems und damit - besonders einleuchtend bei Luftfahrzeugen - zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs, mit letztlich auch einer Erhöhung der Abgasmenge und dadurch wiederum zu einer an sich gerade zu vermeidende Erhöhung der Lärmerzeugung.
Es ist aus der FR 1 149 456 eine Schalldämpfer-Einrichtung für Motoren, Kompressoren etc. bekannt, welche ein den Durchtritt von Austrittsgasen ermöglichendes, perforiertes und in einer ringförmigen Hülle angeordnetes Austrittsrohr aufweist. Der Raum zwischen Austrittsrohr und Hülle ist mit einem schallwellenabsorbierenden Material gefüllt. In dem Austrittsrohr ist ein schrauben- oder wendeiförmiges Blech angeordnet, das das Austrittsgas zu einer schraubenförmigen Bewegung zwingt, wobei es sich sehr stark an die perforierte Wandung des Austrittsrohres anschmiegt. Die Austrittsbewegung ist dadurch in Richtung der schraubenförmigen Wandung geführt. Die CH 313 645 offenbart eine Schalldämpfungsvorrichtung mit zwei koaxial ineinander angeordneten Rohren innerhalb eines Gehäuses. Die Rohre weisen perforierte Wandungen auf. Zwischen innerem und äußerem Rohr ist eine Schnecke eingefügt, wobei das innere Rohr mit einem feuerfesten Fasermaterial gefüllt ist. Das Austrittsgas strömt daher schraubenlinienförmig durch den zwischen äußerem und innerem Rohr geschaffenen Ringraum, wobei ein Teil des Gases in die zwischen Gehäuse und äußerem Rohr vorgesehene Schicht aus feuerfestem Material und ein anderer Teil in das Fasermaterial im inneren Rohr eindringt. Dadurch expandiert das Gas.
Eine solche Ausführungsform mit Ringkanal und Schnecke geht auch aus der FR 1 149 456 hervor.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine verbesserte Schalldämpfung für Verbrennungsmotoren zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Schalldämpferkanal helikale Einbauten vorgesehen sind, und daß der Kanal von einem äußeren Ringkanal umgeben ist, wobei der äußere Ringkanal mit einem Gas gefüllt ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Mit solchen helikalen Einbauten wird eine Lärmminderung der Abgasgeräusche erreicht. Der Schall wird an den helikalen Flächen durch Reflektion und Streuung sowie anschließend Absorption in der Kanalwand reduziert und außerdem aufgrund des sogenannten Cut-off-Effektes an seiner Ausbreitung gehindert.
Helikale Einbauten haben darüber hinaus den Vorteil, schraubenförmige Kanäle entstehen zu lassen, so daß im Vergleich zu Schalldämpferausbildungen ohne Helix das gleiche durchströmte Volumen in einem kleineren Außenbehälter untergebracht werden kann. Dadurch wird nicht nur Material eingespart und der Schalldämpfer leichter, auch die weiteren Vorteile geringeren Außenvolumens kommen zum Tragen.
Die Materialeinsparung wird sofort deutlich, wenn man sich vorstellt, daß ein betrachteter Abschnitt sowohl von seiner Vorder- als auch von seiner Rückseite her jetzt genutzt wird, nämlich jeweils als strömungszugewandte Fläche in einem Schraubengang und als ström ungsabgewandte Fläche im folgenden. Durch die schraubenförmige Strömungsführung sind diese Begriffe natürlich nur relativ zu sehen.
Ein Einsatz kommt insbesondere dort in Betracht, wo Gewichtsfragen sehr kritisch, eine gleichzeitige Schalldämpfung aber unerläßlich ist. Dies ist außer bei Flugzeugen auch bei anderen motorgetriebenen oder -betriebenen Objekten der Fall, zum Beispiel bei Mopeds, Motorrädern, Rasenmähern oder auch Motorsä- gen.
Dabei kommt jeweils auch vorteilhaft das geringe Baumaß von erfindungsgemäßen Schalldämpfern zum Tragen.
Außerdem entsteht durch die helikalen Einbauten gerade im Vergleich zu Kammersystemen eine gleichmäßigere Strömungsführung, was zu einer Reduzierung der Strömungswiderstände und damit auch zu geringeren Verlusten führt.
Um die Strömungswiderstände weiter zu verringern, ist in dem äußeren Ring- kanal kein Dämpfungsmaterial oder schallabsorbierendes Material, wie dies beim Stand der Technik vorgesehen ist, angeordnet. Das in den äußeren Kanal austretende Gas wird beim Auftreffen auf schallabsorbierendes Material gebremst, wodurch der Motor gegen diesen Widerstand arbeiten muß. Dies wiederum führt zu einer Geräusch- oder Lärmerhöhung, was jedoch gerade nicht erwünscht ist. Erfindungsgemäß ist der äußere Ringkanal deswegen mit einem Gas, besonders bevorzugt mit Luft gefüllt. Das aus dem Kanal austretende Verbrennungsgas kann deswegen ungehindert in den äußeren Ringkanal eintreten, wodurch die Schallwellen ebenfalls ungehindert abgeleitet werden können. Dies führt zu der gewünschten Schalldämpfung.
Die durch Strömungsumlenkungen erzielbaren Vorteile müssen durch Vorsehen der helikalen Einbauten nicht aufgegeben werden. Von Vorteil ist außerdem, daß die helikalen Einbauten in einer Vielzahl von unterschiedlichen Formen vorgesehen werden können. So kann je nach Ganghöhe der helikalen Schraube ein für eine bestimmte anfallende Luftströmung optimaler Gegendruck erzeugt werden.
Bevorzugt ist es, wenn das Verhältnis von Ganghöhe zu Durchmesser der helikalen Schraube kleiner als 20 und größer als 1 ist, besonders bevorzugt ist es, wenn das Verhältnis bei 6 liegt. Unter Ganghöhe ist hier die Länge der Schraube für eine Periode zu verstehen, gemessen an der Achse. Solche Ver- hältnisse sind noch durch Biegung eines Flächenstücks zu erzielen und gleichzeitig schon hochwirksam als Dämpfung.
Durch eine bestimmte Wahl der Verwendung der helikalen Flächen ist auch ein sehr geringer Gegendruck einstellbar.
Bevorzugt ist es, wenn die Ganghöhe der helikalen Schraube konstant ist. Bei der Anfertigung der Schraubenfläche bzw. der helikalen Einbauten kann durchaus toleriert werden, daß sich das dabei verwendete Material, beispielsweise das Blech etwas verzieht. Die konstante Ganghöhe würde dadurch um einen Mittelwert schwanken oder im wesentlichen konstant bleiben.
Alternativ besteht bei bestimmten Anwendungsfällen auch die Möglichkeit einer variablen Ganghöhe.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Schalldämpfer aus Figur 1.
Fig. 1 zeigt die wesentlichen Bestandteile des erfindungsgemäßen Schalldämpfers. Ein Verbrennungsmotor (nicht dargestellt, beispielsweise ein 2-Zylinder Flugmotor) mit zwei Zylindern führt über zwei Anschlüsse 1 und 2 seine Abgase ab, in der Darstellung von rechts nach links. An den Anschlüssen 1 und 2 be- ginnen jeweils Abgas-Krümmer 3 und 4. Diese führen über Kompensatoren 5 und 6 das Abgas dem eigentlichen Schalldämpfer 7 zu. Der Schalldämpfer 7 besitzt einen äußeren Mantel 10. Der Mantel 10 ist mittels einer schematisch angedeuteten Befestigung 1 1 in diesem Beispiel an dem Flugzeugrumpf (nicht dargestellt) befestigt.
Der äußere Mantel 10 bildet einen äußeren Ringkanal 12. Dieser kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, ist aber in dem dargestellten Ausführungsbeispiel oval. Durch den Ringkanal 12 führen zwei innere Rohre 20 und 21 mit jeweils kreisförmigem Querschnitt hindurch. In diese inneren Rohre 20 bzw. 21 führen die Abgaskrümmer 3 und 4 das Abgas.
Die inneren Rohre 20 und 21 umgeben jeweils einen inneren Kanal 22 bzw. 23. Diesen soll im folgenden im Hinblick auf die Erfindung besondere Berücksichtigung gelten.
Wie auch aus der Schnittdarstellung in Figur 2 hervorgeht, sind in den beiden inneren Kanälen 22 und 23 helikale Einbauten 30 vorgesehen. Die helikalen Einbauten 30 bestehen aus einem den äußeren Anforderungen des Abgases standhaltenden Material, insbesondere also einem entsprechenden Metall. Die helikalen Einbauten 30 bilden eine helikale Schraube mit einem Verhältnis von Ganghöhe zu Durchmesser von weniger als 20 und mehr als 1 , insbesondere von 6. Sie werden durch Biegung eines metallischen Flächenstückes ge- wonnen.
Die inneren Rohre 20 und 21 selbst können aus einem ähnlichen Material bestehen und Perforationen aufweisen (nicht dargestellt). Durch diese Perforationen sind die inneren Kanäle 22 und 23 mit dem äußeren Ringkanal 12 verbun- den. Der äußere Ringkanal 12 ist mit einem Gas, insbesondere mit Luft gefüllt.
Die Abgasströmung im Schalldämpfer 7 wird durch die helikalen Einbauten 30 geräuschmäßig gedämpft. Wie auch der Zeichnung zu entnehmen ist, ist jede der helikalen Einbauten 30 von beiden Seiten aus gleichzeitig als Begrenzungs- wand der Strömung genutzt, anders als bei separaten Kammern und Verengungen oder auch bei schikaneartigen Einbauten. Nicht nur die Einbauten, sondern auch die Strömung verläuft schraubenförmig. Da der Strömungswiderstand zum Austritt aus den Perforationen in den äußeren Ringkanal abhängig von deren Abmessungen und vergleischweise gering ist, kann eine gute Schalldämpfung erzielt werden.
Die Abgase verlassen nach Durchlaufen der inneren Kanäle 22 und 23 den Schalldämpfer 7 wieder und treten aus Endrohren 40 bzw. 41 aus.
Bezugszeichenliste
Anschluß an Zylinder 1 des Verbrennungsmotors
Anschluß an Zylinder 2 des Verbrennungsmotors
Abgaskrümmer
Abgaskrümmer
Kompensator
Kompensator
Schalldämpfer
Mantel
Befestigung äußerer Ringkanal
inneres Rohr inneres Rohr innerer Kanal in 20 innerer Kanal in 21
helikale Einbauten
Endrohr
Endrohr

Claims

Ansprüche
1. Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren mit einem Kanal (22, 23), durch den die Abgase geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal (22, 23) helikale Einbauten (30) vorgesehen sind, und daß der Kanal von einem äußeren Ringkanal (12) umgeben ist, wobei der äußere Ringkanal (12) mit einem Gas gefüllt ist.
2. Schalldämpfer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringkanal (12) mit Luft gefüllt ist.
3. Schalldämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den inneren Kanal (22, 23) bildende innere Rohr (20, 21 ) mit Perforationen versehen und dadurch der innere Kanal (22, 23) mit dem äußeren Ringkanal (12) verbunden ist.
4. Schalldämpfer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der helikalen Einbauten (30) und/oder die Innenseite des inneren Rohres (20, 21 ) und/oder die Außenseite des inneren Rohres (20, 21 ) und/oder die Innenseite des äußeren Mantels (10) schallweich, also gering schallreflektierend, ausgebildet ist.
5. Schalldämpfer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere innere Rohre (20, 21 ) vorgesehen sind, die jeweils einen inneren Kanal (22, 23) bilden, und die von einem gemeinsamen äußeren Ringkanal (12) umgeben sind.
6. Schalldämpfer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der helikalen Schraube konstant ist.
7. Schalldämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Ganghöhe zu Durchmesser der helikalen Schraube kleiner als 20 und größer als 1 ist.
8. Schalldämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Ganghöhe zu Durchmesser der helikalen Schraube bei 6 liegt.
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