DE10155311A1

DE10155311A1 - Mehrwegschaltelement

Info

Publication number: DE10155311A1
Application number: DE2001155311
Authority: DE
Inventors: Horst Wagner
Original assignee: EMICO EMISSION CONTROL SYSTEMS
Current assignee: EMICO EMISSION CONTROL SYSTEMS
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-28

Description

Die Erfindung betrifft Mehrwegeschaltelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In die Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren werden zukünftig vermehrt Schaltelemente integriert werden, mit dem Zweck, Rohre und Volumina zu verschließen oder anzukoppeln, damit die akustischen Eigenschaften des Systems im Betrieb verändert und damit an die Schallquelle angepasst werden können, wenn diese in Abhängigkeit ihres Betriebszustandes dauernd ändernde Geräuschspektren erzeugt. Bei durchströmten Rohren werden durch den Einsatz von Schaltelementen Strömungsquerschnitte geöffnet oder geschlossen, um den jeweiligen Abgasgegendruck des Systems an die Motorleistungscharakteristik anzupassen. Auf der Ansaugseite kann das Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich mittels Längenänderung der Saugrohre stark beeinflusst werden. für diesen Anwendungsfall werden zunehmend Schaltsaugrohre eingesetzt.
In Abhängigkeit der Saugrohrlängen und der Drehzahl müssen auch spezielle akustische Resonanzen z. B. mittels Helmholtzresonatoren bedämpft werden. Auch im technischen Schallschutz werden bei der Auslegung von Industrieschalldämpfern bereits vereinzelt Schaltelemente verwendet.
Die Steuerung dieser Schaltelemente ist unterschiedlich konzipiert: Teils werden Druckdifferenzen innerhalb des Systems oder die Druckdifferenz gegenüber der Atmosphäre benutzt.
Eine andere Lösung ist die Steuerung von außen über entsprechend abzugreifende Parameter der Geräuschquelle (z. B. Drehzahl, Lastzustand bei Verbrennungsmotoren). Gleiches gilt auch für die benötigte Energie zur Betätigung/Verstellung des Schaltelement. Diese kann durch Energiezuführung aus dem System selbst (wie z. B. Gegendruck) oder mittels Fremdenergie wie z. B. durch Stellmotor, elektromagnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch erfolgen.
Als Schaltelemente werden überwiegend Klappen oder Ventile verschiedener Bauarten eingesetzt.
Allen gemeinsam ist, dass nur ein Einwegesystem gebildet werden kann (z. B. Klappe zu: Rohrquerschnitt verschlossen, Klappe geöffnet: Rohrquerschnitt offen).
Um mehrere Komponenten eines akustischen Gesamtsystems schalten zu können, muss dafür die entsprechende Anzahl von Schaltelementen eingesetzt werden.
Während die Mehrkosten für ein geschaltetes System mit einem einzigen Schaltelement noch durch die deutlich verbesserte Funktion des Gesamtsystems kompensiert werden können, gilt dies nicht mehr für die Verwendung von mehreren Schaltelementen in einer Anlage.
Jedoch sind gerade hierfür vielfältige Anwendungsmöglichkeiten gegeben, da z. B. mit mehreren Schaltelementen je nach dem sich verändernden Geräuschspektrum der Schallquelle verschiedene einzeln abgestimmte akustische Komponenten gleichzeitig oder nacheinander angekoppelt oder abgekoppelt werden könnten.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schaltelement zu schaffen, das gleichzeitig oder hintereinander mehr als einen angeschlossenen Querschnitt ganz oder partiell öffnet oder verschließt.
Dieses Problem wird durch verdrehbare Lochscheiben mit den in den Ansprüchen 1 bis 8 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass durch Verdrehen der mit geometrisch abgestimmten Öffnungen versehenen Scheibe vorher abgedeckte Querschnitte, wie z. B. ein angeschlossenes Rohrende oder Öffnungen in einer Zwischenwand, geöffnet werden können. Gleichzeitig wird durch die Drehung ein bisher geöffneter Querschnitt durch die Scheibe abgedeckt. Durch Weiterdrehen können weitere angeschlossene Querschnitte jeweils abgedeckt oder geöffnet werden, und zwar ganz oder partiell.
Durch dieses System lassen sich für den jeweiligen Betriebszustand passend ausgelegte verschiedene Einzelkomponenten und Rohrquerschnitte ankoppeln oder verschließen. Dadurch kann für die Akustik ein optimaler Dämpfungsverlauf konzipiert werden, da alle Komponenten mit nur einem einzigen Schaltelement mit gegebenenfalls mehreren Lochscheiben geschaltet werden.
Die akustischen Bauteile können z. B. Schalldämpferkammern, Interferenzrohre, Lambda-Viertel-Rohre oder Helmholtzresonatoren sein.
Des weiteren ist es möglich, definiert zusätzliche Strömungsquerschnitte oder spezielle Bypassleitungen mit einem Schaltelement gleichzeitig freizuschalten oder zu verschließen.
Ganz allgemein kann gesagt werden, dass durch diese Erfindung die Wirksamkeit geschalteter Elemente auf mehrere gleichzeitige oder hintereinander wirkende Funktionen ausgeweitet werden kann und dadurch geschaltete Systeme wesentlich effektiver genutzt werden können.
In Fig. 1 als Längsschnitt und Fig. 2 als Querschnitt entlang der Linie II-II wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Abgasschalldämpfers für Verbrennungsmotoren mit einer einzigen Lochscheibe dargestellt.
In Nullstellung strömt das Abgas durch ein Eingangsrohr 1 und durch eine drehbare Lochscheibe 2 in eine Umlenkkammer (3).
Die Lochscheibe 2 gibt nur ein Rückströmrohr 4 frei.
Durch den kleinen Rückströmquerschnitt werden tiefe Frequenzen, die bei niedrigen Motordrehzahlen dominieren, stark bedämpft.
Das Abgas wird in die eine Austrittskammer 5 geführt und strömt durch ein Ausgangsrohr 6 aus dem Schalldämpfer 0 hinaus.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen die gelochte Scheibe 2 in drei aufeinanderfolgenden Stellungen.
In Fig. 3 koppelt die Lochscheibe 2 durch Verdrehung zusätzlich einen Helmholtzresonator 7 mit dem zugehörigen Volumen 8 an. Der Helmholtzresonator ist in Funktion.
In Fig. 4 ist das Helmholtzrohr 7 wieder geschlossen und stattdessen ein Bypassrohr 9 geöffnet. Dadurch kann das Abgas gegendrucksenkend über beide Rohre 1, 4 zum Ausgangsrohr 6 strömen.
Die Lochscheibe 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer zentrischen Welle 10 versehen, die an der Schalldämpferzwischenwand 13 und am Endboden des Gehäuses 0 gelagert ist. Der Verstellmechanismus 11 ist außen angeordnet und kommt mit dem Abgas nicht in Berührung.
In Fig. 6 als Längsschnitt und den Fig. 7, 8 und 9 als Querschnitte entlang der Linien VII- VII, VIII-VIII und IX-IX wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines geschalteten Abgasschalldämpfers mit drei mittels gemeinsamer Welle 10 betätigten Lochscheiben 2.1, 2.2, 2.3 dargestellt.

Phase 1

Lochscheiben 2.1, 2.2, 2.3 befinden sich in Nullstellung.
Das Abgas strömt durch das Eingangsrohr 1 in eine Umlenkkammer 3, von dort über das Bypassrohr 9 in die Austrittskammer 5 und über ein erstes Ausgangsrohr 6.1 in die Atmosphäre.
Gleichzeitig ist über das Helmholtzrohr 7 ein Helmholtzvolumen 8 angeschlossen. Die erste Lochscheibe 2.1 verschließt in Nullstellung die Öffnung in der Zwischenwand 12 vor der Helmholtzkammer. Ebenso bleiben die Öffnung in der Zwischenwand 13 vor der Austrittskammer 5 durch die zweite Lochscheibe 2.2 und ein zweites Ausgangsrohr 6.2 durch die dritte Lochscheibe 2.3 während der Nullstellung verschlossen. Somit ist die akustische Wirksamkeit sowohl des Helmholtzresonators 7, 8 als auch durch tieffrequente Kammer- und Querschnittsabstimmung gegeben.
Alle drei Lochscheiben sind auf einer gemeinsamen Welle 10 befestigt, die über den Verstellmechanismus 11 gedreht wird.

Phase 2

Alle drei Lochscheiben 2.1, 2.2, 2.3 sind um 90° gegen Nullstellung gedreht. Das Helmholtzvolumen 7, 8 wird über die Öffnung in der Zwischenwand 12 durch den freien Querschnitt in der ersten Lochscheibe 2.1 als zusätzliches Dämpfungsvolumen zugeschaltet. Alle anderen Querschnitte bleiben wie in der Nullstellung verschlossen. Man vergleiche Fig. 6.

Phase 3

Alle drei Lochscheiben 2.1, 2.2, 2.3 sind um 180° gegen Nullstellung gedreht. Zusätzlich wird dadurch die Bypassöffnung in der Zwischenwand 13 durch die zweite Lochscheibe 2.2 geöffnet. Der Abgasgegendruck wird reduziert und Umlenkkammer 3 und Austrittskammer 5 zu einem akustischen Volumen zusammengefasst. Man vergleiche Fig. 7.

Phase 4

Alle drei Lochscheiben 2.1, 2.2, 2.3 sind um 270° gegen Nullstellung gedreht. Zusätzlich wird dadurch die Öffnung vor dem zweiten Ausgangsrohr 6.2 ebenfalls geöffnet, so dass bei weiter reduziertem Gegendruck ohne durch zu kleine Auslassquerschnitte verursachte Strömungsgeräusche der volle Gasdurchsatz ermöglicht wird. Man vergleiche Fig. 8. Bezugszeichenliste 0 Schalldämpfergehäuse
1 Eingangsrohr
2 Lochscheibe als Mehrwegeschaltelement
2.1 Lochscheibe 1 (Helmholtzdurchströmung)
2.2 Lochscheibe 2 (Bypass-Öffnung)
2.3 Lochscheibe 3 (für Ausgangsrohr 6.2)
3 Umlenkkammer
4 Rückströmrohr
5 Austrittskammer
6 Ausgangsrohr
6.1 Ausgangsrohr 1.
6.2 Ausgangsrohr 2
7 Helmholtzrohr
8 Volumen
9 Bypassrohr
10 Scheibenwelle
11 Verstellmechanismus
12 Zwischenwand vor Helmholtzkammer
13 Zwischenwand vor Austrittskammer

Claims

1. Mehrwegeschaltelement zur Beeinflussung der Akustik von Ansaug- oder Auspuffanlagen für pulsierende Gase, die im wesentlichen ein Gehäuse (0), gasführende Rohre (1, 4, 6, 6.1, 6.2, 7, 9) und gegebenenfalls Zwischenwände (12, 13) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass es aus wenigstens einer gelochten Scheibe (2; 2.1, 2.2, 2.3) besteht, die zentrisch oder exzentrisch um eine Achse (10) drehbar ist und dabei gleichzeitig oder nacheinander Öffnungen in den Zwischenwänden (12, 13) und/oder Rohren (1, 4, 6, 7, 9) für die Gase definiert partiell oder völlig öffnet oder verschließt.

2. Mehrwegeschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gelochte Scheiben (2.1, 2.2, 2.3) auf einer Welle (10) befestigt sind.

3. Mehrwegeschaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochungen in der/den Scheiben (2; 2.1, 2.2, 2.3) als Bohrungen, Langlöcher und/oder Sektoren ausgebildet sind.

4. Mehrwegeschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gelochten Scheiben (2; 2.1, 2.2, 2.3) kreisrund, oval, kreissektorförmig oder polygonal geformt ist/sind.

5. Mehrwegeschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben aus mehreren Einzelteilen bestehen, die verstellbare Lamellen bilden.

6. Mehrwegeschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben aus mehreren Einzelteilen bestehen, die eine Art Rolle bilden.

7. Mehrwegeschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Antrieb der Scheiben (2; 2.1, 2.2, 2.3) ein Schrittmotor (11) vorgesehen ist.

8. Mehrwegeschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Antrieb der Scheiben (2; 2.1, 2.2, 2.3) ein Schub-Kurbel-Getriebe vorgesehen ist.