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Die Erfindung betrifft eine kombinierte Resonator- und Schalldämpferanlage für 2-Takt-Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Resonator mit drehsymmetrischem Gehäuse, in das ein Einlassstutzen mündet und das seinerseits in ein einen Schalldämpfer enthaltendes Auslassrohr mündet, wobei das Resonatorgehäuse in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend einen divergierenden Diffusorabschnitt, gegebenenfalls einen Zwischenabschnitt gleichbleibenden Strömungsquerschnittes, sowie einen konvergierenden Reflektorabschnitt begrenzt.
Die Theorie und Konstruktion leistungssteigernder Resonator/Schalldämpferanlageanlagen dieser Art sind z. B. im F. Laimböck, "Analyse der Steuerzeiten, Zeitquerschnitte und Auspuffanlagen neuzeitlicher Zweitakt-Zweiradmotoren", Tagungsbericht Grazer Zweiradtagung 7. November 1984, TU Graz, beschrieben. Die grundlegenden Merkmale von Resonatoranlagen sind ein genau definierter Diffusorabschnitt mit definierter Querschnittserweiterung, Diffusorsteigung und Länge im Verhältnis zur Gesamtresonatorlänge, gegebenenfalls ein Zwischenabschnitt gleichbleibenden Querschnittes (in der Regel 5 bis 15% der Gesamtlänge), und ein ebenfalls genau definierter Reflektorabschnitt, in der Regel ein Gegenkonus mit einer Länge von 15 bis 25% der Gesamtlänge.
Bei den bekannten ResonatorlSchalldämpferanlagen mündet der Einlassstutzen in axialer Richtung in den Diffusorabschnitt des Resonatorgehäuses, so dass dieses axial durchströmt wird, und an den Reflektorabschnitt schliesst in axialer Richtung das Auslassrohr mit dem Schalldämpfer als gesonderter Bauteil an. Auf Grund der einander gegenüberliegenden divergierenden und konvergierenden Abschnitte im Resonatorgehäuse bildet sich für jede eingespeiste Abgasdruckwelle eine rücklaufende Unterdruckwelle aus, welche die Entleerung des Zylinders der Verbrennungskraftmaschine unterstützt und insgesamt zu einer besseren Verbrennung, Abgasreduktion und Leistungssteigerung führt. Der nachgeschaltete Schalldämpfer ist erforderlich, weil das Resonatorgehäuse selbst keine schalldämpfende Wirkung hat.
Die Baulänge sowohl des Resonatorgehäuses als auch des anschliessenden Schalldämpfers ist umgekehrt proportional zur Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine. Speziell bei 2-Takt-Verbrennungskraftmaschinen mit kleinem Hubraum, z. B für den Modellflugsport, für Motorsensen oder Kettensägen, wird aus Lärmschutzgründen zu immer niedrigeren Betriebsdrehzahlen gegriffen. Bei einer Betriebsdrehzahl von 6. 000 U/min hat jedoch eine ResonatorlSchalldämpferanlage herkömmlicher Konstruktion eine Gesamteinbaulänge von über 1 m, was in den genannten Anwendungsfällen nicht tragbar ist. In diesen Fällen musste bisher auf die Vorteile einer Resonator/Schalldämpferanlage verzichtet werden, und es wurden Kompaktschalldämpfer eingesetzt, die keine Resonanzwirkung besitzen und daher unwirtschaftlich und umweltbelastend arbeiten.
Einerseits verbleiben grössere Mengen verbrannter Gase beim Spülprozess im Zylinder, was die Verbrennung verschlechtert, anderseits gelangen grössere Mengen unverbrannten Gemisches in das Abgas.
Beide Effekte bewirken einen etwa 35 %-igen Leistungsabfall gegenüber einer Resonator/Schalldämpferanlage.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine ResonatorlSchalldämpferanlage mit äusserst kompakten Abmessungen zu schaffen, so dass sich die Vorteile des Resonanzprinzipes auch bei kleinen 2-Takt-Verbrennungskraftmaschinen, wie Motoren für Flugmodelle, Rasenmäher, Kettensägen, Motorsensen etc., ausnützen lassen.
Dieses Ziel wird mit einer ResonatorlSchalldämpferanlage der einleitend genannten Art erreicht, die sich erfindungsgemäss dadurch auszeichnet, dass das Auslassrohr das Resonatorgehäuse koaxial durchsetzt und der Einlassstutzen tangential in den Diffusorabschnitt mündet.
Auf diese Weise wird eine zweifache Platzeinsparung erzielt. Einerseits wird der Schalldämpfer, welcher im Auslassrohr angeordnet ist, zur Gänze in das Innere des Resonatorgehäuses verlagert, indem er gleichsam als Kern das Innere des Gehäuses durchsetzt. Anderseits wird die Baulänge des Resonators drastisch verkürzt, weil durch die tangentiale Anströmung die Abgase das Resonatorgehäuse wendelförmig um den Kern herum durchströmen, so dass der effektive Strömungsweg im Inneren des Resonatorgehäuses ein Vielfaches der Baulänge des Resonatorgehäuses beträgt.
Die für das geschilderte Resonanzprinzip erforderliche anfängliche Vergrösserung des Strömungsquerschnittes und anschliessende Verkleinerung des Strömungsquerschnittes ergibt sich dabei von selbst, weil sich die Ganghöhe der wendelförmigen Strömung durch die anfängliche Umlenkung von der tangentialen Einspeisung zur wendelförmigen Durchströmung fortschreitend erhöht, was einem divergierenden Abschnitt entspricht, und beim Auflaufen der wendeiförmigen Strömung auf das andere Ende des Resonatorgehäuses wieder verringert, was einem konvergie-
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renden Abschnitt entspricht.
Zweckmässigerweise kann unterstützend der Diffusorabschnitt durch eine kontinuierliche Vergrösserung des Durchmessers des Resonatorgehäuses und/oder der Reflektorabschnitt durch eine kontinuierliche Verringerung des Durchmessers des Resonatorgehäuses in seiner Wirkung verstärkt werden. Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch alternativ oder zusätzlich zwischen Auslassrohr und Resonatorgehäuse eine wendeiförmige Leitwand angeordnet. Die Ganghöhe der wendelförmigen Leitwand kann beispielsweise konstant gehalten werden, und der Diffusorabschnitt und der Reflektorabschnitt werden lediglich über die geschilderten Durchmesseränderungen des Resonatorgehäuses erreicht.
Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Ganghöhe der wendeiförmigen Leitwand entsprechend variiert wird, und bevorzugt der Diffusorabschnitt durch eine kontinuierliche Vergrösserung der Ganghöhe der wendeiförmigen Leitwand gebildet wird. Nach dem gleichen Prinzip kann bevorzugt der Reflektorabschnitt durch das Auflaufen der wendeiförmigen Leitwand auf eine radiale Stirnwand des Resonatorgehäuses gebildet werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der US 4 683 978 A die Verwendung eines wendelförmigen Leitbleches in einem Schalldämpfer an sich bekannt ist. Das dort beschriebene Leitblech besitzt eine konstante Ganghöhe und wird ausschliesslich zur Schalldämmung und nicht zur Bildung der Diffusor- und Reflektorabschnitte des Resonatorgehäuses einer Resonator/Schalldämpferanlage verwendet. Ferner ist auch aus der CH 199 018 A eine wendelförmige Leitwand variabler Ganghöhe zwischen einem Auslassrohr und einem Aussengehäuse bekannt, allerdings für einen gänzlich anderen Zweck, und zwar für einen Nurschalldämpfer ohne Resonatorabschnitt, d. h. nicht für eine kombinierte Resonator/Schalldämpferanlage, welche einen leistungssteigernden Resonator aus Diffusorabschnitt, gegebenenfalls Zwischenabschnitt und Reflektorabschnitt aufweist.
Im einzelnen bildet bei der CH 199 018 A die wendeiförmige Leitwand eine wendeiförmige akustische Schalldämpfungskammer, zu welcher sich das Auslassrohr über eine Vielzahl mit variabler Schrittweite angeordneter Auslassöffnungen hin öffnet. Die wendeiförmige Kammer ist in diesem Fall dem Auslassrohr parallel geschaltet und die variable Ganghöhe dient zur Bildung variabler Elementarschalldämpfungskämmern, um einen ganzen Bereich von Schallfrequenzen absorbieren bzw. kompensieren zu können.
In jedem Fall besteht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, dass der Einlassstutzen unter einem spitzen Winkel zu der Längsachse des Resonatorgehäuses in dieses mündet, was einen gleitenden Übergang in die wendelförmige Strömung ermöglicht.
Eine konstruktiv besonders vorteilhafte Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass das Auslassrohr über radiale Öffnungen mit dem Reflektorabschnitt in Verbindung steht. Das Ende des Auslassrohres kann in diesem Bereich an der Stirnwand des Resonatorgehäuses befestigt werden, und die Strömungsverbindung erfolgt über die genannten radialen Öffnungen.
Zur Ausbildung des Schalldämpfers im Auslassrohr wird bevorzugt in das Auslassrohr ein Endrohr koaxial eingesetzt, welches die reflektorseitige Stirnwand des Resonatorgehäuses durchsetzt und in einem Abstand von der diffusorseitigen Stirnwand des Resonatorgehäuses endet. In diesem Fall ist es besonders günstig, wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung die Innenseite des Auslassrohres und die Aussenseite des Endrohres mit einem schalldämmenden Belag versehen werden.
Ferner kann in jedem Fall im Inneren des Auslassrohres ein Abgaskatalysator angeordnet werden, ohne die Einbaulänge der Resonator/Schalldämpferanlage zu vergrössern.
Schliesslich ist es besonders vorteilhaft, wenn der Einlassstutzen als direkt an die Zylinderauslassöffnung der Verbrennungskraftmaschine anflanschbarer Rohrkrümmer ausgebildet ist. Dadurch lässt sich die Resonator/Schalldämpferanlage in einfacher Weise gegen herkömmliche KompaktSchalldämpfer austauschen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform, der Reso- nator/Schalldämpferanlage der Erfindung im Längsschnitt, Fig. 2 in der Stirnansicht und Fig. 3 in der Draufsicht, die Fig. 4 bis 6 Längsschnitte durch drei weitere Ausführungsformen von erfindungsgemässen Resonator/Schalldämpferanlagen, und die Fig. 7 und 8 eine weitere alternative Ausführungsform der Resonator/Schalldämpferanlage der Erfindung in der Stirnansicht bzw. im
Längsschnitt.
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Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Resonator/Schalldämpferanlage weist ein zylinderförmiges Resonatorgehäuse 1 auf, das auf einer Seite durch eine kuppelförmige Stirnwand 2 und auf der anderen Seite durch eine radiale Stirnwand 3 abgeschlossen ist. Im Inneren des Resonatorgehäuses 1 erstreckt sich ein Auslassrohr 4 koaxial von der Stirnwand 2 bis zur Stirnwand 3. Das Auslassrohr 4 ist in der Nähe der Stirnwand 3 mit radialen Öffnungen 5 versehen.
Am gegenüberliegenden Ende kann das Auslassrohr 4 die Stirnwand 2 zur Bildung eines Auspuffs direkt durchsetzen, bevorzugt wird jedoch - wie bei der dargestellten Ausführungsform - zur Ausbildung eines Schalldämpfers im Inneren des Auslassrohres 4 eine weitere Strömungsumlenkung geschaffen, indem ein Endrohr 6 koaxial eingesetzt wird, welches die Stirnwand 3 zur Bildung eines Auspuffs durchsetzt und in einem Abstand von der Stirnwand 2 endet. Die Innenseite des Auslassrohres 4 und die Aussenseite des Endrohres 6 sind mit einem schalldämmenden Belag 7 versehen.
In der Nähe der Stirnwand 2 mündet in das Resonatorgehäuse 1 ein Einlassstutzen 8, der an seinem freien Ende mit einem Flansch 9 zum direkten Anflanschen an die (nicht dargestellte) Zylinderauslassöffnung einer 2-Takt-Verbrennungskraftmaschine ausgestattet ist. Der Einlassstutzen 8 mündet tangential (siehe Fig 2) und bevorzugt unter einem spitzen Winkel zur Längsachse des Resonatorgehäuses 1 (siehe Fig 3) in den Ringraum zwischen Resonatorgehäuse 1 und Auslassrohr 4. In diesem Ringraum ist eine wendelförmige Leitwand 10 (Fig. 1) angeordnet, die sich - in Strömungsrichtung vom Einlassstutzen 8 bis zu den Öffnungen 5 des Auslassrohres 4 gesehen gegen den Uhrzeigersinn um das Auslassrohr 4 windet. Der Einlassstutzen 8 mündet direkt in den ersten Gewindegang 11. Zwischen diesem und der Stirnwand 2 befindet sich ein unbenützter Totraum 12.
An dem den Öffnungen 5 des Auslassrohres 4 zugewandten Ende läuft die Leitwand 10 unter einem Winkel auf die Stirnwand 3 auf.
Die Ganghöhe h der wendeiförmigen Leitwand 10 erhöht sich in einem ersten Axialabschnitt 13 kontinuierlich vom Einlassstutzen 8 weg, bleibt in einem zweiten Axialabschnitt 14 konstant und verringert sich in einem dritten Axialabschnitt 15 zwangsläufig durch das Auflaufen auf die Stirnwand 3. Dadurch erweitert sich der wirksame Strömungsquerschnitt kontinuierlich im Abschnitt 13, bleibt im Abschnitt 14 konstant und verringert sich wieder im Abschnitt 15. Die Abschnitte 13 bis 15 entsprechen daher dem Diffusorabschnitt, Zwischenabschnitt und Reflektorabschnitt herkömmlicher Resonanzschalldämpfer mit axialer Durchströmung, benötigen aber wesentlich weniger Einbaulänge, weil sie wendelförmig um das Auslassrohr gewickelt sind.
Alternativ kann der Abschnitt 14 entfallen und/oder die Ganghöhe h im Abschnitt 15 bereits vor dem Auflaufen auf die Stirnwand allmählich verringert werden. Unterstützend kann im Abschnitt 13 zusätzlich der Aussendurchmesser D des Resonatorgehäuses fortschreitend erhöht werden, wie es in der Ausführungsform der Fig. 4 dargestellt ist, und/oder im Abschnitt 15 fortschreitend verringert werden. Allgemein gesprochen stehen zwei Parameter zur Beeinflussung des Strömungsquerschnittes in den Abschnitten 13,14 und 15 zur Verfügung, u. zw. die Ganghöhe h und der Durchmesser D.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform für den vertikalen Einbau, beispielsweise unterhalb des Motors einer Motorsense, mit kurzer Baulänge und grossem Aussendurchmesser. Bei der Ausführungsform der Fig. 6, bei welcher der Ringraum zwischen Auslassrohr 4 und Resonatorgehäuse 1 in der Zeichnung von rechts nach links durchströmt wird, wird auf die zweifache Umlenkung im Inneren des Auslassrohres 4 verzichtet, so dass Raum für den Einbau eines herkömmlichen Katalysators
16 im Auslassrohr 4 zwischen den Öffnungen 5 und dem Endrohr 6 geschaffen wird
In den Fig. 7 und 8 ist eine alternative Ausführungsform speziell für hochdrehende Motoren dargestellt, für welche auf die ausdrückliche Anordnung einer Leitwand 10 verzichtet werden kann, wobei das Funktionsprinzip aber unverändert bleibt.
Durch die tangentiale Anordnung des Einlassstutzens 8 und die koaxiale, das Resonatorgehäuse 1 durchsetzende Anordnung des Auslass- rohres 4 stellt sich zwangsläufig eine wendelförmige Strömung der Abgase um das Auslassrohr 4 in Richtung auf die Öffnungen 5 ein. Die Erweiterung des Strömungsquerschnittes im Abschnitt 13 und die Verringerung im Abschnitt 15 wird durch eine entsprechende Erweiterung bzw. Verringe- rung des Aussendurchmessers D des Resonatorgehäuses unterstützt.
Es ist aber zu beachten, dass diese Massnahme nur unterstützend und nicht zwingend ist, weil sich durch die allmähliche
Umlenkung der im wesentlichen kreisförmigen Strömung im Einspeisebereich des Einlassstutzens
8 zu der im wesentlichen wendelförmigen Strömung im Zwischenabschnitt 14 von selbst eine Vergrösserung des effektiven Strömungsquerschnittes im Abschnitt 13 ergibt, und umgekehrt im
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Bereich des Auflaufens der wendelförmigen Strömung auf die Stirnwand 3 eine entsprechende Verringerung. Wird auf die Aussendurchmesserveränderung verzichtet, beträgt der Resonanzeffekt immer noch ca. 65%, wenn der Resonanzeffekt der optimalen Bauform mit 100% angesetzt wird.
Diese Ausführungsform ohne wendelförmige Leitwand 10 eignet sich vor allem für 2-TaktMotoren mit Umdrehungszahlen von 15. 000 bis 30.000 U/min, wogegen für geringere Drehzahlen die Ausführungsform mit Leitwand vorzuziehen ist.
Bei einer gegebenen Betriebsdrehzahl kann mit der vorgestellten Konstruktion die Einbaulänge eines Resonanzschalldämpfers auf mindestens 1/3 bis ca. 1/10 der Länge herkömmlicher Resonanzschalldämpfer mit axialer Durchströmung reduziert werden (siehe z. B. Fig. 5).
PATENTANSPRÜCHE:
1. Kombinierte Resonator- und Schalldämpferanlage für 2-Takt-Verbrennungskraftmaschi- nen, mit einem Resonator mit drehsymmetrischem Gehäuse (1), in das ein Einlassstutzen (8) mündet und das seinerseits in ein einen Schalldampfer enthaltendes Auslassrohr (4) mündet, wobei das Resonatorgehäuse (1) in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend einen divergierenden Diffusorabschnitt (13), gegebenenfalls einen Zwischenabschnitt (14) gleich- bleibenden Strömungsquerschnittes, sowie einen konvergierenden Reflektorabschnitt (15) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassrohr (4) das Resonatorgehäuse (1) koaxial durchsetzt und der Einlassstutzen (8) tangential in den Diffusorabschnitt (13) mün- det.